鋁合金平面研磨精度及產(chǎn)生劃痕的研究
研磨是一種重要的精密機械加工工藝，目前在我國的量具、儀器、機床、航空以及汽車零部件等各行業(yè)的制造、裝配和修理工作中應(yīng)用非常廣泛。研磨時利用磨具和磨料的相對運動，從工件表面去掉一層極薄的金屬，從而使金屬表面達到較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度和幾何誤差的加工方法。由于平面研磨具有加工成本低、表面質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點，因而在批量生產(chǎn)中得到了推廣和應(yīng)用，成為生產(chǎn)加工中的一種重要方法。在平面研磨的過程中，磨料的特性、研磨液配比、磨盤平面度、旋轉(zhuǎn)速度、頂盤壓力以及現(xiàn)場環(huán)境等因素，對產(chǎn)品研磨表面質(zhì)量都有影響。而研磨面的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和成本。本文通過試驗分析方法，從不同角度研究產(chǎn)生研磨劃痕的原因和影響平面度達不到精度要求的因素。
1 平面研磨機的工作原理
行星式平面研磨運動是見的用于平面研磨機構(gòu)中的方式，如圖1所示。大多數(shù)情況下是研磨盤以設(shè)定的轉(zhuǎn)速主動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速是已知的，工件由壓頭工裝壓向磨盤，壓頭限制了工件的移動，懸浮在磨盤的上表面，靠研磨切削力帶動工件并隨磨盤轉(zhuǎn)動，從而得到所需表面質(zhì)量的研磨產(chǎn)品。
行星輪的自轉(zhuǎn)是通過工件中心與磨盤中心之間的距離隨時間周期性變化的。這種研磨方式，工件轉(zhuǎn)速不等于研磨盤轉(zhuǎn)速，其值隨研磨盤轉(zhuǎn)速的增大而基本成線性增大，但其與磨盤轉(zhuǎn)速之比卻隨磨盤轉(zhuǎn)速的增大而下降。
2 研磨劃痕與平面度精度問題分析及試驗
在研磨鋁合金工件時，被磨表面出現(xiàn)了很深的劃痕（如圖2所示），該劃痕在合格產(chǎn)品驗收中是不可接受的。同時，被研磨表面的平面度要素，也有很多超差及不穩(wěn)定現(xiàn)象。如圖3，通過三坐標測量出的零件被磨表面的平面度大部分離超差線（8μm）很近，并且有很多零件因平面度精度達不到要求直接導(dǎo)致報廢。
為了解決以上問題，分別針對性地進行試驗分析，試驗?zāi)チ喜捎锰蓟柩心シ酆退鶓腋?。研磨液中粉、油、水的比例?：1：10，并排除研磨液和其他因素的影響。
2.1 研磨劃痕產(chǎn)生的原因及試驗分析
工件研磨后，出現(xiàn)了兩類劃痕：一類是軌跡規(guī)整平滑（圖2中a處）；另一類則是在個別樣件中出現(xiàn)了雜亂無章的細碎劃痕（圖2中b處）。其中，類劃痕是符合零件與磨盤相對運動的軌跡，且劃痕寬度與深度均大于研磨液中研磨粉末的顆粒尺寸。所以，這種劃痕不是由研磨液中研磨粉末造成的，而是由磨屑和雜質(zhì)顆粒造成。這些磨屑在研磨時不易折斷，研磨液也不能及時從工件表面上沖走，從而隨研磨粉一起嵌入被磨表面，通過磨盤和零件的相對運動，在表面劃出較深的溝痕。這種表面劃傷，導(dǎo)致了工件需要返修或直接報廢，生產(chǎn)的進度和節(jié)拍被嚴重滯后。所以，在生產(chǎn)中要盡量避免這種磨屑的混入，并保證在研磨過程中能夠?qū)⑵浼皶r排除。而另一種是由于研磨粉敷散不均勻而導(dǎo)致的細碎劃痕，對產(chǎn)品無嚴重影響。為分析磨屑對研磨面產(chǎn)生的影響大小，在保證其他條件不變時，通過固定轉(zhuǎn)速和固定壓力進行試驗，如表1為轉(zhuǎn)速壓力試驗及結(jié)果。
固定轉(zhuǎn)速試驗：當(dāng)壓力小時，磨屑劃入工件的深度較淺，但不易排除，容易隨研磨液附著在研磨表面，產(chǎn)生的劃痕數(shù)量相對較多；當(dāng)壓力大時，磨屑劃入工件的深度較深，大部分磨屑通過排屑槽被擠壓排除，產(chǎn)生的劃痕數(shù)量相對較少。所以，在壓力較小的情況下，造成多而淺的劃痕；而壓力增大時，造成了少量但較深的劃痕。
固定壓力實驗：當(dāng)轉(zhuǎn)速低時，劃痕多；轉(zhuǎn)速高時，劃痕少。這是因為轉(zhuǎn)速低時，零件與研磨盤相對運動速度較慢，零件對研磨液中的磨屑顆粒沖擊相對小一些，磨屑較易附著于研磨表面，且不易脫落；轉(zhuǎn)速提高后，零件與研磨盤相對速度高，零件對磨屑顆粒的沖擊也隨之增大，磨屑容易脫落，因而劃痕相對少一些。通過研磨試驗及其效果的對比，其轉(zhuǎn)速和表面壓力對研磨表面產(chǎn)生劃痕有一定影響，但不是產(chǎn)生劃痕的根本原因，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和壓力無法從根本上解決劃痕問題。其根本原因是：研磨過程中產(chǎn)生的磨屑顆粒對研磨表面的劃傷，但磨屑顆粒在研磨過程中又是一個無法避免的問題。只能從它產(chǎn)生的根源處進行預(yù)防，以及在研磨過程中及時地將產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒進行排除，從而獲取質(zhì)量較高的研磨表面。其磨屑顆粒主要來源于零件自身磨削脫落、零件表面黏附、研磨液中混入以及外界環(huán)境混入等方面，除了零件自身磨削脫落外，其他因素在生產(chǎn)中都可盡量避免。而維護設(shè)備，及時將排屑槽清理干凈，使盤面保證一個較好平坦度會有助于磨盤排屑。
2.2 影響平面精度的主要因素及修盤工藝
被研磨表面的面形精度的好壞，直接決定著產(chǎn)品的品質(zhì)，對裝配和使用影響極大，而研磨工藝中平面度的不可控，直接影響到量產(chǎn)質(zhì)量，對產(chǎn)能來說，是致命硬傷。通過實際的生產(chǎn)經(jīng)驗和測量跟蹤結(jié)果顯示（如表2），工件的平面度變化直接受到研磨盤平面度變化影響，是決定工件表面精度的重要因素。因為研磨盤經(jīng)過一段時間研磨后，由于磨損強度不均勻會導(dǎo)致磨盤不平整，就造成同批次的產(chǎn)品，在研磨后平面度的質(zhì)量參數(shù)不一致。
因此，需要對研磨盤進行相應(yīng)的修整，讓磨盤表面保持在較平整的水平進行研磨加工。而盤面平面度變化無法通過人的肉眼觀察，需要操作者定期通過平面度儀，對盤面的平面度進行一個比較測量，來評價掌握磨盤表面的質(zhì)量好壞。而當(dāng)盤面平面度變化到一定程度時，就必須對磨盤進行修盤，否則，研磨出的產(chǎn)品平面度數(shù)值就會如圖3那樣不可控。修盤時，磨盤的直徑越大，盤面修平的困難度就越大。所以，磨盤的大小選擇，應(yīng)在保證產(chǎn)能的情況下，盡可能小，從而方便修盤。修盤可通過調(diào)整設(shè)備機構(gòu)擋架，來調(diào)節(jié)擋環(huán)的重心位置，對磨盤修盤。通過修盤經(jīng)驗的總結(jié)，平面度儀測量出的盤面為凸時，將擋環(huán)重心靠近磨盤回轉(zhuǎn)中心，內(nèi)移修盤；當(dāng)盤面為凹時，將擋環(huán)重心遠離磨盤回轉(zhuǎn)中心，外移修盤。由于在批量生產(chǎn)中，研磨零件數(shù)量多，盤面的平面度變化很快。因而在修盤時，既要保證質(zhì)量，還要盡量減少修盤的時間耗費。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，主要從以下兩個方面著手：一是生產(chǎn)保持磨盤的均勻磨損；二是加壓修盤（如圖4）可大幅減少修盤時間。保證每次研磨產(chǎn)品前，磨盤的平面度穩(wěn)定在一個較好的水平，確保加工質(zhì)量。
生產(chǎn)完畢后，通過制定科學(xué)的修盤工藝，維持研磨盤的平面度在一定的水平（平面度在5μm左右）進行生產(chǎn)，對現(xiàn)場批量生產(chǎn)的質(zhì)量非常重要。當(dāng)盤面受控時，被磨表面的平面度數(shù)據(jù)也表現(xiàn)得非常好，如圖5所示。
3 均勻磨損理論
據(jù)preston方程，磨具的磨損量與接觸區(qū)壓強、工件和磨具的相對運動速度以及加工時間有關(guān)，即：
式中：△v為磨具磨損量，α為磨具和工件材料、研磨工藝參數(shù)等有關(guān)的比例系數(shù)；p為零件與磨具表面的接觸區(qū)壓強；v為磨具與工件間的相對運動速度；t為加工時間。因此，根據(jù)preston方程，磨盤與工件間接觸區(qū)的壓強分布和相對運動速度是影響磨盤均勻磨損以及保證磨盤和工件面形精度的主要因素。
通過對磨盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整、加工時增大偏心距或?qū)ΨQ分布研磨，保證零件與磨盤接觸區(qū)域的壓強均勻分布。使磨盤面與被磨表面穩(wěn)定接觸并保持平行，使參與研磨的每個工件在不同時刻所承擔(dān)的載荷均勻，有利于磨盤的均勻磨損。而且，兩接觸面之間的相對運動速度與磨盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在研磨過程中,磨盤以已知的轉(zhuǎn)速主動旋轉(zhuǎn),工件浮在它的上面,靠研磨切削力帶動并隨磨盤轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速是未知的。在研磨的過程中，磨料和磨屑會在旋轉(zhuǎn)過程中隨研磨液一起甩出，新的研磨液作為補充又不斷注入。所以，可以通過適當(dāng)增加研磨壓力和轉(zhuǎn)速來提高加工效率。具體的工藝參數(shù)，需要針對特定的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中按照科學(xué)的方法進行摸索總結(jié)，是長期的經(jīng)驗累積，與工藝條件和操作者的技藝有著密切關(guān)系。