研磨加工的特點和應用方法

■中車北京南口機械有限公司 （北京 102202） 鄭文虎 馬驍驊

研磨加工是一種傳統的精密和光整加工工藝方法，利用附著和壓嵌在研具表面上的游離細微磨粒，借助于研具與工件一定的壓力和相對運動，從工件表面上切除極微小的切屑，使工件獲得極高的尺寸和形狀精度以及極低的表面粗糙度值，從而廣泛應用于精密和超精密加工。

1. 研磨加工的特點

研磨加工具有以下特點。

1）可以通過研磨獲得極高的加工精度，工件表面粗糙度值可達Ra＝0.006～0.1μm，并可以進行表面粗糙度值Ra＝0.1μm的微量切削。

2）可以使偶件配研表面獲得極精密的配合。

3）研磨在低速、低壓力下進行，產生熱量很小，工件表面不產生變質層，從而質量較好。

4）研磨裝置和研磨機床的結構較為簡單，既適用于單件手工生產，也適用于成批機械生產。手工研磨的加工精度依靠與工件精度相適應的研具精度和工人的操作技術來保證；機械研磨的加工精度也是依靠精密的研具、合理的運動軌跡與正確的操作方法來保證。

5）在研磨過程中，較硬的磨料磨粒容易嵌入較軟的工件表面，進而影響工件的使用壽命和光學特性。

6）研磨加工效率低。研具材料一般較軟，易磨損，應及時修復，以保證研具應有的精度。

2. 研磨可加工的材料與型面

研磨可以加工各種鋼（包括淬火鋼）、鑄鐵、銅及硬質合金等金屬材料，也可加工陶瓷、寶石、半導體、玻璃及塑料等非金屬材料。加工的工件表面形狀有內外圓柱面和圓錐面、平面、凸凹面、內外球面、螺紋及齒輪等。

3. 研磨原理

研磨時，在研具和工件表面之間加入適量研磨劑，在一定的壓力作用下，進行往復運動和旋轉的復合運動，或旋轉和行星運動的復合運動，使研磨劑中的磨粒在研具和工件表面之間進行滑擦或滾動，進行微量切削。由于磨料的磨粒很細微，因此只能切削極薄的工件材料層，使工件表面得到極小的網狀運動軌跡，從而使工件得到極高的表面質量和加工精度。按研磨劑的使用條件，可分為濕研（即敷砂研磨，見圖1）、干研（即嵌砂研磨）和 半干研（即糊狀研磨膏研磨）。

圖1 濕研過程示意

4. 研磨能達到的加工精度

研磨是在良好的預加工基礎上，對工件進行表面粗糙度值Ra＝0.01～0.1μm的微量切削，并微量進給，這是其他加工方法難以實現的，因此可以獲得比其他機械加工方法高幾倍的加工精度和表面質量。精度可達0.025μm，工件表面粗糙度值可達R a＝0.006μ m。一般機械加工方法是遵循“復制加工”，而研磨卻是“創制加工”貫穿于始終，在此過程中使研具和工件的精度同時提高，并高于研具的原始精度。

5. 研磨劑

研磨劑由磨料、研磨液和輔助填料混合組成。根據研磨方法和工件材料的不同，可制液態研磨劑、研磨膏和固態研磨劑。而磨料是研磨劑的基本成分，其性能優劣和選擇合理與否，直接影響研磨效率與質量。

（1）磨料 常用的磨料有剛玉類、碳化硅類、碳化硼、金剛石和立方氮化硼。精研時，為了進一步降低工件表面粗糙度值，還采用氧化鐵、氧化鉻和氧化鈰等軟磨料。在研磨一般鋼件時，采用剛玉磨料；研磨鑄鐵、硬質合金、寶石和陶瓷等硬脆材料時，采用碳化硅或碳化硼磨料；研磨硬質合金、陶瓷、寶石和光學玻璃時，應選用金剛石磨料；研磨高速鋼和模具鋼時，應選用立方氮化硼磨料。磨料粒度的選擇，和研磨效率與工件表面粗糙度值有直接關系。粒度粗則效率高，表面粗糙度值Ra大；反之則效率低，表面粗糙度值Ra小。粒度一般選用W0.5～W40，這時表面粗糙度值Ra＝0.006～0.4μm。

（2）研磨液 在研磨過程中，研磨液起著冷卻與潤滑作用，并使磨料的磨粒均勻地分布在研具表面上。鋼粗研時，用N15全損耗系統用油；精研時，用N15全損耗系統用油1份、煤油3份，汽輪機油或錠子油少量，加輕質礦物油或變壓器油。研磨鑄鐵用煤油；研磨銅用動物油加少量錠子油或植物油；研磨淬火鋼、不銹鋼用植物油、汽輪機油或乳化液；研磨金剛石用橄欖油、圓度儀油或蒸餾水；研磨硬質合金用汽油；研磨金、銀和白金用酒精；研磨玻璃和水晶用水。

（3）輔助填料 輔助填料在研磨過程中，起吸附和提高加工效率的作用。常用的由硬脂酸或油酸、脂肪酸和工業甘油等主要成分按比例調制而成。

（4）研磨劑的配制 液態研磨劑在濕研時用煤油、混合脂加磨料微粉，配比不嚴格，濃度（質量分數）約取30%～40%。微粉較細且機床自動供給時，濃度減小。干磨時，采用磨料微粉15g、混合脂8g、航空汽油200ml和煤油35g，浸泡一周使用；研磨膏含磨料微粉20%～50%、油酸25%～30%及混合脂18%～30%，有時在極細微粉研磨時加凡士林約15%；固體研磨劑（研磨皂）是用來提高工件表面光澤的，其配方是氧化鉻57%、石蠟21.5%、蜂蠟21.5%、硬脂酸混合脂11%和煤油7%。

圖2 研磨運動軌跡

6. 研具的作用與材料

（1）研具的作用 研具是研磨加工的成形“模型”，在一定程度上把本身的幾何形狀精度復制給工件。它是研磨劑的載體，用以涂敷和鑲嵌磨料，在它與工件的相對運動中，對工件進行加工，使工件獲得正確的加工精度和表面質量。研具必須有溝槽，能貯存磨料和防止多余磨料的堆集；必須具有一定的幾何形狀精度、足夠的剛度，材質緊密而無雜質、硬度均勻。

（2）研具材料 鑄鐵適用于研磨各種材料；軟鋼適用于研磨小直徑的螺紋和小孔；黃銅和紫銅適用于粗研和寶石研磨；硬木適用于研磨銅和軟金屬；錫和鉛適用于提高工件表面質量的場合，因為它本身很軟，不能改變工件形狀。

7. 研磨運動軌跡與參數

（1）研磨運動軌跡 如圖2所示，研磨運動軌跡有直線往復式、正弦曲線式、圓環線式和內外擺線式等。

（2）研磨壓力 濕研壓力為10～25MPa，干研壓力為1～15MPa，精研取小值。

（3）研磨速度 研磨效率與研磨速度成正比。濕研研磨速度為20～100m/min，干研為10～20m/min。若工件精度高、工件材料軟，則取小值。

（4）研磨余量 內孔為0.01～0.03mm（直徑上的余量），外圓為0.005～0.01mm，平面為0.005～0.01mm。

（5）需要注意的問題 研磨劑一定要保存好，避免灰塵落入；在更換不同粒度的研磨劑時，一定要把工件和研具上原有的研磨劑用煤油清洗干凈，以免劃傷工件表面；研磨環境應無塵。

8. 結語

研磨加工是一種精密和超精密加工工藝，加工表面粗糙度值極低。隨著科技的高速發展，對產品質量的要求也越來越高，在局部精加工領域，研磨具有其他切削方法不可取代的優勢，彰顯出了它在高精度和高表面質量工件加工中的特殊意義。