超精加工方法和應用

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1 序言

超精加工是一種對工件表面光整和精整的加工方法。它可以在很短的時間內，將工件從一般磨削后的表面粗糙度值R a=0.2～0.4μm，降低到R a=0.012～0.050μm，消除磨削中的缺陷和變質層，使工件的使用壽命提高幾倍，因而廣泛應用于各種材料和精密零件的最終加工中。

2 超精加工的原理和特點

2.1 超精加工的原理

超精加工是采用磨料為微粉的油石，在一定的壓力作用下，以短行程的往復運動，對工件表面進行微量磨削，如圖1所示，其中F為壓力，A為油石振幅，vc為工件速度，vf為縱向進給速度。

圖1 超精加工工作原理

超精加工廣泛應用于內燃機曲軸、凸輪軸、刀具、軋輥、軸承滾道和滾子、精密量具及電子儀器等精密零件的加工，能對鋼、鑄鐵、磷青銅、鋁、玻璃、花崗巖、硅和鍺等材料進行加工，能加工外圓、內圓、平面、球面、圓弧面和特殊輪廓面。

2.2 超精加工的特點

與磨削加工相比，超精加工具有以下特點：①超精加工能顯著提高工件表面質量，可使工件的使用壽命提高5倍左右。②超精加工后的工件在裝配運轉后噪聲大幅減小，振動減小，運轉平穩。③磨削加工去除余量為0.01mm左右，而超精加工去除余量為0.001mm以下，尺寸分散度小且穩定。④磨削加工的工件表面有微觀尖峰，加工紋理為直紋（見圖2a），當工件運轉時，難存潤滑油，還會產生燒傷。而超精加工表面沒有尖峰，加工紋理為交叉網紋（見圖2b），易存潤滑油和形成潤滑膜，工件不易磨損。⑤超精加工時間短，只需幾秒到十幾秒，加工效率是高精度鏡面磨削的幾十倍。⑥超精加工所用設備簡單，易于實現自動化和標準化，表面粗糙度值Ra可達0.006～0.05μm。

圖2 磨削表面與超精加工表面的比較

3 超精加工方法

超精加工各種工件內外表面，工件在夾具中的定心方式可分為無定心和有定心兩種。根據進給方式可分為軸向進給、切入進給和圓周進給。

3.1 超精加工外圓

圖3a所示為加工小直徑圓柱體外圓，工件在導輥上旋轉并做軸向進給運動，導輥近似雙曲線體且較長，無級變速傳動。圖3b所示也是加工圓柱體外圓，工件在圓柱導輥上旋轉，無軸向進給，可加工階梯軸和大直徑工件。圖3c、3d所示分別為采用軸向進給和雙頂尖定位，加工較長、直徑較大的圓柱體和圓錐體工件。

圖3 超精加工外圓

3.2 超精加工軸承滾道

圖4a所示為采用切入式加工軸承內環滾道，工件采用有心和無心夾具夾持。為了使滾道中部截面呈微凸1～4μm，把油石修成中凹形狀。圖4b所示為采用軸向進給、兩端停留來加工大型軸承凸形圓錐滾道。為了使油石在兩端略做停留，一般超精頭采用凸輪機構。圖4c所示為加工軸承球形滾珠滾道，工件用有心或無心夾具夾持，工件旋轉，油石擺動并加壓。圖4中f為油石振動頻率，A為振幅，p為油石壓力。

圖4 超精加工軸承滾道

3.3 超精加工球面

如圖5所示，超精加工球面時，油石和工件旋轉，油石在旋轉中擺動。為了便于冷卻和潤滑，在油石工作面開有窄槽。

圖5 超精加工球面

3.4 超精加工平面

圖6a所示為超精加工矩形平面，根據工件寬度和長度，可采用切入式或軸向進給式加工。圖6b所示為超精加工圓形平面，工件旋轉，油石振動，油石的長度必須超過工件半徑，而且偏離工件中心。圖6c所示為采用圓柱油石超精加工環形平面，工件旋轉，油石除旋轉外還做徑向振動。圖6d所示為超精加工滾輪端面，因在徑向方向的各點切削速度不同，為了達到相同的磨除量，應把油石做成外緣窄、內緣寬的形狀。

要實現超精加工，除工件的合理運動外，就是依靠油石在超精頭上的振動。可實現振動的機構很多，常用的有氣動振動超精頭和機械振動超精頭，其振動頻率f可達1000～3000次/min，振動行程A為1～6mm。

4 超精油石的選擇

超精加工用的油石與一般油石不同，要求油石粒度和硬度均勻、穩定，自銳性好。

（1）油石磨料 白剛玉（WA）常用于粗超精加工及半超精加工抗拉強度較高的碳鋼、合金鋼、工具鋼和淬火鋼；綠碳化硅（GC）常用于精超精加工硬脆材料，如硬質合金、鑄鐵、有色金屬、玻璃和瑪瑙等；立方碳化硅（SC）的脆性比碳化硅低，性能比碳化硅優越，可代替碳化硅用于超精加工；人造金剛石（D）主要用于硬質合金、玻璃、陶瓷、半導體和石材等硬度較高的材料加工；立方碳化硼（CBN）的脆性比碳化硅低，硬度僅次于金剛石，比較鋒利，超精加工時發熱量少，加工效率高，油石壽命長，主要用于難加工材料，用于一般材料也很好；氧化鉻硬度低，切削性能弱，但光整性能好，主要用于要求表面粗糙度值極低的表面。

（2）油石粒度 磨料粒度是根據工件表面粗糙度值和加工效率要求來選擇的。超精油石的粒度一般為W5～W28。工件表面粗糙度值的大小與磨料粒度大小成正比，粒度粗則加工效率高，反之則低。粒度為W20～W28時，表面粗糙度值Ra可達0.1～0.2μm；粒度為W5～W10時，表面粗糙度值Ra可達0.012～0.025μm。

（3）油石結合劑 常用的油石結合劑有樹脂或石墨。

（4）油石的硬度 當工件材料硬，油石與工件接觸面積大時，油石應軟一些，反之則硬一些。一般油石的硬度為30～100HRH。

（5）油石的組織 超精油石應選用9～12號疏松組織。油石的氣孔率宜為43%～49%，以便容納切屑、臟物和潤滑油。

圖6 超精加工平面

（6）油石的處理 超精油石在燒結后必須經過處理，以達到自銳、耐用和潤滑的目的。處理時滲蠟、硬脂酸或硫磺，方法是將其中一種加熱熔化，把油石放入其中一定的時間，取出冷卻即可。當油石硬度過高、自銳性差時，可將油石放入3%氫氧化鉀溶液中煮一定時間，使油石硬度下降到所需值后，放入流動熱水漂洗，清除氫氧化鉀后，再用清水煮1～2h，即可使用。

5 超精加工工藝參數

（1）超精加工余量 在保證前工序缺陷能去除的基礎上，余量越小越好。前工序表面粗糙度值Ra達到0.8μm時，在直徑上的余量為0.01～0.02mm；前工序表面粗糙度值Ra達到0.2～0.4μm時，取余量為0.003～0.01mm。

（2）油石壓力 一般取20～30MPa。粗超精加工取大值，精超精加工取小值。

（3）縱向進給速度 一般＜7m/min，短件為1.0～1.5m/min。

（4）油石振動頻率f和振幅A一般振動頻率f=300～3000次/min，振幅A=1～6mm。

（5）工件速度 粗超精加工時vc=4～15m/min，精超精加工時vc=15～30m/min。

6 超精加工用切削液

超精加工應采用切削液，并要求黏度低一些，以利于清洗、潤滑和排除切屑。一般采用80%煤油+20%機械油。還可以采用含S、P、Cl極壓添加劑的油類切削液。精加工鋁和軸承鋼時，也可以全部采用煤油。切削液必須經過嚴格過濾，以保持清潔。

7 結束語

實踐證明，超精加工是一種快捷有效的光整加工方法，運用面廣，實用性強。可用于磨削后的工件表面和各種精密零件內外表面的最終加工。本文介紹了超精加工的原理和方法，正確選擇油石、工藝參數和切削液，可快速消除磨削缺陷，降低表面粗糙度值，并使超精加工后的工件表面形成有利于存留潤滑液的網狀紋理，提高使用壽命。

專家點評

超精加工廣泛應用于各種精密零件的最終加工。作者詳細介紹了超精加工的原理和特點，以及超精加工各種工件內外表面的運動形式和操作方法，通過對油石、工藝參數和切削液的正確選擇，快速降低加工表面的表面粗糙度值，提高工件的使用壽命。

作者具有豐富的實踐加工經驗，善于觀察超精加工中的每一個細節，文章非常具有說服力。