珩磨的基本概念

珩磨作为光整加工的一种，在零部件加工行业特别是汽车行业有着普遍的应用，主要用于发动机缸孔、曲轴轴承孔、连杆、齿轮内孔、空压机箱体、控制阀体、滑动轴承及其他台阶孔的加工。珩磨技术应用的主要目的是改善工件表面粗糙度，获得符合图样要求的表面结构、形状公差以及直径等。本文以缸孔的加工过程为例对珩磨机的调整过程进行介绍。

缸孔的珩磨一般包括粗珩磨、半精珩磨以及精珩磨或平台珩磨三个过程。粗珩磨的主要目的是去除缸孔的余量，消除精镗痕迹，修正和稳定精镗后的形状精度，此外还要形成一个基本的表面结构;半精珩磨能够确保珩磨尺寸精度、形状精度，形成网纹沟痕;精珩磨或者平台珩磨能够最终消除沟痕尖峰，形成平台，建立缸孔表面的平台网纹结构。该小平台就是所谓的平台支承表面，该平面的表面粗糙度很高，同时又具有较高的支承率。

对于珩磨后的物体表面，我们首先想到的就是Abbott-Firestone曲线(又叫轮廓支撑率曲线)(德国工业标准DIN4776)(见图1)。在Abbott曲线上我们将表面粗糙度形状结构的核心分为上中下三段，在零件运转过程中，这三个区域具有不同的意义并起到不同的评定作用。

R_pk：超过中心峰谷高度的轮廓波峰平均高度。发动机开始运行时将很快被磨损掉，其减低的高度将影响缸孔进入正常工作状态的磨合时间。用于对发动机的磨合性能进行评定。

R_k：粗糙度中心轮廓的高度。图1所示粗糙度形状结构的中间部分，这一部分是缸孔的长期工作表面，对磨合期后的发动机运转性能有很大的影响。

R_vk：从粗糙度中心轮廓到有实体材料的轮廓波谷的平均深度，可以简单理解为储油槽深度，该值决定着缸孔表面的储油量。

表面粗糙度形状结构核心的上下两端则说明了表面支承率M_r1和M_r2。

M_r1：波峰轮廓支承长度率(在中心轮廓以上的轮廓支承长度率)。M_r1是波峰区域和中心区域在纵轴上的分界线，其上是波峰区，其下是中心区域。通常M_r1只有上限要求，也就是越小越好。

M_r2：波谷轮廓支承长度率(在中心轮廓以下的轮廓支承长度率)。M_r2是中心区域和波谷区域在纵轴上的分界线。通常M_r2只有下限的要求，也就是越大越好。

表面结构的调整

关于珩磨后缸孔表面质量的调整，本文主要从表面粗糙度的调整、网纹角的调整及其他常见问题的解决进行介绍。

1.表面粗糙度的调整

(1)加工余量的选择

精镗后缸孔的尺寸情况、表面质量状态以及珩磨后零件的质量要求，对于珩磨的加工余量的分配方案极为重要。通常情况下，珩磨加工需要直径方向上40～75 mm的加工余量，以及表面粗糙度R_a1.0～3.0 mm的要求。

表面粗糙度的情况必须与加工余量的大小相匹配，以确保清除先前加工循环的任何加工痕迹。余量小，不能充分消除缸孔固有误差，重新建立精度;余量大，珩磨时间长，加工效率低，油石磨损快，加工成本高而且加工精度差，质量不稳定。粗珩磨、半精珩磨和精珩磨之间的余量分配也是同样的道理。

(2)砂条的选择

对珩磨的表面质量起决定因素的是珩磨砂条，也被称为油石。砂条的选择主要取决于下面几个因素：工件材质、产品图样要求和余量分配等。

砂条的性能主要是由磨料、磨料的粒度、砂条硬度及结合剂等因素决定。

目前常用的磨料有金刚石和CBN(立方氮化硼)两种。金刚石砂条主要应用于铸铁和其他低硬度金属的加工中，CBN砂条主要用于硬质钢的加工。在这两种高硬度磨削材料的实际应用中，金刚石占55%，氮化硼占45%。

磨料的粒度是表示磨粒的颗粒尺寸，粒度的单位是微米，粒度号越小磨粒越细，粒度号越大则磨粒越粗。粒度的选择主要取决于对工件表面的加工精度和生产效率的要求。粗粒度及中等粒度具有较好的切削性能，适用于粗珩磨及半精珩磨加工;细粒度则应用于精珩磨加工。被加工零件的物理机械性能也是决定粒度的因素之一，硬度低、延展性及韧性大的材料宜用粗粒度刀具加工，而硬度高性脆的材料宜用细粒度刀具加工。

磨料的浓度是指单位体积珩磨条中磨料颗粒的质量。粒度不变的情况下，浓度越高，磨料越多。浓度影响沟槽数量，浓度越高，有效沟槽数量相对越多。浓度过低，相当于减少了参与切削的刀头，会降低切削速度。浓度的选择应与加工效率及成本进行综合考虑。

砂条硬度与磨粒硬度是两个概念，是指结合剂对磨粒黏结能力的强弱。珩磨砂条的硬度过低，结合剂对磨粒的黏结能力弱，磨粒脱落快，尺寸容易超出规定值，同时砂条消耗快;珩磨砂条的硬度过高，已磨耗的磨粒不易脱落，珩磨条自锐性不良，表面易堵塞，导致切削性能低甚至消失，尺寸往往达不到规定值。

砂条的自锐性与机床参数的调整有关。在一定压力前提下，砂条的自锐性要好。在工作中，逐渐磨钝的砂粒要能脱落，逐步更新。磨钝的磨粒不脱落则拉不出沟槽;没有磨钝的磨粒脱落则造成浪费，没有达到物尽其用的原则。

砂条硬度与结合剂的选择、配比有关。常见的结合剂包括青铜结合剂、陶瓷结合剂、树脂结合剂及电镀金属结合剂等。

(3)加工参数的调整

在加工余量基本一致、砂条固定不变的情况下，调整加工参数可以在一定范围内改变缸孔表面质量。

在讲解加工参数调整细节前，我们先了解一下珩磨机涨刀系统的差异。目前珩磨机通常采用两种不同涨刀系统主轴：电子机械式涨刀系统和液压涨刀系统。电子机械式涨刀系统常用于粗珩和半精珩主轴;液压涨刀系统常用于精珩主轴。

不同涨刀系统使用的参数不同。除旋转速度、往复行程加速度和往复行程速度等基本参数外，电子机械式涨刀系统参数还包括膨胀脉冲当量、膨胀速度、珩磨次数或珩磨时间，液压涨刀系统参数还包括膨胀压力、珩磨次数或珩磨时间等。这些参数用来衡量砂条涨刀力及该力的作用在工件表面的时间长短。砂条涨刀力的大小即作用在工件加工表面的压力大小，对于工件珩磨后的表面质量有着决定性的影响。一旦压力过大，加工表面容易产生微小的毛刺和卷边，对比如图2所示。针对不同的涨刀系统，我们可以调整类似的参数。精珩压力、珩磨次数或珩磨时间、旋转速度的变化对表面质量都是有影响的。特别需要注意的是设备调整参数后，由于刀具磨损状态的更新，调试结果在几个零件加工后才能得到完整的体现，也就是说要调试后前几个零件是不具有参考价值的。

(4)冷却系统的影响

冷却系统、珩磨液型号及浓度的选择与表面微观状态密切相关。珩磨液要求黏度低，具有极好的渗透性、润滑性和排屑性，要有很强的清洗能力以保持珩磨油石的自锐性和微孔的畅通。目前普遍所使用的珩磨液可分为两大类：油基珩磨液和水基珩磨液。油基珩磨液的优点是渗透性、润滑性好，排屑性和清洗能力强;缺点是燃点低、抗烟雾性差，废弃时难以处理且不环保;水基珩磨液的优点是安全性、环保性、抗烟雾性及冷却性好，环保;缺点是渗透性、润滑性差。

珩磨液浓度的调整可以改善珩磨过程中的润滑。调整的比例要根据珩磨液的型号以及过滤系统的过滤情况进行确认。

珩磨机的冷却系统通常都带有温度控制。珩磨液温度对于砂粒的切削性能也是有影响的。

2.网纹角的调整

珩磨速度分珩磨头的旋转速度S1与往复行程速度S2，二者的合成速度S构成珩磨交叉网纹，形成缸孔径向方向交叉角θ，θ一般小于90°。珩磨速度与网纹交叉角如图3所示。

当主轴旋转转速一定时，加大往复行程速度，径向交叉角增大。当主轴旋转转速一定时，减小往复行程速度，径向交叉角减小。

3.其他常见问题

(1)改善换向圆弧

拉制平台网纹过程中，珩磨头处于涨紧的状态。一般情况下，珩磨头不会完全驶出缸孔，这就必然会形成换向圆弧。为了减少换向圆弧，要使换向干脆。目前使用的国产珩磨机整个往复运动质量大，会形成较大的惯性，换向困难，降低主轴低转速可以改善换向圆弧。

(2)表面划伤问题解决

在珩磨加工进行时，主轴在上折返点OP和下折返点UP之间作往返运动。主轴从缸孔中驶出的控制方式分为两种，一种为无条件驶出(见图4)，一种为有条件驶出(见图5)，两张图中蓝线为涨刀控制，红线为行程控制。在无条件驶出控制情况下，比如在涨刀位置①上，加工的尺寸达到，将马上停止涨刀，同时启动驶出控制，并且在停止进给ZAUS②的行程位置上开始快速退刀，接着在不受任何条件的限制下，珩磨头上行到行程位置SWS⑤驶到孔外。在驶出过程中，当珩磨头驶到主轴停止转动SAUS④的位置时，主轴停止旋转。在珩磨头抵达行程位置SWS⑤之前，也就是③这个位置时，砂条已经退回到初始位置。有条件驶出控制与无条件驶出相比只有一个区别：当砂条退刀时，主轴并不立即驶出工件，而是继续进行上下往返运动。当砂条完全回到原位后，珩磨头才经由下折返点UP向上行驶，在向上行驶过程中，当珩磨头抵达停止转动SAUS④的位置时才停止主轴旋转。有条件驶出的方式相对于无条件驶出的控制方式可以完全确保珩磨头驶出孔时，砂条已经完全退刀，从而避免刮擦加工表面。

现场使用的方式应该考虑到加工效率而有所不同。粗珩磨和半精珩磨通常采用无条件驶出的方式，精珩磨更多地采用有条件驶出的方式。

表面划伤的原因通常是刀具驶出时刀具没有完全退刀引起的。确认刀具的状态、退刀方式、行程位置、退刀过程是否完全以及涨刀系统是否存在故障是解决表面划伤问题的关键。

确认刀具状态需要关注以下几点：刀具中的弹簧拉伸、磨损或缺失;刀身是否变脏或积聚残渣;托架是否损坏;刀身是否损坏。

(3)刀具不均匀磨损

在珩磨加工过程中刀具是浮动的。刀具在珩磨的过程中如果摆动过大或者摆动受限都会导致刀具的不均匀磨损。

摆动构件有两种基本类型：机械构件和液压构件。摆动构件除延长珩磨刀具长度外，也用于将扩张运动从扩张系统转移到珩磨刀具，以提供所需的珩磨刀具“摆力”。如果怀疑摆动构件出故障，应拆除并检查扩张杆是否可自由活动。扩张杆应可以用手轻松转动(机械构件)，或自由向上及向下运动(液压构件)。重新装入机器时，应同时检查摆动构件的摆力和张力是否正确(用于在行程中移动摆动构件的作用力)。正确设定摆力，确保刀具正确对准校准环和钻孔。如果摆力幅度过大，将阻碍刀具在孔壁上施加持续的压力，或导致孔内出现击痕。如果摆力受到限制，可能导致金刚石出现不均匀的磨损及击痕。

零件夹具位置及夹具的精度状态也能导致刀具在珩磨过程中摆动受限。在发生刀具不均匀情况时也应该确认夹具的状态。

旋转换向对于砂条的磨损也有影响。主轴的换向方式有两种：一种为不变向切削，始终正转或反转;另一种为换向切削，完成一切削循环后反转切削换向就是改变主轴旋转方向，由正转改为反转。主轴的单方向旋转可以导致砂条的不均匀磨损。根据砂条的使用情况，生产中应该可以选择不同的换向方式。

形状公差的调整

珩磨时对孔的形状精度产生影响的参数有3个：砂条的长度、孔的长度以及砂条的伸出长度即砂条在珩磨时伸出孔外的长度(见图6)。

珩磨时砂条的伸出长度为砂条本身长度的1/3被证明是最理想的，当伸出长度上下对称时，我们可以得到一个理想的圆柱度。若砂条伸出长度太大，在孔的两端易造成向外扩张，因为砂条的很大一部份在孔的上下两棱被磨利，并在这一区域造成很大的切削量。除此之外由于砂条和孔壁的贴靠面积减小，从而增大了涨刀压力，也会造成大量切削，造成两端喇叭口的形状。

在通孔加工中砂条的长度应为孔长的2/3，但这种尺寸关系并不是可在任意情况下应用的。比如在长孔加工中，砂条的长度应尽可能达到其技术上可能实现的长度。当然砂条长度还取决于工件本身的特性以及刀具设计的限制。

针对不同的情况，形状修正方法不同：行程上偏移、行程下偏移、行程量增加以及行程量减少等。盲孔的加工因受空间限制不能使用行程下偏移修正方式，故采取延时的修正方式，具体方法如图7所示。

直径的调整

批量生产使用的珩磨机的珩磨头都带有主动测量系统。当测量值达到设定值时加工结束。不具备主动测量功能的珩磨头还可以通过调整珩磨转速、时间或次数调整缸孔直径。

常见的直径调整问题为缸孔实际测量尺寸与珩磨机设定值差异较大。这种情况的发生通常与测量系统本身的调整相关。设备内部因素，例如刀具安装过程中连接异常、电器系统输入异常，都可能导致测量结果的异常。外部因素对测量结果也有可能产生影响。冷却液流量的大小及波动、工厂气源的供给情况例如工厂气源的波动或者清洁度在问题发生时都需要被确认。

结语

生产过程中发生的珩磨问题很多，应根据实际情况确认调整方案。通常情况下，产品图样的要求决定了砂条的选择。不同砂条所能达到的表面质量区间是相对未稳定的。珩磨参数的调整使表面质量在这个固定区间上变化。珩磨机调整的关键在于找出与零件状态、刀具相匹配的工艺参数。