了解什么是超精加工、它应该用于哪些应用以及在指定表面光洁度参数时为什么要小心。

超精加工零件

已超精加工的不同零件和材料的示例。所有照片均由 Nagel Precision Inc. 提供。

制造商面临着不断提高制造效率和提高制成品性能的压力,通常是通过减轻组件的重量来实现。对于汽车制造商来说,这伴随着减少排放的压力。Nagel Precision Inc. ECO Hone 和微精加工系统部经理 Sanjai Keshavan 表示,所有这些压力都促成了超精加工的发展——这种精加工工艺在 1930 年代左右首次应用于生产,旨在提高部件的表面光洁度同时还通过改进圆度、直线度、圆柱度等来提高其微轮廓精度。

尽管它对汽车零件有用,但超精加工的应用潜力是广泛的。从加工车间到大型原始设备制造商 (OEM),超精加工已在小型医疗部件(如髋关节和脊柱植入物)和航空航天部件(如涡轮机和起落架部件)中发挥作用。根据 Keshavan 的说法,超精加工可用于任何需要从直径精确去除 0.002-0.005 毫米量级的少量毛坯的 OD 应用。他说,虽然钢是最常见的超精加工材料,但该工艺也可以应用于特殊合金、钛、铝,甚至玻璃和陶瓷。

超精加工的主要优点之一是它是一种冷材料工艺,这意味着它消除了先前操作(如磨削)留下的热损伤层。这对延长部件寿命具有重要影响。例如,Keshavan 说,如果发动机曲轴或凸轮轴的轴承表面没有经过超精加工,部件应力和磨损可能导致发动机每 20,000-30,000 英里发生一次故障,而不是像今天的发动机那样每 200,000-300,000 英里发生一次故障。

那么,超精加工如何在没有磨料加工常见的热量的情况下去除毛坯?答案与切削深度有关。“当您车削或磨削零件时,切削深度可能在 50-100 微米或更高,”Keshavan 说。“在短时间内去除这么多材料需要大量能量,并且部件会升温。超精加工可去除半径上 1-2 微米的毛坯,并且需要更少的能量。”

选择精加工工艺

虽然制造商经常交替使用各种精加工工艺术语,但 Keshavan 表示,每种工艺都有细微差别,可能使其更适合特定应用。以下是一些比较常见的整理过程:

平面研磨

平面研磨。

  • 研磨——用松散的磨料精加工平面。这里,表面光洁度的提高伴随着零件平面度的提高。
  • 珩磨——用固定磨料精加工内径。它被认为是一个冷过程,因为在此操作过程中不会产生热量。表面光洁度的提高伴随着微轮廓精度的提高。
  • 微精加工/超精加工——使用固定磨料对外径和表面进行精加工。它被认为是一种冷加工,它还提高了微轮廓的精度。
  • 抛光——用松散的磨料对外部特征进行抛光。刷涂和振动抛光都是抛光工艺的例子。这不被认为是冷工艺,并且在精加工操作期间会产生大量热量。表面光洁度的提高伴随着微轮廓精度的损失。

珩磨

珩磨。

超精加工和抛光都用于在外径上形成精细的表面。抛光是一种更灵活的工艺,因为可以使用刷子、研磨剂或振动工艺(如翻滚)。翻滚可以一次抛光多个零件。相比之下,超精加工使用固定磨料进行抛光,一次只完成一个零件。Keshavan 说,超精加工已经超越了硬工具。为了增加超精加工工艺的灵活性,他自己的公司 Nagel 开发了所谓的“D-flex”带技术,该技术的作用类似于固定磨具,但可以弯曲以补偿多达 15 毫米的直径变化。

确定使用哪种精加工工艺取决于零件的最终用途。Keshavan 说:“抛光最适合零件几何形状不重要且美观是主要关注点的应用;超精加工最适合关键任务零件。”

避免公差冲突

超精磨胶带

用胶带超精加工。

用石头进行超精加工

用石头进行超精加工。

避免公差冲突

Keshavan 说,我们测量表面光洁度的不同方法有很好的区别。平均粗糙度 (Ra) 是通常用于测量表面光洁度的参数,但他认为 Ra 并不能提供完整的图片。特别是,该参数不区分峰值和谷值参数。例如,具有相同深度的五个不同谷的零件可能具有与具有相同高度的五个不同峰的零件相同的 Ra。仅考虑 Ra,这些部分的光洁度是相同的。这就是为什么在某些应用中,其他参数更适合用于表面光洁度测量。

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Keshavan 建议参考 ANSI/ASME B 46.1 国家表面纹理标准。它列出了 100 个或更多可用于测量光洁度的参数,其中只有几个是 Ra、降低的峰高 (Rpk)、降低的谷高 (Rvk)、承载面积比 (Tp) 以及五种之间的平均距离采样长度 (Rz) 中的最高峰和五个最低谷。

“如果这些参数被明智地选择并正确设置公差,”他说,“它们允许制造工程师选择最有效的方法来处理零件并保持产品的完整性。”

他说,当指定多个参数而不考虑其他指定参数的可行性时,就会出现问题。考虑以下打印标注:

Ra: 0.2-0.3 µm
Rp ≤ 0.5 µm
Rz ≤ 1.0 µm

Keshavan 说,根据经验,Rz 大约等于 Ra 的 7 到 10 倍。以 0.2 µm Ra 为目标,他说 Rz 至少为 1.4 µm 并且已绝版。

他看到的另一个常见问题是应用一揽子工艺能力指数 (Cpk) 而没有注意公差,特别是考虑到表面粗糙度的上限和下限。例如,考虑另一个打印规范:

Ra: 0.05-0.2 µm
Rz: 1.0 µm

“如果要求所有参数的 Cpk 为 1.67 或更高,我们需要达到大约 50% 的容差,因此我们以 0.5 Rz 为目标,”他说。“如果我们这样做,Ra 可能会小于 0.05 µm,这超出了规范。如果我们以 Ra 为目标来达到 Cpk,则 Rz 将被推向规范的高端或完全超出规范。这就是为什么正确地容忍这一点非常重要。”

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