第四章第四章 光整加工技术光整加工技术光整加工是以降低零件表面粗糙度， 提高表面形状精度和增加表面光泽为主要目的的研磨和抛光加工， 统称为光整加工。 光整加工主要用于模具的成形表面，它对于提高模具寿命和形状精度，以及保证顺利成形都起着重要的作用。4.14.1 研磨和抛光研磨和抛光一、研磨的机理研磨:是使用研具、 游离磨料对被加工表面进行微量加工的精密加工方法。机理:在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑剂，使被加工表面和研具之间产生相对运动并施以一定压力，磨料产生切削、挤压等作用，从而去除表面凸起处，使被加工表面精度提高、表面粗糙度降低。研磨的主要作用：1微切削作用在研具和被加工表面作研磨运动时，在一定压力下，对被加工表面进行微量切削。在不同加工条件下，微量切削的形式不同。当研具硬度较低、研磨压力较大时，磨粒可镶嵌到研具上，产生刮削作用。这种方式有较高的研磨效率。 当研具硬度较高时，磨粒不能嵌人研具，磨粒在研具和被加工表面之间滚动，以其锐利的尖角进行微切削。2.挤压塑性变形钝化了的磨粒在研磨压力作用下， 挤压被加工表面的粗糙突峰，在塑性变形和流动中使突峰趋向平缓和光滑，使被加工表面产生微挤压塑性变形。表面产生化学作用，形成一层极薄的氧化膜，这层氧化膜很容易被磨掉，而又不环加快了研磨过程，使被加工表面的表面粗糙度降低。二、研磨特点1.尺寸精度高研磨采用极细的磨粒，在低速、低压作用下，逐次磨掉表面的凸峰金属，并且加工热量少，被加工表面的变形和变质层很轻微，可稳定获得高精度面。2.形状精度高由于微量切削，研磨运动轨迹复杂，并且不受运动精度的影响，因此可获得较高的形状精度。3.表面粗糙度低在研磨过程中，磨粒的运动轨迹不重复，有利于均匀磨掉被加工表面的凸峰，从而降低表面粗糙度。4.表面耐磨性提高由于研磨表面质全提高，使摩擦系数减小，并且使有效接触表面积增大，使耐磨性提高。3.化学作用当采用氧化铬、硬脂酸等研磨剂时，研磨削和被加工损伤材料基体。在研磨过程中，氧化膜不断迅速形成，又很快被磨掉，以此循5.耐疲劳强度提高由于研磨表面存在着残余压应力， 这种应力有利于提高零件表面的疲劳强度。6.不能提高各表面之间的位置精度7.多为手工作业，劳动强度大。三、抛光机理抛光是一种比研磨更微磨削的精加工。 研磨时研具较硬，其微切削作用和挤压塑性形作用较强，在尺寸精度和表面粗糙度两方面都有明显的加工效果。在抛光过程中也存在着微切削作用和化学作用。由于抛光所用研具较软，还存在塑性流动作用。这是由于抛光过程中的摩擦现象，使抛光接触点温度上升，引起热塑性流动。抛光的作用是进一步降低表面粗糙度，并获得光滑表面，但不提高表面的形状精度和位置精度。抛光后表面粗糙度可达 Ra0.4um 以下。四、 研磨抛光的分类（一）按研磨抛光过程中人参与的程度分手工作业研磨抛光，机械设备研磨抛光（二）按磨料在研磨抛光过程中的运动轨迹分游离磨料研磨抛光， 固定磨料研磨抛光（三）按研磨抛光的机理分机械式研磨抛光， 非机械式研磨抛光（四）按研磨抛光剂使用的条件分湿研， 干研， 半干研五、五、 研磨抛光的加工要素研磨抛光的加工要素4.24.2 手工研磨抛光手工研磨抛光一、一、 研磨抛光剂研磨抛光剂磨料, 研磨抛光液（一） 磨料磨料的选择：磨料的种类,磨料的粒度磨料的种类选择：（二）（二） 研磨抛光液研磨抛光液研磨抛光液在研磨抛光过程中起着调合磨料、使磨料均匀分布和冷却润滑作用，通过改变磨料和研磨抛光液之间的比例来控制磨料在研磨抛光剂中的含量。（三）（三） 研磨抛光膏研磨抛光膏硬磨料研磨抛光膏：氧化铝, 碳化硅, 碳化硼, 金刚石软磨料研磨抛光膏：氧化铝, 氧化铁, 氧化铬二、二、 研磨抛光工具研磨抛光工具研具材料， 普通油石， 研磨平板， 外圆研磨环， 内圆研磨芯棒， 研磨抛光辅助工具。1 1、研具材料、研具材料研具：研磨抛光时直接和被加工表面接触的研磨抛光工具。一般研具材料：低碳钢， 灰铸铁， 黄铜和紫铜，硬木、竹片、塑料、皮革精密固定磨料研具材料：低发泡氨基甲酸， 乙酯油石2 2、普通油石、普通油石普通油石一般用于粗研磨， 它由氧化铝、 碳化硅磨料和粘结剂压制烧结而成。当被加工零件材料较硬时较软的油石当被加工零件材料较软时较硬的油石当被加工零件表面粗糙度要求较高时油石要细一些，组织要致密些3 3、研磨平板、研磨平板应用范围：主要用于单一平面及中小镶件端面的研磨抛光要求：研磨平板用灰铸铁材料，并在平面上开设相交成60 度或 90 度，宽 13mm， 距离为 1520mm 的槽， 研磨抛光时在研磨平板上放些微粒和抛光液进行。4 4、外圆研磨环、外圆研磨环是在车床或磨床上对外圆表面进行研磨的一种研具。固定式研磨内径不可调可调式研磨内径可在一定范围内调节，以适应环磨外圆 不同或外圆变化的需要。5 5、内圆研磨芯棒、内圆研磨芯棒固定式外径不可调节，芯棒外圆表面作有螺旋槽，以容纳研磨抛光剂。可调式如下图，借助锥形芯轴的锥面进行外圆直径的微量调节。6 6、研磨抛光辅助工具、研磨抛光辅助工具电动往复式电动直杆旋转式电动弯头旋转式三、研磨抛光工艺过程三、研磨抛光工艺过程（一） 研抛余量研抛余量大小取决于零件尺寸、原始表面粗糙度、精度和最终的质量要求，原则上研抛余量要能去除表面加工痕迹和变质层即可。研抛余量过大，使加工时间增多，研抛工具和材料消耗增多、加工成本增大；研抛余量过小，加工后达不到要求的表面粗糙度和精度。（二） 研抛步骤及注意事项步骤：粗研磨细研磨精研磨抛光注意事项：磨料的粒度从粗到细，每次更换磨料都要清洗好工具和零件；研磨抛光过程磨料的运动轨迹要保证被加工表面各点均有相同的或近似的切削条件和磨削条件； 还应该根据被加工表面形状特点选择合适的研抛器具和材料，根据整个被加工面的具体情况确定各部位的研磨顺序。4.34.3 电化学抛光电化学抛光一、基本原理和特点（一）基本原理（一）基本原理对于电化学抛光机理的通俗解释：对于电化学抛光机理的通俗解释：随着阳极表面发生电化学溶解， 有氧化物生成它以薄膜的形式覆盖在阳极表面上这种氧化物薄膜的粘度很高，电阻较大。由于工件表面凹凸不平，薄膜厚度在粗糙表面上的各部位不等，在凹注处薄膜较厚，在凸起处薄膜较薄。由于金属表面各部位薄膜厚度不等，则电阻值不等，电流分布不均匀，凸起处电流密度比凹洼处要大，所以凸起处首先被溶解，经过一段时间后，高低不平的表面逐渐被蚀平，从而得到光洁平整的表面。对于电化学抛光机理的电学理论解释：对于电化学抛光机理的电学理论解释：电场中的带电体， 其电力线在粗糙表面尖端处的密度大，溶解速度最快，而凹洼处薄膜厚度大电力线密度小，溶解速度慢。这种凸凹处溶解速度差，使抛光后平整。（二）（二） 特点特点1电火花加工后的表面，经过电化学抛光后可使表面粗糙度 Ra3. 21.6m 降低到 Ra0.40.2m ，电化学抛光时各部位金属去除速度相近，抛光量很小，电化学抛光后尺寸精度和形状精度可控制在 0.01mm 之内。2.电化学抛光和传统手工研磨抛光相对效率提高几倍以上，如抛光余量为0.10.15mm 时， 电化学抛光时间约为 10-15min， 而且抛光速度不受材料硬度的影响。3.电化学抛光工艺方法简单，操作容易，而且设备简单，投资小。4.电化学抛光不能消除原表面的“粗波纹”，因此电化学抛光前，加工表面应无波纹现象。二、二、 影响电化学抛光质量的因素影响电化学抛光质量的因素1.电解液电解液成分和比例对抛光质量有决定性影响， 目前电解液的种类很多，要根据不同金属材料选择不同的电解液配方和比例。2.电流密度通常电化学抛光都在较高电流密度下进行，以获得平滑光亮的表面。但当电流密度过高时，阳极析出的氧气过多，使电解液近似沸腾，不利于抛光的正常进行。3.电解液温度一般电解液温度低，金属溶解速度低，生产效 率低。否则反之。不同金属材料都有一个最佳温度范围，目前是通过试验确定。电化学抛光属于小距离化学反应，电解产物如不能及时排除，也影响抛光质量。抛光时应采用搅拌或移动的方法，促使电解液流动，保持抛光区电解液的最佳状态，缩小电解液的温度变化，始终保证最佳抛光条件是保证抛光质量的重要因素之一。4.抛光时间抛光开始时，表面平整速度最大，随着时间增加，阳极金属去除总量增加，不同金属材料都有一个最佳抛光时间。当超过最佳抛光时间时，抛光质量逐渐变差。5.金属材料的金相组织状态当金属的金相组织愈均匀、致密，抛光效果愈好； 如金属中含有较多非金属成分， 则抛光效果就差； 如金属以合金形式组成，应选择使合金均匀溶解的电解液；铸件由于组织疏松不易电化学抛光；铸铁件由于有游离石墨，也不易电化学抛光。6.抛光表面原始表面粗糙度采用电化学抛光时，工件原始表面粗糙度应达到 Ra2. 5-0. 8km 时，电化学抛光才能取得满意效果。三、抛光方式三、抛光方式工具电极的选择与使用时注意事项：工具电极的选择与使用时注意事项：工具电极材料采用耐蚀性较好的材料，如不锈钢、 铅和石墨等。电极的形状尺寸和设置位置应使工件表面的电流密度分布均匀。 抛光时工具电极和抛光型腔应保持一定的电解间隙。当采用铅材作电极时，可将溶化的铅直接浇注在抛光型腔内，待冷却后取出，经加工后使工具电极型面均匀缩小 510mm，得到电解间隙，即可使用。抛光操作过程：抛光操作过程：将工具电极装于机床主轴夹头上，被抛光的工件放于工作台的电解液槽内，分别接上直流电源的阳极和阴极。将工具电极纳人工件型腔，使工具电极和型腔边保持 5-10mm 的电解间隙。电解液经加热至工作温度后倒人电解液糟内（或在槽中直接加热至工作温度，电解液的液面应超出工件上平面15-20mm。然后接通电源，调整电压符合预定电流后即可开始抛光。抛光时为避免电解液温度过高以及排除电解气泡，应经常补充新的电解液和搅拌。也可以采用定时提高工具电极的方法达到搅拌电解液的目的。（二）（二） 逐步电化学抛光法逐步电化学抛光法1 1、抛光工具、抛光工具导电油石金属导电锉小毡轮和硬木棍2 2、操作过程、操作过程操作过程根据模具型腔形状， 选择合适的导电油石或金属导电锉，装于电动抛光器前端的夹持器上，并和电源和阴极接通。被抛光模具通过磁铁吸牢，将磁铁的导线和电源阳极接通。 启动泵调节流量， 向模具抛光型腔喷出一定的电解液，然后调节抛光电压，将抛光工具电极慢慢接触抛光表面进行磨抛运动，以不产生火花放电为准。四、抛光工艺过程四、抛光工艺过程（一）工艺过程（一）工艺过程（二）电解液（二）电解液4.44.4 超声波抛光超声波抛光一、基本原理一、基本原理频率: 1600025000 次/s特点：频率高、波长短、能量大、有较强的束射性原理：超声波加工和抛光是利用工具端面作超声频振动，迫使磨料悬浮液对脆硬材料表面进行加工的一种成型方法。作用：降低表面粗超度超声波抛光主要作用：超声波抛光主要作用：是磨料在超声振动下的机械撞击和抛磨现象。 其次是工作液中的“空化”作用加速了超声波抛光和加工效率。 所谓的“空化”作用是当产生正面冲击时， 促使工作液钻人被加工表面的微裂处， 加速了机械破坏作用。在高频振动的某一瞬间，工作液又以很大的加速度离开工件表面，工件表面微细裂纹间隙形成负压和局部真空。同时在工作液内也形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，迫使空泡闭合，引起极强的液压冲击波，强化了加工过程。二、设备简介二、设备简介（一）（一） 超声波发生器超声波发生器作用： 超声波发生器的作用是将 50Hz 的交流电转变成具有一定功率输出的超声波电振荡，迫使工具端面做纵向往复振动。种类： 模具超声波振荡发生器多采用晶体管式和集成电路式。（二）（二） 机械振动转换器机械振动转换器作用：将超声波电振荡转换成机械振动种类：压电效应式和磁致伸缩效应式1、压电效应式换能器概念： 压电效应式换能器是利用在锆钛酸铅介面上加以一定电压后，则产生一定的机械变形；反之，当它受到机械压缩或机械拉伸时，介面将产生一定的电荷，形成一定的电势，这种现象称为“压电效应”。2、磁致伸缩效应式换能器概念：是利用镍、钴、铁等铁磁体置于变化的磁场内，随着磁场的变化，铁磁体长度发生变化的现象称为磁致伸缩效应。（三） 机械振动转换器1、变幅杆变幅杆也叫振荡扩大器， 前述的压电式或磁致式换能器的变形量很小，在共振条件下其振幅也不超过 0.005-0.01mm，而超声波加工的振幅为 0.01-0. 1mm，因此一般不能直接用来加工。将变幅杆大端与换能器的轴射面相联，由于变幅杆和换能器联接面的截面大，而工作端截面小，它可以将换能器的振幅扩大，满足超声加工的需要。2、工具原理与要求：工具和变幅杆之间采用机械或胶合方式相连接，超声波机械振动经变幅杆扩大振幅后传给工具，工作时沿轴向振动。工具头的形状应该和模具抛光型腔形状相适应。工具头分固定磨料和游离磨料两种形式。固定磨料有金刚石油石、电镀金刚石锉刀、 刚玉油石等， 这类磨料用于粗抛光。 游离磨料式采用硬木和竹片等材料，抛光时在抛光面涂以研磨粉和工作液的混合剂，用于精抛光，研磨粉是氧化铝、碳化硅等，工作液用煤油、汽油或水。三、抛光工艺三、抛光工艺（一）抛光余量（一）抛光余量经电火花精加工之后余量 0.020.04mm其它情况余量不超过 0.15mm（二）抛光方式（二）抛光方式粗抛光时采用固定磨料或采用 180#左右的磨料进行抛光细抛光时采用游离磨料方式，磨料粒度为 W40 左右精抛光时采用 W5-W3.5 的磨料进行干抛，不加工作液。四、特点四、特点 (1)超声波抛光是靠磨料的冲击去除材料的，适用于硬脆材料及不导电的非金属材料。 (2)抛光时，工具对工件的作用力和热影响小，不会引起变形和烧伤，加工精度可达 0. 01-0. 02mm，表面粗糙度 Ra=10.1um。 (3）抛光时，工件只受磨料瞬间局部撞击压力，不存在横向摩擦力，因此可以抛光薄壁、薄片、窄缝及低刚度零件。 (4）超声波抛光设备简单，使用和维修方便，操作容易。 (5）由于抛光时，工具头无旋转运动，工具头可以用软材料做成复杂形状，因此可以抛光复杂的型孔和型腔成形表面。五、影响抛光效率和质量的因五、影响抛光效率和质量的因（一）（一） 影响抛光效率的主要因素影响抛光效率的主要因素1. 工具的振幅和频率超声波抛光的效率随着工具振动的频率和振幅的增大而提高， 在分级抛光时可采用维持工具头压力情况下，逐步提高工具头振动的频率和振幅。但是，随着频率和振幅的提高，使变幅杆和工具承受过大的交变应力，而导致变幅杆和工具寿命降低。另外随着频率和振幅的增大，使变幅杆和工具、 换能器之间联接处的能量损耗增大。 因此， 一般振幅控制在 0. 010. 1mm，频率控制在 1600025000Hz 之间。此外，在加工时频率应调至共振频率，以取得最大振幅。2. 工具对工件的静压力抛光时工具对工件的进给力也称静压力。当工具头末端与工件抛光表面之间的间隙增大，磨料和工作液对抛光表面的压力降低，削弱了磨料对工件的撞击力和打击深度；当两者的间隙减小时，磨料和工作液不能顺利循环更新，降低了生产效率。因此，工具对工件之间应有一个合理的间隙和压力。3. 磨料的种类和粒度磨料的种类应该根据被加工材料选择。 加工硬质合金和淬火钢等高硬度材料，应该选择碳化硼磨料，加工硬度不太高的硬脆材料时，可以选择碳化硅磨料。磨料粒度的选择和振幅有关，当振幅为 0. O5mm 时，磨料粒度愈大，加工效率愈高；当振幅小于0. 05mm 时，磨料粒度愈小，加工效率愈高。4. 磨料工作液的料液比磨料工作液中磨料与工作液之间的体积比或重量比，称为料液比。料液比过大和过小，都将使抛光效率降低。通常抛光时的料液比为 0.5-1 左右。（二）（二） 影响抛光表面质量的主要因素影响抛光表面质量的主要因素影响抛光表面质量的主要因素有磨料的粒度、 被加工材料性质、工具振幅、工作液。当磨料颗粒尺寸越小，工件材料硬度越高，超声振幅越小，则加工表面粗糙度改观得越大。另外，采用机油和煤油作工作液比用水作工作液，得到的表面粗糙度要好。4.54.5 其它光整加工其它光整加工一、喷丸抛光一、喷丸抛光原理：喷丸抛光是利用含有微细玻璃球的高速干燥流对被抛光表面进行喷射，去除表面微量金属材料，降低表面粗糙度。（一）喷丸抛光工艺参数（一）喷丸抛光工艺参数磨料喷丸抛光所用的磨料为玻璃球，磨料颗粒尺寸为 10-150um 。载体气体喷丸抛光的载体气体可用干燥空气、 二氧化碳等，但不得用氧气。气体流量为 28L/min 左右， 气体压力 为0.2 1.3MPa ， 流 速 为152-335m/s。喷嘴喷嘴材料要求耐磨性好， 多采用硬质合金材料。 喷嘴口径为 0.131. 2mm 。（二）影响喷丸抛光的因素（二）影响喷丸抛光的因素影响喷丸抛光的因素有磨料粒度、喷嘴直径、 喷嘴到加工表面的距离、 喷射速度、 喷射角度。当喷嘴距离较小时， 由于磨料速度随运行距离增大而增大，去除材料量也相应增加；但当喷嘴距离过大后，由于空气阻力，磨料速度随运行距滩增大而逐渐变小，因而加工速度也逐渐下降。喷丸抛光表面质量与模料颗粒尺寸有关，磨粒尺寸越小，表面质量越好。喷丸抛光在模具加工中的应用一般是在成型表面在电火花加工后， 去除电火花加工表面变质层。二、程序控制抛光二、程序控制抛光（一）设备和控制组成：专用计算机、数控系统、机械系统、附件原理：加工前，将被加工工件的材料状态、抛光前的表面质量参数和加工尺寸参数， 与研磨抛光后的表面质量要求等参数输人到计算机后，计算机自动设定各项加工工艺参数。也可以进行人机对话修正加工工艺参数，并且进行各种形状曲面的运动轨迹控制、加工压力控制。为了保证加工的均匀性，可以改变抛光头的运动速度和移动加表面，根据需要变化工作台的回转速度。在加工过程中，也可以采用人机对话修正加工工艺参数。（二）附件1.万能磨头万能磨头示意图如图 5-27 所示。 它适于进行表面粗糙度要求低的复杂曲面加工。万能磨头采用万能联轴节式的自动仿形，事先向计算机输人原始数据， 由计算机发出控制指令，用气缸和电动气动变换调节装置进行加工压力负荷控制。2.微负荷磨头微负荷磨头抛光如图 5-28 所示。 磨头驱动面上设有气动滑板，利用微小配重，进行微小负荷研磨。这种微负荷磨头适用于研磨抛光曲率特别小的工件，及微细形状修正时的精密加工。3.倾斜工作台倾斜工作台主要用于球面、非球面和圆柱面的加工。为了在研磨时不降低前工序的原始形状精度， 应使抛光机始终保持在加工表面的法线方向上。 加工前， 将工件表面的曲率半径、 形状高度和有关参数输入到计算机，通过计算机和数控装置来控制工作台的倾斜角度， 保证工件表面以法线方向进行研磨抛光。（三）加工质量