磨料性質(zhì)對柴油機(jī)滾磨加工的影響

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1、磨料性質(zhì)對柴油機(jī)滾磨加工的影響 磨料性質(zhì)對柴油機(jī)滾磨加工的影響 2018/12/18 摘要:介紹了滾磨光整加工,并就磨料性質(zhì)對柴油機(jī)滾磨光整加工的影響進(jìn)行了研究。應(yīng)用滾磨光整技術(shù)對柴油機(jī)凸輪軸進(jìn)行加工,通過試驗(yàn)分析了磨料各種性質(zhì)對滾磨光整加工效果的影響,所做研究可以促進(jìn)滾磨光整加工的發(fā)展。 關(guān)鍵詞:柴油機(jī)滾磨光整加工磨料 1柴油機(jī)概述 隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,大中型設(shè)備的生產(chǎn)制造、傳遞輸送變得越來越廣泛,柴油機(jī)以扭矩大

2、、熱效率高和經(jīng)濟(jì)性好的特性廣泛應(yīng)用于大中型設(shè)備的動力系統(tǒng),并且隨著一大批先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等,在小型柴油發(fā)動機(jī)行業(yè)的應(yīng)用也更加廣泛。柴油機(jī)在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢,是包括汽油機(jī)在內(nèi)的所有熱力發(fā)動機(jī)都無法取代的,作為綠色發(fā)動機(jī),柴油機(jī)在轎車產(chǎn)業(yè)也受到越來越廣泛的關(guān)注[1-2],大有取代汽油機(jī)的趨勢。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。要發(fā)揮出柴油機(jī)的優(yōu)異性能,組成柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件,如曲軸、凸輪軸、齒輪、噴油嘴等有至關(guān)重要的作用。而隨著柴油機(jī)工作壓力的不斷增大,用戶對柴油機(jī)各個零件的強(qiáng)度也提出了更高的要求。因此,如何提高這些關(guān)鍵零部件的表面質(zhì)量,尤其是機(jī)械加工質(zhì)量,是決定柴油機(jī)整機(jī)可

3、靠性和使用壽命的關(guān)鍵。以傳動齒輪為例,傳動齒輪的表面粗糙度每提升一個等級,將會延長齒輪20%~30%的壽命。柴油機(jī)關(guān)鍵零部件滾磨光整加工可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益,并對柴油機(jī)的發(fā)展、環(huán)境友好型社會的實(shí)現(xiàn)帶來不可估量的社會價值[3-4]。 2滾磨光整工藝概述 為提高柴油機(jī)零部件的表面物理性能,在機(jī)械加工中常采用表面熱處理、拋光和時效處理等多道工序,但這種組合處理方式存在工藝復(fù)雜、加工時間長、質(zhì)量不均勻等問題[5]。為解決柴油機(jī)零部件表面處理存在的問題,筆者選擇滾磨光整加工工藝對柴油機(jī)部分零部件進(jìn)行處理。滾磨光整加工工藝將工件以一定的狀態(tài)浸入盛有加工介質(zhì)的容器中,通過工件

4、、磨料或者兩者同時產(chǎn)生相對運(yùn)動的方式,使工件和磨料之間產(chǎn)生滾壓、刻劃等微量磨削復(fù)雜運(yùn)動形式,進(jìn)而改變工件接觸表面的幾何特征,達(dá)到改善工件的表層物理性能,提高工件表面粗糙度、整機(jī)使用性能,延長工件和整機(jī)使用壽命的目的[6-8]。滾磨光整加工工藝方式主要有回轉(zhuǎn)式和振動式,如圖2所示。滾磨光整加工工藝不僅可以避免傳統(tǒng)加工方法工件表面熱處理、拋光和時效處理等的復(fù)雜工藝,以及加工時間長的弊端,而且能在提升工件表面粗糙度等級的同時,消除殘余應(yīng)力,完成工件的預(yù)磨損。由于獨(dú)特的全方位加工方式,能夠適應(yīng)不同形狀、尺寸工件的處理,從而輕松實(shí)現(xiàn)各類工件的大批量連續(xù)加工[9-10]。影響滾磨光整加工效果的因素很多,找

5、到最優(yōu)化的參數(shù)匹配并總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律,具有極其重要的價值。滾磨光整加工效果影響因素如圖3所示[11-13]。滾磨光整加工中的磨削介質(zhì)由磨液和磨料兩部分組成,由于磨液在滾磨光整加工中主要起潤滑和清理切屑的作用,對工件表面加工質(zhì)量的影響不大,因此筆者主要研究磨料特性對滾磨光整加工效果的影響。在對相同工件進(jìn)行滾磨光整加工時,由于加工表面物理性能幾乎相同,因此滾磨光整加工的質(zhì)量主要與磨料特性和滾磨光整加工時間有關(guān)。在滾磨光整加工中,隨著加工時間的延長,工件表面粗糙度值達(dá)到一定程度后并不會有明顯變化。因此,在相同的加工時間內(nèi),合理選擇磨料,成為柴油機(jī)曲軸、凸輪軸等零部件滾磨光整加工質(zhì)量的最主要影響因素。

6、 3磨料特性分析 滾磨光整加工主要實(shí)現(xiàn)工件與磨料之間的磨削運(yùn)動,這一磨削運(yùn)動由工件、磨料之間的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動組成。在磨削運(yùn)動的作用下,工件與磨料之間形成螺旋運(yùn)動,產(chǎn)生相對作用力,對工件表面進(jìn)行修飾,降低工件表面粗糙度值,完成零部件關(guān)鍵位置的初磨損。在對工件表面反復(fù)滾磨光整加工時,會在工件表面形成交叉網(wǎng)紋,這種交叉網(wǎng)紋可以在較大程度上降低工件表面粗糙度值,改善工件表面的晶格結(jié)構(gòu),提升工件表面性能和使用壽命。雖然工件與磨料的相對運(yùn)動較為復(fù)雜,但是工件和磨料均沿滾筒方向呈現(xiàn)螺旋運(yùn)動,由此可簡化為工件與滾筒作相對矢量運(yùn)動。交叉網(wǎng)紋的形成過程如圖4所示。圖4中,Vc

7、為工件相對于滾筒的軸向速度,Vf為工件沿滾筒的徑向速度,Va為工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度,V為工件相對滾筒運(yùn)動的合速度。工件相對滾筒運(yùn)動的合速度V由工件相對于滾筒的軸向速度Vc、工件沿滾筒的徑向速度Vf、工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va三者疊加組成,其大小應(yīng)滿足下式:由于在滾磨光整加工中,工件沿滾筒的徑向速度Vf變化近乎為零,因此可忽略不計(jì),則式(1)簡化為:工件相對于滾筒的軸向速度Vc與滾筒運(yùn)行周期n及滾筒的半徑r滿足如下關(guān)系:由式(5)和式(6)可以得出結(jié)論:作滾磨光整運(yùn)動的工件相對滾筒運(yùn)動的合速度V由工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va和滾筒半徑r共同決定;在滾筒半徑r一定的前提下,如何加快工件沿滾筒

8、內(nèi)壁切向速度Va是滾磨光整加工中的關(guān)鍵。在光整加工中,工件隨磨料進(jìn)行螺旋運(yùn)動,工件的切向速度由磨料碰撞、擠壓生成,磨料形狀、尺寸將直接影響對工件碰撞和滾壓的程度,因而研究磨料的相關(guān)參數(shù)對研究工件沿滾筒內(nèi)壁的切向速度Va有重要意義。滾磨光整加工中所用的磨具,一般是由耐磨性基材與耐腐蝕結(jié)合劑經(jīng)特殊工藝制成的顆狀體,統(tǒng)稱為磨料。磨料作為主要的滾磨光整加工介質(zhì),是影響工件表面滾磨光整加工效果的主要因素。滾磨光整加工中,磨料對工件表面應(yīng)具有一定的磨削能力,并且耐磨損、耐腐蝕。除此之外,磨料和工件一直浸泡在水和磨劑組成的混合液中,要求磨料致密性好、吸水率低,同時具有耐水、耐油、耐酸堿的性能。由于材質(zhì)的不同

9、,磨料可分為高溫?zé)Y(jié)型、樹脂磨料、金屬磨料等,具體分類、性能及適用性見表1。磨料由各種不同的研磨材料直接制成,或者添加結(jié)合劑燒結(jié)而成,最終成型的磨料其形狀及尺寸規(guī)格多種多樣,表2列出了部分常用磨料的形狀及尺寸規(guī)格。在滾磨光整加工中,同一材質(zhì)、同一粒度的磨料由于形狀不同,會造成加工后的工件表面粗糙度值有較大差別。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,在眾多的磨料形狀中,圓球體磨料滾磨光整加工后的工件表面質(zhì)量最好。隨著磨料棱角的增多,接觸點(diǎn)變得尖銳,工件加工后的表面質(zhì)量變差,工件的表面粗糙度值變大。如要求加工后的工件表面粗糙度值小或光亮度好,應(yīng)選擇圓球體磨料。筆者試驗(yàn)選定兩種尺寸三種磨料粒度共六種不同的剛玉圓球體磨料,編號

10、為準(zhǔn)3FS、準(zhǔn)3MS、準(zhǔn)3RS、準(zhǔn)4FS、準(zhǔn)4MS和準(zhǔn)4RS,進(jìn)行工件表面滾磨光整加工。F、M、R表示磨料的不同粒度,其中F表示磨料粒度為300目,M表示磨料粒度為240目,R表示磨料粒度為80目。采用回轉(zhuǎn)式自由磨具滾磨光整設(shè)備,光整時間為20min,滾磨光整效果對比如表3、圖5所示。對準(zhǔn)3FS、準(zhǔn)3MS和準(zhǔn)3RS三組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,三種磨料之間的變量僅為構(gòu)成磨料的材料粒度有所差異,因而可以得出結(jié)論,在同等的加工條件下,磨料的材料粒度對工件表面粗糙度值的影響幾乎為零。準(zhǔn)4FS、準(zhǔn)4MS和準(zhǔn)4RS三組試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論的正確性。通過對準(zhǔn)3FS和準(zhǔn)4FS、準(zhǔn)3MS和準(zhǔn)4MS、準(zhǔn)3RS和

11、準(zhǔn)4RS試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,可以看出,隨著磨料外形尺寸的增大,工件表面粗糙度值呈現(xiàn)增大的趨勢,這是由于隨著磨料外形尺寸的不斷增大,磨料自身質(zhì)量和體積增大,磨料與工件之間的相對壓力值和接觸面積也增大,兩者之間的滑擦痕跡同樣增大,工件表面質(zhì)量和表面粗糙度、光亮度均較磨料尺寸小時要差。為能更直觀地驗(yàn)證上述結(jié)論,筆者對準(zhǔn)3FS、準(zhǔn)4FS磨料的加工效果進(jìn)行對比,如圖6所示。對工件表面進(jìn)行放大60倍處理,表面微觀對比如圖7所示。通過對比圖6、圖7,可以驗(yàn)證結(jié)論:磨料尺寸越大,工件滾磨光整加工后的表面粗糙度值越大。 4結(jié)束語 滾磨光整加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分,對進(jìn)一

12、步提高產(chǎn)品表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、國際競爭力具有重要作用。滾磨光整加工技術(shù)可以促進(jìn)我國模具、軸承、齒輪等基礎(chǔ)件質(zhì)量的提高,大幅度提高產(chǎn)品的使用性能和競爭力,進(jìn)而帶動整個制造業(yè)水平提升,獲得巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) [1]邱松林.柴油機(jī)SCR控制器的設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017. [2]鄭齊清.6300ZDZC柴油機(jī)工作過程仿真與試驗(yàn)研究[D].廈門:集美大學(xué),2016. [3]徐丹.某柴油機(jī)EGR系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化技術(shù)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2017. [4]喬芳.柴油機(jī)挺柱磨損分析及改進(jìn)[D]

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