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浅谈平面超精研磨工艺

发布于:2015-09-21 15:58

  引言

  煤直接液化装置上用的金属密封球阀,其严苛工况对密封面粗糙度和平面度提出更高的要求,采用传统的研磨工艺,加工后的零件表面粗糙度只达到Ra0.4,无法免租超精密封技术要求,超精研磨工艺研究成为一个重要课题。

  平面密封面技术要求分析

  以规格为6",2500LB煤化工样机平面密封面技术要求为例,其阀体和阀座零件密封面材质分别为STL21和NI-WC,硬度均≥45HRC,光洁度要求Ra0.1,平面度要求0.01。尤其阀体平面密封面处于内孔底面,具体如图1所以,技术要求难点主要体现在如下两方面:

阀体超精密封面位置及技术要求

  (1)平面度要求较高。采用车削加工方式,在切削条件理想状态下精度可保持在0.02左右(因密封面所处位置原因,无法采用磨削方式加工)。

  (2)粗糙度要求较高。常规切削方式粗糙度保持在Ra0.8左右,无法达到Ra0.1要求。

  超精研磨加工

  在结合传统的研磨工艺基础上超精研磨各个工艺环节的影响因素进行分析,形成图2所示超精研磨工艺的输入树形结构图。

超精研磨工艺输入树形结构图

  研磨剂

  (1)磨料

  碳化硼(B4C)是已知最坚硬的三种材料之一,具有高硬度、高耐磨性和易碎性较低等特性,并且在研磨过程中破碎后仍保持一定的锋刃,可作为硬质合金材料(尤其对于NI-WC密封面,其硬度≥63HRC)研磨磨料首选。

  而对于粗糙度要求在Ra0.1密封面而言,磨料粒度选用也尤为重要。传统的研磨采用粒度为W28微粉进行研磨,在一定状态下研磨粗糙度可达到Ra0.4,采用差值法,在其基础上磨料粒度尺寸上升4倍要求,具体粒度选用如表1所示。

磨料粒度选用对照表

  (2)研磨机

  湿式研磨对液态研磨剂组成要求较高,而研磨液在研磨过程中主要使磨料均匀分散悬浮在研磨剂中,并起稀释、润滑和冷却等作用。锭子油具有极佳散热性能和良好的防锈性及防腐蚀性,而石蜡具有一定的粘度,使得磨料能悬浮在液体中,将锭子油和石蜡、磨料按照一定比例加热调和,可满足超精研磨需要。但随着环境温度差异配比也存在一定差异,具体以研磨过程中研磨剂有着良好的流动性,短时内磨料无明显沉淀现象为准。

  研具

  球墨铸铁因含有球状石墨组织,提高了塑性和韧性等机械性能,耐磨性相对于其他铸铁更好,更加均匀更容易嵌存磨粒,结晶细密,组织要均匀,适合于超精研磨用研具,但不允许存在缩孔、缩松以及气孔、夹砂、砂眼、断裂等铸造缺陷,硬度控制在170HB~220HB之内。

  从遵循母性原则出发,当研具表面大于被研磨零件便面时,零件便面的形状精度很大程度上取决于研具本身。考虑采用平台或平板研具对零件进行研磨,密封面平面度要求0.01,为保证研具平面度(通常研具的精度是零件精度的三倍以上),采用三块经过精磨后的平台进行三板互研法以达到真平平面。

  当被研工件不懂而研具动时,研具形体结构的确定应在基本满足刚性的前提下,尽可能考虑到便于夹持,而且体小重量轻,形体结构对称,保证运动平稳等特点。可在研具表面开不少于4条沟槽(如图3),沟槽可储藏过剩的磨料,使磨料不至于淤积而影响加工精度,同时也可储藏研磨中产生的切屑,避免划伤工件表面。还有提高切削能力和加工散热等作用。

研具表面沟槽位置

  研磨压力、速度及时间

  (1)研磨

  研磨压力是影响研磨过程的重要工艺参数。施加于研具上的力,通过磨粒而作用到被研磨表面上。研磨压力对研磨剂中的磨粒浓度选择有一定的影响。

  当磨粒粒度确定后,对于某一确定单位研磨压力,有一个产生最大生产率的磨料浓度。单位浓度过小,研磨作用就很微弱。随着单位压力的增大,研磨作用增加,研磨效率提高,但当单位压力增加到某一数值后呈现宝盒倾向,研磨效率达到最大值。此后若再增加研磨压力,效率反而下降。具体分析为磨粒具有一定的抗压强度极限,当超过此极限时就会被压碎,使磨料变细,研磨能力下降。一般粗研压力控制在0.2MPa~0.4MPa,精研压力控制在0.04MPa~0.1MPa。具体研磨压力和磨料浓度、研磨效率关系如图4所示。

磨料浓度单位压力和金属去除率关系图

  (2)研磨速度

工作余量去除、研磨表面粗糙度与研磨速度的关系曲线图

  研磨速度是控制余量去除速度和研磨表面质量的重要工艺参数。图5为工件余量去除、研磨便面粗糙度与研磨速度的关系曲线。为了获得规定的表面粗糙度而必须耗费的研磨时间大于去除余量所需的时间,就应适当降低研磨速度,反之一样,而平面研磨时速度可参照表2选取研磨速度。研磨速度对余量去除和表面粗糙度的影响对研具的磨损影响很大。研磨速度过快时,研具急剧磨损,可能引起工件的热变形,直接影响加工精度。因此,为了避免研磨磨损过快,可根据实际情况,在表2基础上选取1/3~1/2范围进行研磨。

表面粗糙度和研磨速度对照表

  (3)研磨时间

  通常密封面在研磨前,通过其他加工方式获得预加工精度,研磨开始阶段,因研磨剂磨粒锋利,微切削作用强,零件研磨表面的几何形状误差和粗糙度较快得以纠正。随着研磨时间延长,磨粒钝化,微切削作用下降,不仅加工精度不能提高,反而因热量增加造成表面质量下降。所以,粗研时在规定工艺参数内,选用较粗的研磨剂、较高速度和研磨压力下进行研磨,以较快地消除几何形状误差和切去较大的加工余量,通常即可完成粗磨,以密封面全部研磨出为准。一般精研时间约为5min~10min,超过10min研磨效果不明显。

  抛光

  完成研磨后的密封面,便面采用酒精或丙酮清洗器密封面,为防止研磨过程中磨料镶嵌密封面表面,采用羊毛毡抛光轮上沾一定金属抛光膏进行抛光,以达到清除表面残余磨料,并在密封面表面形成氧化膜提高密封面质量。

  研磨过程工艺要点

  (1)磨前先将零件加工表面和平板清洗干净,将研磨剂均匀涂于零件待修表面上,并放于研磨板上。

  (2)研磨时用手轻按住零件,使磨痕交叉以提高表面粗糙度等级,研磨一段时间后,将零件转动一定角度再继续研磨。同时适时、适量添加研磨剂,保证研磨剂流动连续性。

  工件研磨千基础技术要求

  为提高工件超精研磨质量和效率,对研磨前工件平面形位公差、光洁度及研磨余量进行定义:

  形位公差

  平面度保证在0.02范围内,超精研磨主要功能提高工件表面光洁度,对形位公差其辅助修正作用。

  粗糙度

  粗糙度要求控制在Ra0.8以内,粗糙度不高,变相增加研磨量江都研磨效率,同时因研具和工件相关作用,降低研具使用周期,密封面研磨质量得不到保证。

  研磨余量

  因研磨过程几乎无任何切削作用,对工件余量切削微乎其微,适量控制研磨余量尤为重要,通常研磨余量控制在0.02mm~0.04mm。

  结束语

  通过对超精研磨每个工艺环节逐一分析,并和传统研磨工艺相结合,形成合力的工艺以满足超精平面研磨需要,并最终达到超精冰面研磨需要,并最终达到超精密封面技术要求,对后期煤化工等新品开发提高了重要的工艺技术保证,为公司承接严苛工况订单奠定重要基础。

  本文《浅析平面超精研磨工艺》来自阀门用户。

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