淺談平面超精研磨工藝

煤直接液化裝置上用的金屬密封球閥,其嚴苛工況對密封面粗糙度和平面度提出更高的要求，采用傳統的研磨工藝，加工后的零件表面粗糙度只達到Ra0.4，無法滿足超精密封技術要求，超精研磨工藝研究已然成為閥門行業的一個重要課題。

　　下面對平面密封面技術要求進行簡要分析

　　以規格為6"，2500LB煤化工樣機平面密封面技術要求為例，其閥體和閥座零件密封面材質分別為STL21和NI-WC，硬度均≥45HRC，光潔度要求Ra0.1，平面度要求0.01。尤其閥體平面密封面處于內孔底面，具體如圖1所以，技術要求難點主要體現在如下兩方面：



　　(1)平面度要求較高。采用車削加工方式，在切削條件理想狀態下精度可保持在0.02左右(因密封面所處位置原因，無法采用磨削方式加工)。

　　(2)粗糙度要求較高。常規切削方式粗糙度保持在Ra0.8左右，無法達到Ra0.1要求。

　　超精研磨加工

　　在結合傳統的研磨工藝基礎上超精研磨各個工藝環節的影響因素進行分析，形成圖2所示超精研磨工藝的輸入樹形結構圖。



　　研磨劑

　　(1)磨料

　　碳化硼(B4C)是已知最堅硬的三種材料之一，具有高硬度、高耐磨性和易碎性較低等特性，并且在研磨過程中破碎后仍保持一定的鋒刃，可作為硬質合金材料(尤其對于NI-WC密封面，其硬度≥63HRC)研磨磨料首選。

　　而對于粗糙度要求在Ra0.1密封面而言，磨料粒度選用也尤為重要。傳統的研磨采用粒度為W28微粉進行研磨，在一定狀態下研磨粗糙度可達到Ra0.4，采用差值法，在其基礎上磨料粒度尺寸上升4倍要求，具體粒度選用如表1所示。



　　(2)研磨機

　　濕式研磨對液態研磨劑組成要求較高，而研磨液在研磨過程中主要使磨料均勻分散懸浮在研磨劑中，并起稀釋、潤滑和冷卻等作用。錠子油具有極佳散熱性能和良好的防銹性及防腐蝕性，而石蠟具有一定的粘度，使得磨料能懸浮在液體中，將錠子油和石蠟、磨料按照一定比例加熱調和，可滿足超精研磨需要。但隨著環境溫度差異配比也存在一定差異，具體以研磨過程中研磨劑有著良好的流動性，短時內磨料無明顯沉淀現象為準。

　　研具

　　球墨鑄鐵因含有球狀石墨組織，提高了塑性和韌性等機械性能，耐磨性相對于其他鑄鐵更好，更加均勻更容易嵌存磨粒，結晶細密，組織要均勻，適合于超精研磨用研具，但不允許存在縮孔、縮松以及氣孔、夾砂、砂眼、斷裂等鑄造缺陷，硬度控制在170HB~220HB之內。

　　從遵循母性原則出發，當研具表面大于被研磨零件便面時，零件便面的形狀精度很大程度上取決于研具本身。考慮采用平臺或平板研具對零件進行研磨，密封面平面度要求0.01，為保證研具平面度(通常研具的精度是零件精度的三倍以上)，采用三塊經過精磨后的平臺進行三板互研法以達到真平平面。

　　當被研工件不懂而研具動時，研具形體結構的確定應在基本滿足剛性的前提下，盡可能考慮到便于夾持，而且體小重量輕，形體結構對稱，保證運動平穩等特點。可在研具表面開不少于4條溝槽(如圖3)，溝槽可儲藏過剩的磨料，使磨料不至于淤積而影響加工精度，同時也可儲藏研磨中產生的切屑，避免劃傷工件表面。還有提高切削能力和加工散熱等作用。



　　研磨壓力、速度及時間

　　(1)研磨

　　研磨壓力是影響研磨過程的重要工藝參數。施加于研具上的力，通過磨粒而作用到被研磨表面上。研磨壓力對研磨劑中的磨粒濃度選擇有一定的影響。

　　當磨粒粒度確定后，對于某一確定單位研磨壓力，有一個產生最大生產率的磨料濃度。單位濃度過小，研磨作用就很微弱。隨著單位壓力的增大，研磨作用增加，研磨效率提高，但當單位壓力增加到某一數值后呈現寶盒傾向，研磨效率達到最大值。此后若再增加研磨壓力，效率反而下降。具體分析為磨粒具有一定的抗壓強度極限，當超過此極限時就會被壓碎，使磨料變細，研磨能力下降。一般粗研壓力控制在0.2MPa~0.4MPa，精研壓力控制在0.04MPa~0.1MPa。具體研磨壓力和磨料濃度、研磨效率關系如圖4所示。



　　(2)研磨速度



　　研磨速度是控制余量去除速度和研磨表面質量的重要工藝參數。圖5為工件余量去除、研磨便面粗糙度與研磨速度的關系曲線。為了獲得規定的表面粗糙度而必須耗費的研磨時間大于去除余量所需的時間，就應適當降低研磨速度，反之一樣，而平面研磨時速度可參照表2選取研磨速度。研磨速度對余量去除和表面粗糙度的影響對研具的磨損影響很大。研磨速度過快時，研具急劇磨損，可能引起工件的熱變形，直接影響加工精度。因此，為了避免研磨磨損過快，可根據實際情況，在表2基礎上選取1/3~1/2范圍進行研磨。



　　(3)研磨時間

　　通常密封面在研磨前，通過其他加工方式獲得預加工精度，研磨開始階段，因研磨劑磨粒鋒利，微切削作用強，零件研磨表面的幾何形狀誤差和粗糙度較快得以糾正。隨著研磨時間延長，磨粒鈍化，微切削作用下降，不僅加工精度不能提高，反而因熱量增加造成表面質量下降。所以，粗研時在規定工藝參數內，選用較粗的研磨劑、較高速度和研磨壓力下進行研磨，以較快地消除幾何形狀誤差和切去較大的加工余量，通常即可完成粗磨，以密封面全部研磨出為準。一般精研時間約為5min~10min，超過10min研磨效果不明顯。

　　拋光

　　完成研磨后的密封面，便面采用酒精或丙酮清洗器密封面，為防止研磨過程中磨料鑲嵌密封面表面，采用羊毛氈拋光輪上沾一定金屬拋光膏進行拋光，以達到清除表面殘余磨料，并在密封面表面形成氧化膜提高密封面質量。

　　研磨過程工藝要點

　　(1)磨前先將零件加工表面和平板清洗干凈，將研磨劑均勻涂于零件待修表面上，并放于研磨板上。

　　(2)研磨時用手輕按住零件，使磨痕交叉以提高表面粗糙度等級，研磨一段時間后，將零件轉動一定角度再繼續研磨。同時適時、適量添加研磨劑，保證研磨劑流動連續性。

　　工件研磨千基礎技術要求

　　為提高工件超精研磨質量和效率，對研磨前工件平面形位公差、光潔度及研磨余量進行定義：

　　形位公差

　　平面度保證在0.02范圍內，超精研磨主要功能提高工件表面光潔度，對形位公差其輔助修正作用。

　　粗糙度

　　粗糙度要求控制在Ra0.8以內，粗糙度不高，變相增加研磨量江都研磨效率，同時因研具和工件相關作用，降低研具使用周期，密封面研磨質量得不到保證。

　　研磨余量

　　因研磨過程幾乎無任何切削作用，對工件余量切削微乎其微，適量控制研磨余量尤為重要，通常研磨余量控制在0.02mm~0.04mm。

　　結束語

　　通過對超精研磨每個工藝環節逐一分析，并和傳統研磨工藝相結合，形成合力的工藝以滿足超精平面研磨需要，并最終達到超精冰面研磨需要，并最終達到超精密封面技術要求，對后期煤化工等新品開發提高了重要的工藝技術保證，為公司承接嚴苛工況訂單奠定重要基礎。