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活塞销精密磨削后表面粗糙度值高的
原因分析及采取措施
兰州机车厂 技术部 李兴菊
摘 要：本文从活塞销精密磨削后表面粗糙度值高这一惯性质量问题入手，以切削理论和磨削理论为基础，结合我厂活塞销生产实际，对活塞销精密磨削后表面粗糙度值高的原因进行了分析和研究，并提出如何解决这一难题的具体方法。
主题词：精密磨削 粗糙度 切削用量 砂轮
一、前言
1、活塞销是内燃机车柴油机的重要配件之一，其材料为12CrNi3A，表面渗碳处理，淬火硬度为HRC60～63，表面粗糙度为Ra0.1μm。
2、我厂采用MG1432A磨床进行精密磨削加工活塞销已有十余年，采用的工艺方法为：粗磨-精磨-光磨，参数选择：砂轮磨料为铬钢玉、硬度为软R1、粒度为100#、线速度选择V=60r/min；工件线速度为高速；光磨次数为2次，光磨时纵向进给量与精磨纵向进给量相同；精磨单边留量为0.005mm，进给三次，旧型活塞销表面粗糙度要求达到Ra0.2μm，采用以上工艺方法完全能够达到Ra0.2μm。但从2000年开始生产新型活塞销，表面粗糙度要求达到Ra0.1μm，采用原工艺方法精密磨削后检测统计约有50%左右活塞销的表面粗糙度值在Ra0.13μm～Ra0.18μm之间，达不到Ra0.1μm，需采用手工抛光的方法进行补救，不但效率低，而且质量不稳定，使该产品生产受到制约。为此，从切削理论和加工实际中查找原因进行分析，采取有效措施解决了这一难题。
二、 理论分析：
1、低粗糙度表面的形成必须具备两个基本条件：（1）良好的极细微的微刃；（2）较低的磨削应力。
根据外圆磨削磨粒切削深度计算公式：
g=2a×v/V×√△×（1/D+1/d） （1）
其中 a—连续切削刃间隔 V—砂轮线速度
D—砂轮直径 d—工件直径
v—工件线速度 △—砂轮切削深度
可以看出，磨粒切削深度g相对切削深度√△成正比例增加，切削深度增加，每个磨粒切削刃承受的力增加，磨粒破碎也加剧，切削刃高度的一致性被破坏，影响活塞销表面粗糙度，从而可以得出影响工件表面粗糙度的因素有砂轮切削深度，连续切削刃间隔，砂轮直径，工件直径，工件线速度，砂轮线速度等。
2、磨削表面粗糙度值计算：磨削加工是由磨粒的切削刃所切削出来的，其粗糙度也如同切削加工一样可分成沿磨削方向的粗糙度和与其垂直方向的粗糙度。粗糙度值计算公式为：
x=1/8×（R+r）/Rr×(v/ V) 2α2+ b2/4d0 （2）
其中：X—表面粗糙度值 R—砂轮直径
r—工件直径 v—工件速度
V—砂轮速度 α—连续两切削刃的间隔
b—磨削表面上磨痕的宽度 d0—磨粒直径
从公式（2）可以得出：影响工件表面粗糙度值的因素有：砂轮和工件的直径及线速度，砂轮的粒度、硬度等。
三、 原因分析
以理论分析为依据，结合我厂生产实际，活塞销精密磨削后表面粗糙度值高的原因主要有以下几个方面：
1、切削用量选择不当：
（1）切削深度：活塞销精磨直径留量为0.02mm左右，单边留量为0.01mm左右，最后一次切削深度0.005mm偏大，影响工件表面粗糙度值，采取首次切削深度选择0.005 mm，其余每次切削深度选择0.002 mm，通过试验，工件表面粗糙度值明显降低。
（2）光磨不当：光磨即无进给量的磨削，也就是砂轮微刃对工件摩檫抛光作用。从图一可以看出增加光磨次数表面粗糙度可相应降低，在试验过程中我们发现增加光磨次数，达到5次，同时减小纵向进给量，即比精磨减小一半，进给慢有更多的磨粒与工件接触，从而降低工件表面粗糙度值，通过工艺参数改进后活塞销表面粗糙度值均降低一个等级，但再增加光磨次数活塞销表面粗糙度值变化不大，如图所示。
光磨次数与表面粗糙度的关系
图 一
（3）砂轮速度、工件速度选择不当：从表面粗糙度值公式：
x=1/8×（R+r）/Rr×(v/ V) 2α2+ b2/4d0
可以看出，在工件直径和砂轮直径一定的情况下，工件速度越高，表面粗糙度值越大；砂轮速度越低，表面粗糙度值越大，工件速度及砂轮速度对工件表面粗糙度值影响大，根据理论推荐值 ：工件速度为10m/min～15m/min即31r/min～47r/min之间；砂轮线速度为17m/s～35m/s，结合我厂实际生产经验及设备实际，工件速度选择35r/min～40r/min之间；（v/V=0.005～0.01）砂轮线速度采用高速，通过实际试验，对降低工件表面粗糙度值有明显效果。
2、粗磨后粗糙度值偏高：活塞销粗磨后粗糙度值实测为Ra0.8μm～Ra1.0μm之间，粗磨后粗糙度值过高，精磨时工件表面去除量较少，从而留下粗磨后的磨痕。
3、砂轮的选择：
（1）磨料的选择：我厂采用铬刚玉磨料，型号为PA磨削活塞销。由于磨料构成切削刃，它的硬度、韧性、组成、形状对磨削力、磨削表面粗糙度有密切的关系。白刚玉磨料表面比较粗糙，容易形成切削刃，磨粒钝化后又容易碎裂而形成新的切削刃面，适用磨削淬火钢及高碳钢。
（2）硬度的选择：磨削硬度高的工件时，作用在磨粒上的磨削力大，磨粒由于磨损使切削刃容易变钝，为了使这种已无用的磨粒很快脱落而露出新的磨粒，选择软的砂轮，太软的砂轮在磨削时磨粒容易从结合剂中整粒的脱落，造成工件表面粗糙度值高，砂轮硬度太硬容易引起表面变钝或气孔堵塞，活塞销淬火后硬度为HRC60～63，选用中软K比软R1对降低表面粗糙度值有利。
（3）粒度选择：我厂磨削活塞销时选用粒度100#偏粗。从公式x=1/8×（R+r）/Rr×(v/ V) 2α2+ b2/4d0 可以看出，α—两切削刃的间隔，α越大粗糙度值越大，所以粒度越细，α越小，表面粗糙度值越小。但粒度选择太细在磨削过程中磨屑容易将砂轮气孔堵塞，无法进行正常磨削，选用粒度120#砂轮适合活塞销磨削。
通过实践，选择白刚玉磨料、120#粒度、中软K硬度的砂轮对活塞销精磨为最佳匹配，可达到正常磨削状态。
4、切削液质量不稳定：生产中采用乳化液，浓度配比不稳定，有时乳化液浓度过高对工件清洗差，使磨削中脱落的磨粒无法冲掉，容易造成磨屑等杂物划伤工件表面，影响工件表面粗糙度。
5、砂轮修整不当：在砂轮修整时，修出的砂轮表面不平整，磨削2～3个活塞销后才平整，造成活塞销表面粗糙度值高，修整后的砂轮表面比较平整而且寿命长，磨削5个活塞销后修整一次，保证质量，提高效率。
当然影响活塞销表面粗糙度的因素很多，但实际生产中主要有以上原因造成活塞销表面粗糙度值高。
四、采取措施
1、合理选择切削用量：
（1）切削深度：首次切削深度选择0.005，其余每次切削深度选择0.002 mm。
（2）光磨：进行5次光磨，同时减小光磨纵向进给量。
（3）工件及砂轮转速：工件速度选择35r/min～40r/min之间；砂轮线速度采用高速。
2、控制粗磨后粗糙度：要求粗磨后粗糙度值达到Ra0.6μm～Ra0.8μm。
3、正确选择砂轮：磨料选择白刚玉WA；砂轮硬度选择微软K；砂轮粒度选择120#。
4、控制切削液质量：切削液中乳化液与水的配比为：不超过10%乳化液与90%的水，并进行良好过滤，防止磨削时冷却液带入砂粒。
5、正确修整砂轮。
五、效果
通过采取以上有效措施解决了活塞销精密磨削后表面粗糙度值高的难题，精密磨削后的活塞销表面粗糙度值均能达到Ra0.1μm，不但质量稳定，而且生产效率比手工抛光高。
参考文献：
1. 机械工程手册（二） 机械工业出版社
2. 机械加工工艺手册（二） 机械工业出版
3. 精密加工法 （上册）（日）田中义信 （译）冯铗、郑铉 1986.10
机械工业出版社
磨工与磨削 朱祖根 杭根新 1988.10 机械工业出版社
