行业咨询

变速箱零件表面质量完整性与光整加工工艺

2018-07-26 09:22:48 17

我国变速箱零部件与工业先进国家的相比有较大差距,为数不少的国产零件,单从外观看就像是未加工完的半成品。而在可靠性与使用寿命方面差距就更明显,这种差距从技术层面来说有原材料、热处理、加工设备以及加工工艺等诸多方面原因。本文仅以零件精加工工艺“微观表面质量”一个侧面做一些分析探讨,为尽快缩小差距,介绍机械零件“表面完整性”新概念和旨在实现“表面完整性”的新工艺技术:自由磨具光整加工技术。这种新工艺方法,不分工序、一次性、多方位完成超精加工和超净加工,使零件表面获得微观质量的提高,以追求高精度寿命。

微观表面质量对机械零件的耐磨性、装配性、可靠性(抗疲劳、抗腐蚀、接触刚度)、密封性等使用性能有很大的影响。微观表面质量又由表面的几何特性,物理、化学、力学特性两大方面的五大类诸多参数来评价、来控制。

我国基础标准GB/T3505-2000第4条表面轮廓参数定义中对粗糙度就提出了16个参数。而绝大多数机械零件现行技术标准和产品图样,对微观表面质量都只选取了一个纵坐标幅度参数Ra来评价、来控制。

传统的车、铣、铇、磨、抛光等加工工艺,其共同特点是一道工序只能加工一个表面。除保证实现尺寸和形状位置公差之外,就只保证实现规定的Ra,达到“符合性”要求,“单一采标”,止此而已。

图1 微观表面轮廓形状示意

(1)~(4)咬合倾向大,耐磨性差,(5)~(6)咬合倾向小,耐磨性好。

上图1所示,各微观表面轮廓形状,其Ra可做到相近,但表示加工纹理状态的间距参数Rsm(老标准为Sn)相差甚远,Rsm亦可做到相近,但影响耐磨性,并用Rmp、Rmr(C)【老标准为Rmr、Rmr(c)】表示的轮廓峰谷之间的形状千变万化,使配合表面实际接触面积和存油情况大相径庭,又由于表面加工纹理、方向和零件相对运动的方向不同,都对表面的耐磨性、可靠性(咬合倾向)及使用性能产生重大影响。

Ra只是微观表面轮廓形状16个参数其中之一,Ra不能正确、全面地反映零件微观表面状态,这仅指几何特性中粗糙度而言,更何况多种加工方法。因切削力、切削热和周围介质共同作用下所实现的零件微观表面的其他几何特性、物理、化学、力学、光学性能在零件标准和图样中鲜有或没有要求和规定。“一Ra以蔽之”的零件表面,远不能承受性能日益强化、排放法规日益严格的整机的要求。因此国内机械零件微观表面质量还停留在用一个Ra来评价和控制的“单一性采标”阶段,是造成水平低、质量差的根本原因之一。

为尽快提高我国机械零部件的水平,必须打破“单一性采标”的局限,以“表面完整性”为指导,在传统加工方法的基础上补充、采用和推广具有复合性加工特征的“综合性采标”的新的加工技术。

美国金属切削研究协会的M.Filed和J.Kahles于1964年就提出了“表面完整性”概念,并将其定义为:“由于受控制的加工方法的影响,导致成品的表面状态或性能没有任何损伤,甚至有所加强的结果”。并提出了包括几何特性和物理、力学、化学性能两方面五大类的评价指标体系;还提出了三组(基础、标准、广义)评价数据组。“表面完整性”在工业发达国家已广泛使用,我国机械行业已引入进行研究和推广,得到航空航天、核电、汽车等大型企业的重视和应用,并取得很好效果。

表面完整性评价指标体系

表面完整性是从加工表面的几何纹理状态和表面受扰材料区的物理、化学、力学性能变化两个方面来评价和控制表面质量。其评价指标可归纳为如下五类:

1.表面的纹理形貌:包括表面粗糙度、表面波度和表面纹理方向。

2.表面缺陷:包括加工毛刺、飞边、宏观裂纹、表面撕裂和皱折等缺陷。

3.微观组织和表面冶金学、化学特性:包括金相组织、微观裂纹和表层化学性能。

4.表面力学性能:包括加工硬化程度和深度、残余应力的大小、方向及分布情况。

5.表面的其他工程技术特性:包括电子性能变化(电导率、磁性及电阻变化)、光学性能变化(对光的反射性能如光亮度等)。

表面完整性评价数据组

对于某一个零件,应根据具体要求选取部分评价内容作为具体评价指标,一般情况可按以下规定的三个数据组来进行评价。

1.基础数据组

1)  表面粗糙度和表面纹理组织;

2)  宏观组织:10倍或更低倍数能观察到的加工毛刺、飞边、宏观裂纹和宏观腐蚀迹象;

3)  微观组织:微观裂纹、塑性变形、变相、晶间腐蚀、麻点、撕裂、皱折、积屑瘤、融化和再沉积层、选择性腐蚀;

4)  显微硬度。

2.标准数据组

1)  基础数据组;

2)  疲劳强度试验;

3)  应力腐蚀试验要求;

4)  残余应力和畸变分析。

3.广义数据组

1)  标准数据组;

2)  扩大的疲劳试验,用于得出设计所需要的信息;

3)  附加的力学性能试验。如拉伸、应力断裂、蠕变等试验;

4)  其它特殊性能,如摩擦特性、锈蚀特性、光学特性及电子特性等。

以上三个数据组,后一个数据组是前一个数据组的发展。基本数据组为最低极限数据组;标准数据组是用于更为关键性的零件;广义数据组是在标准数据组的基础上,扩大了力学性能试验和其它工程技术特殊要求的检测内容,以满足设计时对表面质量的特殊要求。

目前对表面完整性的研究,通常是对某些关键零件所用的材料及有关最终工序的加工方法进行分析;在极限工艺参数范围内进行不同的试验,研究加工后表面层金相组织,残余应力和疲劳性质等主要性能的变化,从而确定这些材料对加工条件和工艺参数的敏感性。应用表面完整性控制加工方法和工艺参数,一般需进行一系列试验和测试大量数据,这将导致成本增加。所以,一般只选择关键零件或零件的关键部位,来确保其表面质量,放宽非关键部位的要求,一求降低生产总成本。对一般零件可根据技术要求,以基本数据组中部分参数进行质量评价。

零件在获得规定的尺寸精度、几何精度之后,那些旨在提高零部件表面质量为目的的各种加工方法技术被称为表面光整加工技术。本文重点介绍瀑布式光整加工技术。

零件在动态充满介质的腔体中强制振动,用抛光、剪切、喷丸来给零件的内外表面去毛刺、清洁,使用研磨介质的研磨动作(碰撞、滚压、挤压、划擦)除去毛刺、杂质,留下光滑的表面。适合0.5-250kg零件,通过工装装夹在机器工作腔内,如图1和照片1所示;源源不断的介质(含碳錳硫磷的硬化钢)和清洁混合剂(弱碱性)流下来经过固定好的零件;工作腔以2300-2900转/min的频率、4.75-6.35mm的振幅振动;受偏心重力的影响,产生40g以上的高速加速度抛光喷丸能量,彻底清除了零件内外表面的毛刺及其杂质,同时达到提高零部件表面质量、综合性能和使用性能的目的。

图1工作腔工作示意    照片1工作腔工作照片

照片2工作腔内装夹变速箱零件    照片3工作腔内装夹变速箱零件

光整加工技术是在实现“表面完整性”具有综合性采标和复合性加工特征,具体体现在如下各个方面:

在微观表面几何特性方面

1.选择不同的光整加工工艺参数,能提高粗糙度Ra0.5-2个等级以上,见图2所示,上曲线为原粗糙度值Ra3.5,下曲线为经过瀑布式光整工艺后的粗糙度值Ra0.29

图2瀑布光整工艺前后某零件粗糙度值对比

2.表面轮廓支承长度率Rmr值,及轮廓支承长度率曲线Rmr(c),能直接反映零件表面耐磨性,对提高承载能力也具有重要意义,据美国来图加工的曲轴表面,规定在水平截距C=1时Rmr值要求达到95%。而我国变速箱零部件基本上对Rmr值无要求,实测情况也非常低(见表4及图3)光整加工后Rmr值可提高30%以上。

表1        某柴油机零件支承轴颈表面测试结果

Ra(mm)

C=1时Rmr(%)

光整加工时间(分)

0.645

0.399

0.551

0.369

图3 某柴油机某零件支承轴颈表面Rmr(c)曲线

3、光整加工是一种微量磨削,是对零件表面轮廓峰高zpi值的部分去除和钝化(图4中剖线部分C=1时)通过光整工艺参数的选择,可使zpi值的减少,控制在1~3

。具体磨量数值可根据Rmr(c)曲线计算。

图4 轮廓支承长度率曲线

4、光整加工可明显改善、细化表面形貌和加工纹理。图5是表面形貌的对比,图6是加工纹理的对比。光整前的表面形貌和纹理、粗糙连续方向性明显,光整后的形貌、纹理细化不连续方向性淡化,呈现多点细粒状P型纹理特征。因此光整加工可大大降低零件配合表面的咬合倾向,提高耐磨性。图5中a)光整前外表面  b)光整15min外表面  c)光整15min轴端面

图5 Q235材料试件光整前后表面形貌比较(电镜×200)

光整前                            光整后

图6某厂M11发动机零件光整前后表面纹理(电镜×500)对比

光整前                              光整后

图7 某航空发动机叶片光整前后表面纹理形貌(数显观测×180)

在物理力学性能方面

1.光整加工能提高表面显微硬度HV6~10%。(见表2)

表2                     表面显微硬度测试结果

2.光整加工通过磨料对零件表面的碰撞、滚压、挤压、划擦等可大大增加表面变质(硬化)层的厚度从而提高了零件的耐磨性。图6中a)Q235光整前1~5 ;b)光整后24 ;c)HT光整前3~5 ;d)光整后26

图8光整前后表面变质层(电镜×200、光整15min)比较

3.光整加工可改变零件表面应力状况,使拉应力变为压应力、增大压应力数值。(见表3)

表3 某曲轴光整加工前后表面完整性指标对比(曲轴材料为QT800-2)

4.光整加工可大幅度提高零件的疲劳寿命。以弹簧为例:不光整的疲劳寿命为36万次,光整过的提高至52万次。

去除和改善表面缺陷

1.光整加工可去除其它工序完成之后的显微毛刺。

2.光整加工对零件上全部尖角和棱边同时倒圆和钝化。如内外齿轮、平键槽、花键及花键槽、环槽、交叉孔边缘、螺栓螺纹尖角等,对改善装配性、减少运转拉伤的可能性有明显的作用。

3.光整加工过程中又有液体介质,不产生磨削烧伤裂纹,反倒能去除深度小于3 的表面微观裂纹。

4.光整加工可很好改善零件阶梯过渡圆角处的“黑线接痕”问题。

5.光整加工可去除和钝化加工的微观表面尖峰(减小峰高zpi)、宏观表面毛刺和锐边,可提高零件非加工面及粗加工面的清洁度和外观光亮度(见表4)。对零件热处理而产生的发黑、变色、腐蚀及残留物可一次彻底清除。

表4 部分厂家光整前后清洁度指标对照表

6、光整加工,使零件表面在机外完成了初期磨合,从而提高了整机清洁度和初期磨合的可靠性。这与零件不光整装整机磨合后清洗油底壳,清洁度效果大不相同。

光整加工综合采标、产生综合效果举例

1.某型号四缸柴油机出厂试车中曲轴轴颈拉伤化瓦故障率,不光整时为0.55%,曲轴光整后降至0.069%(各统计两万台)

2.某公司变速箱产品,将箱内零件全部光整,装配后,齿轮箱机械噪音降低1分贝。

3.光整技术是对零件整体各表面在一道工序中一次性加工,据此可对老工艺、工序,如粗磨、非精磨、精磨、砂带抛光、毛毡卡瓦抛光等进行撤、并,优化调整,降低成本。

4.艾莉森传输控制阀体的清洁和去毛刺问题。曾采用多步方法包括高压清洗、喷砂、抛光、去毛刺,以及再次的清洗、喷砂。之后进行质量检测,每个零件都有毛刺,污垢,削屑。花了无数个小时仍是不合格的零件。当使用瀑布式系统对传输控制阀体进行清洁和去毛刺。现在98%的产品合格率,仅2%需再次加工。艾莉森自己的数据,以下面的图表为例,都很好地说明了瀑布式系统的积极作用。紫色代表合格,红色,黄色绿色等其他颜色表示再加工。

5.韩国SeongShin公司,月平均生产12400动力转向泵,曾使用传统的喷丸清洗和手工去毛刺方法,其不合格率40%,且需要大量的质量监测和加工。采用瀑布系统后,工人从4名下降到1名,加工12400个零件所需时间从592小时降到126小时,不合格率从40%降至几乎为0。

以下数据由韩国公司提供:

6.某汽车公司传动装置的阀板,传统的喷丸,爆炸去刺,高压清洗等,成本昂贵,而且阀板变形。使用瀑布式系统加工100个阀板,随机选出50个,进行平面度测试。结果有效,且经济符合标准,同时确保了零件的平面度。瀑布式系统能以每60秒的循环周期处理10个阀板。50个阀板其中的7号和8号件测量数据如下表所示:

7.某厂对柴油机全部运动摩擦副零件进行光整加工,实现零件机外初磨合、装机后减少了整机初期磨合故障率,提高磨合质量,大幅度减少了试车磨合时间,节省了人力、物力(厂房设备)和财力,就试车用柴油年节约200多万元。

8.人工心脏泵零件,植入体内抗血凝1.5mg,光整加工后抗血凝可降低到0.4mg。

9.电镀零件镀前光整,可提高涂层、镀层均匀性及附着力。

10.瀑布式光整加工现场照片

11、曾经加工过的零件照片

综上所述,瀑布技术是一项成熟的光整加工技术,发达国家很重视瀑布光整技术的应用,并普通受到高度评价。该项技术应用将推动我国机械制造业的技术进步,变速箱产品提升档次、替代进口等,具有积极社会经济效益。