流式精加工降低部件间摩擦


作者:Barbara Schulz 日期:2019/05/22 来源:MM《现代制造》

每支摩托车赛队,每位骑手都在不断地努力提高发动机的性能。对英国Sangha Race and Restoration的老板基兰•桑哈先生个人而言,他明白如果仅仅翻新和更新部件,性能不会有很大提升,于是专门设计出一款高马力的赛车发动机。桑哈先生说道:“我的主要工作是专门为赛车客户改装摩托车,业余时间也会享受赛车带来的刺激。部件之间的摩擦是影响发动机和齿轮性能的决定因素,发动机齿轮以最高18 000转马力为车辆提供动能时,接触面会持续承受应力,导致热量产生造成性能不佳,也可能导致组件故障,无法按照预期水平运行。更糟糕的是,一旦机械发生故障,还可能影响赛车手的个人安全。”

桑哈先生之前尝试过振动精加工齿轮、轴和发动机部件等方法来缓解这些问题。该工艺在一定程度上确实改善了部件的表面光洁度,但表面粗糙度仍存在明显分布不均匀。此外,振动机械所用介质中含有的化学物质有可能削弱金属,导致表面硬化,没有起到延长部件寿命,提高摩托车性能的效果。“用于振动精加工的陶瓷介质分子没有直接渗透到齿轮根部,无法形成超精加工表面。”桑哈先生说道,“我必须找到更好的办法进行齿轮和其他赛车组件精加工。”

图1 Otec的流式精加工工艺改善了齿轮的表面光洁度,起到减少摩擦,提高发动机性能的效果
图1 Otec的流式精加工工艺改善了齿轮的表面光洁度,起到减少摩擦,提高发动机性能的效果

表面快速抛光

英国精加工专家Fintek解决了桑哈先生的难题。这家公司已有30多年历史,专门为珠宝制造商、航空航天组件制造商和顶级摩托车赛队提供表面超级精加工服务。随着表面精加工技术不断发展,该公司可以为小型赛队和赛车工程师提供更实惠的专业服务。Fintek的最新极致性能精加工技术名为“流式精加工”。该过程由德国Otec公司研发,可以将表面光滑度提升到平均Ra0.01,仅为传统方法(振动精加工或盘式精加工)的1/10,而且质量均有可重复性。该过程还进一步降低了应力断裂风险。

Otec总经理赫尔穆特•盖根海默先生解释道:“与其他精加工工艺相比,流式精加工不仅能抛光表面,而且改变了材料边缘区域的结构。因此,我们可以降低峰值高度(Rpk)和芯部粗糙度(Rk),从而改变部件的疲劳强度。通过手工抛光,也可以得到上述Ra值(粗糙度分量不规则度的算术平均高度),看起来并无任何特别之处,但是Ra值并不能真正反映出真实的表面轮廓,相同的Ra值可能导致润滑性能明显不同。最佳峰值结构(Rpk值低)产生的磨损最少,并且能够减少摩擦损失。”

流式精加工采用高密度细颗粒介质,直径在0.2~1mm之间,明显小于振动精加工过程使用的介质。与表面活性剂和防腐蚀介质混合后,这种材料看起来与湿砂相似,通过机器的腔室进行加速处理。然后将一个或多个工件固定在工件夹紧装置上,并按照一定角度将其浸没在介质中。盖根海默先生告诉我们:“工件的旋转速度、研磨介质的选择和夹固部件并将其浸入腔室内的角度根据具体应用决定,要求操作人员具备丰富的经验。研磨介质的转速控制工件上的压力,而工件的旋转控制着切割速度。利用产生的高机械能可以改变工件表面的晶体结构。非常细的介质颗粒可以进入孔和齿轮根部等类似区域。流式精加工加快了两个摩擦表面之间‘第三体’的形成。在这个通过薄油膜分开的边界层上,表面相互传递动能。弯曲的作用使得该层的结晶纳米结构极其精细,达到糊状粘度,进而减少摩擦。流式精加工消除了发动机和变速箱长时间磨合的需要,减少了油污染,将换油间隔延长一倍。与传统的磨削部件相比,其另一个优势在于产生的热量和噪音分别减少了10%和50%。”

图2 对于齿轮等部件,流式精加工可以将表面光洁度提高到Ra0.01。减少摩擦的同时,产生的热量和噪音也相应减少,其中噪音水平下降50%
图2 对于齿轮等部件,流式精加工可以将表面光洁度提高到Ra0.01。减少摩擦的同时,产生的热量和噪音也相应减少,其中噪音水平下降50%

减少微阱

流式精加工另一个优势是减少了齿轮上的微阱。 一般加工中,齿轮上的润滑膜可能穿过某一局部点,导致混合摩擦和过度压力。磨损导致接触点失去光泽。与之相关的最重要参数是表面粗糙度,Otec精加工技术可达到的Ra 0.2以下,明显降低微阱。

该过程专门针对高价值部件设计,不适用于耗时几小时的螺丝或其他用盘式或振动精加工过程(可处理的普通部件批量加工)。“流式精加工一次只需一分钟时间,甚至更低。该过程分为两个阶段,第一阶段是磨削,第二阶段是抛光。抛光过程旨在减少磨削后的突起,从而在保证表面充分润滑情况下,减少摩擦。”盖根海默先生说道。

为了达到桑哈先生的性能目标,Fintek使用了Otec公司的流式精加工工艺,在选择介质尺寸、浸入介质的角度和循环时间时也需要特别小心。桑哈先生告诉我们,Otec公司的流式精加工工艺能够在很短时间内达到Ra0.02的表面光滑度。

此外,该项工艺处理后的部件能够形成极具吸引力的镜面抛光表面。触摸起来非常光滑,特别是其他工艺很难触及的齿轮根部。这点优势对于性能而言意味着什么呢?桑哈先生向我们解释道:“摩托车赛事最讲究的就是感觉。即使发动机、变速箱和悬架能够正常工作,但是经过超级精加工处理的组件总是能给你带来不一样的感觉。测试时,我们发现其性能明显提高了5%。改进处不止在马力方面,也提高了发动机迅速利用能量的速度以及在负载运转时赛手的感觉,车体明显更酷了。作为一名赛手,自信心很关键。可靠的组件和发动机能够提高赛手的信心,而这也恰好是许多客户忽略掉的地方。”

图3 Otec流式精加工机器的内视图
图3 Otec流式精加工机器的内视图

减少摩擦,提高性能

流式精加工的部件之间摩擦减少,这意味着磨损减少,组件的寿命被提高,维护费用随之减少。“以后,我肯定会将更多部件送到Fintek进行极致性能精加工处理。Sangha Race and Restoration有很多参赛客户,我很确定他们也希望提高自己的车辆性能。”

Otec的流式精加工工艺也特别适用于高价值部件的批量精加工,比如发动机的凸轮轴,能够起到提高摩擦特性的效果。这种流式精加工工艺已申请保护,在使用该项技术时,需将夹紧工件浸没在旋转容器内的介质流中,在极短时间内加速至2 000转以上,并在0.5s内,将介质中的零件加速到最大切向加速度后再减速至0,产生最高30 m/s的相对速度,以及40g的加速量。在这个过程中,不仅可以除去磨削留下的痕迹,将粗糙度参数降至0.1μm以下,也会形成微腔。据Otec介绍,润滑油会聚集在这些微腔中,处理常规磨削槽口时,不会发生移动。