一、國產(chǎn)變速箱零部件對微觀表面質(zhì)量“單一性采標(biāo)”是造成水平低、質(zhì)量差的根本原因之一
微觀表面質(zhì)量對機(jī)械零件的耐磨性、裝配性、可靠性(抗疲勞、抗腐蝕、接觸剛度)、密封性等使用性能有很大的影響。微觀表面質(zhì)量又由表面的幾何特性，物理、化學(xué)、力學(xué)特性兩大方面的五大類諸多參數(shù)來評(píng)價(jià)、來控制。
我國基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3505-2000第4條表面輪廓參數(shù)定義中對粗糙度就提出了16個(gè)參數(shù)。而絕大多數(shù)機(jī)械零件現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品圖樣，對微觀表面質(zhì)量都只選取了一個(gè)縱坐標(biāo)幅度參數(shù)Ra來評(píng)價(jià)、來控制。
傳統(tǒng)的車、銑、铇、磨、拋光等加工工藝，其共同特點(diǎn)是一道工序只能加工一個(gè)表面。除保證實(shí)現(xiàn)尺寸和形狀位置公差之外，就只保證實(shí)現(xiàn)規(guī)定的Ra，達(dá)到“符合性”要求，“單一采標(biāo)”，止此而已。
圖1 微觀表面輪廓形狀示意
(1)~(4)咬合傾向大，耐磨性差，(5)~(6)咬合傾向小，耐磨性好。
上圖1所示，各微觀表面輪廓形狀，其Ra可做到相近，但表示加工紋理狀態(tài)的間距參數(shù)Rsm(老標(biāo)準(zhǔn)為Sn)相差甚遠(yuǎn)，Rsm亦可做到相近，但影響耐磨性，并用Rmp、Rmr(C)【老標(biāo)準(zhǔn)為Rmr、Rmr(c)】表示的輪廓峰谷之間的形狀千變?nèi)f化，使配合表面實(shí)際接觸面積和存油情況大相徑庭，又由于表面加工紋理、方向和零件相對運(yùn)動(dòng)的方向不同，都對表面的耐磨性、可靠性(咬合傾向)及使用性能產(chǎn)生重大影響。
Ra只是微觀表面輪廓形狀16個(gè)參數(shù)其中之一， Ra不能正確、全面地反映零件微觀表面狀態(tài)，這僅指幾何特性中粗糙度而言，更何況多種加工方法。因切削力、切削熱和周圍介質(zhì)共同作用下所實(shí)現(xiàn)的零件微觀表面的其他幾何特性、物理、化學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能在零件標(biāo)準(zhǔn)和圖樣中鮮有或沒有要求和規(guī)定。“一Ra以蔽之”的零件表面，遠(yuǎn)不能承受性能日益強(qiáng)化、排放法規(guī)日益嚴(yán)格的整機(jī)的要求。因此國內(nèi)機(jī)械零件微觀表面質(zhì)量還停留在用一個(gè)Ra來評(píng)價(jià)和控制的“單一性采標(biāo)”階段，是造成水平低、質(zhì)量差的根本原因之一。
為盡快提高我國機(jī)械零部件的水平，必須打破“單一性采標(biāo)”的局限，以“表面完整性”為指導(dǎo)，在傳統(tǒng)加工方法的基礎(chǔ)上補(bǔ)充、采用和推廣具有復(fù)合性加工特征的“綜合性采標(biāo)”的新的加工技術(shù)。
二、機(jī)械零件“表面完整性”新概念
美國金屬切削研究協(xié)會(huì)的M.Filed和J.Kahles于1964年就提出了“表面完整性”概念，并將其定義為：“由于受控制的加工方法的影響，導(dǎo)致成品的表面狀態(tài)或性能沒有任何損傷，甚至有所加強(qiáng)的結(jié)果”。并提出了包括幾何特性和物理、力學(xué)、化學(xué)性能兩方面五大類的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;還提出了三組(基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)、廣義)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)組。
“表面完整性”在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛使用，我國機(jī)械行業(yè)已引入進(jìn)行研究和推廣，得到航空航天、核電、汽車等大型企業(yè)的重視和應(yīng)用，并取得很好效果。
表面完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：
表面完整性是從加工表面的幾何紋理狀態(tài)和表面受擾材料區(qū)的物理、化學(xué)、力學(xué)性能變化兩個(gè)方面來評(píng)價(jià)和控制表面質(zhì)量。其評(píng)價(jià)指標(biāo)可歸納為如下五類：
1.表面的紋理形貌：包括表面粗糙度、表面波度和表面紋理方向。
2.表面缺陷：包括加工毛刺、飛邊、宏觀裂紋、表面撕裂和皺折等缺陷。
3.微觀組織和表面冶金學(xué)、化學(xué)特性：包括金相組織、微觀裂紋和表層化學(xué)性能。
4.表面力學(xué)性能：包括加工硬化程度和深度、殘余應(yīng)力的大小、方向及分布情況。
5.表面的其他工程技術(shù)特性：包括電子性能變化(電導(dǎo)率、磁性及電阻變化)、光學(xué)性能變化(對光的反射性能如光亮度等)。
表面完整性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)組：
對于某一個(gè)零件，應(yīng)根據(jù)具體要求選取部分評(píng)價(jià)內(nèi)容作為具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般情況可按以下規(guī)定的三個(gè)數(shù)據(jù)組來進(jìn)行評(píng)價(jià)。
1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組
1) 表面粗糙度和表面紋理組織;
2) 宏觀組織：10倍或更低倍數(shù)能觀察到的加工毛刺、飛邊、宏觀裂紋和宏觀腐蝕跡象;
3) 微觀組織：微觀裂紋、塑性變形、變相、晶間腐蝕、麻點(diǎn)、撕裂、皺折、積屑瘤、融化和再沉積層、選擇性腐蝕;
4) 顯微硬度。
2.標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組
1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組;
2) 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn);
3) 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)要求;
4) 殘余應(yīng)力和畸變分析。
3.廣義數(shù)據(jù)組
1) 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組;
2) 擴(kuò)大的疲勞試驗(yàn)，用于得出設(shè)計(jì)所需要的信息;
3) 附加的力學(xué)性能試驗(yàn)。如拉伸、應(yīng)力斷裂、蠕變等試驗(yàn);
4) 其它特殊性能，如摩擦特性、銹蝕特性、光學(xué)特性及電子特性等。
以上三個(gè)數(shù)據(jù)組，后一個(gè)數(shù)據(jù)組是前一個(gè)數(shù)據(jù)組的發(fā)展。基本數(shù)據(jù)組為最低極限數(shù)據(jù)組;標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組是用于更為關(guān)鍵性的零件;廣義數(shù)據(jù)組是在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了力學(xué)性能試驗(yàn)和其它工程技術(shù)特殊要求的檢測內(nèi)容，以滿足設(shè)計(jì)時(shí)對表面質(zhì)量的特殊要求。
目前對表面完整性的研究，通常是對某些關(guān)鍵零件所用的材料及有關(guān)最終工序的加工方法進(jìn)行分析;在極限工藝參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行不同的試驗(yàn)，研究加工后表面層金相組織，殘余應(yīng)力和疲勞性質(zhì)等主要性能的變化，從而確定這些材料對加工條件和工藝參數(shù)的敏感性。應(yīng)用表面完整性控制加工方法和工藝參數(shù)，一般需進(jìn)行一系列試驗(yàn)和測試大量數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致成本增加。所以，一般只選擇關(guān)鍵零件或零件的關(guān)鍵部位，來確保其表面質(zhì)量，放寬非關(guān)鍵部位的要求，一求降低生產(chǎn)總成本。對一般零件可根據(jù)技術(shù)要求，以基本數(shù)據(jù)組中部分參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。
三、綜合性采標(biāo)的表面光整加工技術(shù)
零件在獲得規(guī)定的尺寸精度、幾何精度之后，那些旨在提高零部件表面質(zhì)量為目的的各種加工方法技術(shù)被稱為表面光整加工技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹瀑布式光整加工技術(shù)。
零件在動(dòng)態(tài)充滿介質(zhì)的腔體中強(qiáng)制振動(dòng)，用拋光、剪切、噴丸來給零件的內(nèi)外表面去毛刺、清潔，使用研磨介質(zhì)的研磨動(dòng)作(碰撞、滾壓、擠壓、劃擦)除去毛刺、雜質(zhì)，留下光滑的表面。適合0.5-250kg零件，通過工裝裝夾在機(jī)器工作腔內(nèi)，如圖1和照片1所示;源源不斷的介質(zhì)(含碳錳硫磷的硬化鋼)和清潔混合劑(弱堿性)流下來經(jīng)過固定好的零件;工作腔以2300-2900轉(zhuǎn)/min的頻率、4.75-6.35mm的振幅振動(dòng);受偏心重力的影響，產(chǎn)生40g以上的高速加速度拋光噴丸能量，徹底清除了零件內(nèi)外表面的毛刺及其雜質(zhì)，同時(shí)達(dá)到提高零部件表面質(zhì)量、綜合性能和使用性能的目的。
圖1 工作腔工作示意
照片1工作腔工作照片
照片2工作腔內(nèi)裝夾變速箱零件
照片3工作腔內(nèi)裝夾變速箱零件
光整加工技術(shù)是在實(shí)現(xiàn)“表面完整性”具有綜合性采標(biāo)和復(fù)合性加工特征，具體體現(xiàn)在如下各個(gè)方面：
在微觀表面幾何特性方面：
1. 選擇不同的光整加工工藝參數(shù)，能提高粗糙度Ra 0.5-2個(gè)等級(jí)以上，見圖2所示，上曲線為原粗糙度值Ra3.5μm，下曲線為經(jīng)過瀑布式光整工藝后的粗糙度值Ra0.29μm。
圖2 瀑布光整工藝前后某零件粗糙度值對比
2.表面輪廓支承長度率Rmr值，及輪廓支承長度率曲線Rmr(c)，能直接反映零件表面耐磨性，對提高承載能力也具有重要意義，據(jù)美國來圖加工的曲軸表面，規(guī)定在水平截距C=1μm時(shí)Rmr值要求達(dá)到95%。而我國變速箱零部件基本上對Rmr值無要求，實(shí)測情況也非常低(見表4及圖3)光整加工后Rmr值可提高30%以上。
表1 某柴油機(jī)零件支承軸頸表面測試結(jié)果
圖3 某柴油機(jī)某零件支承軸頸表面Rmr(c)曲線
3、光整加工是一種微量磨削，是對零件表面輪廓峰高zpi值的部分去除和鈍化(圖4中剖線部分C=1μm時(shí))通過光整工藝參數(shù)的選擇，可使zpi值的減少，控制在1~3μm。具體磨量數(shù)值可根據(jù)Rmr(c)曲線計(jì)算。
圖4 輪廓支承長度率曲線
4、光整加工可明顯改善、細(xì)化表面形貌和加工紋理。圖5是表面形貌的對比，圖6是加工紋理的對比。光整前的表面形貌和紋理、粗糙連續(xù)方向性明顯，光整后的形貌、紋理細(xì)化不連續(xù)方向性淡化，呈現(xiàn)多點(diǎn)細(xì)粒狀P型紋理特征。因此光整加工可大大降低零件配合表面的咬合傾向，提高耐磨性。圖5中a)光整前外表面 b)光整15min外表面 c)光整15min軸端面
圖5 Q235材料試件光整前后表面形貌比較(電鏡×200)
圖6 某廠M11發(fā)動(dòng)機(jī)零件光整前后表面紋理(電鏡×500)對比
圖7 某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片光整前后表面紋理形貌(數(shù)顯觀測×180)
在物理力學(xué)性能方面：
1. 光整加工能提高表面顯微硬度HV6～10%。(見表2)
表2 表面顯微硬度測試結(jié)果
2. 光整加工通過磨料對零件表面的碰撞、滾壓、擠壓、劃擦等可大大增加表面變質(zhì)(硬化)層的厚度從而提高了零件的耐磨性。圖6中a )Q235光整前1～5μm ;b)光整后24μm ;c)HT光整前3～5μm;d)光整后26μm
圖8 光整前后表面變質(zhì)層(電鏡×200、光整15min)比較
3. 光整加工可改變零件表面應(yīng)力狀況，使拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力、增大壓應(yīng)力數(shù)值。(見表3)
表3 某曲軸光整加工前后表面完整性指標(biāo)對比(曲軸材料為QT800-2)
4. 光整加工可大幅度提高零件的疲勞壽命。以彈簧為例：不光整的疲勞壽命為36萬次，光整過的提高至52萬次。
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顯微毛刺。
2. 光整加工對零件上全部尖角和棱邊同時(shí)倒圓和鈍化。如內(nèi)外齒輪、平鍵槽、花鍵及花鍵槽、環(huán)槽、交叉孔邊緣、螺栓螺紋尖角等，對改善裝配性、減少運(yùn)轉(zhuǎn)拉傷的可能性有明顯的作用。
3. 光整加工過程中又有液體介質(zhì)，不產(chǎn)生磨削燒傷裂紋，反倒能去除深度小于3μm的表面微觀裂紋。
4. 光整加工可很好改善零件階梯過渡圓角處的“黑線接痕”問題。
5. 光整加工可去除和鈍化加工的微觀表面尖峰(減小峰高zpi)、宏觀表面毛刺和銳邊，可提高零件非加工面及粗加工面的清潔度和外觀光亮度(見表4)。對零件熱處理而產(chǎn)生的發(fā)黑、變色、腐蝕及殘留物可一次徹底清除。
表4 部分廠家光整前后清潔度指標(biāo)對照表
6、光整加工，使零件表面在機(jī)外完成了初期磨合，從而提高了整機(jī)清潔度和初期磨合的可靠性。這與零件不光整裝整機(jī)磨合后清洗油底殼，清潔度效果大不相同。
光整加工綜合采標(biāo)、產(chǎn)生綜合效果舉例：
1. 某型號(hào)四缸柴油機(jī)出廠試車中曲軸軸頸拉傷化瓦故障率，不光整時(shí)為0.55%，曲軸光整后降至0.069%(各統(tǒng)計(jì)兩萬臺(tái))
2. 某公司變速箱產(chǎn)品，將箱內(nèi)零件全部光整，裝配后，齒輪箱機(jī)械噪音降低1分貝。
3. 光整技術(shù)是對零件整體各表面在一道工序中一次性加工，據(jù)此可對老工藝、工序，如粗磨、非精磨、精磨、砂帶拋光、毛氈卡瓦拋光等進(jìn)行撤、并，優(yōu)化調(diào)整，降低成本。
4. 艾莉森傳輸控制閥體的清潔和去毛刺問題。曾采用多步方法包括高壓清洗、噴砂、拋光、去毛刺，以及再次的清洗、噴砂。之后進(jìn)行質(zhì)量檢測，每個(gè)零件都有毛刺，污垢，削屑。花了無數(shù)個(gè)小時(shí)仍是不合格的零件。當(dāng)使用瀑布式系統(tǒng)對傳輸控制閥體進(jìn)行清潔和去毛刺。現(xiàn)在98%的產(chǎn)品合格率，僅2%需再次加工。艾莉森自己的數(shù)據(jù)，以下面的圖表為例，都很好地說明了瀑布式系統(tǒng)的積極作用。紫色代表合格，紅色，黃色綠色等其他顏色表示再加工。
5. 韓國Seong Shin公司，月平均生產(chǎn)12400動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵，曾使用傳統(tǒng)的噴丸清洗和手工去毛刺方法，其不合格率40%，且需要大量的質(zhì)量監(jiān)測和加工。采用瀑布系統(tǒng)后，工人從4名下降到1名，加工12400個(gè)零件所需時(shí)間從592小時(shí)降到126小時(shí)，不合格率從40%降至幾乎為0。
以下數(shù)據(jù)由韓國公司提供：
6. 某汽車公司傳動(dòng)裝置的閥板，傳統(tǒng)的噴丸，爆炸去刺，高壓清洗等，成本昂貴，而且閥板變形。使用瀑布式系統(tǒng)加工100個(gè)閥板，隨機(jī)選出50個(gè)，進(jìn)行平面度測試。結(jié)果有效，且經(jīng)濟(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)確保了零件的平面度。瀑布式系統(tǒng)能以每60秒的循環(huán)周期處理10個(gè)閥板。50個(gè)閥板其中的7號(hào)和8號(hào)件測量數(shù)據(jù)如下表所示：
7. 某廠對柴油機(jī)全部運(yùn)動(dòng)摩擦副零件進(jìn)行光整加工，實(shí)現(xiàn)零件機(jī)外初磨合、裝機(jī)后減少了整機(jī)初期磨合故障率，提高磨合質(zhì)量，大幅度減少了試車磨合時(shí)間，節(jié)省了人力、物力(廠房設(shè)備)和財(cái)力，就試車用柴油年節(jié)約200多萬元。
8. 人工心臟泵零件，植入體內(nèi)抗血凝1.5mg，光整加工后抗血凝可降低到0.4 mg。
9. 電鍍零件鍍前光整，可提高涂層、鍍層均勻性及附著力。
10. 瀑布式光整加工現(xiàn)場照片
11、曾經(jīng)加工過的零件照片
綜上所述，瀑布技術(shù)是一項(xiàng)成熟的光整加工技術(shù)，發(fā)達(dá)國家很重視瀑布光整技術(shù)的應(yīng)用，并普通受到高度評(píng)價(jià)。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用將推動(dòng)我國機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，變速箱產(chǎn)品提升檔次、替代進(jìn)口等，具有積極社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。