一、國產變速箱零部件對微觀表面質量“單一性采標”是造成水平低、質量差的根本原因之一

　　微觀表面質量對機械零件的耐磨性、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。微觀表面質量又由表面的幾何特性，物理、化學、力學特性兩大方面的五大類諸多參數(shù)來評價、來控制。

　　我國基礎標準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個參數(shù)。而絕大多數(shù)機械零件現(xiàn)行技術標準和產品圖樣，對微觀表面質量都只選取了一個縱坐標幅度參數(shù)Ra來評價、來控制。

　　傳統(tǒng)的車、銑、铇、磨、拋光等加工工藝，其共同特點是一道工序只能加工一個表面。除保證實現(xiàn)尺寸和形狀位置公差之外，就只保證實現(xiàn)規(guī)定的Ra，達到“符合性”要求，“單一采標”，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(老標準為Sn)相差甚遠，Rsm亦可做到相近，但影響耐磨性，并用Rmp、Rmr(C)【老標準為Rmr、Rmr(c)】表示的輪廓峰谷之間的形狀千變萬化，使配合表面實際接觸面積和存油情況大相徑庭，又由于表面加工紋理、方向和零件相對運動的方向不同，都對表面的耐磨性、可靠性(咬合傾向)及使用性能產生重大影響。

　　Ra只是微觀表面輪廓形狀16個參數(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、切削熱和周圍介質共同作用下所實現(xiàn)的零件微觀表面的其他幾何特性、物理、化學、力學、光學性能在零件標準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，遠不能承受性能日益強化、排放法規(guī)日益嚴格的整機的要求。因此國內機械零件微觀表面質量還停留在用一個Ra來評價和控制的“單一性采標”階段，是造成水平低、質量差的根本原因之一。

　　為盡快提高我國機械零部件的水平，必須打破“單一性采標”的局限，以“表面完整性”為指導，在傳統(tǒng)加工方法的基礎上補充、采用和推廣具有復合性加工特征的“綜合性采標”的新的加工技術。

　　二、機械零件“表面完整性”新概念

　　美國金屬切削研究協(xié)會的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，導致成品的表面狀態(tài)或性能沒有任何損傷，甚至有所加強的結果”。并提出了包括幾何特性和物理、力學、化學性能兩方面五大類的評價指標體系;還提出了三組(基礎、標準、廣義)評價數(shù)據(jù)組。

　　“表面完整性”在工業(yè)發(fā)達國家已廣泛使用，我國機械行業(yè)已引入進行研究和推廣，得到航空航天、核電、汽車等大型企業(yè)的重視和應用，并取得很好效果。

　　<一> 表面完整性評價指標體系

　　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、力學性能變化兩個方面來評價和控制表面質量。其評價指標可歸納為如下五類：

　　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、化學特性：包括金相組織、微觀裂紋和表層化學性能。

　　4.表面力學性能：包括加工硬化程度和深度、殘余應力的大小、方向及分布情況。

　　5.表面的其他工程技術特性：包括電子性能變化(電導率、磁性及電阻變化)、光學性能變化(對光的反射性能如光亮度等)。

　　<二> 表面完整性評價數(shù)據(jù)組

　　對于某一個零件，應根據(jù)具體要求選取部分評價內容作為具體評價指標，一般情況可按以下規(guī)定的三個數(shù)據(jù)組來進行評價。

　　1.基礎數(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、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.標準數(shù)據(jù)組

　　1) 基礎數(shù)據(jù)組;

　　2) 疲勞強度試驗;

　　3) 應力腐蝕試驗要求;

　　4) 殘余應力和畸變分析。

　　3.廣義數(shù)據(jù)組

　　1) 標準數(shù)據(jù)組;

　　2) 擴大的疲勞試驗，用于得出設計所需要的信息;

　　3) 附加的力學性能試驗。如拉伸、應力斷裂、蠕變等試驗;

　　4) 其它特殊性能，如摩擦特性、銹蝕特性、光學特性及電子特性等。

　　以上三個數(shù)據(jù)組，后一個數(shù)據(jù)組是前一個數(shù)據(jù)組的發(fā)展?；緮?shù)據(jù)組為最低極限數(shù)據(jù)組;標準數(shù)據(jù)組是用于更為關鍵性的零件;廣義數(shù)據(jù)組是在標準數(shù)據(jù)組的基礎上，擴大了力學性能試驗和其它工程技術特殊要求的檢測內容，以滿足設計時對表面質量的特殊要求。

　　目前對表面完整性的研究，通常是對某些關鍵零件所用的材料及有關最終工序的加工方法進行分析;在極限工藝參數(shù)范圍內進行不同的試驗，研究加工后表面層金相組織，殘余應力和疲勞性質等主要性能的變化，從而確定這些材料對加工條件和工藝參數(shù)的敏感性。應用表面完整性控制加工方法和工藝參數(shù)，一般需進行一系列試驗和測試大量數(shù)據(jù)，這將導致成本增加。所以，一般只選擇關鍵零件或零件的關鍵部位，來確保其表面質量，放寬非關鍵部位的要求，一求降低生產總成本。對一般零件可根據(jù)技術要求，以基本數(shù)據(jù)組中部分參數(shù)進行質量評價。

　　三、綜合性采標的表面光整加工技術

　　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量為目的的各種加工方法技術被稱為表面光整加工技術。本文重點介紹瀑布式光整加工技術。

　　零件在動態(tài)充滿介質的腔體中強制振動，用拋光、剪切、噴丸來給零件的內外表面去毛刺、清潔，使用研磨介質的研磨動作(碰撞、滾壓、擠壓、劃擦)除去毛刺、雜質，留下光滑的表面。適合0.5-250kg零件，通過工裝裝夾在機器工作腔內，如圖1和照片1所示;源源不斷的介質(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/min的頻率、4.75-6.35mm的振幅振動;受偏心重力的影響，產生40g以上的高速加速度拋光噴丸能量，徹底清除了零件內外表面的毛刺及其雜質，同時達到提高零部件表面質量、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工作腔內裝夾變速箱零件 照片3工作腔內裝夾變速箱零件

　　光整加工技術是在實現(xiàn)“表面完整性”具有綜合性采標和復合性加工特征，具體體現(xiàn)在如下各個方面：

　　<一> 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個等級以上，見圖2所示，上曲線為原粗糙度值Ra3.5，下曲線為經(jīng)過瀑布式光整工藝后的粗糙度值Ra0.29。

　　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=1時Rmr值要求達到95%。而我國變速箱零部件基本上對Rmr值無要求，實測情況也非常低(見表4及圖3)光整加工后Rmr值可提高30%以上。

　　表1 某柴油機零件支承軸頸表面測試結果

　　圖3 某柴油機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=1時)通過光整工藝參數(shù)的選擇，可使zpi值的減少，控制在1~3。具體磨量數(shù)值可根據(jù)Rmr(c)曲線計算。

　　圖4 輪廓支承長度率曲線

　　4、光整加工可明顯改善、細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、紋理細化不連續(xù)方向性淡化，呈現(xiàn)多點細粒狀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)

　　光整前 光整后

　　圖6 某廠M11發(fā)動機零件光整前后表面紋理(電鏡×500)對比

　　光整前 光整后

　　圖7 某航空發(fā)動機葉片光整前后表面紋理形貌(數(shù)顯觀測×180)

　　<二> 在物理力學性能方面

　　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(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1～5;b)光整后24;c)HT光整前3～5;d)光整后26

　　圖8 光整前后表面變質層(電鏡×200、光整15min)比較

　　3. 光整加工可改變零件表面應力狀況，使拉應力變?yōu)閴簯?、增大壓應力?shù)值。(見表3)

　　表3 某曲軸光整加工前后表面完整性指標對比(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。

　　<三> 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倒圓和鈍化。如內外齒輪、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、減少運轉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，不產生磨削燒傷裂紋，反倒能去除深度小于3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對照表

　　6、光整加工，使零件表面在機外完成了初期磨合，從而提高了整機清潔度和初期磨合的可靠性。這與零件不光整裝整機磨合后清洗油底殼，清潔度效果大不相同。

　　<四> 光整加工綜合采標、產生綜合效果舉例

　　1. 某型號四缸柴油機出廠試車中曲軸軸頸拉傷化瓦故障率，不光整時為0.55%，曲軸光整后降至0.069%(各統(tǒng)計兩萬臺)

　　2. 某公司變速箱產品，將箱內零件全部光整，裝配后，齒輪箱機械噪音降低1分貝。

　　3. 光整技術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、毛氈卡瓦拋光等進行撤、并，優(yōu)化調整，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。之后進行質量檢測，每個零件都有毛刺，污垢，削屑?；藷o數(shù)個小時仍是不合格的零件。當使用瀑布式系統(tǒng)對傳輸控制閥體進行清潔和去毛刺?，F(xiàn)在98%的產品合格率，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12400動力轉向泵，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個零件所需時間從592小時降到126小時，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個閥板，隨機選出50個，進行平面度測試。結果有效，且經(jīng)濟符合標準，同時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個閥板。50個閥板其中的7號和8號件測量數(shù)據(jù)如下表所示：

　　7. 某廠對柴油機全部運動摩擦副零件進行光整加工，實現(xiàn)零件機外初磨合、裝機后減少了整機初期磨合故障率，提高磨合質量，大幅度減少了試車磨合時間，節(jié)省了人力、物力(廠房設備)和財力，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，瀑布技術是一項成熟的光整加工技術，發(fā)達國家很重視瀑布光整技術的應用，并普通受到高度評價。該項技術應用將推動我國機械制造業(yè)的技術進步，變速箱產品提升檔次、替代進口等，具有積極社會經(jīng)濟效益。