光整加工技术综述报告.docx

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光整加工技术综述报告

光整加工技术综述

摘要：

介绍了光整加工技术在制造业中的重要地位和作用，对光整加工技术进行分类并分析了光整加工技术的工艺方法及特点，叙述了各类光整加工技术的发展历程，并着重介绍了几类非传统光整加工技术的应用和不足，最后分析了光整加工技术未来的发展要求和方向。

1光整加工技术的含义、地位及作用

表面质量是评价零件质量的一个重要指标，零件表面的凹凸不平、飞边毛刺、磕碰划伤和微观裂纹等，不仅影响零件的表面质量，同时也影响整机的装配精度、性能和使用寿命。

所谓光整加工，是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时，实现精度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术，是先进制造技术的一个重要组成部分。

2光整加工技术的特点

进行光整加工的目的，主要是提高零件的表面质量。

无论是传统的光整加工方法，还是近年来出现的新工艺技术，都具有以下主要特点：

（1）光整加工的加工余量小，原则上只是上道工序公差带宽度的几分之一。

一般情况下，只能改善表面质量（减小粗糙度值，消除划痕、裂纹和毛刺等），不影响加工精度。

如果余量太大，不仅生产效率低，有时还可能导致工件的原有精度下降；

（2）光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工件之间的相对运动应尽量复杂。

因为光整加工是用细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、划擦的过程，只要保证磨具与工件加工表面能具有较大的随机性接触，就能使表面误差逐步均化到最终消除，从而获得很高的表面质量；

（3）光整加工时，磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置，一般不能修正加工表面的形状和位置误差，其精度要靠先行工序来保证；

（4）有效地清除铸件、锻件和热处理件的表面的残渣、杂质及氧化皮；

（5）改善工件表面层应力状态，形成抗疲劳破坏的均匀压应力值（一般比原值增大50%以上）；

（6）改善工件表面层金相组织状态，提高表面显微硬度，一般提高6%~20%，形成一定深度的耐磨损、抗疲劳的致密金属层，深度一般提高4倍以上；

（7）提高工件清洁度，完成传动件的初期磨损，改善整机部分性能指标，缩短整机磨合期40%以上；

（8）降低工艺成本，减轻工人劳动强度，提高生产效率，无污染，便于机械化和自动化生产。

3光整加工技术的分类及工艺方法

光整加工主要有采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光、机械传统光整加工、非传统光整加工和复合非传统光整加工。

如果按能量提供方法分类，则可大致分为机械法、化学和电化学法、热能作用这几类。

若按光整加工的主要功能来分，可分为下面3大类：

（1）以降低零件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等；

（2）以改善零件表面物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等；

（3）以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、高温爆炸、滚磨、动力刷加工等。

手工方法研磨、抛光，能够实现平面、回转体、自由曲面的光整加工，适用于单件小批量生产。

但这种方法劳动强度高，同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响，质量不稳定，效率低。

机械光整加工包括精密磨削、珩磨、研磨、抛光、超精磨、滚压加工等。

非传统光整加工技术主要包括：

离子束抛光，激光束抛光，化学抛光，电化学抛光，磁粒光整加工，磁流体研磨，磨料流抛光，超声波研磨、抛光，电泳研磨等。

复合非传统光整加工主要包括:

化学机械抛光、电化学超声波研磨、电火花超声波研磨、电化学机械光整加工、电火花电化学抛光、磁场电化学光整加工，其他复合光整加工等。

4各类光整加工技术发展历程

对于毛刺技术（或毛刺工程）重要性的真正认识，始于美国Bendix公司的研究人员，他们在1974年的SME（美国制造工程师学会）成立毛刺技术分会会议上发言时，首先提出了“毛刺技术”这个技术术语，一直沿用至今。

从而使精密零件表面光整加工去毛刺技术受到了多个工业发达国家的普遍重视。

后来便于技术上的交流，将这个分会正式改名为毛刺、棱边和光整技术分会（BurrEdge&SurfaceFinishingTechnique,BEST）。

1975年ISO（国际标准化组织）举办了第一届关于去毛刺、飞边的国际学术会议。

之后，美国、日本、西德、苏联等国先后设立了专门研究机构及产品开发部门，进行了大量富有开拓性的研究工件，开发了许多实用的光整加工及去毛刺工艺方法及相应设备，尤其是于1997年成立的国际BEST组织，在世界范围内对这一战略性技术进行了积极的推广和应用。

之后，CIRP（国际生产工程协会）也在其学术年会上，相继发表了有关去毛刺及表面光整加工方面的

论文。

这项技术于20世纪90年代开始在机械工业和电子工业中占据了重要的地位，已得到各国的普遍重视。

我国于20世纪90年代初，才先后成立了“中国仪表工艺学会光整技术研究会”和“中国机械工程学会光整技术研究会”。

光整加工及去毛刺技术的发展起步较晚。

近几年，液压行业、轴承行业、纺机行业、内燃机行业等诸多行业推广光整技术的研讨会已举行多次。

目前，我国已经形成每两年举办一次国际光整加工技术及表面工程学术会议的机制，很多新理论、新工艺、新技术、新装备层出不断，整个光整加工技术的研究及应用呈现了加速发展的良好态势。

光整加工技术要解决的核心问题是表面质量，有时也有生产率和加工精度要求，这是保证产品质量的基础和前提，也是实现从微米、亚微米加工技术向纳米级加工技术发展的重要途径。

4.1传统机械光整加工阶段

手工研磨、抛光，能实现平面、回转体、自由曲面的光整加工，适用于单件小批量生产。

但这种方法劳动强度高，同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响，质量不稳定，效率低。

随着科学技术的发展和制造水平的不断提高，传统机械光整加工得到了迅速的发展，相继开发出数控机床、机器人来替代手工作业。

尤其是CAD/CAE/CAM在模具行业的应用，自由曲面的光整加工将成为可能。

工艺参数、效率的不确定性、设备昂贵等因素决定了在实际中大范围的推广应用，还需要摸索相对较长的时间。

无论是手工作业还是机械光整加工，都需要多道工序完成。

由于工作量大，效率低，已满足不了生产需要;而且对工具头无法触及的异型件、细长管件或大型工件，实现光整加工难度更大，甚至无法加工。

非传统光整加工及复合光整加工的出炉就是必然。

4.2非传统机械光整加工及复合非传统光整加工

化学抛光和电化学抛光是有选择地溶解峰点，实现表面光整，并且不受导电材料硬度的限制，生产效率高，但是光整加工后表面粗糙度等级只能提高1~2级，且精度难以控制。

只应用于一些降低零件表面粗糙度值，改善表面质量，但对精度要求不高的零件。

上世纪70年代开发的电化学机械光整加工，设备结构简单、成本低，吸收了机械光整加工精度的可控性和电化学抛光效率高的优点，使工件表面微观高度特性明显减小，可加工出高精度零件，效率

高。

但遇到原始表面粗糙度值大的表面（如Ra>1.61μm），效率就会大幅度下降。

此种工艺主要应用于磨削过的表面粗糙度提高及精度提高的零件加工。

80年代出现了脉冲电化学机械光整加工技术，充分利用电流的间歇作用和压力波的搅拌作用以及机械的精加工保障作用，降低了对原始表面粗糙度的要求。

主要用于较为粗糙表面的光整加工，并且提高了加工精度和效率。

随着脉冲电化学机械光整加工工艺的不断完善，该技术的应用领域将会越来越广。

由于工具头的局限性，前面所说的光整加工无法实现对U型管、异型管等内表面的光整加工。

磁粒光整加工中，自由磁粒受到磁场力控制，形成具有柔性的磁刷，可实现自由曲面、自由孔等特殊形状的

孔或面的加工；但其致命的缺点是生产效率低，而且还受到磁性磨料制造水平的制约。

各种形式的非传统及复合光整加工避免了手工作业。

传统机械光整加工中存在的缺陷，大幅度改善表面质量和提高生产效率，在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时，正朝着加工过程的机械化、自

动化、柔性化、智能化和高效率方向发展。

5非传统光整加工技术的应用及不足

现阶段，各类非传统光整加工技术在我国都已有所应用和研究，下面将详细介绍几种非传统光整加工技术。

5.1电化学光整加工

电化学光整加工是一种有效利用电化学阳极溶解现象的零件终加工工艺方法。

将电化学阳极溶解现象用于工件阳极整平，最初是以工件阳极表而抛光为目的而应用的，并在此基础上逐步演绎为采用酸性电解液的电化学抛光工艺方法。

虽然电化学抛光方法可改善零件的表而质量，但由于电解液为酸性溶液且几乎不流动；同时，电极之间的间隙较大，因此，电化学抛光工艺方法有其局限性。

这主要表现在:

受工件阳极原始表而质量的影响较大，零件表而粗糙度只能在原有的基础上提高1~2级，加工精度的可控差；存在酸性电解液对设备的腐蚀，对环境的影响等问题。

然而，由于在提高复杂结构零件表而质量方而具有一定的优势，如工具阴极的结构设计及其制造简单，因此，目前电化学抛光仍是提高零件表而质量的重要手段之一。

针对电化学抛光工艺方法的不足，在结合电化学加工优势的基础上，提出了电化学光整加工工艺方法。

相关研究的分析表明:

电化学光整加工是一种有效地利用小间隙条件下的电化学阳极溶解现象对零件实施整平的工艺方法。

电化学机械光整可以大幅度消除表面低周期波动，使表面轮廓高度分布范围缩小，表面轮廓高度特性参数大幅度降低；而且电化学机械光整表面的波纹度远小于精磨表面，并且前者与后者的波纹度参数之比，小于对应的粗糙度参数之比。

虽然电化学光整加工是电化学加工在光整加工领域的应用，但由于目的不同，因此，电化学光整加工有自身的工艺特点和规律。

对这些工艺特点及其规律的深入研究与探索将推动电化学光整加工向柔性化、过程控制自动化、智能化方向发展。

5.2振动光整加工

振动光整加工是利用机械振动，使产品零件和大小形状不相等磨料相对摩擦，以去除机械加工或冲压、压铸后产品零件所产生的毛刺、飞边、棱角，并去除热处理产生的氧化皮和锈斑，它又是电镀前产品零件的表面处理和提高产品外观质量的一种细微磨削方法。

振动光整加工实质上是种间隙脉冲研磨和磨削。

在磨料周期性地离开和接触工件过程中，由于振动，磨料运动方向、大小不断变化，而且磨料具有不同形状、不同材质，所以磨料能周到地磨削着工件的不同部位，它对形状复杂的工件尤其实用。

振动研磨过程中，各种加工因素都会对研磨效果产生不同的影响，要正确合理地选择各种因素。

其中主要因素包括加工时间、偏心块的夹角、频率的大小、磨料的配比和研磨液种类等。

此外，振动光整加工与其他光整加工技术的复合也产生了很好的加工效果，例如磁性流体超声振动光整加工技术。

磁性流体超声振动光整加工是以磁性流体作为超声振动的制动元件，在磁性流体中混入非磁性磨料和防锈剂并施之以交变的高频梯度磁场，从而使磁性流体夹持磨料与之相接触的工件表面发生超声振动磨削，达到对复杂形面、内部型腔及细小管内壁等的光整加工。

磁性流体磁致伸缩超声振动光整加工技术不仅可以使最终加工表面粗糙度值降低，而且有适应性强，加工设备精度要求较低等诸多优越性，解决了一些复杂型面零部件表面高质量光整加工的难题，能够人幅度改善零件的表面质量，具有重要研究价值和发展前景。

总体来说，振动光整加工在形状更为复杂的机械零部件表面及

内部型腔等的光整加工中，还有很大困难。

5.3离子束抛光

基于离子束溅射效应的离子束抛光技术，是超精密加工工艺体系中的重要一环。

其利用惰性气体电离形成的离子轰击工件，产生特定的溅射现象，从而进行原子、分子加工单位的微量加工，相比其他CCOS（计算机控制光学表面成型技术）抛光技术，具有加工单位小、无接触应力、去除函数可控性强、无材料选择性等突出优点。

因此，离子束抛光技术在超精密光学加工领域，特别是ICF高功率固体激光系统所需大口径轻薄光学元件的无边缘效应高精度高效加工、光刻机透镜组的超高精度加工等重大科学工程应用中具有举足轻重的意义。

离子束抛光工艺与机床已在欧美等发达国家具有较为成熟的应用。

目前国内在该工艺技术与机床方面尚处于探索研究阶段，与国外先进水平尚有一定差距。

接下来的研究主要集中在两方面，一是通过改进离子光学系统进一步优化去除函数的形态及去除效率;二是优化离子束抛光工艺参数并完善工艺软件核心算法，进一步提升离子抛光工艺精度和加工收敛速度。

5.4激光束抛光

激光加工作为一种新型加工技术，具有高效率、高柔性等优点。

激光抛光金属作为一种新的激光加工应用技术，目前已经得到多国学者和研究机构的青睐。

它通过一个聚焦的激光束斑作用在粗糙的原始金属表面，造成金属材料表面凸起薄层的熔化和蒸发。

熔化的材料，由于材料本身的表面张力和重力的作用发生流动，填补金属表面凹陷处并发生凝固，最终得到理想的抛光材料表面。

通过激光器的控制，激光抛光时的输出能量与金属材料的作用层厚度很小，只在微米厚度的材料层上发生，因此不会像一般的激光束加工金属那样造成大面积的粗糙表面。

激光在金属表面抛光应用具有其潜在的各种优势，其不仅具有可选择的抛光速度，无化学污染，抛光过程可检测性，而且是一种非接触加工方法，可以通过一般的工业计算机来控制。

另外，激光在与金属材料表面相互作用时，由于其独特的脉冲特性，能快速地抛光金属表面。

即使对于复杂的金属表面几何，激光抛光也能快速实现微米尺度的抛光，并且对于不同的金属表面，激光可以选择不同的输出能量和频率特性，甚至对于有些高硬度金属材料，采用激光抛光也是最合适的方法。

激光抛光金属表面被视为一种新的加工技术，这种技术完全有希望最终取代耗时且容易出错的手工和其他传统的抛光。

激光抛光金属这项技术虽然有其许多优点，但目前对其研究工作还不是很多。

其本身的限制条件也是一个重要原因。

如由于激光器类型的限制，很多激光不能应用在金属表面的抛光中。

正是近年来激光器的不断发展，才有很多学者开始尝试使用新型的激光器对金属表面进行抛光。

因此，作为激光抛光的最大的限制条件，开发出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。

此外，三维增材制造现在是一个研究热点，而一般3D增材制造得到的金属表面都比较粗糙，使用激光对这种金属表面进行直接抛光是最好的方法。

但是目前激光对3D增材制造的表面抛光的文献报道还不是很多，因此，关于这方面还有大量的研究工作可以进行。

目前的研究工作，主要是围绕机理形成、建模计算、工艺实验、分析结果等几方面进行，但总体研究水平尚处在初步的探索阶段，进入实际的企业生产应用还需要一定的时间。

5.5磁力光整加工

随着对工件精加工表面质量要求的不断提高，新型高效精密磨削方法的开发成为新的研究课题。

磁力研磨、磁流变抛光、磁悬浮技术都是利用磁力的新型加工方法。

磁流变抛光是利用高梯度磁场使磁流变液聚结并具有一定硬度，形成一缎带凸起，成为有黏塑性的Gingham介质，并使这种高速运动的介质通过窄小间隙，对工件表面与之接触区域的材料被去除。

磁力研磨是磁性磨料在磁场作用下，对工件表面进行精密研磨的方法，磁力研磨较之前两种加工方法成本低、装置简单，受到国内学者的广泛研究，并不断改进创新。

磁力研磨加工作为一种极具潜力的自动化曲面光整加工工艺，特别是基于曲面数字化的复杂曲面磁力研磨光整加工技术，可以广泛地应用于机械、模具、汽车、轴承、航空航天等行业。

但磁力研磨和复合磁力研磨的加工机理还需深入研究;新型非黏接磨料加工效果尚可，但去除机理尚不明晰，存在不稳定因素；磁力研磨的实验装置有待完善；磁性磨粒的制备也是其发展瓶颈之一；根据实验可知复合磁力研磨的效率相较普通磁力研磨有明显的提高，所以为解决复杂曲面的高效光整加工工艺，提高零部件表面质量及使用性能，复合磁力研磨高效专用装备的研发是今后发展方向。

6结语

随着机械制造向更高层次的发展，对光整加工技术也提出了新的要求，其需求主要有以下几个方面:

（1）要求解决光整加工中一直未能很好解决的对大中型零件，复杂型面、内部型腔及细小管内壁的优质高效光整加工难题。

（2）要求解决难加工材料、脆性材料（为陶瓷材料等）的光整加工难题。

（3）要求光整加工技术立竿见影向更精密层次发展，实现从微米、亚微米光整向纳米级光整加工的发展。

另外，要使光整加工后的工件表面形貌更加合理，物理力学性能更加优良，加工过程更加方便经济。

随着光整加工技术在生产中的推广应用，对光整加工自动化提出了新的要求。

近年来，工业发达国家都投入了大量的人力和物力进行开发研究，现已研制出多种不同形式的光整加工系统及自动化装置，例如数控光整加工系统及加工设备，光整加工机器人、柔性光整加工单元和柔性光整加工生产线等。

这些光整加工自动化设备及加工系统已在各个行业获得应用。