本世紀(jì)初JosephSunnen首先預(yù)示了現(xiàn)代珩磨工藝將成為一種表面精加工技術(shù)。隨著珩磨技術(shù)的發(fā)展，珩磨已成為一種材料切除工藝，用來(lái)修整不合適的孔。但是在低速下使用油石珩磨內(nèi)孔不能有效地切除材料。珩磨油石作為一種表面精加工工具實(shí)際上對(duì)金屬表面都會(huì)產(chǎn)生損傷，而刷珩磨可以在不引起表面損傷的情況下提高表面精度。
　　
　　一、早期的珩磨
　　早期的珩磨只是為了解決汽車(chē)工業(yè)中汽缸孔的加工問(wèn)題。早期的鏜孔工具及加工機(jī)床加工出的汽缸壁表面存在搓板現(xiàn)象。汽缸壁表面與活塞環(huán)之間的密封性不好，活塞環(huán)得不到合適的潤(rùn)滑，這樣會(huì)很快地磨損引擎的第一組環(huán)。
　　
　　最后在很短的時(shí)間內(nèi)就必須更換活塞環(huán)。粗鏜出來(lái)的汽缸壁會(huì)使活塞裙磨損嚴(yán)重，因此需要修整加工。活塞環(huán)中的金屬雜質(zhì)也會(huì)引起損傷。隨著活塞在缸孔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)磨除了汽缸壁上不規(guī)則的的細(xì)微凸出點(diǎn)。
　　這些切除下來(lái)的金屬微粒污染了潤(rùn)滑系統(tǒng)，堵塞了過(guò)濾器，并引起汽缸壁垂直方向的劃傷。雜質(zhì)也會(huì)劃傷活塞裙。劃傷的第二個(gè)原因是不良的潤(rùn)滑。由于細(xì)微的凸出點(diǎn)在它們被磨平之前，其中較高的凸出點(diǎn)把涂在汽缸壁上的
　　潤(rùn)滑膜刺破了(如圖1)。當(dāng)活塞在整個(gè)行程中碰到這些凸出點(diǎn)時(shí)就出現(xiàn)了金屬與金屬之間的接觸，活塞環(huán)的速度達(dá)到最低點(diǎn)。
　　
　　活塞環(huán)的使用壽命短，活塞裙的劃傷及缸孔的磨損都是由于活塞在粗糙的缸孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)行所造成的，也是不可避免的，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)耗油多，效率低。即便如此，早期的小汽車(chē)也不得不使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)。
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　　圖1　汽缸壁表面的凸出點(diǎn)刺破了潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致活塞環(huán)通過(guò)該點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)金屬與金屬間的接觸 　　在Sunnen的珩磨工藝之前，汽車(chē)制造商加工汽缸壁表面所使用的唯一的方法就是Winton汽車(chē)公司的加工方法。它適合于小孔的加工。為了除去內(nèi)孔表面凹凸不平之處，采用使鋼球從小 孔中通過(guò)的方法，而鋼球的直徑比汽缸孔的直徑大0.05mm到0.076mm。當(dāng)鋼球從孔中通過(guò)時(shí)從而擠平缸孔的內(nèi)表面。
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　　這種工藝今天我們稱(chēng)之為滾珠法，并且除了缸孔加工外這種工藝現(xiàn)在仍然在使用著。但是在早期的汽車(chē)制造業(yè)中滾珠法不適用，因?yàn)樵缙诘母卓字睆角昂蟛灰粯哟螅瑪D壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的接觸壓力，有時(shí)壓力太大使缸孔壁出現(xiàn)裂紋。另外被鋼球擠碎的細(xì)物會(huì)被壓入缸孔內(nèi)表面，使缸壁受損。
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　　當(dāng)Sunnen提出了另一個(gè)更有效的加工方法時(shí)，汽車(chē)制造工業(yè)完全接受了它。Sunnen的新珩磨工藝就是將油石組裝到珩磨頭上進(jìn)行珩磨。珩磨頭在缸孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)用手來(lái)控制珩磨頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
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　　珩磨工具最初設(shè)計(jì)成柔性的，油石通過(guò)彈簧夾具組裝，并隨缸孔原有的幾何形狀進(jìn)行加工。珩磨的切除量一般都很小，在2.54μm～50.8μm之間，珩磨后的表面粗糙度可達(dá)Ra24。
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　　鑒于這種情況，珩磨只能改善缸孔內(nèi)表面質(zhì)量，實(shí)質(zhì)上沒(méi)有改變它的幾何形狀和尺寸。由于油石是由柔性?shī)A具把持的，因此它與汽缸孔的接觸壓力比較小。這樣不僅可磨平表面，而且可使缸壁不受損傷。但是油石在通過(guò)缸孔內(nèi)表面上的凹陷處時(shí)會(huì)出現(xiàn)架橋現(xiàn)象(如圖2)，結(jié)果珩磨過(guò)的表面網(wǎng)紋均勻性不好。
　　
　　圖2　早期珩磨中油石通過(guò)工件表面高點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)架橋現(xiàn)象
　　
　　
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　　二、珩磨轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢骷庸お?
　　隨著珩磨的發(fā)展，制造商看到了在加工制造業(yè)中可擴(kuò)大珩磨的作用。因?yàn)榱悴考阢@孔后必須進(jìn)行珩磨，機(jī)械工程師開(kāi)始用珩磨來(lái)解決鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題必須使用更硬些的珩磨，進(jìn)行材料的切除加工。把珩磨設(shè)計(jì)成可由手工控制旋轉(zhuǎn)對(duì)油石施加壓力。這些機(jī)械動(dòng)作開(kāi)始由自動(dòng)機(jī)械伸脹系統(tǒng)來(lái)完成，后來(lái)又被液壓系統(tǒng)所取代。每一次轉(zhuǎn)變都需要硬度更高、結(jié)合力更強(qiáng)的油石，從而使油石受壓時(shí)不受損壞。
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　　這個(gè)發(fā)展使珩磨變成了非常昂貴的切削加工。現(xiàn)代珩磨采用高技術(shù)的金屬結(jié)合劑超硬材料工具，具有精度高、設(shè)計(jì)優(yōu)良、耐高壓等特點(diǎn)。這些工具的珩磨范圍大，從直徑為3.175mm的小孔到直徑為914.6mm的大孔都可以進(jìn)行珩磨。
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　　雖然在加工能力上有所增加，但是這些工具在切除材料過(guò)程中會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生很大的損傷。珩磨中工具的相對(duì)滑行速度低，而壓力非常高，使工件產(chǎn)生劃傷并出現(xiàn)切屑重疊和網(wǎng)狀微裂紋。這些裂紋的尺寸和分布決定于工件的材質(zhì)。例如珩磨鑄鐵材料，裂紋深度可達(dá)50μm，而切屑重疊面積超過(guò)2500μm2。通過(guò)減少壓力和引入無(wú)火花磨削，這種損傷可得到適當(dāng)控制。如果使用具有彈性的且較軟的結(jié)合劑制造的油石加工，工件就不會(huì)出現(xiàn)裂紋。
　　因?yàn)樗邢髯杂桑谐枯^小。然而這些措施和方法使得加工工藝更難控制而且也更費(fèi)時(shí)間。
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　　珩磨用的冷卻液和潤(rùn)滑材料對(duì)當(dāng)今超硬材料油石來(lái)講也是個(gè)問(wèn)題。缸孔內(nèi)必須充滿(mǎn)按特殊配方制成的磺酸鹽冷卻液。如果沒(méi)有這種冷卻液，低速恒定的接觸會(huì)使油石受壓增加。冷卻液中的磺酸鹽具有包裹切屑的能力，并可防止切屑與油石塊粘結(jié)。盡管如此，然而要清除掉冷卻液和潤(rùn)滑材料中的有害物質(zhì)是非常困難而又昂貴的。操作人員天天與這些液體接觸也會(huì)使他們的皮膚受到損傷。考慮到這些環(huán)保和安全因素，同時(shí)為了解決這些問(wèn)題，必須開(kāi)發(fā)一種新型的水溶性冷卻液。
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　　三、刷珩磨可滿(mǎn)足要求
　　盡管金屬加工工業(yè)不用低壓珩磨，但是仍有這種工藝的要求。Sunnen開(kāi)發(fā)的剛性珩磨可以減少因前道工序不良的加工而引起的尺寸變化。珩磨可以提高工件表面質(zhì)量的均勻性，可修整其他加工過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋。但是珩磨僅僅在不把它作為一種切削加工工藝的情況下才呈現(xiàn)出上述的優(yōu)越性。珩磨只能磨除表面平均線(xiàn)以上的細(xì)微凸出峰，切深不超過(guò)幾十個(gè)微米。圖3表明珩磨可明顯提高表面質(zhì)量。圖3中上圖是未珩磨的工件，其表面呈粗糙鋸齒狀，下圖是珩磨后的同一工件表面。汽缸壁被珩磨后可增加與活塞環(huán)的接觸壓力。當(dāng)我們對(duì)比一下刷珩磨前
　　后表面接觸比率時(shí)發(fā)現(xiàn)，刷珩磨后的表面接觸率明顯增大。
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　　圖3　珩磨前后的工件表面質(zhì)量　
　　
　　
　　刷珩磨是在沒(méi)有切除過(guò)多材料或損傷工件表面質(zhì)量的情況下提高表面光潔度的一種加工方法。刷珩磨塊類(lèi)似于一種刷子。刷子上的尼龍絲里面含有磨料，其中含有40%的珩磨材料。尼龍絲中的磨料可以是Al2O3、SiC、BN或金剛石等各種磨料。珩磨刷以塊狀形式銷(xiāo)售，與傳統(tǒng)的珩磨油石一樣可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)的組合珩磨頭上，一組刷珩磨塊在40psi壓力下可珩磨20000多個(gè)孔。
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　　習(xí)慣于高壓珩磨的用戶(hù)會(huì)發(fā)現(xiàn)刷珩磨工藝與傳統(tǒng)的珩磨完全不同。份布在由大量分散的尼龍絲組成的柔性介質(zhì)中的磨料作用于工件表面。低壓下工作的工具其功率消耗比在高壓下珩磨要多10%。與傳統(tǒng)的珩磨不同，珩磨刷上的尼龍絲可獨(dú)立地作用于所有表面上。這就避免了前述的架橋現(xiàn)象，刷子對(duì)表面上細(xì)微的凹凸處都可以珩磨到(圖4)。
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　　圖4　傳統(tǒng)珩磨與刷珩磨的對(duì)比
　　
　　刷珩磨可以除去其他工序留下的劃痕和折疊切屑，并可達(dá)到Ra5-Ra6的表面粗糙度。刷珩磨不僅可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)，而且可用于其他方面，應(yīng)用范圍很廣。柔性加工與高壓珩磨相比，所需的機(jī)床體積較小，剛性較低 。柔性工具可用在自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行批量生產(chǎn)。有些工廠(chǎng)使用刷珩磨專(zhuān)用設(shè)備，通過(guò)使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的工具和夾具，即使是鉆床也能用于刷珩磨。
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　　四、孔的質(zhì)量要求
　　刷珩磨可以獲得滿(mǎn)意的結(jié)果，它不只是用于修整前道工序的缺陷。控制鉆孔工藝的操作人員應(yīng)該懂得加工過(guò) 程中基本的機(jī)械學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，從而避免產(chǎn)生振動(dòng)以保證孔的尺寸精度及形狀。
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　　影響鉆孔工藝的因素有很多，包括獨(dú)立因素和相關(guān)因素(見(jiàn)表1)。內(nèi)孔的表面質(zhì)量、尺寸大小、圓度及圓柱度 決定于所使用的加工條件及控制可變因素的影響。切削加工從機(jī)械學(xué)來(lái)講是一種剪切過(guò)程。切屑可以是連續(xù)的、鋸齒狀的或者不連續(xù)的。切屑形成的種類(lèi)是加工狀態(tài)的良好體現(xiàn)。
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　　圖5簡(jiǎn)單描述了切削過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力情況。工具和工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)在第一切變區(qū)(ps)和第二切變區(qū)(sz)產(chǎn)生應(yīng)力和剪切力。這些應(yīng)力集中在傾斜的(角度為Φ)剪切面(sp)上產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致切屑從工具的傾斜面上脫落 。這個(gè)作用顯示在圖5中帶有正傾斜角(α)的工具。切屑的厚度(tc)和進(jìn)刀量的厚度(t)不同，t是在進(jìn)刀方向上測(cè)量的。
　　
　　表1　影響鉆孔工藝的因素
　　
　　獨(dú) 立 因 素 相 關(guān) 因 素
　　　工件材料、條件和溫度切
　　　工具材料和條件
　　　工具形狀、表面和銳利性別
　　　切削液
　　　切削條件(進(jìn)給速度、進(jìn)給量)
　　　加工幾何形狀
　　　機(jī)床動(dòng)力 　屑的種類(lèi)
　　　切削力
　　　加工過(guò)程中消耗的能量
　　　工具、工件和切屑的溫度增加
　　　工具的磨損和鈍化
　　　被加工表面的精度和輪廓 

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　　圖5　切削過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力情況
　　
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　　鉆孔過(guò)程中的相關(guān)因素直接影響了切屑的形成。總的切削力通常用它的分力來(lái)描述，包括切向進(jìn)給力或正常的摩擦力。切削過(guò)程中產(chǎn)生的作用于工件與工具之間的反作用力導(dǎo)致了它們之間的相對(duì)位移。
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　　加工系統(tǒng)的動(dòng)力性能表現(xiàn)為振動(dòng)，振動(dòng)形式有三種。操縱者必須能夠辨別哪種振動(dòng)會(huì)影響切削工藝，并且要明白其動(dòng)力原理，從而去適當(dāng)?shù)匦拚涂刂瓶椎某叽绾托螤睢?
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　　為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，考慮到加工系統(tǒng)所有的因素——工件、夾具與機(jī)床的剛性都比鉆床要好，因此可以設(shè)想只有一種主要的振動(dòng)方式影響到這個(gè)系統(tǒng)。
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　　自由振動(dòng)是系統(tǒng)所經(jīng)受的典型振動(dòng)之一，它是工具脫離了外界施加的力時(shí)對(duì)初始條件的反應(yīng)。在間斷加工中的非切削時(shí)期，切削力不存在時(shí)工具從它的傾斜狀態(tài)彈回。工具間斷接觸到 表面端部開(kāi)始切削工件時(shí)的突然位移也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的現(xiàn)象。在所有的機(jī)械系統(tǒng)中都有減振裝置，盡管振動(dòng)頻率或周期與系統(tǒng)自然頻率保持一致，如果加工工藝不變，振幅將隨時(shí)間的變化而減少。在加工雙沖程發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸缸孔時(shí)，在工具通過(guò)孔的進(jìn)出口時(shí)可以看到自由振動(dòng)的影響，結(jié)果被加工表面經(jīng)常出現(xiàn)尺寸不足，導(dǎo)致內(nèi)孔不圓。
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　　另一種典型振動(dòng)就是受迫振動(dòng)，這是系統(tǒng)對(duì)周期刺激的反應(yīng)。它出現(xiàn)的頻率與刺激的頻率相同。如果刺激的力保持固定不變的話(huà)，受迫振動(dòng)的振幅是一直固定不變的(既不減少，也不增加)。普通受迫振動(dòng)的例子是工具的徑向位移。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，工具的不平衡所產(chǎn)生的振動(dòng)力使工具在特定方向出現(xiàn)位移。這個(gè)不平衡每轉(zhuǎn)一圈都導(dǎo)致一個(gè)周期力的出現(xiàn)，力的大小與速度有關(guān)，承受這種力的鉆孔工具在受到切削力之前將呈現(xiàn)出最大的位移。這個(gè)位移常常導(dǎo)致孔端的尺寸偏大，表現(xiàn)為錐面或喇叭口。
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　　在加工過(guò)程中有反饋現(xiàn)象時(shí)會(huì)出現(xiàn)自勵(lì)振動(dòng)。自勵(lì)系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)恒定的輸入力(例如產(chǎn)生連續(xù)切屑的切削力隨反饋間歇變化，反饋幅值會(huì)出現(xiàn)逐漸減弱(指穩(wěn)定系統(tǒng))、保持不變(在一定程度上的穩(wěn)定系統(tǒng))或隨時(shí)間增加(指不穩(wěn)定系統(tǒng))。振蕩就是自勵(lì)振動(dòng)的例子。在鑄鐵件上粗鏜孔時(shí)會(huì)突然出現(xiàn)噪音和振動(dòng)，這是經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。切割的寬度是加工中出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題的主要增益因素。
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　　要測(cè)量加工系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，制造工程師可以確定一個(gè)穩(wěn)定的工藝范圍，決定各種非客觀的加工條件特別是最佳的切削條件，有必要的話(huà)必須使用可轉(zhuǎn)位工具或減震器。加工表面的微裂紋與相對(duì)振動(dòng)程度有關(guān)，通過(guò)高穩(wěn)定的加工工藝可以減少表面的微裂紋。
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　　操作人員可通過(guò)選擇一種能夠限制工件變形的加工方法來(lái)控制切削力，尤其是那些薄壁工件。通過(guò)使用平衡性好的多切削刃刀具可提高孔的圓度和垂直度。
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　　應(yīng)該注意到加工工藝的穩(wěn)定性將受到所有使用中的切削刃累積寬度的影響。當(dāng)加工過(guò)程開(kāi)始引起尺寸變化時(shí)，對(duì)于非常薄的精切削加工更應(yīng)特別注意。隨著進(jìn)刀量的減少，實(shí)際傾斜角度可能從正數(shù)變到零，甚至于變?yōu)樨?fù)數(shù)。結(jié)果造成滯區(qū)變大，出現(xiàn)分界線(xiàn)，表面質(zhì)量差并產(chǎn)生折疊、劃痕。
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　　如果操作人員能夠完全按照加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)，那么加工出來(lái)的孔就沒(méi)有必要再進(jìn)行珩磨修整。例如：一個(gè)雙沖程鋁汽缸制造商能夠通過(guò)微調(diào)鉆孔加工工藝可完全取消高壓珩磨工序。 即使汽缸壁是不連續(xù)的、帶有進(jìn)出口轉(zhuǎn)換部分，只要操作人員仔細(xì)地選擇工具和工藝參數(shù)，制造商也能生產(chǎn)出高質(zhì)量的孔。在珩磨前加工出的汽缸可以達(dá)到如下精度：最大圓度誤差7.6μm.Cpk1.33，典型的圓度值在2.54μm以?xún)?nèi)，孔的垂直度控制在1μm以?xún)?nèi)，表面粗糙度范圍在Ra9～Ra20之間。有時(shí)采用傳統(tǒng)的高壓珩磨工具珩磨鍍鎳的孔時(shí)也可以得到合適的尺寸和形狀。但是隨著鉆孔工藝的改進(jìn)，傳統(tǒng)的珩磨工藝已不適用，普遍都采用刷珩磨技術(shù)。