光整加工技术在金属涂镀层中的研究

李卫权

(东华大学机械工程学院，上海 201620)

引 言

光整加工不仅可用于去除因其他加工方式产生的纹路、划痕等缺陷，还可以产生功能性应用的结构性表面［1］，是涂镀技术“面子工程”不可或缺的重要组成部分。按照加工时能量的作用形式，光整加工技术主要分为机械法、化学和电化学法及热能法三大类。在加工过程中，根据磨料或磨具所处的状态，又将机械法分为自由磨具光整加工，非自由磨具光整加工两种形式［2］。

光整加工技术的文献资料较多，但与涂镀层工艺相结合的参考文献并不多。因此，研究和开发适合我国制造业涂镀层光整加工的新技术，缩短与国外发达国家之间的差距是努力方向。本文重点介绍机械法光整加工技术的研究与应用。

1 金属基体表面光整加工技术

1.1 概 述

金属的表面指固气界面或固液界面，是指金属中具有不同结构、成分或虽然成分结构相同但晶体位相不同的交界面。一般将凝聚相与气相之间的分界面称为表面，将凝聚相之间的分界面叫做界面，而不同凝聚相之间的分界面就叫做相界面。同一相晶粒之间的分界面叫做晶界，晶粒度小到微米以下的晶粒则叫做微晶。工件表面经过研磨抛光后，最外层形成δ为1～100nm的非晶体结构的微晶层，次层为塑性变形层，δ为1～10μm，在近次层区域还可能产生其他变性层，例如双晶、再结晶或相变层等。

由于表面原子重构、偏析、化学层、吸附层乃至一些缺陷等的产生，金属表面的晶体结构也会发生变化。表面粗糙度通常是由所采用的加工方法和其他一些因素形成的。例如磨削工具与工件表面产生的摩擦、金属表层的塑性变形及系统设备产生的高频震动等［3］。

评定表面粗糙度的标准最常用的为轮廓算术平均偏差Ra和轮廓均方根偏差Rq，另外较常用的还有微观不平度10点高度Rz以及轮廓最大高度值Ry。

算术平均偏差的数学表达式为:

均方根偏差的数学表达式为:

上式中，Zi表示以中线为起点度量出的廓型高度;n表示在选取样品标准长度L内的测量次数。

金属基体的初始表面往往覆盖着氧化层、油层和普通沾污层，其厚度取决于周围的环境、介质和已氧化的基体金属的性质。只有去除这些附着物，露出金属的自然色泽和表面金相组织结构，镀覆层才能在其表面正常生成，从而得到高质量的镀覆层。

对于外观装饰性及精度等级要求较高的机件，还需尽可能降低其表面粗糙度。确保工件经预处理后，表面平整、清洁、光滑。否则很难获得致密，孔隙率低，高平滑性的镀覆层。例如电镀层的质量问题，如粗糙、起泡、起皮、花斑、针孔、气流痕、脱落及局部无镀层等缺陷，镀前预处理不当和欠佳占到了80%。特别是镀层与基体的结合强度、耐腐蚀性能以及外观质量等，与镀前预处理的质量关系很大。在电镀过程中，必须保证电解液与工件被镀表面具有良好的接触并且被镀液完全浸润的条件下，电沉积过程才能正常进行。

在金属基体晶格上外延生长的镀层结合力良好，基体表面与镀层是通过金属键结合，镀件基体表面越清洁，粗糙度越低，其结合力越好，镀层光亮度也更高;另一方面，基体表面的粗糙度越低，电镀时其表面真实电流密度较高，很容易达到金属的沉积电势，反之则不容易达到金属的沉积电势，在电镀过程中伴随有大量氢气的析出［4］。

粗糙不平的镀层，不仅外观质量较差，而且耐蚀性也不如平整光滑的镀层。由于工件上的一些微观裂纹、缝隙及夹灰处的污物没有去除干净，而且在整个表面处理过程中可能积藏酸碱液或电解液，镀后工件在存放时就会渗出腐蚀性液体，使镀层表面出现黑斑或白点，加速镀层的腐蚀。如果对经过精密加工后的表面再采用机械抛光后，明显凹凸不平的表面将变得光亮平整，便于生成结晶细致和外观质量符合要求的镀覆层。

研究认为，通过抛光作用，金属表面被磨粒抛磨去表面层原子，次层在瞬间保持着较好的流动性，并且在凝固之前，由于表面张力的作用而变得平滑。另一种理论认为，抛光是一种两表面张力效应，由于抛光是摩擦而产生热，能使金属基体表面软化或熔融，但由于基体金属有很高的热导率，表面层又迅速地凝固成非晶态，在凝固之前，由于磨粒的摩擦力和表面张力的作用而变得非常光滑平整，因此不能再认为是简单的机械抛磨。抛光既适用于镀前预处理，也适用于对涂镀后的覆盖层进行精饰加工，降低表面粗糙度，使之具有镜面般的光泽。

表1列出了国内目前各种常用的光整加工工艺方法、所用的加工工具、能达到的精度和表面粗糙度、被加工材料及应用情况［5］。

表1 光整加工方法

1.2 干性磨轮抛光加工技术

干性磨轮抛光加工，离不开抛光机床、抛光轮和抛光蜡。对于特殊结构类零件所采用的异形抛光轮，是由磨料与粘接剂组成的多孔质的回转工具。由于制作磨轮的材料、磨粒材料及粘接剂等的多样性，所以磨轮的种类和型号也多种多样。在生产过程中，可以根据工件表面的材质、技术要求中所规定的加工精度及表面粗糙度来选择最适宜的磨轮和抛光条件进行加工。几乎所有软金属、低碳钢、不锈钢、合金工具钢、镀覆层表面、非金属的精密和超精密抛光都可以通过干性抛光技术来实现。

1.2.1 干性抛光加工机理

干性抛光和研磨一样，是将抛光蜡涂抹在高速旋转的低弹性材料如无纺布、棉布、麻及毛毡等抛光轮上面，对工件进行光整加工的一种工艺方法。固体抛光蜡由抛光粉和黏合剂混合而成，按照其最终抛光效果来分，一般分为粗抛蜡、中抛蜡、精抛蜡、超精抛蜡和超镜面抛光蜡五种。生产中习惯用颜色来区别，常用的有三种抛光蜡:

1)白色抛光蜡。主要组分为纯度较高的氧化钙和氧化铝细粉，呈圆形且无锐利棱角，适用于抛光镍、铝或铜等软质金属以及粗糙度要求比较低的精抛光。

2)红色抛光蜡。主要由氧化铁、长石微细粉、脂肪酸和白蜡等混合而成，适用于钢铁制品电镀前的抛光。

3)绿色抛光蜡。主要组分为氧化铬微粉和脂肪酸，磨料硬而锋利，适用于硬质合金刚、不锈钢或铬镀层的抛光。

抛光一般不能提高工件形状精度及公差等级。磨料一般为＜1μm以下的微细磨粒，抛光时以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体，磨粒在工件表面的流动摩擦使工件表面的微观凹凸趋于一致;同时在抛光过程中，工件表面和磨粒之间受到局部高温高压的作用而产生直接的化学反应，有利于促进抛光效果。

机件干性抛光处理要想达到不同的抛光效果，选用何种型号抛光轮，配合何种特性抛光蜡，采用怎样的工艺参数和流程等都极为关键。例如，对于特殊结构零件沟槽部位，就需要考虑选用弹性软质磨轮，确保工件表面抛光加工时，不会造成机械损伤。

1.2.2 影响干性抛光加工的工艺因素

干性抛光的抛光精度、抛光效率和表面粗糙度与抛光过程中的工艺因素密切相关，见表2［6］。对影响干性抛光主要工艺因素的分析和研究，将有助于确定其工艺方案优化的努力方向。

表2 影响干性抛光的主要工艺因素

1.3 精密和超精密砂带磨削技术

精密与超精密加工的精度界限，不同的时代与科学发展阶段有不同的标准［5］。一般按照加工精度划分为普通加工、精密加工、高精度加工、超精密加工和极超精密加工。随着生产技术的不断发展，划分的界限将逐渐向前推移。超精密加工又可分为微细加工、超微细加工、光整加工及精整加工等。通常把加工精度在0.1 ～1.0μm、加工 Ra在0.02 ～0.10μm之间的加工称为精密加工;高于0.1μm、表面Ra小于0.01μm的加工称为超精密加工。也有从被加工部位发生破坏和去除材料大小的尺寸单位来划分。物质是由原子构成的，从机械破坏的角度看，最小的破坏是以原子级为单位，约为几埃米。把接近加工极限，以原子级为单位去除被加工材料的加工技术称为超精密加工。根据去除材料的大小尺寸单位可将加工分为四种情况，分别是龟裂、位错、晶格破坏和原子级破坏等，如图1［5］。目前超精密加工新技术应用已进入纳米级精度。光整加工一般是指降低工件表面粗糙度和提高表面层力学性质的一种加工方法，不着重于提高零件的加工精度，比较强调工件的表面粗糙度。镜面光整加工，一般定义为加工零件表面 Ra达到 0.02～0.01μm，外观光泽如镜的光整加工方法，也属于超精密加工技术的范畴［6］。

图1 去除量与其相关因素

超精密磨削技术是在一般磨削技术基础上发展起来的。在保证工件获得精度等级较高的几何形状和公差尺寸的同时，还要达到镜面级的表面粗糙度。对于超精密磨削加工设备，除要考虑各种工艺因素外，还必须具有配套使用的高精度以及高阻尼特性的基准部件，以便消除各种动态误差的影响。

砂带磨削有弹性磨削、万能磨削和冷态磨削之称。是一种高精度、高效率和低成本的新型超精密磨削方法，可以获得很高的加工精度和表面质量，在现代工业生产加工中，砂带磨削技术已被视为是与砂轮磨削同等重要的一种不可或缺的重要加工方法。砂带磨削在各种材料的磨削和超精密抛光中得到了广泛的应用，适用于大型带材、大型薄板、长径比很大的薄壁孔和辊轴类零件的加工。随着砂带制造质量的提高和磨料品种的发展，砂带磨削技术也得到了极大地提高。在保证机件获得高精度的同时，达到超镜面的表面粗糙度。

1.3.1 超精密砂带磨削机理

超精密砂带磨削是一种极微量切削，切削量极小，当磨削深度小于金属表面的晶粒大小时，磨削就在晶粒内进行，磨削力要求要大于晶粒内部的原子、分子结合力，因此磨粒锋口处受到高温高压的作用，受力将变得非常大，磨粒材料需要具备较好的耐温和耐磨损功能。一般多用氧化铝、碳化硅或金刚石等超硬磨料。

超精密砂带磨削时有微切削、塑性流动、滑擦和弹性破坏等作用，当锋口锋利时，微切削作用较强，产生一定的磨削深度;当锋口发钝时，磨粒切削刃不能有效切入工件，会产生滑擦、塑性流动等。

采用超精密砂带研磨设备、精密修整或微细磨料磨具，可以达到了微米亚微米级以下的磨削效果，因此，工件的尺寸精度和形位精度比较容易达到微米级和亚微米级，并且表面也容易达到镜面加工效果。

1.3.2 砂带磨削的特点

与砂轮磨削相比，砂带磨削在磨削加工机理方面以及综合磨削性能方面都有其自身的一些特点。

1)砂带磨削同时具有磨削、研磨和抛光的多重功效;此外，由于砂带的弹性磨削特点，使得砂带在磨削区域内与工件接触的长度比砂轮要大一些，磨削时，参加的磨粒数目较多，单颗磨粒所受的载荷较小，且受力比较均匀，磨粒破损小。

2)通常采用先进的静电植砂法，使通过精筛过的针状磨粒均匀直立于砂带基底，锋口朝上定向整齐排列，具有容屑间隙大、等高性好和接触面小的特点，切削性能优良。

3)由于砂带磨削时磨粒与工件接触面较小，加工精度高，摩擦产生的发热量较小，可以有效地减少工件变形及烧伤的发生。又称冷态磨削。

4)砂带在磨削时与工件是柔性接触，具有较好的磨削、研磨和抛光等复合加工作用，磨削系统加工过程振动小，磨削速度比较稳定，表面粗糙度均匀且较低，残余应力状态好。又称弹性磨削。

1.3.3 精密和超精密砂带磨削方式

砂带磨削方式主要有开式砂带磨削和闭式砂带磨削两种，如图2。常用开式砂带磨削方式。通常采用市售成卷砂带，卷带轮经电动机减速机构，带动砂带极缓慢的移动。磨削砂带绕过接触轮，以一定的工作压力与被加工工件表面接触。工件在回转过程中，工作台或砂带头架作轴向及径向进给，实现对工件的精密磨削加工。开式砂带磨削质量稳定，磨削效果较好，但工作效率不如闭式砂带磨削，在精密和超精密磨削中应用较为广泛。图2(a)为开式砂带外圆磨削。

闭式砂带磨削通常采用市售无接头或有接头的环形砂带，通过张紧轮气动撑紧，电动机通过接触轮带动砂带高速回转，工件同时作同向(或反向)转动，实现对工件的磨削加工。闭式砂带生产效率高，噪音较大，容易发热，仅适用于粗、半精磨削，图2(b)为闭式砂带外圆磨削。

图2 精密砂带磨削方式

1.3.4 精密砂带磨削设备

精密砂带磨削设备是根据零件形状，选用相应的接触方式，通过高速运动的砂带对工件表面进行磨削和抛光的机床，一般分为无心砂带磨床、内外圆砂带磨床、平面砂带磨床和专用砂带磨床等。砂带头架为其关键部件，主要由卷带轮、接触轮、砂带轮、基座和电动机等构成。近年来，在传统的砂带磨削基础上又发展了一种新型的砂带振动磨削，是一种将机械振动与开式砂带磨削叠加起来形成的复合加工方法。振动一般是叠加在接触轮的轴向方向，由电动式激振器通过一特殊联轴节带动接触轮作轴向振动，通过低频信号发生器和功率放大器来控制激振器，振幅、频率和激振力均可实现无极调整。砂带轮轴上的蝶形弹簧机构所产生的摩擦阻尼，确保砂带在磨削过程中保持撑紧;移动油压缸经杠杆使接触轮靠近或离开工件，始终保持一定的接触压力。压力和移动速度的数值大小由液压装置调节［7］。增加了机械振动的主要作用如下:1)在磨削过程中，振动的叠加会形成复杂而又不重复的磨削轨迹，形成微观网状纹路，有利于降低工件表面的粗糙度值。2)由于增加了振动的作用，与砂带磨削结合起来，加工表面不易出现划痕。3)采用宽砂带，沿接触轮轴向振动，砂带不易跑偏，磨损也比较均匀。

2 两种光整加工技术的比较

目前国内大部分制造商在辊轴类零件涂镀层光整加工过程中，普遍采用非自由磨具机械法抛光加工技术。应用最为广泛的是干性磨轮抛光法［8］，有投入成本较低，生产效率高，适合批量性生产等特点。其缺点是粉尘和噪音较大，抛光精度及表面粗糙度较差，最低Ra只能达到0.1μm，没有镜面装饰性效果;另一种为湿性砂带抛光法，设备投资较高，噪音低，无粉尘，抛光精度较高，表面Ra最低为0.005～0.010μm，为超镜面视觉效果。但这种工艺生产效率较低，适合高精度、小批量生产。干式抛光时，磨轮采用棉布、细毛毡等制成，对铸铁、钢、镍和铬，最佳圆周速度为35～55m/s。一般磨轮的平均转速为2000～3000r/min，磨轮表面涂有抛光蜡或抛光液，前者为磨料与粘接剂(硬脂酸、石蜡等)的混合物，后者为磨料与油或水乳剂的混合物。磨轮沿切线方向高速旋转并与机件表面接触，由于表面的不平整，在摩擦时实际上是点接触，接触点的温度远远高于表面的平均温度。由于作用时间短，加之金属的导热性非常好，使得热点区域的温度迅速下降，晶格中的原子来不及回到平衡位置，造成一定数量的晶格畸变，生成薄薄的一层非晶态层。随着切削力的持续强力挤压作用，在机件表面产生高温，金属基体表面产生塑性形变，尖点金属开始产生塑性流动而被强制压入到微观凹坑内，凹进的部分被填平，在高温作用下，一层极薄的氧化膜或其他化合物膜层在金属表面快速生成，膜层经过反复抛光，表层形貌得到了改善，最终形成光滑平整具有镜面装饰效果的表面［9］。

湿式砂带抛光时，砂带通过接触轮与被加工工件表面接触。接触轮材质为橡胶或塑料等，砂带一般选用布、纸或聚酯薄膜作为基底材料，具有一定的弹性。磨削机件时，由于磨粒的挤压作用，其被加工表面同样会产生塑性变形，但由于弹性变形区的面积较大，磨粒承受的载荷较小，因此受力也较均匀。从加工原理分析，由于湿性砂带抛光采用细化磨粒、载体研磨带以及加工液的多种组合，故兼有研磨和抛光的作用［10］，既模糊了研磨和抛光的概念，又融合了研磨的高精度、抛光的高效率和较低的表面粗糙度，形成一种新的研抛复合加工技术。将该技术应用于镀铬机件加工过程中，成品机件表面Ra可达到0.001μm，外观呈超镜面视觉效果;应用于等离子喷涂陶瓷的光饰加工过程，Ra可达0.1μm，外观呈镜面装饰效果。

3 结论

光整加工技术虽然种类较多，但其通用性不强。本文将机械光整加工技术的研究成果融入到涂镀层技术领域中，针对不同种类机件表面处理技术要求，研究和开发出一种具有创新性的光整加工新技术，在保证零件高精度的同时，使机件表面达到超镜面装饰效果。目前，新开发成功的超精密湿性抛光技术已在高端市场中的碳纤维驱动单元机、高速卷绕头、印刷机械、皮革制品等行业中得到了很好的应用，产品外观质量及总装综合使用性能均达到或超过了国外同类产品先进水平。

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