高效精密磨粒流擠磨加工技術(shù)研究

董家廣　張斌　尹國華　郭巨壽

1、山西中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院　2、北方通用動力集團有限公司

高效精密磨粒流擠磨加工技術(shù)研究

董家廣1張斌1尹國華2郭巨壽2

1、山西中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院2、北方通用動力集團有限公司

針對小孔或深孔精密加工時傳統(tǒng)加工工具難與加工表面接觸、加工表面質(zhì)量不夠好、效率低等問題，采用磨粒流擠磨加工技術(shù)以期實現(xiàn)對其進行高效精密加工。本文首先根據(jù)金屬切削理論，對加工過程中材料的去除方式進行研究；其次，以油道孔為研究對象，對拋光過程中磨料的運動狀態(tài)進行分析。結(jié)果表明，加工過程中存在不同的材料去除方式，它與磨粒壓入工件表面的深度有關(guān)；其次，工件表面處流體磨料的流速不為零。研究結(jié)果解釋了磨粒流擠磨加工的實際過程，為該技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

磨粒流；擠磨加工；精密加工；材料去除方式；運動狀態(tài)

引言

近些年通過對電控燃油噴射系統(tǒng)電控技術(shù)的研究，在電控燃油噴射過程的控制規(guī)律的研究方面取得了很多成果，而在其加工制造方面仍然存在高精度孔及微量孔的精密或者超精密加工困難。為了促進柴油機的發(fā)展，需要對其工藝特征進行研究，從而在其加工制造方面實現(xiàn)突破。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)已難以滿足需求，精密和超精密制造技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫［1］。磨粒流擠磨加工技術(shù)最先應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域合金零件的去毛刺，之后推廣到葉輪機械等行業(yè)并取得了滿意的加工效果［2-3］。以計時鳴為核心的團隊還提出了“軟性”磨粒流加工方法，并將之用于模具行業(yè)結(jié)構(gòu)化表面的拋光，為企業(yè)帶來了很好的經(jīng)濟收益［4］。

本文針對孔工藝特征的磨粒流擠磨加工技術(shù)難點，開展磨粒流擠磨加工的相關(guān)理論研究，得出了材料去除模型及流體磨料流動模型。

1　磨粒流擠磨加工機理

磨粒流擠磨加工過程如圖1所示。工件通過夾具固定在上下兩個料缸之間，具有流動性的粘彈性流體磨料在一定的壓力擠壓作用下，以一定流速被迫往復(fù)地流過油道孔壁面，從而利用磨粒的微量切削作用對油道孔壁面進行去毛刺、拋光，加工過程中產(chǎn)生的金屬屑則包容在載體中隨流體磨料排走。

圖1　油道孔磨粒流加工過程簡圖

2　加工過程中材料的去除方式

在進行磨粒與工件表面的相互作用分析時，假設(shè)磨粒為球形，磨粒通過表面后的劃痕深度可以根據(jù)赫茲接觸力學(xué)理論來確定，工件表面彈性變形的平均應(yīng)力σ￣可以用（1）式表示：

式中，F(xiàn)ng為磨粒所受的正壓力，Em為工件材料的楊氏模量。

在彈性變形范圍內(nèi)的壓痕深度d′為：

彈性變形平均應(yīng)力σ￣的最大值與工件材料發(fā)生時塑性變形的初始值相同，等于工件材料的硬度Hw，用Hw替代σ￣，消除Fng，得到下式：

假如每個磨粒只有一個切削刃，并且工件材料變形半徑與磨粒半徑相等，那么，磨粒與工件的相互作用可能存在以下幾種形態(tài)：

一般情況，磨粒流擠磨加工過程中，磨粒與工件表面的這三種作用方式都有可能存在，因為壓痕深度會隨著載荷的增加而增大。只有當(dāng)壓痕深度接近磨粒半徑的6%之后才會對材料進行切削將材料去除。當(dāng)壓痕深度小于磨粒半徑的5.8%時，材料會被沿著磨粒的兩側(cè)擠出，發(fā)生塑性變形，形成凸起，不會對材料進行去除，該過程稱為耕犁過程。如果壓痕深度d′小于18.44（Hw

2R時，磨粒與工件只會發(fā)生劃擦，材料發(fā)生彈性變形。

3　流體磨料流動分析

3.1流動過程數(shù)學(xué)模型

流體磨料是一種具有粘彈性的非牛頓流體，假設(shè)它為一種不可壓縮、各向同性的均勻混合物，磨料載體的影響滿足Maxwell方程，且流動為二維絕熱軸對稱穩(wěn)定流動。

（1）質(zhì)量守恒方程。

忽略加工時切削產(chǎn)生的材料體積，由于流體磨料為不可壓縮流體，則dρ/dt=0，質(zhì)量守恒方程可表述為：

式中，d/dt=/t+u，為哈密爾頓算子。

（2）動量守恒方程為：

式中，ρ為密度，f為單位質(zhì)量力，σ為應(yīng)力張量，σij為單位張量（Kronecker delta）。

（3）本構(gòu)方程

流體磨料是一種假塑性流體，其既具有彈性又具有粘性，為了確定應(yīng)力狀態(tài)與流動形態(tài)的關(guān)系，可以使用冪律流體描述其本構(gòu)方程，方程形式如下：

式中，τij為應(yīng)力張量，μ為流體磨料的粘性系數(shù)，Kij為流體磨料的剪切速率，n為流動指數(shù)，對于非牛頓流體0＜n＜1。

3.2流體磨料流動狀態(tài)分析

以某電控單體泵高壓油道為研究對象，根據(jù)實際加工過程，建立簡化的油道物理模型，高壓油道孔的半徑以R表示，假設(shè)加工時加工特征進出口壓力差為△p，在流道中截取長度為△z的磨料柱，并于其中取一個微元流體磨料柱如圖2所示，選用柱坐標(biāo)系（r，θ，z）。對流道孔內(nèi)穩(wěn)定流動區(qū)的模型做如下假設(shè)：①流動是軸向?qū)恿?。垂直于軸向z的某一截面，沿流動方向的速度vz只是距軸線的距離r的函數(shù)，而vr與vθ為零；②流動狀態(tài)穩(wěn)定。沿流動方向的壓力梯度為常數(shù)；速度梯度為零；③流體的密度近似不變；④磨粒在油道壁面上的滑動速度為vz（R）。

圖2　微元流體磨料柱

流體磨料在高壓油道中流動，不管處于何種流動狀態(tài)，流動過程都遵循動量守恒方程，即方程Navier-Stokes，根據(jù)以上簡化，得到以下運動方程：

a）沿著油道軸向z的運動方程：

b）沿著油道r方向的運動方程：

c）沿著油道θ方向的運動方程：

3.3磨粒流擠磨加工過程中的速度分布

將流體磨料的本構(gòu)方程τij=μKijn帶入流體磨料的軸向流動方程得：

對上式進行積分，帶入邊界條件：r=0，Kij=0；r=R，vz（R）=vR得：

式（11）就是油道孔中流體磨料在加工過程中的速度分布情況。高壓油道孔壁面處，vR就是流體磨料在油孔道孔壁面上的滑動速度。壁滑速度與油道表面的粗糙度和流體磨料的粘度有關(guān)。流體磨料的粘度越大，vR越大；粗糙度越大，vR越小。對比相應(yīng)試驗研究［5］，在實際加工過程中，加工表面的速度不為零，本文推導(dǎo)的結(jié)論與試驗結(jié)論相符。

若用Q表示流量，則壁面滑移速度為：

4　結(jié)論

本文通過對電控燃油噴射系統(tǒng)關(guān)鍵件小孔的精密高效磨粒流加工的理論研究，得出以下結(jié)論：

（1）磨粒流擠磨加工過程中，磨粒的尺寸、磨粒所受的軸向力和徑向力的大小對加工過程的影響很大，對加工過程中材料的去除方式起決定作用，因此，加工過程中要根據(jù)實際情況選擇磨粒的粒徑和擠磨壓力的大小。

（2）本構(gòu)方程的選擇對分析流體磨料的特性和流動狀態(tài)有很大的影響，只有選擇合適的本構(gòu)方程才能準(zhǔn)確地分析出其流動狀態(tài)；其次，流體磨料流動的過程中，在加工表面處其速度不為零，這是磨粒流擠磨加工過程中特有的流動狀態(tài)。

［1］王先逵.精密加工和超精密加工技術(shù)綜述［J］.中國機械工程，1999，10（05）：570-576.

［2］R.E.W illiams.Acoustic Em ission characteristics of AFM［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，1998，120（05）：264-270.

［3］郭應(yīng)竹.細(xì)小孔的磨粒流加工［J］.航空工藝技術(shù)，1991，03：20-23.

［4］計時鳴，譚大鵬，張利等.軟性磨粒流加工方法及近壁區(qū)域特性 ［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2012，46（10）：1764-1772.

［5］湯勇，周德明，夏偉等.磨料流加工壁面滑動特性的研究 ［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，29（1）：34-37.

董家廣，1990年出生，云南宣威人，碩士研究生，研究方向：動力機械結(jié)構(gòu)強度與動態(tài)設(shè)計