高速工具約束磨料表面光整工藝

莊曙東 安魯陵 王婷婷 郭光輝

(1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 210016)(2河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,常州 213022)

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪以及模具等具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的零件的加工精度和表面質(zhì)量對(duì)其工作性能有很大的影響．目前,數(shù)控加工機(jī)床和加工中心的廣泛應(yīng)用,使得上述零件的尺寸和形狀精度得到保證．但切削加工后,不可避免地會(huì)在零件表面存在加工痕跡,需要采取措施來(lái)減小直至消除這些加工痕跡,以滿足對(duì)零件表面高質(zhì)量的要求．現(xiàn)在常用的方法是手工打磨,這種方法既耗時(shí)又費(fèi)力,也難以從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量;振動(dòng)光飾法也是常見(jiàn)方法之一,這種方法與手工打磨相比,效率高,但可控性較差,在磨去加工痕跡的同時(shí),很可能會(huì)出現(xiàn)塌邊等缺陷,致使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響．磨粒流加工[1]是近年來(lái)提出的一種較新的光整加工工藝,這種工藝在20世紀(jì)60年代提出,它是以流體為載體,磨料懸浮在流體中,依靠磨料相對(duì)于工件表面的流動(dòng)能量進(jìn)行光整加工．由于這種工藝特別適合加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜或細(xì)微內(nèi)孔零件,因此近年來(lái)成為學(xué)者研究和企業(yè)開(kāi)發(fā)設(shè)備的熱點(diǎn).Jain等[2]采用有限元法建立磨粒流加工的加工模型.Kurobe等[3]提出了基于高速磨粒流的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)壁拋光的方法.李長(zhǎng)河等[4-6]提出用砂輪約束磨粒噴射精密光整加工表面的方法.計(jì)時(shí)鳴等[7]進(jìn)行了基于“軟性”液-固兩相的模具結(jié)構(gòu)化表面光整加工工藝的研究,給出了“軟性”液-固兩相磨粒流加工的控制方程．浙江工業(yè)大學(xué)、太原工業(yè)大學(xué)等單位進(jìn)行了磨料流加工機(jī)床的研發(fā)[8-9]．

基于高速加工技術(shù)和流體動(dòng)壓理論,本文提出了一種利用高速多軸機(jī)床和高速工具約束磨料對(duì)零件表面可控地進(jìn)行精密光整加工的方法．在完成高速精銑后,更換工具進(jìn)行表面光整加工,可應(yīng)用CAD/CAM軟件的功能優(yōu)化光整路徑,調(diào)整工藝參數(shù),解決復(fù)雜型面、內(nèi)部型腔、大中型零件高效光整加工的難題．

1 加工原理

所謂高速工具約束磨料可控精密光整加工方法,就是利用高速工具,將待光整的零件表面浸入磨料混合液中(磨料混合液為一定粒度的磨料充分混合于水、機(jī)油或乳化液中而形成的溶液),使高速旋轉(zhuǎn)的工具與工件保持較小間隙,以一定的規(guī)律和速度運(yùn)動(dòng),工具通過(guò)磨粒與工件表面相互作用,從而達(dá)到快速消除零件表面加工痕跡的一種光整加工方法．其實(shí)質(zhì)是利用流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng),在工具和工件間產(chǎn)生高壓和牽曳力,約束磨料混合液中的磨粒以較高速度沖擊、磨削工件表面的微凸體,即加工痕跡,從而改善工件表面質(zhì)量．這是一種復(fù)合精密光整加工工藝,其原理如圖1所示．

圖1 高速工具約束磨料可控精密光整加工原理圖

由圖1可知,工具與工件間隙為h0,由于磨料混合液的黏性作用,高速旋轉(zhuǎn)的工具將帶動(dòng)磨粒高速通過(guò)工具與零件表面的間隙;另一方面,工具與工件之間形成楔形空間,其相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生流體動(dòng)壓力．磨粒在流體壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)的作用下獲得足夠的能量,在工具與工件接觸區(qū)附近完成對(duì)工件的微去除加工．根據(jù)磨削原理可知,壓力和速度越大,磨粒在加工表面演繹“滑擦-耕犁-切削”這一典型的磨削過(guò)程越明顯．

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理,假設(shè)磨液為連續(xù)的、黏性的、不可壓縮的牛頓流體,則在工具和工件間將形成楔形區(qū)．設(shè)最小間隙處作用表面寬度為L(zhǎng),工具浸入磨粒流中的深度為b,最小間隙為h0,工具半徑為R,常壓處間隙為R+h0;根據(jù)設(shè)定，顯然L為一較小值,同時(shí)忽略一些次要因素,如忽略溫度和壓力對(duì)流體黏度的影響;忽略膜厚方向流體壓力很小的變化;且不計(jì)其流動(dòng)中的慣性效應(yīng)．

由于工具高速旋轉(zhuǎn),故需要先判別流體的流動(dòng)是層流、湍流還是過(guò)渡流動(dòng)．在本文方法中,通流截面面積A取約0.006m2,濕周χ取約0.1m,流體運(yùn)動(dòng)黏度的取值范圍為10～60mm2/s,工具轉(zhuǎn)速n的取值范圍為4800～24000r/min,工具半徑R的取值范圍為1～8mm.根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)[10]可知,在上述取值條件下Re最大取值也小于2000.對(duì)于非圓形管道的一般流動(dòng)當(dāng)Re<2000時(shí),流場(chǎng)為層流流場(chǎng),故本文方法中流體的流動(dòng)為層流．

由以上的假設(shè)與層流的判定,對(duì)于動(dòng)力黏度為μ的牛頓流體,剪切應(yīng)力與速度梯度成正比[11],因此

(1)

Navier-Stokes方程可簡(jiǎn)化為

(2)

(3)

因沿膜厚方向流體壓力變化很小,可忽略,即

(4)

式中,u,v分別為流體在x和z方向的速度;p為流體在接觸區(qū)形成的動(dòng)壓力．

對(duì)式(2)、(3)的y積分2次,取邊界條件

可得到

(5)

(6)

式中,uw為工具的線速度;h為工具外表面與工件表面間隙,即

將式(5)和(6)代入到楔形區(qū)域流體流動(dòng)的連續(xù)方程中,對(duì)y積分,可得到

(7)

式中,w為流體在y方向的速度．

這樣，式(5)～(7)就構(gòu)成了楔形區(qū)流體速度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型．

用Matlab7.0對(duì)速度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,得出在x和z方向上速度u,v的分布規(guī)律.由分析可得,u,v大小不受流體動(dòng)力黏度的影響,但與工具的轉(zhuǎn)速成正比,與工具和工件表面之間的間隙成反比．此外,由于是層流流動(dòng),沿y方向的速度幾乎保持不變．

對(duì)式(5)、(6)進(jìn)行y方向積分,得

(8)

(9)

楔形區(qū)域流體流動(dòng)的連續(xù)方程為

(10)

式中,qx,qy,qz分別為沿x,y和z方向的單位寬度流量．

將式(8)和(9)代入式(10),化簡(jiǎn)可得高速旋轉(zhuǎn)的工具/工件楔形接觸區(qū)由磨液產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力的數(shù)學(xué)模型，即

(11)

邊界條件定義為

出口處采用雷諾邊界條件為

式中,a為定解區(qū)域入口長(zhǎng)度;c為定解區(qū)域出口長(zhǎng)度．

用Matlab7.0對(duì)所建立的壓力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,可得出流體動(dòng)壓力的分布曲線圖,如圖2所示．

圖2 流體動(dòng)壓力分布

式(11)可以化簡(jiǎn)成

(12)

式中,n,d分別為工具的轉(zhuǎn)速和直徑．由此可以看出,除去d,R等幾何因素外,轉(zhuǎn)速n、流體動(dòng)力黏度μ、工具與工件之間的最小間隙h0是影響動(dòng)壓力的主要因素,所以本文選擇不同的參數(shù)(n,μ,h0)組合來(lái)研究對(duì)動(dòng)壓力的影響．由于光整加工是極微量的去除加工,因此需要重復(fù)多次執(zhí)行光整路徑的程序.走刀速度f(wàn)對(duì)光整效率有很大的影響,故其也是影響光整加工的主要因素之一．

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為高速數(shù)控雕銑機(jī)XDK6050(主軸最高轉(zhuǎn)速24000r/min,刀具最大直徑13mm),主要檢測(cè)設(shè)備為金相電子顯微鏡．實(shí)驗(yàn)刀具為φ6mm銑刀,工具為φ6mm圓柱棒．

主要實(shí)驗(yàn)材料為Q345;磨料混合液主要采用金剛石研磨膏(粒度80#,320#,800#)按比例與40#機(jī)油混合，或微粉磨料W5按比例與煤油、石油磺酸鋇混合.磨料混合液能使固體顆?；緫腋≡跈C(jī)油或煤油中．實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝

根據(jù)高速工具約束磨料可控精密光整加工的原理分析,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工藝為:預(yù)加工→雕銑四邊→約束光整加工．

1) 預(yù)加工 將Q345加工成外圓φ50mm、高度30mm、內(nèi)孔φ29mm、深25mm的工件,并在外圓與內(nèi)孔的端面上加工2個(gè)間距為40mm的φ6mm小孔,以便夾緊和定位．

2) 雕銑四邊 對(duì)預(yù)加工工件φ29mm內(nèi)孔進(jìn)行粗、精雕銑,銑出邊長(zhǎng)為30mm、深度為20mm的正方形孔．雕銑目的是保證下一步光整加工間隙的精確．

3) 約束光整加工 將銑刀換成工具,向正方形孔中注入磨料混合液,利用工具高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)磨料混合液對(duì)工件內(nèi)壁進(jìn)行光整加工．

2.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)1驗(yàn)證約束磨粒光整加工的效果

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證使用高速工具約束磨粒光整加工是否具有明顯的效果．選取表1中任意一組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

清理工件,在型腔中注入磨料混合液(1份80#拋光膏與10份40#機(jī)床潤(rùn)滑油),換上加工工具,調(diào)整運(yùn)行程序使棒底與型腔底有1mm間隙,棒與側(cè)面有0.05mm間隙,轉(zhuǎn)速n為19200r/min,沿四方型腔的一個(gè)面,以500mm/min的走刀速度沿精加工銑削路徑反復(fù)走刀100次,該面記為A1面．向上提升工具9mm,按同樣方式反復(fù)走刀100次,該面記為B1面．未走刀的2個(gè)面記為C1面．經(jīng)電子金相顯微鏡檢測(cè)得到加工表面效果如圖3所示．

由圖3可知,A1面經(jīng)光整加工,表面已沒(méi)有明顯的切削痕跡,表面變得平滑,無(wú)明顯的凹坑．C1面未經(jīng)光整加工,表面有明顯的切削痕跡,而且由于銑削切屑的脫落方式,表面有明顯的凹坑．B1面中部顯微圖像則展示了未經(jīng)光整加工與光整加工的過(guò)渡區(qū)情形,光整加工與銑削加工痕跡對(duì)比明顯．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用高速工具約束磨粒光整加工具有明顯的效果．

圖3 Q345加工表面效果的對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)2工具轉(zhuǎn)速對(duì)光整加工效果的影響

實(shí)驗(yàn)選定走刀速度為500mm/min,工件與工具間隙量為0.05mm,磨料混合液為1份320#拋光膏與10份40#機(jī)床潤(rùn)滑油．工件經(jīng)銑、清理、換刀、注液等過(guò)程后,在四方型腔的4個(gè)面標(biāo)設(shè)為A2,B2,C2,D2面,分別對(duì)這些面以轉(zhuǎn)速n為4800,9600,19200,24000r/min,沿精加工銑削路徑反復(fù)走刀30次．經(jīng)檢測(cè)得到加工表面效果圖如圖4所示．

圖4 工具轉(zhuǎn)速對(duì)光整加工效果影響的對(duì)比圖

由圖4可見(jiàn),A2面表面有明顯的切削痕跡和凹坑,光整效果不佳；D2面也有切削痕跡,但表面變得平滑,已有光整加工的效果；B2面、C2面加工效果處于兩者之間．實(shí)驗(yàn)表明，高速工具轉(zhuǎn)速對(duì)光整加工效果有影響,轉(zhuǎn)速越高,加工效果越好．

實(shí)驗(yàn)3走刀速度對(duì)光整加工效果的影響

首先工件預(yù)加工,在型腔中注入磨料混合液(1份320#拋光膏與10份40#機(jī)床潤(rùn)滑油),工具轉(zhuǎn)速為19200r/min,工件與工具間隙為0.05mm,以走刀速度100,500,1000,5000mm/min分別光整加工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為A3,B3,C3,D3面四方型腔的4個(gè)面,反復(fù)走刀30次．經(jīng)檢測(cè)得到加工表面效果圖如圖5所示．由圖5可見(jiàn),走刀速度對(duì)光整加工效果影響變化不明顯,走刀速度過(guò)大,光整加工效果相對(duì)差一些．但在一定時(shí)間內(nèi),走刀速度越大,走刀次數(shù)增加,也即光整次數(shù)增加,又會(huì)提高光整加工效果．所以選擇中等的走刀速度比較合適．

圖5 不同走刀速度下的光整加工金屬表面的對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)4工具與工件間距對(duì)加工效果影響

工件完成預(yù)加工后,選定主軸轉(zhuǎn)速為19200r/min,走刀速度500mm/min,磨料混合液為1份800#拋光膏與10份40#機(jī)床潤(rùn)滑油,以工件與工具間隙量為0.05,0.1,0.15,2.0mm分別光整加工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為A4,B4,C4,D4面的四方型腔4面,反復(fù)走刀30次．經(jīng)檢測(cè)得到表面效果圖如圖6所示．

由圖6可見(jiàn),工件與工具間隙對(duì)光整加工效果影響比較明顯,A4面光整加工效果最為明顯,B4面、C4面稍微差些,當(dāng)間隙達(dá)到2.0mm時(shí),D4面顯微圖像顯示幾乎沒(méi)有任何光整效果,這與理論分析結(jié)果是一致的,間隙小容易達(dá)到光整效果．

實(shí)驗(yàn)5磨粒型號(hào)對(duì)光整加工效果的影響

實(shí)際上實(shí)驗(yàn)應(yīng)以磨料混合液的不同配比作為實(shí)驗(yàn)變量參數(shù),但磨料混合液配比可選方案太多,故實(shí)驗(yàn)僅以不同磨粒型號(hào)作為實(shí)驗(yàn)變量參數(shù),分別選擇80#,320#,800#研磨拋光膏與40#機(jī)床潤(rùn)滑油混合,微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇混合,配制成磨料混合液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)定量參數(shù)為工具間隙量0.05mm,主軸轉(zhuǎn)速為19200r/min,走刀速度500mm/min．

圖6 不同間距下的光整加工金屬表面的對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工件僅經(jīng)過(guò)精銑,選擇80#,320#,800#研磨拋光膏與40#機(jī)床潤(rùn)滑油配比的混合液,經(jīng)過(guò)反復(fù)走刀30次,就能起到一定的光整效果,其中選擇80#研磨拋光膏的混合液效果最為明顯,而微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液效果不明顯．隨著反復(fù)走刀增加到150次,80#研磨拋光膏的混合液光整的效果提高不明顯,相反還出現(xiàn)了由于磨粒粗大,被卡在工件與工具間,造成已光整的表面重新出現(xiàn)劃痕的現(xiàn)象；800#研磨拋光膏的混合液光整的效果提高最明顯；微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液有一定效果．當(dāng)反復(fù)走刀增加到500次,微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液光整效果最佳．

由此可得,實(shí)驗(yàn)在運(yùn)用高速工具約束磨料光整加工時(shí),可根據(jù)磨料混合液配比的不同,分為約束粗光整、約束精光整和約束鏡面光整等過(guò)程．在粗光整時(shí),磨料混合液可選粒度80#的磨粒與切削油的混合溶液;約束精光整的磨料混合液可選為粒度800#或以上的磨粒與切削油的混合溶液;約束鏡面光整選用微粉磨料或納米磨料與煤油、石油磺酸鋇混合液配制的磨料混合液,才能有較好的效果．

2.4 影響因素的正交實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表,及實(shí)驗(yàn)2～實(shí)驗(yàn)5的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,比較容易實(shí)現(xiàn)高速工具約束磨料光整加工的正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)．在工具轉(zhuǎn)速上,可以采用最高轉(zhuǎn)速作為優(yōu)選因素,走刀速度選擇中等速度為宜,間隙量選擇以盡量小為佳,但考慮磨粒大小時(shí),間隙小可能會(huì)使工具與工件卡住磨粒,造成光整的表面重新出現(xiàn)劃痕的現(xiàn)象,因此間隙量應(yīng)與磨粒型號(hào)的選用一起考慮,同時(shí)磨粒型號(hào)的選用影響光整效率與光整效果,因此應(yīng)納入正交試驗(yàn)的因素設(shè)計(jì)中．

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn),得到初步結(jié)果:粗光整時(shí),工具轉(zhuǎn)速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.15mm,1份80#研磨拋光膏與10份40#機(jī)床潤(rùn)滑油混合配比的磨料混合液,光整的效率較高．精光整時(shí),工具轉(zhuǎn)速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.05mm,1份800#研磨拋光膏與5份40#機(jī)床潤(rùn)滑油混合配比的磨料混合液,光整效率與效果比較合適．鏡面光整時(shí),工具轉(zhuǎn)速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.02mm,微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液,光整效果最好．

3 結(jié)論

1) 提出了在工件利用高速加工機(jī)床完成精加工后,可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的工具約束磨料對(duì)零件表面進(jìn)行可控精密光整加工的方法．

2) 利用流體動(dòng)壓理論,建立了高轉(zhuǎn)速的工具與工件構(gòu)成的楔形區(qū)(也是本方法實(shí)現(xiàn)光整加工的工作區(qū))流體速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,從理論上探討工藝方法實(shí)現(xiàn)的可能性．

3) 在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工藝方法有效性的基礎(chǔ)上,研究了影響光整加工效率與效果的主要因素——工具轉(zhuǎn)速、工具走刀速度、工具與工件的間隙、磨粒型號(hào)等,得到粗光整、精光整、鏡面光整的工藝數(shù)據(jù)．

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