磨粒流加工過程材料切除及表面粗糙度分析

董家廣，張斌，尹國華，郭巨壽（.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原03005；.北方通用動力集團有限公司，大同037036）

磨粒流加工過程材料切除及表面粗糙度分析

董家廣1，張斌1，尹國華2，郭巨壽2
（1.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原030051；2.北方通用動力集團有限公司，大同037036）

磨粒流擠磨加工是一種以不改變零件材料物理特性為前提，以獲得極限的表面粗糙度和表面完整性為目標的新型、高效、精密加工方法，對于該方法加工效率及加工質(zhì)量的評價尚無很好的理論依據(jù)。針對孔的磨粒流擠磨加工進行研究，建立了加工過程材料的切除模型和表面粗糙度分析模型，并與文獻中的試驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)二者在趨勢上很相符。論文為磨粒流擠磨加工的評價方法提供了一定的理論依據(jù)。

磨粒流加工材料切除表面粗糙度

1　　引言

磨粒流加工技術(shù)是一種用于去毛刺、倒角、拋光，對再鑄層進行切除的非傳統(tǒng)、高效、精密加工方法。該加工方法最先應(yīng)用于航空零件的精密加工，由于其加工效率及加工質(zhì)量的優(yōu)越性，得到了廣泛的關(guān)注，并成功應(yīng)用于紡織機械加工、模具制造、汽車零配件加工、齒輪加工等行業(yè)［1］，并取得了滿意的加工效果，創(chuàng)造了很好的效益。近些年，學(xué)者們對磨粒流擠磨加工方法的研究方興未艾，J.Kenda等人對磨粒流加工方法進行了研究，將其運用于塑料齒輪的加工，并通過試驗獲得了工藝參數(shù)［2］。Robert E.Williams等學(xué)者使用磨粒流加工方法對異型管道等進行了加工，通過大量的試驗驗證了該加工方法的優(yōu)越性，并優(yōu)選了工藝參數(shù)［3］。太原理工研究團隊對磨粒流加工的理論進行了系統(tǒng)的研究，該團隊配制流體磨料和機床用于多種零件的擠磨加工，具有優(yōu)良的特性［4-5］；V.K.Jain等學(xué)者介紹了磨料輔助精密加工方法的研究進展和磨粒流加工工

來稿日期：2015-08-25

磨粒流加工技術(shù)雖然經(jīng)過了數(shù)十年的研究發(fā)展，但相關(guān)理論仍不成熟，加工工藝參數(shù)的獲取對于實驗的依賴性還很強，磨粒流加工工藝參數(shù)的優(yōu)化依然困難，并且依據(jù)不足。鑒于此，本文試圖通過建立合適的數(shù)學(xué)模型，分析磨粒流加工過程中材料的切除機理和表面粗糙度的改善情況，為磨粒流加工的表面質(zhì)量好壞及工藝參數(shù)的選擇提供一定的理論依據(jù)。

2　　磨粒流加工機理

進行磨粒流加工時，工件通過夾具固定在上下兩個磨料缸之間，具有流動性的黏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，壁面在磨粒的微量切削作用下而被拋光，在拋光過程中產(chǎn)生的金屬屑則包容在載體中排走，如圖1所示。該方法可以加工傳統(tǒng)方法難以加工到的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性表面，可以同時對多個零件或表面進行加工，加工的表面完整性好，加工效率高，并且該加工方法對材料的適應(yīng)性很強，可以加工金屬、陶瓷、塑料等材料［1，6，9］。

圖1　　磨粒流加工過程簡圖

磨粒流加工屬于柔性、微量、精密加工，加工所用的流體磨料由高黏度的載體和磨粒均勻混合而成，加工過程中流體磨料會發(fā)生變形。影響流體磨料加工性能的因素很多，如磨料黏度、濃度、擠磨壓力等。為了分析這些因素和其他加工條件對材料切除和表面粗糙度的影響，下面將對該加工方法的材料去除機理和表面粗糙度進行研究。

3　　材料切除分析

3.1材料切除機理

磨粒流加工過程中，均勻分布的磨粒與工件表面產(chǎn)生滑擦而對工件材料進行微量切削。磨粒流加工過程中材料的切除方式有以下幾種：

（1）磨粒切入工件的深度極小，與工件表面產(chǎn)生劃擦而產(chǎn)生一條劃痕，材料發(fā)生彈性變形而不被切除，稱此過程為劃擦。

（2）磨粒切入工件表面的深度到達一定值時，工件表面的彈性變形過渡到塑性變形，擠壓摩擦劇烈，磨粒在工件表面刻劃出溝痕，溝痕兩側(cè)的金屬由于塑性滑移而隆起凸出，稱此過程為微耕犁。在這種過程中，材料被反復(fù)地擠出，有可能因為低循環(huán)疲勞而被切除。

（3）當(dāng)切痕深度繼續(xù)增大到一定值時，磨粒從工件表面切除微量材料，產(chǎn)生切屑，稱此過程為微切削。

對于不同的工件材料，這三種切削方式所占的比例各不相同，塑性材料主要以微耕犁和微切削為主，脆性材料主要以微切削為主。

3.2材料切除模型

根據(jù)金屬切削理論，在進行磨粒流加工時，磨粒要受到正壓力和軸向力的作用以克服吃刀抗力和進給抗力，如圖2所示。磨粒所受的正壓力Fng將磨粒壓入工件內(nèi)，軸向力F使磨粒水平移動從而將材料去除。在進行建模時，假設(shè)：（1）磨粒都為球形，且半徑相等；（2）磨粒所受的載荷都與平均載荷相等；（3）磨粒的切削深度都不變且相等，加工過程中始終對材料進行切除；（4）磨粒在工件表面留下的切痕與磨粒的外形一致，被切除的材料體積等于切出的凹槽體積。

圖2　　材料去除簡圖

以磨料磨損經(jīng)典模型為理論指導(dǎo)，建立材料切除的相關(guān)模型。加工過程中如果磨粒不發(fā)生滾動，法向力Fng可表示為

其中，σn為磨粒所受的正應(yīng)力，dg為磨粒直徑，M為磨粒目數(shù)。

若工件材料的硬度為Hw，Δs'為切痕橫截面積，b為切痕在工件表面的投影直徑，根據(jù)圖2可以計算出Fng

加工后切削凹槽的橫截面積S為

若加工過程中磨粒對工件材料的有效切除長度為Li，根據(jù)圖3可知，加工過程中單個磨粒切除的材料體積Vg為

圖3　　表面輪廓變化

單個磨粒第i個切削行程一次切除的材料體積Vs為

n個加工循環(huán)結(jié)束后，切除的材料總體積V及總重量Wm分別為

4　表面粗糙度分析

在實際加工過程中，只有與工件表面接觸的磨粒才可能參加切削。假設(shè)同時對工件單位面積A'進行切削的磨粒數(shù)為N，則每一個加工行程內(nèi)作用于A'的有效加工磨粒數(shù)Nt為

其中，ls為行程長度，vp和vf分別為磨料缸內(nèi)和工件表面流體磨料的流速。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得

經(jīng)過機械加工后的表面，其峰-谷粗糙度與算數(shù)平均粗糙度的比值η存在一個范圍。對于研磨的表面，η值大約為5；對于珩磨表面，η值大約為10［10］。本文磨粒流擠磨加工取η=8。第i個加工行程后，切除材料的體積Vi為

因此，加工完成后表面粗糙度為

對于給定的磨料，加工完成后表面粗糙度的數(shù)值存在一個極限值Rcr，超過該臨界值后表面粗糙度不再會改善。

5　結(jié)果分析與探討

根據(jù)以上推導(dǎo)可知，影響磨粒流加工材料去除率和表面粗糙度的因素很多，主要分以下三類：（1）工件屬性，包括工件初始表面粗糙度、材料硬度和工件結(jié)構(gòu)等；（2）流體磨料參數(shù)，包括磨料濃度、磨料黏度、磨粒粒度、形狀及其材料硬度等；（3）加工條件，包括擠磨壓力、加工溫度、夾具形狀等。

下面主要分析磨料濃度、擠磨壓力、磨粒所受正壓力及磨粒粒徑（目數(shù)）與工件材料切除量和表面粗糙度之間的關(guān)系。由于條件限制，未能進行相關(guān)的試驗驗證，因此將理論推導(dǎo)結(jié)果與文獻［8］中的試驗數(shù)據(jù)進行比較。已知：R=15 mm，rc=27.5 mm，ls=50 mm，L=12 mm，Hw=1 500 MPa，μa=543.38 MPa，n=50。

圖4給出了加工壓力與材料切除量的關(guān)系。從中可知，材料切除量隨正壓力增大而增加。因為正壓力增加會使切痕深度增大，流體磨料的流速和壁面滑移速度增大，即切削位移增大；其次，速度增大會增加單位時間內(nèi)對材料進行切除的磨粒數(shù)目。但是，在實際加工過程中，材料去除量不會一直增加。

圖4　　正壓力與材料切除量的理論關(guān)系

圖5為磨粒粒徑對材料切除量的影響關(guān)系的理論值和試驗結(jié)果?？梢钥闯?，材料切除量隨磨粒目數(shù)增加（粒徑減?。┒鴾p小，理論數(shù)值和試驗結(jié)果相近。磨粒目數(shù)越大，粒徑越小，磨粒受力越小，切削時產(chǎn)生的切槽橫截面積和切痕深度越小，所以切除的材料也少。造成二者差異的原因可能是推導(dǎo)過程中的簡化條件不夠合理。

圖5　　磨粒目數(shù)與材料切除量的關(guān)系

圖6表示表面粗糙度隨擠磨壓力的變化關(guān)系。隨著擠磨壓力增大，表面粗糙度減小，最后不再改變。根據(jù)前文推導(dǎo)，擠磨壓力越大，流體磨料的流速增加，磨粒所受的正壓力越大。因此，對材料的切除效率增加，加工表面的均勻性也越好。但對于某一確定的磨料，其加工完成后所能達到的表面粗糙度存在一個極限值。

圖7表示磨粒目數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系。從圖中可看出，磨粒目數(shù)越大，表面粗糙度的改變量就越大，越有利于拋光。這一趨勢在理論分析中體現(xiàn)得更明顯，在試驗結(jié)果中變化比較平緩。因此，針對不同的加工質(zhì)量要求，應(yīng)該選擇不同粒度的磨粒。

圖6　　壓力與粗糙度的關(guān)系

圖7　　磨粒目數(shù)與粗糙度改變量的關(guān)系

6　　結(jié)論

（1）建立了磨粒流加工材料去除量計算模型和表面粗糙度分析模型。分析結(jié)果表明，材料切除量和表面粗糙度改善情況與加工條件、流體磨料參數(shù)和工件參數(shù)有關(guān)。

（2）材料切除量隨擠磨壓力增加而增大，與磨粒目數(shù)的關(guān)系卻成反比；加工循環(huán)次數(shù)一定的情況下，表面粗糙度隨著擠磨壓力和磨粒目數(shù)的增加而得到改善。

（3）每一種磨料在合適的加工條件下，加工后的表面存在一個最佳的表面粗糙度值。因此，在選擇磨料和其他工藝參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)表面加工要求進行選擇。

［1］李俊燁.微小孔磨粒流拋光裝置的研制與工藝研究［D］.長春工業(yè)大學(xué)，2011：9-18.

［2］Kenda J，Duhovnik J，J，et al.Abrasive Flow Machining Applied to Plastic Gear Matrix Polishing ［J］.Int J Adv Manuf Technol，2014，71（1）：141-151.

［3］Williams R E，Walczyk D F，Dang H T.Using Abrasive Flow Machining to Seal and Finish Conformal Channels in Laminated Tooling［J］. Rapid Prototyping，2007，13（2）：64-75.

［4］宋桂珍.磨料流加工技術(shù)的理論分析和實驗研究［D］.太原理工大學(xué)，2010：15-39.

［5］董志國，軋剛，李元宗.磨料流載體在圓管流動中的壁面滑動特性分析［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2011，42（2）：160-163.

［6］Jain V K.Abrasive-based Nano-finishing Techniques-An Overview［J］.Machining Science and Technology，2008，12（3）：257-294.

［7］Jain N K，Jain V K，Jha S.Parametric Optimization of Advanced Fine-finishing Processes［J］.Int J Adv Manuf Technol，2007，34（11）：1191-1213.

［8］Jain R K，Jain V K.Finite Element Simulation of Abrasive Flow Machining［J］.Journal of Engineering Manufacture，2003，217（12）：1723-1736.

［9］李琛.軟性磨粒流近壁區(qū)域微切削機理及其控制方法研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)，2012：11-22.

［10］Shaw M C.Principles of Abrasive Processing［M］. Clarendon Press，Oxford，1996.

Analysis of Material Removal and Surface Roughness in Abrasive Flow Machining Process

Dong Jiaguang1，Zhang Bin1，Yin Guohua2，Guo Jushou2
（1.College of Mechanical and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.The North General Power Group Co.，Ltd.，Datong 037036，China）

Abrasive flow machining（A FM）is a new method for precision machining with high efficiency.This method aims at generating surfaces with great surface roughness and integrity on the basis of little change on physical properties of the material.However，there is no sufficient theoretical basis for the assessment of machining efficiency and quality.This paper mainly deals with theoretical analysis abrasive flow of holes machining mechanism，Models for theoretical analysis of material removal and surface roughness during abrasive flow machining process are established.Comparisons are made between theoretical datum and experimental results available in the literature，and the results show that they consistent with each other well.This paper provides a theoretical basis for assessment of AFM to some extent.

abrasive flow machining，material removal，surface roughness

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.012

董家廣（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計與制造技術(shù)。藝參數(shù)優(yōu)選的方法［6-8］。