單向磨料流加工工藝特性研究*

侯博偉，宋桂珍 ，李銀光，程建明

(太原理工大學 a.機械與運載工程學院；b.山西省塑料機械工程虛擬仿真實驗教學中心；c.精密加工山西省重點實驗室，太原 030024)

0 引言

隨著科學和技術的發(fā)展，為了改善高端制造行業(yè)中高性能和復雜零件的功能性表面光潔度，產(chǎn)生了磨料流加工技術[1-3](abrasive flow machining，簡寫為AFM)。磨料流加工是在一定壓力的作用下，使承載有磨粒的粘彈性高分子載體流過被加工零件的表面，并使其內(nèi)部包含的磨粒在被加工零件的表面產(chǎn)生滑動作用，進而達到光整工件表面、去毛刺和倒圓角的目的[4-5]。目前AFM已被廣泛用于醫(yī)療器械、模具、航空、紡織機械、汽車、液壓元件等領域的零件加工中[7]。

磨料流加工有雙向加工和單向加工等工藝形式[4,6]。對于適合往復驅(qū)動磨料流動的工件，采用雙向加工工藝可以提高加工效率;但受限于待加工面的結(jié)構、形狀或尺寸，有時不得不采用單向加工。比如毛細管，結(jié)構雖然簡單，但由于孔徑太小且長徑比很大，采取雙向加工時，工件容易發(fā)生堵塞且不易被及時發(fā)現(xiàn)，導致機床過載，甚至損壞[8]。采取單向加工則易于發(fā)現(xiàn)工件的孔道是否堵塞，但在應用研究中發(fā)現(xiàn)，當零件孔道的長徑比較大時存在表面粗糙度改善漸弱現(xiàn)象，即沿著料流方向材料去除量逐漸減小。隨著被加工孔道長徑比(或縱橫比)的增大，這種現(xiàn)象越發(fā)顯著，而適當增加加工次數(shù)，這種狀態(tài)有所消減。因此，為了能夠恰當?shù)貞媚チ狭骷庸すに?，控制加工質(zhì)量，研究單向磨料流加工工藝特性具有重要意義。

此外，關于磨料流加工工藝的機理分析已有一些文獻報道[9-11]。張克華等[9]將磨粒加工分為三種形式：磨粒滾動、磨粒直線切削和磨料斜切入工件表面再直線切削。丁金福等[10]從分析微元體的應力張量入手，提出磨粒流加工是兼擠壓和微去除的復合加工。WEI等[11]結(jié)合活性磨粒(與工件表面接觸)和非活性磨粒建立一種材料去除模型，這個模型是根據(jù)流動方向的高度變化來預測材料去除量。但是，這些研究均未指出單向AFM的表面粗糙度改善逐漸減弱的現(xiàn)象，未進一步提出質(zhì)量控制對策。本文將從介觀尺度分析磨料流加工中材料的去除機理，結(jié)合CFD仿真及實驗加工，探究壓力、速度、粘度和長徑比等工藝參數(shù)對單向加工效果的影響與控制，彌補磨料流單向加工上的學術空白。

1 AFM加工機理分析

1.1 單磨粒去除材料的機理分析

在實際加工中選用的磨料粒度通常為200～120目，相應的粒徑為70～125 μm，相對于表面粗糙度Ra2.5及以下數(shù)值要大幾十倍。由此，筆者考慮從介觀尺度分析單個磨粒去除材料的機理,建立圖1所示的工況模型。如圖1所示，與工件表面接觸的磨粒受粘彈性載體的作用承受徑向(法向或橫向)壓力Fp和軸向推力F，對工件產(chǎn)生犁溝式材料去除，同時會產(chǎn)生塑性堆積，如圖2所示。

圖2 工件表面塑性變形

當壓入深度h、堆積厚度λ增大時，阻力Ff增大，這時，軸向推力F不足以驅(qū)動磨粒對工件進行持續(xù)等量的犁溝式的材料去除，且由于磨粒壓入工件一定深度，作用在磨粒上的曳力Fs會產(chǎn)生力矩M，在力矩作用下，磨粒滾動產(chǎn)生滾壓效果，材料去除量下降，如此交替持續(xù)進行。但是，流體磨料在被加工孔道中流動會有壓力損失。當壓力較小或磨粒粒徑較小時，壓入深度h較小，λ很小，犁溝和滾壓作用都較弱，甚至不產(chǎn)生滾壓作用。

1.2 粗糙度改善漸弱現(xiàn)象的成因及控制分析

對于單向加工沿磨料擠壓流動方向表面粗糙度改善逐漸變?nèi)醯默F(xiàn)象，考慮其主要是由沿程壓力損失導致壓入深度減小，進而切削量減少所造成的，如圖3所示。由于磨料流加工表面不僅是切削式的材料去除，還存在擠壓式的塑性變形。較大的壓力會增加材料去除率，從而增加輪廓支撐長度，而且較大的壓力導致更大的塑性變形并增加表面硬度。當加工次數(shù)增加時，輪廓支撐長度增長，硬度增大，這些變化將使材料的去除難度增大。由此，筆者認為：增加加工次數(shù)，會使表面粗糙度改善漸弱的現(xiàn)象有所消減。

圖3 工件表面材料去除量

2 流動仿真分析

為了驗證推論，探究粘度和加工長度對AFM的影響，借助CAE技術進行仿真分析，以便合理設計加工工藝。

2.1 流道建模

以毛細管單向加工工藝為例，定位夾緊原理同文獻[12]，夾具如圖4所示。建立磨料流仿真分析模型，如圖5所示。

1.端蓋 2、3.密封圈 4.導流塊 5.定位引流頭 6.上板 7.下板 8.毛細管

圖5 磨料流仿真分析模型

2.2 非穩(wěn)定流動分析與粘度的選取

入口處的非穩(wěn)定流動會產(chǎn)生入口倒圓、過量切削和入口波紋等現(xiàn)象[4]，這將嚴重影響工件的加工質(zhì)量，通過分析載體流速，在保證降低入口擾動和磨料的通過性的前提下選取較大的粘度。

根據(jù)經(jīng)驗設置機床壓力40 MPa，預設粘度?。?×104、6×104、1×105cP，仿真結(jié)果顯示不穩(wěn)定流動區(qū)段如圖6所示。

(a)2×104cP時的速度云圖

由圖可知，入口處由于夾具引流段的截面變化對料流速度造成擾動，這將嚴重影響入口處的加工效果。對比圖6中3個圖可知：當粘度增大時，入口速度的云圖擾動區(qū)段基本相同，但由于粘度增大時，速度降低，擾動幅度減小。增大粘度可以一定程度上降低速度擾動的幅值。但較大的粘度又會導致磨料不能順利通過毛細管，因此進一步對不同粘度磨料的通過性進行仿真分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 磨料粘度對流動速度的影響

由圖分析可知，粘度與速度的關系接近反比例函數(shù)關系。在前期的毛細管加工實驗中發(fā)現(xiàn)：速度約低于0.02 m/s時，材料去除率下降，加工效果不理想，此時的粘度為2×105cP。雖然增加粘度可以增大磨粒對工件表面的作用力、減小入口非穩(wěn)定流動的波動幅值，但為保證有足夠的加工速度，在制備磨料時應將粘度盡量控制在2×105cP以下。此外，還可以通過優(yōu)化設計夾具的引流段來控制入口擾動。

2.3 AFM極限長度分析

在評估AFM的可行性時，首先考慮孔道的長徑比或縱橫比，但長徑比相同時，徑向尺寸不同，料流速度也不同，導致加工效果不同。本節(jié)將通過取值擬合的方法建立長度L、直徑d與加工速度v的關系。

采用Central Composite Design(簡稱CCD)取值方法，以實際常用的毛細管尺寸(長度L,直徑d)=(80,0.8)中心點，范圍L∈[20,140]，d∈[0.4,1.2]，選取9個仿真實驗點，如圖8所示。用COMSOL軟件進行速度仿真計算，結(jié)果見表1。

圖8 CCD取值

表1 實驗點的仿真結(jié)果

泊肅葉定律是描述不可壓縮的粘性流體在水平圓管中作定常流動的定理，由泊肅葉定律得評估公式：v=AdmLn，再對表1中的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如表2所示(Reduced Chi-Sqr=7.734 93e-5,R-square=0.999 92)。

表2 參數(shù)擬合結(jié)果

當Reduced Chi-Sqr值較小且R-square接近1時，認為擬合效果優(yōu)良。綜上，m≈2，n≈-1，L與d并非線性關系。所以，在工程應用中，為了確保加工效果，可以用L=38.352d2/v來評估AFM能加工的最大長度。

3 實驗與分析

3.1 加工次數(shù)對單雙向加工的影響

制備兩種粘彈性磨料，分別含磨粒150目、W5(1200目)，質(zhì)量分數(shù)均為50%，粘度約1×105cP，密度約1400 kg/m3，對內(nèi)徑d=0.8 mm，L=80 mm，Ra1.326的毛細管進行加工實驗，用Mitutoyo粗糙度儀檢測加工結(jié)果。圖9是加工裝置和加工實況。料缸直徑63 mm，實驗中的活塞行程50 mm，加工一次，相當于經(jīng)過毛細管的磨料流長約為310 m。加工后，通過線切割在出、入口兩端分別剖切一段進行檢測。圖10是加工5次前后的圖像(×40)。實驗加工及檢測結(jié)果列于表3。

一是頂層設計，尋求整合的體制支持。在體制機制的層面，著力解決以下問題：讓制度有保障。目前體制和機制下，文化禮堂、成校歸口不同部門，平時雖有聯(lián)系，有互動，但停留在“接觸性”而非“整合性”的層面，組織化程度不高。雖然，成校校長、教師和村居文化禮堂的管理部門彼此之間也在進行互動和聯(lián)系，但這種接觸性的努力，更多的還是依靠個人人脈、人情。這種非制度性的模式，往往是不可靠和不可持續(xù)的，要發(fā)揮政府“自上而下”的頂層設計與制度保障，以實現(xiàn)資源的整合與統(tǒng)籌管理。

圖9 單向AFM加工實驗

(a)原始表面 (b)加工5次后

表3 150目磨料加工80 mm毛細管結(jié)果

由表可知，在單向加工10次之后，入口段表面粗糙度比出口段減小更多，出口段與入口段的差值ΔRa=0.248 μm，即沿著料流方向，表面粗糙度改善是逐漸變?nèi)醯?。增加加工次?shù)，如單向加工20次，相比單向加工10次，出口段與入口段的表面粗糙度都進一步改善，入口段在后10次加工中粗糙度減小0.485-0.418=0.067 μm，出口段則減小0.733-0.554=0.189 μm，且ΔRa由0.248 μm降到0.136 μm，此結(jié)果驗證了第1.2節(jié)的分析論斷：增加加工次數(shù)，會使表面粗糙度改善漸弱的現(xiàn)象有所消減。

單向加工10次，ΔRa=0.248 μm;雙向各加工5次，ΔRa=0.102 μm。顯然，掉頭加工是可以改善表面質(zhì)量均勻性的。

另一方面，對比單向加工20次與雙向各加工10次的結(jié)果，可見雙向加工后的出入段ΔRa是0.145，比單向加工的0.136大。為探究其原因，筆者對實驗(2)～實驗(4)增加2次W5磨料的加工工序，設計實驗(5)～實驗(7)，以探究實驗(4)雙向各加工10次是否存在過量加工。實驗方式和加工結(jié)果如表4所示。

表4 增加W5磨料的加工工序的效果

對比實驗(5)與實驗(6)的結(jié)果可見：雙向各加工5次后，再進行兩次細磨料拋光，粗糙度仍有較為明顯的下降;但雙向各加工10次后，再用細磨料拋光兩次，其粗糙度反而有所上升，這表明雙向各加工10次已經(jīng)接近或超過了加工上限，存在過量加工。

對比實驗(6)和實驗(7)的結(jié)果可知：單向加工20次沒有達到加工上限。筆者認為，雙向加工效率高，更早達到加工次數(shù)上限，繼續(xù)增加加工次數(shù)將使表面粗糙度不降反增，破壞了早已獲得的光整表面形貌。

3.2 長徑比對單雙向加工的影響

采用150目磨料對d=0.8 mm,L=140 mm的毛細管進行加工，實驗方案及加工結(jié)果見表5。

表5 150目磨料加工140 mm毛細管結(jié)果

實驗結(jié)果表明：當管長達到140 mm時，單向加工10次，出、入段表面粗糙度差ΔRa達到了0.363 μm，零件的表面質(zhì)量不均勻性十分顯著。在實驗過程中，140 mm的加工速度極低。較大的長徑比導致較大的壓力降，使磨料缺乏足夠的剪切應力與滑移速度，從而嚴重影響工件表面的材料去除率。而雙向加工獲得的表面質(zhì)量均勻性好很多，出、入段表面粗糙度相差僅0.020 μm。所以，在對較大長徑比的孔道進行加工時，根據(jù)零件使用性能要求，增加掉頭加工方式是提高表面質(zhì)量均勻性的有效措施，必要時，還可以采取手動往復加工方式。

4 結(jié)論

本文對磨料流加工機理進行分析，對單向加工表面粗糙度改善漸弱現(xiàn)象、入口段可能出現(xiàn)的塑性變形給出了理論分析，提出了一種預估AFM的極限加工長度的方法，通過實驗對比了單、雙向加工的區(qū)別，具體結(jié)論如下：

(1)在加工次數(shù)較少時，雙向加工有較好的加工效率和較弱的粗糙度不均現(xiàn)象。但當加工次數(shù)足夠時，材料去除量減少，此時單向加工也能得到較好的材料去除量和較小的出入口ΔRa。所以，適當增加單向加工的次數(shù)，可一定程度上改善表面質(zhì)量不勻問題。

(2)當管長較長時，粗糙度改善減弱現(xiàn)象十分顯著，此時盡量采取雙向加工方式。若受限于加工方式，必須采用單向加工時，首先應實驗探究其非穩(wěn)定流動長度，適當增加引導段;必要時可以采用拆卸、掉頭的工藝以達到接近雙向加工的效果。

(3)適當減小磨料的壓力或選用小粒徑磨粒，優(yōu)化設計夾具引流段的結(jié)構，可一定程度上改善單向加工表面粗糙度不勻現(xiàn)象。

(4)適當增加單向加工的次數(shù)，可一定程度上改善表面質(zhì)量不勻問題，主要依賴于較高壓力下的表面硬化狀態(tài)。但具體需要增加多少次的加工次數(shù)主要依據(jù)實驗經(jīng)驗判斷。

(5)選用適當次數(shù)的正反向組合雖然工作效率不及往復式加工，但對于不便采用往復式加工的工件是可以有效改善單向加工的表面質(zhì)量不勻的措施。

(6)在工程應用中，為了保證恰當?shù)募庸に俣龋梢圆捎肔=38.352d2/v來預估AFM的極限加工長度。