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不銹鋼孔磨粒流拋光技術(shù)—磨粒流拋光質(zhì)量影響因素剖析
磨粒流拋光主要用于各種結(jié)構(gòu)化型腔及流道孔系的精加工，其工作原理是通過一種載有磨粒的黏彈體軟性磨料介質(zhì)，在擠壓力作用下往復(fù)流經(jīng)被加工表面而實現(xiàn)光整加工。磨粒流拋光質(zhì)量主要取決于其工藝參數(shù)的選取，若參數(shù)選取不合理，則拋光質(zhì)量通常達不到技術(shù)要求。目前在使用磨粒流拋光內(nèi)孔時，通常憑經(jīng)驗并借助試驗來確定其拋光工藝參數(shù)，而試驗需將試件進行破壞性剖開檢測，需進行大量試驗來確定其工藝參數(shù)，成本較高，從而影響了磨粒流加工在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。
磨粒流拋光質(zhì)量受磨粒、工作壓力、流速、拋光時間等多種因素綜合影響，導(dǎo)致磨粒流拋光工藝參數(shù)很難確定。Petri K.L.等針對影響磨粒流拋光的關(guān)鍵因素，通過試驗運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對磨粒流的拋光過程建立了一種可預(yù)測的拋光加工工藝參數(shù)系統(tǒng)模型；Hsinn J.T.等針對零件放電加工形成的微小切口處進行了磨粒流光整加工試驗，獲得了一系列微孔道表面光整加工參數(shù)；趙濤等針對大型汽輪機噴嘴環(huán)磨粒流拋光的工藝問題，采用信噪比試驗得到了工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響關(guān)系；李俊燁等利用數(shù)值分析軟件Fluent對共軌管零件微小孔結(jié)構(gòu)和磨粒流拋光的加工狀態(tài)進行了數(shù)值模擬，得到了理想的磨粒流加工方案；計時鳴等針對軟性磨粒流湍流形態(tài)，建立了針對結(jié)構(gòu)化表面磨粒流拋光約束流道內(nèi)固液兩相流的流體磨料動力學(xué)模型，通過數(shù)值分析得到了進口壓力和進出口截面尺寸等工藝加工參數(shù)對流道內(nèi)軟性磨粒流的湍流形態(tài)的影響規(guī)律。
本文采用流體仿真軟件對內(nèi)孔磨粒流拋光加工過程進行數(shù)值模擬，通過分析流體磨料在孔道內(nèi)加工過程中的壓力、流速等特性，得出進口壓力對加工過程的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗確定不同孔徑和孔深的磨粒流拋光加工參數(shù)。
1 磨粒流拋光有限元模型
用數(shù)值模擬磨粒流拋光過程中孔的流動狀態(tài)，首先要建立能夠反映實際的流道，即對被分析零件進行模型的創(chuàng)建和網(wǎng)格的劃分。由于直孔通道的幾何形狀簡單，且呈幾何對稱，故選擇二維有限元模型；流體磨料的粘度較大，當在孔道內(nèi)橫向流動時，重力可以忽略不計，為此采用四邊形單元建立有序且規(guī)則的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，本文采用1mm分布10個節(jié)點的分布原則劃分網(wǎng)格，如圖1所示。磨粒流在加工時，流體磨料依靠上下液壓缸的擠壓作用，從磨料缸的一端通過工件內(nèi)的流道流向磨料缸的另一端，因此，分別將進出口邊界條件設(shè)置為壓力進口邊界和壓力出口邊界來模擬液壓缸擠壓力。將壓力進口的取值定為流體磨料工作壓力的大小，壓力出口取標準大氣壓101325Pa，其余邊界條件均設(shè)置為標準無滑移壁面，內(nèi)部單元區(qū)域定為流體。模擬過程中涉及的材料及物性參數(shù)取值見表1。
2 磨粒流拋光加工過程的模擬與分析
(1)一定進口壓力下不同孔徑的模擬與分析
基于上述模型設(shè)定穩(wěn)定的流場，以壓力進出口為邊界條件選取進口壓力（Poutlet＝1MPa）和出口壓力（Fluent采用絕對壓力中減去操作壓力得到相對壓力值，故出口壓力實際顯示值為0），對相同孔深（l1＝9mm）、不同孔徑（d1＝1.5mm、d2＝4mm、d3＝6mm、d4＝9mm）的4組模型進行模擬分析，得到流體磨料在圓孔通道內(nèi)的壓力分布云圖，見圖2。
壓力降的大小是考量磨粒流加工質(zhì)量好壞的重要指標之一。由圖2可見，磨粒流在加工過程中，流道內(nèi)部的壓力降總體來說呈線性遞減趨勢。當進口壓力一定時，孔道內(nèi)部呈現(xiàn)線性均勻的壓力降為有效的進出口壓力差。當進口壓力為1MPa、孔徑為1.5mm時，入口處的應(yīng)力集中峰值為1.5×106Pa，有效進出口壓力差為9.2×105Pa。為了分析進口壓力一定時，有效進出口壓力差隨孔徑變化情況，從其余三組模擬結(jié)果中摘出壓力集中峰值和有效進出口壓力差，可得入口處壓力集中峰值和有效進出口壓力差隨孔徑變化規(guī)律曲線見圖3。
圖3 入口處壓力集中峰值和有效進出口壓力差
隨孔徑變化規(guī)律曲線由圖3可見，孔道內(nèi)的進出口有效壓力差隨孔徑的增大逐漸減小。隨著孔徑的增大，孔道內(nèi)進出口的有效壓力差減小，對應(yīng)的孔道表面的加工質(zhì)量下降，因此，增大進口壓力可使孔道內(nèi)的有效壓力差增大。根據(jù)圖中有效進出口壓力差隨孔徑減小的曲線關(guān)系可以擬合出其斜率k=-0.04267，因此，根據(jù)孔內(nèi)有效進出口壓力差與孔徑變化間的比例，得到孔徑與進口壓力之間需保持的比例k=0.04267。
(2)一定進口壓力下不同孔深的模擬與分析
設(shè)定穩(wěn)定流場仍以進出口壓力為邊界條件，選取1MPa為進口壓力，出口壓力仍選為標準大氣壓，對相同孔徑（D＝6mm）不同孔深（l1＝9mm，l2＝16mm，l3＝25mm，l4＝45mm）的四組模型進行模擬，同樣可得到相應(yīng)的流體磨料在圓孔通道內(nèi)壓力分布云圖和壁面壓力，見圖4。
從中摘出不同孔深的壓力集中峰值和進出口有效壓力差，可以得到入口壓力集中峰值和進出口有效壓力差隨孔深變化的規(guī)律曲線（見圖5），線性化后可得到孔深與進口壓力間需保持的比例k2=-0.01667，即在知道某一孔深最佳進口壓力后，就可推算出任意孔深最佳的進口壓力值。
(3)不同進口壓力下固定圓孔通道的模擬和分析
設(shè)定穩(wěn)定流場，保持出口壓力恒定（標準大氣壓Poutlet=101305Pa），分別選取1MPa、3MPa、5MPa、7MPa為進口壓力，對孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道模型進行模擬分析，可得流體磨料在固定圓孔通道內(nèi)沿其流動方向的壁面壓力曲線，同樣通過4組數(shù)據(jù)結(jié)果可得到入口處應(yīng)力集中程度隨進口壓力的變化規(guī)律曲線(見圖6）。
在分析入口處應(yīng)力集中程度時，因進口壓力取值變化，所使用的參照數(shù)據(jù)不再是單純的入口處壓力集中的峰值，而是該峰值和進口壓力的差值ΔP與進口壓力Pinlet的比值，因此可以更客觀地展現(xiàn)入口處應(yīng)力集中程度。由圖6可見，隨著進口壓力的增加，入口處的應(yīng)力集中程度呈逐漸變小趨勢，當進口壓力增加到一定程度，入口處應(yīng)力集中程度的變化趨勢變緩。由此可得，繼續(xù)增大進口壓力并不能持續(xù)改善表面加工質(zhì)量，反而會破壞小孔的加工精度。由圖可得計算模型：孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道理想的進口壓力應(yīng)為3MPa以上。故暫以3MPa為進口壓力，并結(jié)合上文得到的孔徑與孔深和進口壓力間的比例關(guān)系k=0.04267、k2=-0.01667，可得到進口壓力隨孔徑和孔深變化關(guān)系式為
y1min=0.04267x1+2.74398 (1)
y2min=-0.01667x2+3.20004 (2)
3 磨粒流拋光試驗與分析
試驗試件取某企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量流量控制器底座，該工件整體材質(zhì)為316L不銹鋼，外形尺寸74mm×28mm×28mm。拋光對象是該工件上6mm×12mm直孔，如圖7所示。磨粒流設(shè)備為美國AFM系列Easy Flow 150磨粒流擠壓珩磨機，檢測儀器為S2粗糙度儀和SZX-10體視顯微鏡及內(nèi)徑千分尺。
在立式加工中心用φ5.9mm的鉆頭鉆孔后，用φ6mm的鉸刀進行精鉸，磨粒流拋光加工后，用內(nèi)徑千分表測量各孔的孔徑值，再用電火花線切割機將工件整體沿中軸面橫截剖開，采用體視顯微鏡觀察孔道表面形貌（見圖8），并使用粗糙度儀測量其表面粗糙度。
試驗參數(shù)：最大流速為根據(jù)模擬得出的最佳進口壓力下圓孔通道內(nèi)的v=700mm/s；磨料為粒度W20的碳化硅，粘度中軟，磨粒百分比50%。根據(jù)磨粒流拋光加工參數(shù)確定取值梯度，工作壓力分別取為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa，加工時間分別為10min、20min、30min和40min，共進行16組試驗。
為分析工作壓力對小孔磨粒流拋光后表面粗糙度的影響，取試驗工件工作壓力相同的1-4組、5-8組、9-12組、13-16組中的各試件孔道中間部位的三次測量均值試驗數(shù)據(jù)，見表2。
磨粒流拋光后孔的表面粗糙度隨工作壓力的增加先有變小的趨勢，而后變大，在工作壓力為3MPa時達到了工件所要求的表面粗糙度Ra0.1以下。但持續(xù)增大工作壓力，對拋光質(zhì)量提升影響越來越小，甚至過了臨界值后，壓力對拋光質(zhì)量的影響開始呈現(xiàn)相反的作用。隨著壓力的持續(xù)增加，拋光質(zhì)量不能達到工件加工所要求的表面粗糙度，這與數(shù)值仿真模擬所求出的結(jié)果與分析相吻合。
磨粒流拋光加工時間是指加工所用總時間，取試驗件加工時間分別為10min、20min、30min和40min的1、5、9、13組，2、6、10、14組，3、7、11、15組和4、8、12、16組的各試驗件孔道的試驗數(shù)據(jù)，其Ra最小值分別為0.248μm、0.096μm、0.089μm、0.081μm，可見磨粒流拋光加工時間越長，孔表面粗糙度越小。但加工20min以后變化并不明顯，加工40min時雖然粗糙度較好，但通過對孔徑的測量，發(fā)現(xiàn)孔徑變大導(dǎo)致尺寸超差。經(jīng)試驗驗證，生產(chǎn)效率最佳的拋光加工時長應(yīng)在25min左右。
結(jié)合數(shù)值模擬得出的進口壓力隨孔徑、孔深的變化規(guī)律，可得到針對該產(chǎn)品不同孔徑孔深的磨粒流拋光工藝參數(shù)的確定，設(shè)某待加工孔道孔徑為d，孔深為l，則由式(1)和式(2)可得該孔道的進口壓力為
經(jīng)試驗驗證，數(shù)值模擬結(jié)論正確，得出直徑φ6mm、孔深12mm的直孔磨粒流拋光最佳工作壓力為3MPa，最佳的磨粒流拋光加工總時間約為20min。
小結(jié)
通過數(shù)值模擬分析與試驗相結(jié)合的方法，對磨粒流拋光不銹鋼孔的加工工藝參數(shù)進行研究，可得以下結(jié)論：
（1）對于不銹鋼孔類的磨粒流拋光，孔徑與進口壓力之間需保持比例k1=0.04267，孔深與進口壓力間需保持比例k2=-0.01667。通過試驗得到某一具體孔深孔徑后，便可通過k1、k2的比例關(guān)系得到具體的優(yōu)選工藝參數(shù)。
（2）持續(xù)增大進口壓力并不能一直改善表面加工質(zhì)量，反而會破壞孔加工精度。
（3）磨粒流拋光加工時間越長，孔表面粗糙度越小，但時間過長會使孔徑變大而導(dǎo)致尺寸超差，考慮生產(chǎn)效率的拋光加工時長應(yīng)在25min左右為佳。