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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(shí)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(dá)不到技術(shù)要求。目前在使用磨粒流拋光內(nèi)孔時(shí)，通常憑經(jīng)驗(yàn)并借助試驗(yàn)來確定其拋光工藝參數(shù)，而試驗(yàn)需將試件進(jìn)行破壞性剖開檢測(cè)，需進(jìn)行大量試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(duì)影響磨粒流拋光的關(guān)鍵因素，通過試驗(yàn)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)磨粒流的拋光過程建立了一種可預(yù)測(cè)的拋光加工工藝參數(shù)系統(tǒng)模型；Hsinn J.T.等針對(duì)零件放電加工形成的微小切口處進(jìn)行了磨粒流光整加工試驗(yàn)，獲得了一系列微孔道表面光整加工參數(shù)；趙濤等針對(duì)大型汽輪機(jī)噴嘴環(huán)磨粒流拋光的工藝問題，采用信噪比試驗(yàn)得到了工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了理想的磨粒流加工方案；計(jì)時(shí)鳴等針對(duì)軟性磨粒流湍流形態(tài)，建立了針對(duì)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(dòng)力學(xué)模型，通過數(shù)值分析得到了進(jìn)口壓力和進(jìn)出口截面尺寸等工藝加工參數(shù)對(duì)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(duì)內(nèi)孔磨粒流拋光加工過程進(jìn)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(jìn)口壓力對(duì)加工過程的影響規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)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(dòng)狀態(tài)，首先要建立能夠反映實(shí)際的流道，即對(duì)被分析零件進(jìn)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(jiǎn)單，且呈幾何對(duì)稱，故選擇二維有限元模型；流體磨料的粘度較大，當(dāng)在孔道內(nèi)橫向流動(dòng)時(shí)，重力可以忽略不計(jì)，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(gè)節(jié)點(diǎn)的分布原則劃分網(wǎng)格，如圖1所示。磨粒流在加工時(shí)，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(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界和壓力出口邊界來模擬液壓缸擠壓力。將壓力進(jìn)口的取值定為流體磨料工作壓力的大小，壓力出口取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa，其余邊界條件均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(chǎng)，以壓力進(jìn)出口為邊界條件選取進(jìn)口壓力（Poutlet＝1MPa）和出口壓力（Fluent采用絕對(duì)壓力中減去操作壓力得到相對(duì)壓力值，故出口壓力實(shí)際顯示值為0），對(duì)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(jìn)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(biāo)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(shì)。當(dāng)進(jìn)口壓力一定時(shí)，孔道內(nèi)部呈現(xiàn)線性均勻的壓力降為有效的進(jìn)出口壓力差。當(dāng)進(jìn)口壓力為1MPa、孔徑為1.5mm時(shí)，入口處的應(yīng)力集中峰值為1.5×106Pa，有效進(jìn)出口壓力差為9.2×105Pa。為了分析進(jìn)口壓力一定時(shí)，有效進(jìn)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(jìn)出口壓力差，可得入口處壓力集中峰值和有效進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)出口的有效壓力差減小，對(duì)應(yīng)的孔道表面的加工質(zhì)量下降，因此，增大進(jìn)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(jìn)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(jìn)出口壓力差與孔徑變化間的比例，得到孔徑與進(jìn)口壓力之間需保持的比例k=0.04267。
(2)一定進(jìn)口壓力下不同孔深的模擬與分析
設(shè)定穩(wěn)定流場(chǎng)仍以進(jìn)出口壓力為邊界條件，選取1MPa為進(jìn)口壓力，出口壓力仍選為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，對(duì)相同孔徑（D＝6mm）不同孔深（l1＝9mm，l2＝16mm，l3＝25mm，l4＝45mm）的四組模型進(jìn)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(jìn)出口有效壓力差，可以得到入口壓力集中峰值和進(jìn)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(jìn)口壓力間需保持的比例k2=-0.01667，即在知道某一孔深最佳進(jìn)口壓力后，就可推算出任意孔深最佳的進(jìn)口壓力值。
(3)不同進(jìn)口壓力下固定圓孔通道的模擬和分析
設(shè)定穩(wěn)定流場(chǎng)，保持出口壓力恒定（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Poutlet=101305Pa），分別選取1MPa、3MPa、5MPa、7MPa為進(jìn)口壓力，對(duì)孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道模型進(jìn)行模擬分析，可得流體磨料在固定圓孔通道內(nèi)沿其流動(dòng)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(jìn)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(shí)，因進(jìn)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(jìn)口壓力的差值ΔP與進(jìn)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(jìn)口壓力的增加，入口處的應(yīng)力集中程度呈逐漸變小趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)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(shì)變緩。由此可得，繼續(xù)增大進(jìn)口壓力并不能持續(xù)改善表面加工質(zhì)量，反而會(huì)破壞小孔的加工精度。由圖可得計(jì)算模型：孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道理想的進(jìn)口壓力應(yīng)為3MPa以上。故暫以3MPa為進(jìn)口壓力，并結(jié)合上文得到的孔徑與孔深和進(jìn)口壓力間的比例關(guān)系k=0.04267、k2=-0.01667，可得到進(jìn)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(yàn)與分析
試驗(yàn)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(duì)象是該工件上6mm×12mm直孔，如圖7所示。磨粒流設(shè)備為美國(guó)AFM系列Easy Flow 150磨粒流擠壓珩磨機(jī)，檢測(cè)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(jìn)行精鉸，磨粒流拋光加工后，用內(nèi)徑千分表測(cè)量各孔的孔徑值，再用電火花線切割機(jī)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(cè)量其表面粗糙度。
試驗(yàn)參數(shù)：最大流速為根據(jù)模擬得出的最佳進(jìn)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(shí)間分別為10min、20min、30min和40min，共進(jìn)行16組試驗(yàn)。
為分析工作壓力對(duì)小孔磨粒流拋光后表面粗糙度的影響，取試驗(yàn)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(cè)量均值試驗(yàn)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(shì)，而后變大，在工作壓力為3MPa時(shí)達(dá)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(duì)拋光質(zhì)量提升影響越來越小，甚至過了臨界值后，壓力對(duì)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(dá)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(shí)間是指加工所用總時(shí)間，取試驗(yàn)件加工時(shí)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(yàn)件孔道的試驗(yàn)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(shí)間越長(zhǎng)，孔表面粗糙度越小。但加工20min以后變化并不明顯，加工40min時(shí)雖然粗糙度較好，但通過對(duì)孔徑的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)孔徑變大導(dǎo)致尺寸超差。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)效率最佳的拋光加工時(shí)長(zhǎng)應(yīng)在25min左右。
結(jié)合數(shù)值模擬得出的進(jìn)口壓力隨孔徑、孔深的變化規(guī)律，可得到針對(duì)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(jìn)口壓力為
經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間約為20min。
小結(jié)
通過數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)磨粒流拋光不銹鋼孔的加工工藝參數(shù)進(jìn)行研究，可得以下結(jié)論：
（1）對(duì)于不銹鋼孔類的磨粒流拋光，孔徑與進(jìn)口壓力之間需保持比例k1=0.04267，孔深與進(jìn)口壓力間需保持比例k2=-0.01667。通過試驗(yàn)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(jìn)口壓力并不能一直改善表面加工質(zhì)量，反而會(huì)破壞孔加工精度。
（3）磨粒流拋光加工時(shí)間越長(zhǎng)，孔表面粗糙度越小，但時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)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(shí)長(zhǎng)應(yīng)在25min左右為佳。