磨粒流加工过程材料切除及表面粗糙度分析

董家广，张斌，尹国华，郭巨寿（.中北大学机械与动力工程学院，太原03005；.北方通用动力集团有限公司，大同037036）

磨粒流加工过程材料切除及表面粗糙度分析

董家广1，张斌1，尹国华2，郭巨寿2
（1.中北大学机械与动力工程学院，太原030051；2.北方通用动力集团有限公司，大同037036）

磨粒流挤磨加工是一种以不改变零件材料物理特性为前提，以获得极限的表面粗糙度和表面完整性为目标的新型、高效、精密加工方法，对于该方法加工效率及加工质量的评价尚无很好的理论依据。针对孔的磨粒流挤磨加工进行研究，建立了加工过程材料的切除模型和表面粗糙度分析模型，并与文献中的试验数据进行对比，发现二者在趋势上很相符。论文为磨粒流挤磨加工的评价方法提供了一定的理论依据。

磨粒流加工材料切除表面粗糙度

1　　引言

磨粒流加工技术是一种用于去毛刺、倒角、抛光，对再铸层进行切除的非传统、高效、精密加工方法。该加工方法最先应用于航空零件的精密加工，由于其加工效率及加工质量的优越性，得到了广泛的关注，并成功应用于纺织机械加工、模具制造、汽车零配件加工、齿轮加工等行业［1］，并取得了满意的加工效果，创造了很好的效益。近些年，学者们对磨粒流挤磨加工方法的研究方兴未艾，J.Kenda等人对磨粒流加工方法进行了研究，将其运用于塑料齿轮的加工，并通过试验获得了工艺参数［2］。Robert E.Williams等学者使用磨粒流加工方法对异型管道等进行了加工，通过大量的试验验证了该加工方法的优越性，并优选了工艺参数［3］。太原理工研究团队对磨粒流加工的理论进行了系统的研究，该团队配制流体磨料和机床用于多种零件的挤磨加工，具有优良的特性［4-5］；V.K.Jain等学者介绍了磨料辅助精密加工方法的研究进展和磨粒流加工工

来稿日期：2015-08-25

磨粒流加工技术虽然经过了数十年的研究发展，但相关理论仍不成熟，加工工艺参数的获取对于实验的依赖性还很强，磨粒流加工工艺参数的优化依然困难，并且依据不足。鉴于此，本文试图通过建立合适的数学模型，分析磨粒流加工过程中材料的切除机理和表面粗糙度的改善情况，为磨粒流加工的表面质量好坏及工艺参数的选择提供一定的理论依据。

2　　磨粒流加工机理

进行磨粒流加工时，工件通过夹具固定在上下两个磨料缸之间，具有流动性的黏弹性流体磨料在一定的压力挤压作用下，以一定流速被迫往复地流过油道孔壁面，壁面在磨粒的微量切削作用下而被抛光，在抛光过程中产生的金属屑则包容在载体中排走，如图1所示。该方法可以加工传统方法难以加工到的复杂的结构性表面，可以同时对多个零件或表面进行加工，加工的表面完整性好，加工效率高，并且该加工方法对材料的适应性很强，可以加工金属、陶瓷、塑料等材料［1，6，9］。

图1　　磨粒流加工过程简图

磨粒流加工属于柔性、微量、精密加工，加工所用的流体磨料由高黏度的载体和磨粒均匀混合而成，加工过程中流体磨料会发生变形。影响流体磨料加工性能的因素很多，如磨料黏度、浓度、挤磨压力等。为了分析这些因素和其他加工条件对材料切除和表面粗糙度的影响，下面将对该加工方法的材料去除机理和表面粗糙度进行研究。

3　　材料切除分析

3.1材料切除机理

磨粒流加工过程中，均匀分布的磨粒与工件表面产生滑擦而对工件材料进行微量切削。磨粒流加工过程中材料的切除方式有以下几种：

（1）磨粒切入工件的深度极小，与工件表面产生划擦而产生一条划痕，材料发生弹性变形而不被切除，称此过程为划擦。

（2）磨粒切入工件表面的深度到达一定值时，工件表面的弹性变形过渡到塑性变形，挤压摩擦剧烈，磨粒在工件表面刻划出沟痕，沟痕两侧的金属由于塑性滑移而隆起凸出，称此过程为微耕犁。在这种过程中，材料被反复地挤出，有可能因为低循环疲劳而被切除。

（3）当切痕深度继续增大到一定值时，磨粒从工件表面切除微量材料，产生切屑，称此过程为微切削。

对于不同的工件材料，这三种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为主，脆性材料主要以微切削为主。

3.2材料切除模型

根据金属切削理论，在进行磨粒流加工时，磨粒要受到正压力和轴向力的作用以克服吃刀抗力和进给抗力，如图2所示。磨粒所受的正压力Fng将磨粒压入工件内，轴向力F使磨粒水平移动从而将材料去除。在进行建模时，假设：（1）磨粒都为球形，且半径相等；（2）磨粒所受的载荷都与平均载荷相等；（3）磨粒的切削深度都不变且相等，加工过程中始终对材料进行切除；（4）磨粒在工件表面留下的切痕与磨粒的外形一致，被切除的材料体积等于切出的凹槽体积。

图2　　材料去除简图

以磨料磨损经典模型为理论指导，建立材料切除的相关模型。加工过程中如果磨粒不发生滚动，法向力Fng可表示为

其中，σn为磨粒所受的正应力，dg为磨粒直径，M为磨粒目数。

若工件材料的硬度为Hw，Δs'为切痕横截面积，b为切痕在工件表面的投影直径，根据图2可以计算出Fng

加工后切削凹槽的横截面积S为

若加工过程中磨粒对工件材料的有效切除长度为Li，根据图3可知，加工过程中单个磨粒切除的材料体积Vg为

图3　　表面轮廓变化

单个磨粒第i个切削行程一次切除的材料体积Vs为

n个加工循环结束后，切除的材料总体积V及总重量Wm分别为

4　表面粗糙度分析

在实际加工过程中，只有与工件表面接触的磨粒才可能参加切削。假设同时对工件单位面积A'进行切削的磨粒数为N，则每一个加工行程内作用于A'的有效加工磨粒数Nt为

其中，ls为行程长度，vp和vf分别为磨料缸内和工件表面流体磨料的流速。

根据质量守恒定律可得

经过机械加工后的表面，其峰-谷粗糙度与算数平均粗糙度的比值η存在一个范围。对于研磨的表面，η值大约为5；对于珩磨表面，η值大约为10［10］。本文磨粒流挤磨加工取η=8。第i个加工行程后，切除材料的体积Vi为

因此，加工完成后表面粗糙度为

对于给定的磨料，加工完成后表面粗糙度的数值存在一个极限值Rcr，超过该临界值后表面粗糙度不再会改善。

5　结果分析与探讨

根据以上推导可知，影响磨粒流加工材料去除率和表面粗糙度的因素很多，主要分以下三类：（1）工件属性，包括工件初始表面粗糙度、材料硬度和工件结构等；（2）流体磨料参数，包括磨料浓度、磨料黏度、磨粒粒度、形状及其材料硬度等；（3）加工条件，包括挤磨压力、加工温度、夹具形状等。

下面主要分析磨料浓度、挤磨压力、磨粒所受正压力及磨粒粒径（目数）与工件材料切除量和表面粗糙度之间的关系。由于条件限制，未能进行相关的试验验证，因此将理论推导结果与文献［8］中的试验数据进行比较。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。

图4给出了加工压力与材料切除量的关系。从中可知，材料切除量随正压力增大而增加。因为正压力增加会使切痕深度增大，流体磨料的流速和壁面滑移速度增大，即切削位移增大；其次，速度增大会增加单位时间内对材料进行切除的磨粒数目。但是，在实际加工过程中，材料去除量不会一直增加。

图4　　正压力与材料切除量的理论关系

图5为磨粒粒径对材料切除量的影响关系的理论值和试验结果。可以看出，材料切除量随磨粒目数增加（粒径减小）而减小，理论数值和试验结果相近。磨粒目数越大，粒径越小，磨粒受力越小，切削时产生的切槽横截面积和切痕深度越小，所以切除的材料也少。造成二者差异的原因可能是推导过程中的简化条件不够合理。

图5　　磨粒目数与材料切除量的关系

图6表示表面粗糙度随挤磨压力的变化关系。随着挤磨压力增大，表面粗糙度减小，最后不再改变。根据前文推导，挤磨压力越大，流体磨料的流速增加，磨粒所受的正压力越大。因此，对材料的切除效率增加，加工表面的均匀性也越好。但对于某一确定的磨料，其加工完成后所能达到的表面粗糙度存在一个极限值。

图7表示磨粒目数与表面粗糙度的关系。从图中可看出，磨粒目数越大，表面粗糙度的改变量就越大，越有利于抛光。这一趋势在理论分析中体现得更明显，在试验结果中变化比较平缓。因此，针对不同的加工质量要求，应该选择不同粒度的磨粒。

图6　　压力与粗糙度的关系

图7　　磨粒目数与粗糙度改变量的关系

6　　结论

（1）建立了磨粒流加工材料去除量计算模型和表面粗糙度分析模型。分析结果表明，材料切除量和表面粗糙度改善情况与加工条件、流体磨料参数和工件参数有关。

（2）材料切除量随挤磨压力增加而增大，与磨粒目数的关系却成反比；加工循环次数一定的情况下，表面粗糙度随着挤磨压力和磨粒目数的增加而得到改善。

（3）每一种磨料在合适的加工条件下，加工后的表面存在一个最佳的表面粗糙度值。因此，在选择磨料和其他工艺参数时，应根据表面加工要求进行选择。

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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

董家广（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为发动机设计与制造技术。艺参数优选的方法［6-8］。