挤压磨粒流加工的工艺研究及分析

孙晓飞 胡守琦 蒋立坤 姜珊 吴建华

摘要：挤压磨粒流加工属于能够应用于多个行业大精密精加工技术，能够实现内表面平滑与抛光，并对流动系数进行优化，提升零件高低周疲劳强度。合理分析挤压磨粒流加工工艺及其应用，对于制造加工等行业具有重要意义。

关键词：挤压磨粒流加工;工艺;研究

中图分类号：TG669                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0102-03

0  引言

挤压磨粒流加工属于新型机械加工方法，利用磨料介质压力流加工表面，达到除飞边、去毛刺和磨圆角加工的效果，使工件的表面粗糙度和波纹度得到改善，达到精密加工光洁度。挤压磨粒流加工能够在不同类型和尺寸的零件中应用，能够使加工质量和效率均得到显著提升。

1  挤压磨粒流加工工艺发展及特征

1.1 工艺发展

挤压磨粒流加工工艺最早是美国公司于1966年到1968年期间研发并应用于生产当中的。我国也逐渐引入并应用挤压磨粒流加工工藝方法，初期是直接引进外国设备应用此工艺，后来逐渐出现国产设备，该工艺在我国的应用逐渐强化[1]。我国的很多刊物当中，将挤压磨粒流加工工艺称为挤压珩磨或是挤压研磨，还有研究称为磨粒流加工，这三种称呼无法从本质上反应出此工艺方法。从工艺原理来看，不是研也不是珩，但具备研、磨、珩以及锉相似的功能特征，因此准确命名应当是挤压磨粒流加工。

挤压磨粒流加工工艺生成和应用的作用，是代替传统的手工抛光，在低压设备制造企业具有较为广泛的应用范围。随着工艺技术的发展进步，其应用目的发生了较大的变化，挤压压力达到6MPa的条件下，工艺技术能够实现高效去除材料的目的，不再局限于光整加工领域[2]。更多地赋予挤压磨粒流加工工艺光精加工的含义，对于工艺开发和应用具有积极意义。工艺技术的操作过程是较为简单的，主要包含三个方面的内容，即机床、夹具和磨料，通过机床液压方法实现对磨料流动的控制，夹具保证加工零件的固定性，同时对磨料流动产生限制及引导作用，而磨料是磨粒、载体及增塑剂、润滑剂混合形成的，粘弹性半固态流动性物体，依据磨料配置的差异，采取匹配的挤压压力，改变其流变特征，进而明确被加工表面的尺寸精度、材料去除度和表面粗糙度等参数。

1.2 工艺特征及优势

挤压磨粒流加工工艺最为显著的特征，是应用强制流的加工原理，能够保证不依靠传统精密机械运动方式，获得被加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和材料去除，依靠强迫流成分及流度特征决定。

粘弹性强制流作用机理，使得磨粒流在复杂型腔中仍旧能够保证充满，并且被加工表面的受力较为均匀[3]。该工艺使用中，磨料作用于被加工表面时是弹性状态，采用细粒度的磨料，能够实现对材料的微量切除。在生产加工过程中，被加工表面整体始终受到磨料作用，并且加工使用的设备和机构运动较为简单，重复误差相对较小。因此，当保证加工设备高精度控制及可靠性的情况下，挤压磨粒流加工能够保证很大的工艺灵活性，形成特有的优势。挤压磨粒流加工的显著优势之一，是能够获得较高表面粗糙度，以及接近于磨削的较大材料去除量。同时，在应用流变特性及夹具设计应用效果的保证下，比较容易获得精密尺寸公差。挤压磨粒流加工工艺的应用，具有较高的生产效率，在公差条件相同的情况下，传统手工加工几个小时工作量能够缩减为几分钟[4]。另外，生产加工中使用挤压磨粒流工艺，能够保证加工零件形成的灵活不受限制，将其应用于内表面加工当中，不仅操作较为简单便捷，还具有较为突出的经济优势，在外表面加工中的难度相对较大，但保证夹具设计合理有效的情况下，也能够对任何型面进行加工。挤压磨粒流加工中，除去机床规格的限制，被加工零件的尺寸不会受到限制，小至0.12mm的孔，大至1.19m的盘形件均能够被加工。采用挤压磨粒流加工工艺时，能够针对磨料进行差异性配置，并选择不同的压力参数，保证实际生产中的多种差异性需求。从加工零件材料的种类方面来看，挤压磨粒流加工工艺适合我的材料范围较为广泛，包含钢类、铜类、铅合金、硬质合金以及聚合物及陶瓷等。挤压磨粒流加工工艺还属于较为理想的去除加工变形层工艺方法，能够实现过去仅能够通过手工抛光实现的工序，同时加工中使用的设备较为简单，操作便捷，自动化程度较高，工作的环境相对好。

2  挤压磨粒流加工工艺应用效果

2.1 提高表面粗糙度

滑阀微细孔径（？准0.185、？准0.12尺寸公差为0～0.003mm）机械加工后，表面粗糙度只能达到Ra0.8，磨粒流挤压加工采用以下试验条件：上下液压缸推力19t，循环时间23s，循环次数60次。抛光前后轴流叶轮内14个坐标点的叶型璧厚差，壁厚减薄0.01～0.015mm，基本均匀，仅有个别点在抛光前或后出现位置误差。根据挤压压力和循环次数，可以有效地控制去除率。试验结果表明：滑阀微孔粗糙度由Ra0.9提高到Ra0.3，经磨粒流挤压加工的零件表面粗糙度Ra0.5达到工艺要求。实验证明，滑阀微孔磨粒流挤压工艺方法，可以提高1～2个粗糙度精度等级，提高效率30～40倍。实验结果证实，挤压磨粒流加工工艺具备十分突出的加工效率和质量。

使用挤压磨粒流加工工艺提高表面粗糙度，具有较为显著的特征。

第一，相较于一般工艺方法，挤压磨粒流加工工艺并无恒定范围，是依据加工之前的原有粗糙度值相对提高，提高等级一般是2-3级，个别情况下可以提高4级。这就使得挤压磨粒流加工工艺具备更好的适应性，可以应用于更加广泛的范围中，加工效果更加突出，加工重点是合理选取加工参数。

第二，由于不存在恒定范围，挤压磨粒流加工工艺能够实现多次分阶段降低表面粗糙度，保证其他条件固定，调整挤压压力及磨料，就能够实现粗糙度分阶段提高。

第三，分析工艺技术加工原理，尚不能够确定挤压磨粒流加工能够得到的最小粗糙度值，综合技术水平下能够获得▽12成果，磨粒最小的粒度可能是其间接限度。为保证获得更加显著的表面粗糙度提升效果，可以选取低压力、软载体、细磨粒或是C等软磨粒，在此指导原则下设置参数，能够使加工激励更加接近超精液体动力研抛。

第四，实验结果证实，同一组加工参数可以获得的表面粗糙度值是固定的，即使进行多次循环加工，仍旧无法使粗糙度值进一步提升，初始的1-3次循环中获得最佳效果，在第10循环之后粗糙度出现提升，之后达到一定值后稳定不变。

第五，表面粗糙度和各项工艺参数具有密切关系，低压条件加工获得最为光滑的表面，高压条件下效果相对较差。

2.2 材料去除量及公差

挤压磨粒流加工初期在光整加工中应用较多，起到提升表面粗糙度的效果，选取低压与低粘度参数。材料去除量较小，通常是5μm，经过实践证实，对于材料原有尺寸及形状精度不会产生影响。当在硬质合金模具电火花加工后，进行挤压磨粒流加工时，获得的表面粗糙度为0.1μm，材料去除厚度是0.05mm，材料形状和平行度变化在0.0025mm之内。还有研究实验发现，当直径扩大量是0.18mm时，挤压磨粒流加工也不会导致显著的几何形状歪曲。证实了材料去除量微小的情况下，挤压磨粒流加工能够获得的高尺寸精度。

从挤压磨粒流工艺的流变特征分析，不仅能夠在光整加工中有效应用，挤压压力的不断提升，能够使磨料速度显著提升，介质粘度增加，随着循环次数、磨粒与介质比例的变化，材料去除量也会受到较大影响。在此基础上，挤压磨粒流加工工艺能够发展为光精加工方法，在特定情况下代替磨削。

第一，影响材料去除量。挤压加工工艺技术中，对材料去除量产生的因素是较为多样的，包含压力、加工时间等。粘度越大，相应的材料去除量也越大，研究实验发现，在60**Sic磨粒含量、压力值2.9Mpa的条件下，粘度变化会导致几十倍的材料去除量差异，甚至出现100倍差异的情况。磨粒的材质对于材料去除量也会产生影响，最佳材质是B4C，其次是Al2O3和SiC，与表面粗糙度影响正相反。磨料的工作温度也会影响材料去除量，温度升高会导致基体介质粘度降低，材料去除量随之降低，因此，加工中的介质温度不宜过高，需要合理设置磨料降温装置。同样地，材料去除量并不是始终随循环的增加而提升的，初始阶段去除量会显著增长，这是会受到表面粗糙度的影响，之后就会逐渐提升，到10次之后基本上无变化。

第二，尺寸与形状精度。为保证挤压磨粒流工艺的高精度，需要稳定地控制材料去除量。首先是保证较高的设备精度，维持精确稳定的机构运动能与液压压力。其次是针对性地优化相关参数。为保证不规则形状零件均匀地去除材料，需要精确设计磨粒流通道，合理调控压力及流速差异。

第三，孔口处圆角。强制流作用原理对于流线场会产生一定的影响，流线无法实现急剧转折，特别是在磨料粘度较低的条件下。因此，流线方向发生变化的部位，需要圆滑过渡，从而在孔口棱边形成圆角。不同的零件具有差异性需求，有的需要圆角，有的需要锐边，针对圆角半径变化进行分析。加工循环的不断增加，圆角半径随之增大，在1-8循环中，两者变化基本上属于直线关系。循环数达到一定程度后，圆角半径基本固定，继续加工不会发生变化，只有改变被加工孔径，才能够使圆角半径随之变化。孔径与孔深的增加，使得圆角半径逐渐缩小，大直径孔口会形成局部锐边。孔口圆角半径和磨料介质进入到孔口的状态相关，当遇到锐边孔口后流场收缩，入口介质在内部张力的影响下，形成倒角。圆角半径是由挤压磨粒流工作参数决定的，尤以粘度的影响最为显著。当下，加工获得的圆角半径范围是0.03-1.52mm。选取参数解决圆角半径的难度较大，为保证孔口锐边，可以针对性地进行夹具设计。

2.3 表面机械性能提升

选取9CrWMo材料进行挤压磨粒流加工。

第一，金相组织。挤压磨粒流加工中的挤压力是5.8、7.8和9.8Mpa，选取的磨粒为SiC和B4C，粒度分别是60#与80#。试件的残余奥氏体是0。可以认为残余奥氏体消失受到磨粒切除的影响。奥氏体始终为0，可能是由于挤压磨粒流加工中，挤压形成的塑性变形导致残余奥氏体转化，也可能是挤压磨粒流加工导致被加工表面出现厚度微小的变质层。

第二，显微硬度。忽视挤压磨粒流加工中出现的微小变质层，滑阀挤压磨粒流加工后获得的显微硬度曲线大体一致。挤压压力是9.8Mpa时，材料去除厚度是0.04mm，最后的表面位于原本再回火层。但值得注意的是再回火层的硬度提升，导致原有曲线发生变化，残余奥氏体仍旧是0。

第三，表面残余应力。实验结果数据表明，表面残余应力值大小和挤压压力不存在显著相关性，和加工时间存在相关性。当加工时间不足1min时，残余应力值达到最小，超过2min后，达到最大值，这种相关性较为集中和显著，反应了残余应力形成对于时间存在的一定的需求。

总的来说，挤压磨粒流加工能够取得较为显著的表面去除变质层效果，本身不形成变质层，无组织变形及纤维硬度变化。此结论适用于挤压压力未到3.4MPa的情况，在高压情况下是会发生显著变化的。

3  滑阀挤压磨粒流加工特征分析

滑阀内部微小孔抛光和去毛刺，属于有待解决和完善的一项问题。滑阀进油孔加工质量对其流量系数及油线贯穿度，具有直接影响，进而影响喷油器整体的喷油指标。滑阀硬度较高，泄油交叉孔部位有倒圆角。采用常规的加工方式进行滑阀交叉孔处去毛刺以及倒圆角，存在很大的难度，而挤压磨粒流加工工艺的出现和应用，能够使这一问题得到有效解决。挤压磨粒流加工能够利用载有磨料的粘弹体软性磨料介质，在特定压力系数下，通过往复流过实现光整加工被加工面的目的。将磨粒流当中的磨粒当做是切削工具，利用锋利棱角反复切削工作表面，进而实现加工的效果。挤压磨粒流加工工艺下，磨粒流所经过的部位均被光整，可以实现对难以接触内腔的加工。

3.1 构建仿真模型、设置相关参数

研究设计中，假定颗粒相和介质相间不存在溶解或是结晶等反应，同时颗粒状的固体磨料和介质均接受相同压力作用，假定颗粒状固体磨料和介质满足动量守恒及能量守恒定律，且两者之间互相作用是经由阻力系数实现的。

依据实际加工中的相关数据，针对性地数据模拟进油孔直径是Φ0.18mm滑阀小孔的加工情况。通过FLUENT前处理模块GAMBIT，针对性地创建滑阀零件模型，并划分各个网格的工作。依照挤压磨粒流加工工艺特征，于FLUENT当中选取非耦合的隐式双精度求解器，通过标准k-ε固液两相Mixture湍流模型实现针对性的数值研究分析，将磨粒流介质载体作为主相，碳化硅颗粒作为第二相，设定的体积分数是0.1，边界条件的设定依据的是压力入口及压力出口的边界条件，其与边界是固壁条件，注意分析重力因素所产生的影响。

3.2 仿真结果针对性分析

通过三维数值研究的方式模拟在不同的压力条件下，进行磨粒流加工时滑阀泄油孔的结构情况。针对性的观察分析可以发现，接近滑阀泄油孔部位的压强呈现抵减变化趋势，流道当中其他部位的压强还属于相同的稳定状态。滑阀泄油孔处稳态压强压差值最大，证明此处的磨粒流运动最为显著。滑阀整个流道和滑阀泄油孔长度及直径，均存在较大的差值，单位面积作用力也明显不同，滑阀泄油孔处受到的作用力明显较大，因此能够起到一定的精抛加工改善效果，滑阀泄油孔处加工精度能够得到保证。

速度矢量方面，滑阀泄油孔和主干路孔壁交界部分的速度明显较大，孔口处磨粒流速度最大，从整体的速度变化来看，随着进口压力增大，速度明显提升。通过数值模拟分析可以发现，磨粒流加工速度的提升，可以将增加工件入口压力作为有效途径。小孔处边界层和小孔流道表面速度差的增加，会增加磨粒和孔壁接触的机会，边界层磨粒流和加工面的相对滑移量，同时增加，流道表面去除量也较大，有助于小孔流道磨粒流精加工的实现。

湍流动能可以反映出湍流混合能力，實验当中，滑阀泄油孔口处磨粒流运动最激烈，孔内壁能量值明显高于流道内腔孔壁湍流动能。这表明滑阀泄油孔口的磨粒流最活跃，能够获得较为突出的内壁精加工效果，泄油孔内的表面质量更加理想。试验证明磨粒流加工能力强，加工精度较高，能够使零件获得最佳进、泄油性能。

4  关键技术

磨粒流挤磨加工以不改变零件材料的物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸度、表面粗糙度、表面完整性（无或者极少的表面损伤，包括残余应力、组织变化、微裂纹等缺陷）为目标，对于磨粒流挤磨加工，其关键技术在于流体磨料的配制、磨粒流流动的控制和夹具设计。加工工程中，流体磨料的流动控制是难点，相同条件下，具有不同流动状态的磨粒流，其加工的效率和质量大不相同的，例如，对于同样的磨料介值，磨料流脉冲的压力越大、加工时间越长、流量越大，表面质量越好;控制好磨粒流的湍流特性，可以极大地提高加工表面的整体表面粗糙度的均匀性。对于以上三个技术难点，解决方法如下：对于磨料介质的配制，采用数值模拟与试验相结合的办法，优化磨料与介质的配比：对于磨粒流的控制，同样采用数值模拟与试验相结合的办法，优化磨粒流加工参数，从而得到较好的加工表面质量;而夹具设计时要兼顾多方面，重点考虑磨粒介质的引流、密封、对湍流状态的影响等，通过文献查阅，总结磨料介质配制、磨粒流控制和夹具设计等因素对加工型面质量的影响，并通过加工数值模拟，研究相应的影响规律，结合试验数据，优化高精密孔磨粒流挤磨加工的工艺参数，并形成工艺数据，为高精密孔的磨粒流挤磨加工奠定基础。

5  结语

挤压磨粒流加工能够使表面粗糙度等指标得到显著改善，生产加工效率与质量均能够得到显著提升。挤压磨粒流加工具有较为广泛的应用范围，在大部分金属材料中均能够应用。由于采用的磨料属于流动性粘弹性材料，可以对常规加工无法达到的工件部位进行加工，生产加工的有效性和经济性均得到显著提升。

参考文献：

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