一種新型的細孔磨料流加工機床及其加工原理分析*

王文斌，陳 田，蔡紅霞

一種新型的細孔磨料流加工機床及其加工原理分析*

王文斌1，陳 田1，蔡紅霞2

（1. 深圳職業技術學院，廣東 深圳 518055；2.上海大學機電學院，上海 200072）

針對目前磨料流加工存在的問題，本文設計了一種新型的細孔磨料流加工機床．從漿料流變學的角度，推導出磨料流加工中壁面剪應力的數學表達式．結合數學表達式對其加工原理進行了分析，得出新型磨料流加工機床研磨內孔的3種主要方式．相比只存在粘性剪應力的研磨加工，新型研磨機床采用復合粘性剪應力和雷諾剪應力的工作方式，其加工效率得到明顯提高．最后給出細孔磨料流加工機床在噴油器體內孔研磨加工的應用實例．

磨料流加工機床；壁面剪應力；漿料流變學

磨料流加工是一種新型的加工工藝，目前國內主要采用美國易趨宏公司或者德國桑普拉斯公司的加工機床，其基本的加工原理是由高分子材料載體和磨粒組成的粘彈性流體介質，在一定的工作壓力作用下，流經工件表面，形成對工件表面的拋光、去毛刺、倒圓角及改變零件表面性能．由于在磨料流加工過程中，被加工工件與夾具夾持在上、下料缸之間，料缸之間充滿粘彈性磨料，通過上下料缸中的活塞對磨料的擠壓實現對工件的研磨[1-2]．這種加工方式存在如下的問題：

第一，高壓動密封問題難以解決．磨料粒子容易滲入活塞與內缸壁之間，從而對活塞或者內缸壁造成磨損，引起磨料和高壓油之間的相互滲透．為減少磨損，一般采用粘度較高的半固態磨料．

第二，難于實現細長孔的研磨加工．由于采用半固態的磨料，當長徑比大于5時，介質磨料流動很困難，故擠壓研磨加工工藝很少用于長徑比大于5的孔．

第三，夾具設計困難．為實現磨料流在上、下料缸之間的擠壓流動，夾具的設計應該要保證每個表面的通道面積大致相同，需避免通道截面積過小的情況．

針對上述問題，本課題研究組開發出一種新型的細孔磨料流加工機床，通過壓力發生結構的改進，既解決高壓動密封問題，又可以采用粘度低、流動性好的磨料流，從而利于實現細長孔的加工．

1 細孔磨料流加工機床的結構原理

本磨料流機床采用內置有柔性結構的高壓料罐，如圖1所示，該結構一方面可以使漿料與高壓傳遞介質實現絕對的分離，從而避免壓力傳遞過程中引起的高壓動密封問題，解決由于高壓動密封問題造成的浮動活塞等零部件加工制造困難的問題，降低了磨料流系統中高壓發生裝置的制造成本；另一方面，該結構也便于采用粘度較低、流動性較好的磨料流配方，有利于實現窄縫和長徑比大于5的細長孔等常規方法難以加工的工件．而且由于磨料流獨立于加工工件進行循環，夾具設計簡單，且加工后殘留在工件上的磨料，易于通過高壓柴油沖洗．

圖1 新型細孔磨料流加工機床的結構示意圖

2 磨料流機床的加工原理

2.1 磨料流的流變特性及壁面剪應力分析

漿料是影響磨料流機床研磨加工的重要因素，為防止細長孔或異形孔的研磨加工中出現堵塞，本新型磨料流加工機床所配制的漿料具有流動性好、粘度低、磨粒懸浮性好等特征．對應磨料流的分析做如下2個假設：

1）磨料流為勻質流；

2）由于磨料流具有一定粘度的懸浮液，其沒有結構強度，在外力的作用下開始流動，可以看成假塑性流體[2]．其數學表達式為

式中：du/dr 為切變率，即流速u在垂直于軸向r的流速梯度；τ為距管中心r處的切應力；n為流體特性指數，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度；K為為稠度系數．

根據公式（1），對于圓形管道，徑向的流速梯度可以表達為-du/dr，且

式中：R為管道半徑（m）；

τw為管壁處的切應力；

對上式坐標進行分部積分，整理后有：

將式（1）代入式（4）有：

由于本細孔磨料流加工機床的優點，使得其可以采用粘度小、磨料懸浮性好并且比較稀的磨料流，其在流經小孔通道時，處于紊流狀態，其紊流剪應力由兩個部分所組成粘性剪應力與附加剪應力之和．其中粘性剪應力如式（1），而附加剪應力是由于紊流中質點存在脈動，相鄰液層之間存在質量交換，位于管道中間的高速液層的質點由于橫向脈動進入管壁邊緣的低速液層后，對低速液層起推動作用，從而產生了附加的剪應力，如式（6）．

式中，l為附加剪應力系數，對應圓管4.0=l；ρ為密度；y為距壁面的距離；

根據式（5），紊流切應力的表達式為：

2.2 加工原理分析

式（2）為層流時流體與壁面的剪應力表達式，對于高粘度磨料的加工方式，由于采用半固態磨料，其通過研磨通道時流速慢，并且其粘度大，處于層流區．文獻[3]認為邊界層的磨料主要在這一剪切力的作用下滑過表面產生刮削作用，由剪切應力及相對滑動量決定了磨料流的加工效果．

紊流時流體與壁面的剪應力表達式所示如式（7），由粘性剪應力和雷諾剪應力共同起作用，實現對壁面毛刺的清洗加工．

在磨料流實際加工過程中，由于細長孔在加工中工藝條件或者加工裝備的限制，其內表面加工粗糙度比較大，并且毛刺、棱角無法清除，壁面粗糙，這些毛刺和棱角部分穿出紊流邊界層，進入紊流核心區．磨料流的研磨加工主要有如下3種方式：

1）在紊流核心區，磨料粒子通過撞擊的方式進行磨削加工，核心區的流速越大，加工效率越高．

2）在距離壁面相對較遠的非紊流核心區，附加剪應力與粘性剪應力共同起作用．

3）在紊流邊界層內，粘性剪應力雖起主要作用，但由于毛刺的分布不均勻，局部阻力存在差異，紊流的流動狀態復雜，除紊流區外還有一系列漩渦存在．因此，在磨料流加工中還存在部分粒子可能還以滾動并磨削的這種小尺度運動方式存在．

相比于國外設備的高粘度磨料的擠壓研磨加工，對相同的工件而言，雖然磨料的粘度降低了，但磨料流的流速卻增加了，并且存在紊流剪應力的作用，在離壁面壁面相對距離較遠的區域，能夠快速清洗大毛刺，反而提高了加工效率．

3 應用實例

本課題組將研發的細孔磨料流加工機床應用于柴油機噴油器體內流道的擠壓研磨加工中[4]，為使磨料的懸浮性和流動性達到最佳，經過大量實驗和嚴格的工藝制備，高聚物添加劑配比重量1:16，磨料濃度200g/L，磨料粒度為0.18～0.2mm，磨料種類為棕剛玉，溶解于水中形成粘度為9～20Pa·s的稀溶液．在不破壞噴油器體內孔道形狀及尺寸制約的條件下，以提高噴油器體內流道流量系數為目的，在加工過程中對磨料溫度、加工壓力、流量、加工時間進行監測，加工后的噴油器體流量系數得到提高，流量一致性好，下機率明顯提高，達到精細加工的目的，加工后的噴油器體經過線切割剖開后如圖2所示．

圖2 噴油器體流道對剖圖

[1] Eckart Uhlmann, Vanja Mihot ovic. Modelling the abrasive flow machining process on advanced ceramic materials[J].Journal of Materials Processing Technology, 2009，209：6062-6066．

[2] 王芳，趙元剛．磨粒流工藝及其在航空發動機中的應用優勢[C]//第十五屆中國科協年會第13分會場：航空發動機設計、制造與應用技術研討會論文集, 2013．

[3] 董志國，軋剛，宋桂珍，李元宗．磨料流加工中磨料黏彈性對磨削效果的影響分析[J]．金剛石與磨料磨具工程, 2010，30（6）：82-84．

[4] 柏余杰，蔡紅霞，俞濤，李明輝．磨料漿體射流去毛刺技術在噴油器體臺階孔上的應用[J]．制造技術與機床, 2009（4）：91-94．

A New Type of Small Hole AFM Machine Tools and Its Working Principles

WANG Wenbin1, CHEN Tian1, CAI Hongxia2

（1.Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055 , China; 2. Shanghai University, Shanghai 200072, China）

To address the problems of abrasive flow machining (AFM), a new type of AFM machine tool for small hole is proposed. Working mechanism of the machine is analyzed, and the mathematical expression of the wall shear stress for abrasive flow grinding is deduced from slurry rheology. According to the mathematical expression, three main ways of small hole grinding are presented. Compared with the viscous shear stress grinding, the new grinding machine uses both viscous and Reynolds stress work with higher processing efficiency. Finally an application example of the small hole AFM tools is put forward to verify the validity of this new device.

abrasive flow machining tool; wall shear stress; slurry rheology

TH137.7

A

1672-0318（2014）03-0006-03

2013-11-07

*項目來源：廣東省工業攻關項目資助（2010B010700021）

王文斌（1976-），男，副教授，主要研究領域：機電一體化．