擠壓磨粒流加工的工藝研究及分析

孫曉飛 胡守琦 蔣立坤 姜珊 吳建華

摘要：擠壓磨粒流加工屬于能夠應用于多個行業大精密精加工技術，能夠實現內表面平滑與拋光，并對流動系數進行優化，提升零件高低周疲勞強度。合理分析擠壓磨粒流加工工藝及其應用，對于制造加工等行業具有重要意義。

關鍵詞：擠壓磨粒流加工;工藝;研究

中圖分類號：TG669? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0102-03

0? 引言

擠壓磨粒流加工屬于新型機械加工方法，利用磨料介質壓力流加工表面，達到除飛邊、去毛刺和磨圓角加工的效果，使工件的表面粗糙度和波紋度得到改善，達到精密加工光潔度。擠壓磨粒流加工能夠在不同類型和尺寸的零件中應用，能夠使加工質量和效率均得到顯著提升。

1? 擠壓磨粒流加工工藝發展及特征

1.1 工藝發展

擠壓磨粒流加工工藝最早是美國公司于1966年到1968年期間研發并應用于生產當中的。我國也逐漸引入并應用擠壓磨粒流加工工藝方法，初期是直接引進外國設備應用此工藝，后來逐漸出現國產設備，該工藝在我國的應用逐漸強化[1]。我國的很多刊物當中，將擠壓磨粒流加工工藝稱為擠壓珩磨或是擠壓研磨，還有研究稱為磨粒流加工，這三種稱呼無法從本質上反應出此工藝方法。從工藝原理來看，不是研也不是珩，但具備研、磨、珩以及銼相似的功能特征，因此準確命名應當是擠壓磨粒流加工。

擠壓磨粒流加工工藝生成和應用的作用，是代替傳統的手工拋光，在低壓設備制造企業具有較為廣泛的應用范圍。隨著工藝技術的發展進步，其應用目的發生了較大的變化，擠壓壓力達到6MPa的條件下，工藝技術能夠實現高效去除材料的目的，不再局限于光整加工領域[2]。更多地賦予擠壓磨粒流加工工藝光精加工的含義，對于工藝開發和應用具有積極意義。工藝技術的操作過程是較為簡單的，主要包含三個方面的內容，即機床、夾具和磨料，通過機床液壓方法實現對磨料流動的控制，夾具保證加工零件的固定性，同時對磨料流動產生限制及引導作用，而磨料是磨粒、載體及增塑劑、潤滑劑混合形成的，粘彈性半固態流動性物體，依據磨料配置的差異，采取匹配的擠壓壓力，改變其流變特征，進而明確被加工表面的尺寸精度、材料去除度和表面粗糙度等參數。

1.2 工藝特征及優勢

擠壓磨粒流加工工藝最為顯著的特征，是應用強制流的加工原理，能夠保證不依靠傳統精密機械運動方式，獲得被加工表面的尺寸精度、表面粗糙度和材料去除，依靠強迫流成分及流度特征決定。

粘彈性強制流作用機理，使得磨粒流在復雜型腔中仍舊能夠保證充滿，并且被加工表面的受力較為均勻[3]。該工藝使用中，磨料作用于被加工表面時是彈性狀態，采用細粒度的磨料，能夠實現對材料的微量切除。在生產加工過程中，被加工表面整體始終受到磨料作用，并且加工使用的設備和機構運動較為簡單，重復誤差相對較小。因此，當保證加工設備高精度控制及可靠性的情況下，擠壓磨粒流加工能夠保證很大的工藝靈活性，形成特有的優勢。擠壓磨粒流加工的顯著優勢之一，是能夠獲得較高表面粗糙度，以及接近于磨削的較大材料去除量。同時，在應用流變特性及夾具設計應用效果的保證下，比較容易獲得精密尺寸公差。擠壓磨粒流加工工藝的應用，具有較高的生產效率，在公差條件相同的情況下，傳統手工加工幾個小時工作量能夠縮減為幾分鐘[4]。另外，生產加工中使用擠壓磨粒流工藝，能夠保證加工零件形成的靈活不受限制，將其應用于內表面加工當中，不僅操作較為簡單便捷，還具有較為突出的經濟優勢，在外表面加工中的難度相對較大，但保證夾具設計合理有效的情況下，也能夠對任何型面進行加工。擠壓磨粒流加工中，除去機床規格的限制，被加工零件的尺寸不會受到限制，小至0.12mm的孔，大至1.19m的盤形件均能夠被加工。采用擠壓磨粒流加工工藝時，能夠針對磨料進行差異性配置，并選擇不同的壓力參數，保證實際生產中的多種差異性需求。從加工零件材料的種類方面來看，擠壓磨粒流加工工藝適合我的材料范圍較為廣泛，包含鋼類、銅類、鉛合金、硬質合金以及聚合物及陶瓷等。擠壓磨粒流加工工藝還屬于較為理想的去除加工變形層工藝方法，能夠實現過去僅能夠通過手工拋光實現的工序，同時加工中使用的設備較為簡單，操作便捷，自動化程度較高，工作的環境相對好。

2? 擠壓磨粒流加工工藝應用效果

2.1 提高表面粗糙度

滑閥微細孔徑（？準0.185、？準0.12尺寸公差為0～0.003mm）機械加工后，表面粗糙度只能達到Ra0.8，磨粒流擠壓加工采用以下試驗條件：上下液壓缸推力19t，循環時間23s，循環次數60次。拋光前后軸流葉輪內14個坐標點的葉型璧厚差，壁厚減薄0.01～0.015mm，基本均勻，僅有個別點在拋光前或后出現位置誤差。根據擠壓壓力和循環次數，可以有效地控制去除率。試驗結果表明：滑閥微孔粗糙度由Ra0.9提高到Ra0.3，經磨粒流擠壓加工的零件表面粗糙度Ra0.5達到工藝要求。實驗證明，滑閥微孔磨粒流擠壓工藝方法，可以提高1～2個粗糙度精度等級，提高效率30～40倍。實驗結果證實，擠壓磨粒流加工工藝具備十分突出的加工效率和質量。

使用擠壓磨粒流加工工藝提高表面粗糙度，具有較為顯著的特征。

第一，相較于一般工藝方法，擠壓磨粒流加工工藝并無恒定范圍，是依據加工之前的原有粗糙度值相對提高，提高等級一般是2-3級，個別情況下可以提高4級。這就使得擠壓磨粒流加工工藝具備更好的適應性，可以應用于更加廣泛的范圍中，加工效果更加突出，加工重點是合理選取加工參數。

第二，由于不存在恒定范圍，擠壓磨粒流加工工藝能夠實現多次分階段降低表面粗糙度，保證其他條件固定，調整擠壓壓力及磨料，就能夠實現粗糙度分階段提高。

第三，分析工藝技術加工原理，尚不能夠確定擠壓磨粒流加工能夠得到的最小粗糙度值，綜合技術水平下能夠獲得▽12成果，磨粒最小的粒度可能是其間接限度。為保證獲得更加顯著的表面粗糙度提升效果，可以選取低壓力、軟載體、細磨粒或是C等軟磨粒，在此指導原則下設置參數，能夠使加工激勵更加接近超精液體動力研拋。

第四，實驗結果證實，同一組加工參數可以獲得的表面粗糙度值是固定的，即使進行多次循環加工，仍舊無法使粗糙度值進一步提升，初始的1-3次循環中獲得最佳效果，在第10循環之后粗糙度出現提升，之后達到一定值后穩定不變。

第五，表面粗糙度和各項工藝參數具有密切關系，低壓條件加工獲得最為光滑的表面，高壓條件下效果相對較差。

2.2 材料去除量及公差

擠壓磨粒流加工初期在光整加工中應用較多，起到提升表面粗糙度的效果，選取低壓與低粘度參數。材料去除量較小，通常是5μm，經過實踐證實，對于材料原有尺寸及形狀精度不會產生影響。當在硬質合金模具電火花加工后，進行擠壓磨粒流加工時，獲得的表面粗糙度為0.1μm，材料去除厚度是0.05mm，材料形狀和平行度變化在0.0025mm之內。還有研究實驗發現，當直徑擴大量是0.18mm時，擠壓磨粒流加工也不會導致顯著的幾何形狀歪曲。證實了材料去除量微小的情況下，擠壓磨粒流加工能夠獲得的高尺寸精度。

從擠壓磨粒流工藝的流變特征分析，不僅能夠在光整加工中有效應用，擠壓壓力的不斷提升，能夠使磨料速度顯著提升，介質粘度增加，隨著循環次數、磨粒與介質比例的變化，材料去除量也會受到較大影響。在此基礎上，擠壓磨粒流加工工藝能夠發展為光精加工方法，在特定情況下代替磨削。

第一，影響材料去除量。擠壓加工工藝技術中，對材料去除量產生的因素是較為多樣的，包含壓力、加工時間等。粘度越大，相應的材料去除量也越大，研究實驗發現，在60**Sic磨粒含量、壓力值2.9Mpa的條件下，粘度變化會導致幾十倍的材料去除量差異，甚至出現100倍差異的情況。磨粒的材質對于材料去除量也會產生影響，最佳材質是B4C，其次是Al2O3和SiC，與表面粗糙度影響正相反。磨料的工作溫度也會影響材料去除量，溫度升高會導致基體介質粘度降低，材料去除量隨之降低，因此，加工中的介質溫度不宜過高，需要合理設置磨料降溫裝置。同樣地，材料去除量并不是始終隨循環的增加而提升的，初始階段去除量會顯著增長，這是會受到表面粗糙度的影響，之后就會逐漸提升，到10次之后基本上無變化。

第二，尺寸與形狀精度。為保證擠壓磨粒流工藝的高精度，需要穩定地控制材料去除量。首先是保證較高的設備精度，維持精確穩定的機構運動能與液壓壓力。其次是針對性地優化相關參數。為保證不規則形狀零件均勻地去除材料，需要精確設計磨粒流通道，合理調控壓力及流速差異。

第三，孔口處圓角。強制流作用原理對于流線場會產生一定的影響，流線無法實現急劇轉折，特別是在磨料粘度較低的條件下。因此，流線方向發生變化的部位，需要圓滑過渡，從而在孔口棱邊形成圓角。不同的零件具有差異性需求，有的需要圓角，有的需要銳邊，針對圓角半徑變化進行分析。加工循環的不斷增加，圓角半徑隨之增大，在1-8循環中，兩者變化基本上屬于直線關系。循環數達到一定程度后，圓角半徑基本固定，繼續加工不會發生變化，只有改變被加工孔徑，才能夠使圓角半徑隨之變化。孔徑與孔深的增加，使得圓角半徑逐漸縮小，大直徑孔口會形成局部銳邊。孔口圓角半徑和磨料介質進入到孔口的狀態相關，當遇到銳邊孔口后流場收縮，入口介質在內部張力的影響下，形成倒角。圓角半徑是由擠壓磨粒流工作參數決定的，尤以粘度的影響最為顯著。當下，加工獲得的圓角半徑范圍是0.03-1.52mm。選取參數解決圓角半徑的難度較大，為保證孔口銳邊，可以針對性地進行夾具設計。

2.3 表面機械性能提升

選取9CrWMo材料進行擠壓磨粒流加工。

第一，金相組織。擠壓磨粒流加工中的擠壓力是5.8、7.8和9.8Mpa，選取的磨粒為SiC和B4C，粒度分別是60#與80#。試件的殘余奧氏體是0。可以認為殘余奧氏體消失受到磨粒切除的影響。奧氏體始終為0，可能是由于擠壓磨粒流加工中，擠壓形成的塑性變形導致殘余奧氏體轉化，也可能是擠壓磨粒流加工導致被加工表面出現厚度微小的變質層。

第二，顯微硬度。忽視擠壓磨粒流加工中出現的微小變質層，滑閥擠壓磨粒流加工后獲得的顯微硬度曲線大體一致。擠壓壓力是9.8Mpa時，材料去除厚度是0.04mm，最后的表面位于原本再回火層。但值得注意的是再回火層的硬度提升，導致原有曲線發生變化，殘余奧氏體仍舊是0。

第三，表面殘余應力。實驗結果數據表明，表面殘余應力值大小和擠壓壓力不存在顯著相關性，和加工時間存在相關性。當加工時間不足1min時，殘余應力值達到最小，超過2min后，達到最大值，這種相關性較為集中和顯著，反應了殘余應力形成對于時間存在的一定的需求。

總的來說，擠壓磨粒流加工能夠取得較為顯著的表面去除變質層效果，本身不形成變質層，無組織變形及纖維硬度變化。此結論適用于擠壓壓力未到3.4MPa的情況，在高壓情況下是會發生顯著變化的。

3? 滑閥擠壓磨粒流加工特征分析

滑閥內部微小孔拋光和去毛刺，屬于有待解決和完善的一項問題。滑閥進油孔加工質量對其流量系數及油線貫穿度，具有直接影響，進而影響噴油器整體的噴油指標。滑閥硬度較高，泄油交叉孔部位有倒圓角。采用常規的加工方式進行滑閥交叉孔處去毛刺以及倒圓角，存在很大的難度，而擠壓磨粒流加工工藝的出現和應用，能夠使這一問題得到有效解決。擠壓磨粒流加工能夠利用載有磨料的粘彈體軟性磨料介質，在特定壓力系數下，通過往復流過實現光整加工被加工面的目的。將磨粒流當中的磨粒當做是切削工具，利用鋒利棱角反復切削工作表面，進而實現加工的效果。擠壓磨粒流加工工藝下，磨粒流所經過的部位均被光整，可以實現對難以接觸內腔的加工。

3.1 構建仿真模型、設置相關參數

研究設計中，假定顆粒相和介質相間不存在溶解或是結晶等反應，同時顆粒狀的固體磨料和介質均接受相同壓力作用，假定顆粒狀固體磨料和介質滿足動量守恒及能量守恒定律，且兩者之間互相作用是經由阻力系數實現的。

依據實際加工中的相關數據，針對性地數據模擬進油孔直徑是Φ0.18mm滑閥小孔的加工情況。通過FLUENT前處理模塊GAMBIT，針對性地創建滑閥零件模型，并劃分各個網格的工作。依照擠壓磨粒流加工工藝特征，于FLUENT當中選取非耦合的隱式雙精度求解器，通過標準k-ε固液兩相Mixture湍流模型實現針對性的數值研究分析，將磨粒流介質載體作為主相，碳化硅顆粒作為第二相，設定的體積分數是0.1，邊界條件的設定依據的是壓力入口及壓力出口的邊界條件，其與邊界是固壁條件，注意分析重力因素所產生的影響。

3.2 仿真結果針對性分析

通過三維數值研究的方式模擬在不同的壓力條件下，進行磨粒流加工時滑閥泄油孔的結構情況。針對性的觀察分析可以發現，接近滑閥泄油孔部位的壓強呈現抵減變化趨勢，流道當中其他部位的壓強還屬于相同的穩定狀態。滑閥泄油孔處穩態壓強壓差值最大，證明此處的磨粒流運動最為顯著。滑閥整個流道和滑閥泄油孔長度及直徑，均存在較大的差值，單位面積作用力也明顯不同，滑閥泄油孔處受到的作用力明顯較大，因此能夠起到一定的精拋加工改善效果，滑閥泄油孔處加工精度能夠得到保證。

速度矢量方面，滑閥泄油孔和主干路孔壁交界部分的速度明顯較大，孔口處磨粒流速度最大，從整體的速度變化來看，隨著進口壓力增大，速度明顯提升。通過數值模擬分析可以發現，磨粒流加工速度的提升，可以將增加工件入口壓力作為有效途徑。小孔處邊界層和小孔流道表面速度差的增加，會增加磨粒和孔壁接觸的機會，邊界層磨粒流和加工面的相對滑移量，同時增加，流道表面去除量也較大，有助于小孔流道磨粒流精加工的實現。

湍流動能可以反映出湍流混合能力，實驗當中，滑閥泄油孔口處磨粒流運動最激烈，孔內壁能量值明顯高于流道內腔孔壁湍流動能。這表明滑閥泄油孔口的磨粒流最活躍，能夠獲得較為突出的內壁精加工效果，泄油孔內的表面質量更加理想。試驗證明磨粒流加工能力強，加工精度較高，能夠使零件獲得最佳進、泄油性能。

4? 關鍵技術

磨粒流擠磨加工以不改變零件材料的物理特性為前提，以獲得極限的形狀精度、尺寸度、表面粗糙度、表面完整性（無或者極少的表面損傷，包括殘余應力、組織變化、微裂紋等缺陷）為目標，對于磨粒流擠磨加工，其關鍵技術在于流體磨料的配制、磨粒流流動的控制和夾具設計。加工工程中，流體磨料的流動控制是難點，相同條件下，具有不同流動狀態的磨粒流，其加工的效率和質量大不相同的，例如，對于同樣的磨料介值，磨料流脈沖的壓力越大、加工時間越長、流量越大，表面質量越好;控制好磨粒流的湍流特性，可以極大地提高加工表面的整體表面粗糙度的均勻性。對于以上三個技術難點，解決方法如下：對于磨料介質的配制，采用數值模擬與試驗相結合的辦法，優化磨料與介質的配比：對于磨粒流的控制，同樣采用數值模擬與試驗相結合的辦法，優化磨粒流加工參數，從而得到較好的加工表面質量;而夾具設計時要兼顧多方面，重點考慮磨粒介質的引流、密封、對湍流狀態的影響等，通過文獻查閱，總結磨料介質配制、磨粒流控制和夾具設計等因素對加工型面質量的影響，并通過加工數值模擬，研究相應的影響規律，結合試驗數據，優化高精密孔磨粒流擠磨加工的工藝參數，并形成工藝數據，為高精密孔的磨粒流擠磨加工奠定基礎。

5? 結語

擠壓磨粒流加工能夠使表面粗糙度等指標得到顯著改善，生產加工效率與質量均能夠得到顯著提升。擠壓磨粒流加工具有較為廣泛的應用范圍，在大部分金屬材料中均能夠應用。由于采用的磨料屬于流動性粘彈性材料，可以對常規加工無法達到的工件部位進行加工，生產加工的有效性和經濟性均得到顯著提升。

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