高速工具約束磨料表面光整工藝

莊曙東 安魯陵 王婷婷 郭光輝

(1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)(2河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，常州 213022)

發(fā)動機(jī)葉片、葉輪以及模具等具有復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的零件的加工精度和表面質(zhì)量對其工作性能有很大的影響.目前，數(shù)控加工機(jī)床和加工中心的廣泛應(yīng)用，使得上述零件的尺寸和形狀精度得到保證.但切削加工后，不可避免地會在零件表面存在加工痕跡，需要采取措施來減小直至消除這些加工痕跡，以滿足對零件表面高質(zhì)量的要求.現(xiàn)在常用的方法是手工打磨，這種方法既耗時又費(fèi)力，也難以從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量；振動光飾法也是常見方法之一，這種方法與手工打磨相比，效率高，但可控性較差，在磨去加工痕跡的同時，很可能會出現(xiàn)塌邊等缺陷，致使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響.磨粒流加工［1］是近年來提出的一種較新的光整加工工藝，這種工藝在20世紀(jì)60年代提出，它是以流體為載體，磨料懸浮在流體中，依靠磨料相對于工件表面的流動能量進(jìn)行光整加工.由于這種工藝特別適合加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜或細(xì)微內(nèi)孔零件，因此近年來成為學(xué)者研究和企業(yè)開發(fā)設(shè)備的熱點(diǎn).Jain等［2］采用有限元法建立磨粒流加工的加工模型.Kurobe等［3］提出了基于高速磨粒流的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)壁拋光的方法.李長河等［4-6］提出用砂輪約束磨粒噴射精密光整加工表面的方法.計時鳴等［7］進(jìn)行了基于“軟性”液-固兩相的模具結(jié)構(gòu)化表面光整加工工藝的研究，給出了“軟性”液-固兩相磨粒流加工的控制方程.浙江工業(yè)大學(xué)、太原工業(yè)大學(xué)等單位進(jìn)行了磨料流加工機(jī)床的研發(fā)［8-9］.

基于高速加工技術(shù)和流體動壓理論，本文提出了一種利用高速多軸機(jī)床和高速工具約束磨料對零件表面可控地進(jìn)行精密光整加工的方法.在完成高速精銑后，更換工具進(jìn)行表面光整加工，可應(yīng)用CAD/CAM軟件的功能優(yōu)化光整路徑，調(diào)整工藝參數(shù)，解決復(fù)雜型面、內(nèi)部型腔、大中型零件高效光整加工的難題.

1 加工原理

所謂高速工具約束磨料可控精密光整加工方法，就是利用高速工具，將待光整的零件表面浸入磨料混合液中(磨料混合液為一定粒度的磨料充分混合于水、機(jī)油或乳化液中而形成的溶液)，使高速旋轉(zhuǎn)的工具與工件保持較小間隙，以一定的規(guī)律和速度運(yùn)動，工具通過磨粒與工件表面相互作用，從而達(dá)到快速消除零件表面加工痕跡的一種光整加工方法.其實(shí)質(zhì)是利用流體動壓潤滑效應(yīng)，在工具和工件間產(chǎn)生高壓和牽曳力，約束磨料混合液中的磨粒以較高速度沖擊、磨削工件表面的微凸體，即加工痕跡，從而改善工件表面質(zhì)量.這是一種復(fù)合精密光整加工工藝，其原理如圖1所示.

圖1 高速工具約束磨料可控精密光整加工原理圖

由圖1可知，工具與工件間隙為h0，由于磨料混合液的黏性作用，高速旋轉(zhuǎn)的工具將帶動磨粒高速通過工具與零件表面的間隙；另一方面，工具與工件之間形成楔形空間，其相對運(yùn)動產(chǎn)生流體動壓力.磨粒在流體壓力場及速度場的作用下獲得足夠的能量，在工具與工件接觸區(qū)附近完成對工件的微去除加工.根據(jù)磨削原理可知，壓力和速度越大，磨粒在加工表面演繹“滑擦-耕犁-切削”這一典型的磨削過程越明顯.

根據(jù)流體動力學(xué)原理，假設(shè)磨液為連續(xù)的、黏性的、不可壓縮的牛頓流體，則在工具和工件間將形成楔形區(qū).設(shè)最小間隙處作用表面寬度為L，工具浸入磨粒流中的深度為b，最小間隙為h0，工具半徑為R，常壓處間隙為R+h0；根據(jù)設(shè)定，顯然L為一較小值，同時忽略一些次要因素，如忽略溫度和壓力對流體黏度的影響；忽略膜厚方向流體壓力很小的變化；且不計其流動中的慣性效應(yīng).

由于工具高速旋轉(zhuǎn)，故需要先判別流體的流動是層流、湍流還是過渡流動.在本文方法中，通流截面面積A取約0.006 m2，濕周χ取約0.1 m，流體運(yùn)動黏度的取值范圍為10～60 mm2/s，工具轉(zhuǎn)速n的取值范圍為4800～24000 r/min，工具半徑R的取值范圍為1～8 mm.根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識［10］可知，在上述取值條件下Re最大取值也小于2000.對于非圓形管道的一般流動當(dāng)Re＜2000時，流場為層流流場，故本文方法中流體的流動為層流.

由以上的假設(shè)與層流的判定，對于動力黏度為μ的牛頓流體，剪切應(yīng)力與速度梯度成正比［11］，因此

Navier-Stokes方程可簡化為

因沿膜厚方向流體壓力變化很小，可忽略，即

式中，u，v分別為流體在x和z方向的速度；p為流體在接觸區(qū)形成的動壓力.

對式(2)、(3)的y積分2次，取邊界條件

式中，uw為工具的線速度；h為工具外表面與工件表面間隙，即

將式(5)和(6)代入到楔形區(qū)域流體流動的連續(xù)方程中，對y積分，可得到

式中，w為流體在y方向的速度.

這樣，式(5)～(7)就構(gòu)成了楔形區(qū)流體速度場的數(shù)學(xué)模型.

用Matlab7.0對速度場的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得出在x和z方向上速度u，v的分布規(guī)律.由分析可得，u，v大小不受流體動力黏度的影響，但與工具的轉(zhuǎn)速成正比，與工具和工件表面之間的間隙成反比.此外，由于是層流流動，沿y方向的速度幾乎保持不變.

對式(5)、(6)進(jìn)行y方向積分，得

楔形區(qū)域流體流動的連續(xù)方程為

式中，qx，qy，qz分別為沿 x，y和 z方向的單位寬度流量.

將式(8)和(9)代入式(10)，化簡可得高速旋轉(zhuǎn)的工具/工件楔形接觸區(qū)由磨液產(chǎn)生的流體動壓力的數(shù)學(xué)模型，即

式中，a為定解區(qū)域入口長度；c為定解區(qū)域出口長度.

用Matlab7.0對所建立的壓力場數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，可得出流體動壓力的分布曲線圖，如圖2所示.

圖2 流體動壓力分布

式(11)可以化簡成

式中，n，d分別為工具的轉(zhuǎn)速和直徑.由此可以看出，除去d，R等幾何因素外，轉(zhuǎn)速n、流體動力黏度μ、工具與工件之間的最小間隙h0是影響動壓力的主要因素，所以本文選擇不同的參數(shù)(n，μ，h0)組合來研究對動壓力的影響.由于光整加工是極微量的去除加工，因此需要重復(fù)多次執(zhí)行光整路徑的程序.走刀速度f對光整效率有很大的影響，故其也是影響光整加工的主要因素之一.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為高速數(shù)控雕銑機(jī)XDK6050(主軸最高轉(zhuǎn)速 24000 r/min，刀具最大直徑13 mm)，主要檢測設(shè)備為金相電子顯微鏡.實(shí)驗(yàn)刀具為φ6 mm銑刀，工具為φ6 mm圓柱棒.

主要實(shí)驗(yàn)材料為Q345；磨料混合液主要采用金剛石研磨膏(粒度80#，320#，800#)按比例與40#機(jī)油混合，或微粉磨料W5按比例與煤油、石油磺酸鋇混合.磨料混合液能使固體顆粒基本懸浮在機(jī)油或煤油中.實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)工藝

根據(jù)高速工具約束磨料可控精密光整加工的原理分析，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)工藝為:預(yù)加工→雕銑四邊→約束光整加工.

1)預(yù)加工 將Q345加工成外圓φ50 mm、高度30 mm、內(nèi)孔φ29 mm、深25 mm的工件，并在外圓與內(nèi)孔的端面上加工2個間距為40 mm的φ6 mm小孔，以便夾緊和定位.

2)雕銑四邊 對預(yù)加工工件φ29 mm內(nèi)孔進(jìn)行粗、精雕銑，銑出邊長為30 mm、深度為20 mm的正方形孔.雕銑目的是保證下一步光整加工間隙的精確.

3)約束光整加工 將銑刀換成工具，向正方形孔中注入磨料混合液，利用工具高速轉(zhuǎn)動帶動磨料混合液對工件內(nèi)壁進(jìn)行光整加工.

2.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)1 驗(yàn)證約束磨粒光整加工的效果

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證使用高速工具約束磨粒光整加工是否具有明顯的效果.選取表1中任意一組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

清理工件，在型腔中注入磨料混合液(1份80#拋光膏與10份40#機(jī)床潤滑油)，換上加工工具，調(diào)整運(yùn)行程序使棒底與型腔底有1 mm間隙，棒與側(cè)面有0.05 mm間隙，轉(zhuǎn)速n為19200 r/min，沿四方型腔的一個面，以500 mm/min的走刀速度沿精加工銑削路徑反復(fù)走刀100次，該面記為A1面.向上提升工具9 mm，按同樣方式反復(fù)走刀100次，該面記為B1面.未走刀的2個面記為C1面.經(jīng)電子金相顯微鏡檢測得到加工表面效果如圖3所示.

由圖3可知，A1面經(jīng)光整加工，表面已沒有明顯的切削痕跡，表面變得平滑，無明顯的凹坑.C1面未經(jīng)光整加工，表面有明顯的切削痕跡，而且由于銑削切屑的脫落方式，表面有明顯的凹坑.B1面中部顯微圖像則展示了未經(jīng)光整加工與光整加工的過渡區(qū)情形，光整加工與銑削加工痕跡對比明顯.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用高速工具約束磨粒光整加工具有明顯的效果.

圖3 Q345加工表面效果的對比圖

實(shí)驗(yàn)2 工具轉(zhuǎn)速對光整加工效果的影響

實(shí)驗(yàn)選定走刀速度為500 mm/min，工件與工具間隙量為0.05 mm，磨料混合液為1份320#拋光膏與10份40#機(jī)床潤滑油.工件經(jīng)銑、清理、換刀、注液等過程后，在四方型腔的4個面標(biāo)設(shè)為A2，B2，C2，D2面，分別對這些面以轉(zhuǎn)速 n 為 4800，9600，19200，24000 r/min，沿精加工銑削路徑反復(fù)走刀30次.經(jīng)檢測得到加工表面效果圖如圖4所示.

圖4 工具轉(zhuǎn)速對光整加工效果影響的對比圖

由圖4可見，A2面表面有明顯的切削痕跡和凹坑，光整效果不佳；D2面也有切削痕跡，但表面變得平滑，已有光整加工的效果；B2面、C2面加工效果處于兩者之間.實(shí)驗(yàn)表明，高速工具轉(zhuǎn)速對光整加工效果有影響，轉(zhuǎn)速越高，加工效果越好.

實(shí)驗(yàn)3 走刀速度對光整加工效果的影響

首先工件預(yù)加工，在型腔中注入磨料混合液(1份320#拋光膏與10份40#機(jī)床潤滑油)，工具轉(zhuǎn)速為19200 r/min，工件與工具間隙為0.05 mm，以走刀速度 100，500，1000，5000 mm/min 分別光整加工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為A3，B3，C3，D3面四方型腔的4個面，反復(fù)走刀30次.經(jīng)檢測得到加工表面效果圖如圖5所示.由圖5可見，走刀速度對光整加工效果影響變化不明顯，走刀速度過大，光整加工效果相對差一些.但在一定時間內(nèi)，走刀速度越大，走刀次數(shù)增加，也即光整次數(shù)增加，又會提高光整加工效果.所以選擇中等的走刀速度比較合適.

圖5 不同走刀速度下的光整加工金屬表面的對比圖

實(shí)驗(yàn)4 工具與工件間距對加工效果影響

工件完成預(yù)加工后，選定主軸轉(zhuǎn)速為19200 r/min，走刀速度500 mm/min，磨料混合液為1份800#拋光膏與10份40#機(jī)床潤滑油，以工件與工具間隙量為 0.05，0.1，0.15，2.0 mm 分別光整加工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為 A4，B4，C4，D4面的四方型腔4面，反復(fù)走刀30次.經(jīng)檢測得到表面效果圖如圖6所示.

由圖6可見，工件與工具間隙對光整加工效果影響比較明顯，A4面光整加工效果最為明顯，B4面、C4面稍微差些，當(dāng)間隙達(dá)到2.0 mm 時，D4面顯微圖像顯示幾乎沒有任何光整效果，這與理論分析結(jié)果是一致的，間隙小容易達(dá)到光整效果.

實(shí)驗(yàn)5 磨粒型號對光整加工效果的影響

實(shí)際上實(shí)驗(yàn)應(yīng)以磨料混合液的不同配比作為實(shí)驗(yàn)變量參數(shù)，但磨料混合液配比可選方案太多，故實(shí)驗(yàn)僅以不同磨粒型號作為實(shí)驗(yàn)變量參數(shù)，分別選擇80#，320#，800#研磨拋光膏與 40#機(jī)床潤滑油混合，微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇混合，配制成磨料混合液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)定量參數(shù)為工具間隙量0.05 mm，主軸轉(zhuǎn)速為19200 r/min，走刀速度500 mm/min.

圖6 不同間距下的光整加工金屬表面的對比圖

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工件僅經(jīng)過精銑，選擇80#，320#，800#研磨拋光膏與40#機(jī)床潤滑油配比的混合液，經(jīng)過反復(fù)走刀30次，就能起到一定的光整效果，其中選擇80#研磨拋光膏的混合液效果最為明顯，而微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液效果不明顯.隨著反復(fù)走刀增加到150次，80#研磨拋光膏的混合液光整的效果提高不明顯，相反還出現(xiàn)了由于磨粒粗大，被卡在工件與工具間，造成已光整的表面重新出現(xiàn)劃痕的現(xiàn)象；800#研磨拋光膏的混合液光整的效果提高最明顯；微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液有一定效果.當(dāng)反復(fù)走刀增加到500次，微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液光整效果最佳.

由此可得，實(shí)驗(yàn)在運(yùn)用高速工具約束磨料光整加工時，可根據(jù)磨料混合液配比的不同，分為約束粗光整、約束精光整和約束鏡面光整等過程.在粗光整時，磨料混合液可選粒度80#的磨粒與切削油的混合溶液；約束精光整的磨料混合液可選為粒度800#或以上的磨粒與切削油的混合溶液；約束鏡面光整選用微粉磨料或納米磨料與煤油、石油磺酸鋇混合液配制的磨料混合液，才能有較好的效果.

2.4 影響因素的正交實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)表，及實(shí)驗(yàn)2～實(shí)驗(yàn)5的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較容易實(shí)現(xiàn)高速工具約束磨料光整加工的正交試驗(yàn)的設(shè)計.在工具轉(zhuǎn)速上，可以采用最高轉(zhuǎn)速作為優(yōu)選因素，走刀速度選擇中等速度為宜，間隙量選擇以盡量小為佳，但考慮磨粒大小時，間隙小可能會使工具與工件卡住磨粒，造成光整的表面重新出現(xiàn)劃痕的現(xiàn)象，因此間隙量應(yīng)與磨粒型號的選用一起考慮，同時磨粒型號的選用影響光整效率與光整效果，因此應(yīng)納入正交試驗(yàn)的因素設(shè)計中.

通過正交實(shí)驗(yàn)，得到初步結(jié)果:粗光整時，工具轉(zhuǎn)速選擇24000 r/min，走刀速度選擇1000 mm/min，間隙量0.15 mm，1份80#研磨拋光膏與10份40#機(jī)床潤滑油混合配比的磨料混合液，光整的效率較高.精光整時，工具轉(zhuǎn)速選擇24000 r/min，走刀速度選擇1000 mm/min，間隙量0.05 mm，1份800#研磨拋光膏與5份40#機(jī)床潤滑油混合配比的磨料混合液，光整效率與效果比較合適.鏡面光整時，工具轉(zhuǎn)速選擇 24 000 r/min，走刀速度選擇1000 mm/min，間隙量0.02 mm，微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇配比的混合液，光整效果最好.

3 結(jié)論

1)提出了在工件利用高速加工機(jī)床完成精加工后，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的工具約束磨料對零件表面進(jìn)行可控精密光整加工的方法.

2)利用流體動壓理論，建立了高轉(zhuǎn)速的工具與工件構(gòu)成的楔形區(qū)(也是本方法實(shí)現(xiàn)光整加工的工作區(qū))流體速度場與壓力場的數(shù)學(xué)模型，從理論上探討工藝方法實(shí)現(xiàn)的可能性.

3)在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工藝方法有效性的基礎(chǔ)上，研究了影響光整加工效率與效果的主要因素——工具轉(zhuǎn)速、工具走刀速度、工具與工件的間隙、磨粒型號等，得到粗光整、精光整、鏡面光整的工藝數(shù)據(jù).

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