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南京航空航天大學機電學院,南京 210016)(2河海大學機電工程學院,常州 213022)

發動機葉片、葉輪以及模具等具有復雜形狀和結構的零件的加工精度和表面質量對其工作性能有很大的影響．目前,數控加工機床和加工中心的廣泛應用,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量的要求．現在常用的方法是手工打磨,這種方法既耗時又費力,也難以從根本上提高產品的質量;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,很可能會出現塌邊等缺陷,致使產品質量受到影響．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行光整加工．由于這種工藝特別適合加工結構復雜或細微內孔零件,因此近年來成為學者研究和企業開發設備的熱點.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管內壁拋光的方法.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]進行了基于“軟性”液-固兩相的模具結構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．浙江工業大學、太原工業大學等單位進行了磨料流加工機床的研發[8-9]．

基于高速加工技術和流體動壓理論,本文提出了一種利用高速多軸機床和高速工具約束磨料對零件表面可控地進行精密光整加工的方法．在完成高速精銑后,更換工具進行表面光整加工,可應用CAD/CAM軟件的功能優化光整路徑,調整工藝參數,解決復雜型面、內部型腔、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、機油或乳化液中而形成的溶液),使高速旋轉的工具與工件保持較小間隙,以一定的規律和速度運動,工具通過磨粒與工件表面相互作用,從而達到快速消除零件表面加工痕跡的一種光整加工方法．其實質是利用流體動壓潤滑效應,在工具和工件間產生高壓和牽曳力,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量．這是一種復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,其相對運動產生流體動壓力．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附近完成對工件的微去除加工．根據磨削原理可知,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．

根據流體動力學原理,假設磨液為連續的、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．設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;根據設定，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．

由于工具高速旋轉,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0.006m2,濕周χ取約0.1m,流體運動黏度的取值范圍為10～60mm2/s,工具轉速n的取值范圍為4800～24000r/min,工具半徑R的取值范圍為1～8mm.根據流體力學相關知識[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．

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

(1)

Navier-Stokes方程可簡化為

(2)

(3)

因沿膜厚方向流體壓力變化很小,可忽略,即

(4)

式中,u,v分別為流體在x和z方向的速度;p為流體在接觸區形成的動壓力．

對式(2)、(3)的y積分2次,取邊界條件

可得到

(5)

(6)

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)代入到楔形區域流體流動的連續方程中,對y積分,可得到

(7)

式中,w為流體在y方向的速度．

這樣，式(5)～(7)就構成了楔形區流體速度場的數學模型．

用Matlab7.0對速度場的數學模型進行求解,得出在x和z方向上速度u,v的分布規律.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)進行y方向積分,得

(8)

(9)

楔形區域流體流動的連續方程為

(10)

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),化簡可得高速旋轉的工具/工件楔形接觸區由磨液產生的流體動壓力的數學模型，即

(11)

邊界條件定義為

出口處采用雷諾邊界條件為

式中,a為定解區域入口長度;c為定解區域出口長度．

用Matlab7.0對所建立的壓力場數學模型進行求解,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

(12)

式中,n,d分別為工具的轉速和直徑．由此可以看出,除去d,R等幾何因素外,轉速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(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,因此需要重復多次執行光整路徑的程序.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 實驗

2.1 實驗設備與材料

主要實驗設備為高速數控雕銑機XDK6050(主軸最高轉速24000r/min,刀具最大直徑13mm),主要檢測設備為金相電子顯微鏡．實驗刀具為φ6mm銑刀,工具為φ6mm圓柱棒．

主要實驗材料為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油或煤油中．實驗參數見表1．

表1 實驗參數表

2.2 實驗工藝

根據高速工具約束磨料可控精密光整加工的原理分析,設計的實驗工藝為:預加工→雕銑四邊→約束光整加工．

1) 預加工 將Q345加工成外圓φ50mm、高度30mm、內孔φ29mm、深25mm的工件,并在外圓與內孔的端面上加工2個間距為40mm的φ6mm小孔,以便夾緊和定位．

2) 雕銑四邊 對預加工工件φ29mm內孔進行粗、精雕銑,銑出邊長為30mm、深度為20mm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,利用工具高速轉動帶動磨料混合液對工件內壁進行光整加工．

2.3 實驗及結果分析

實驗1驗證約束磨粒光整加工的效果

本實驗主要驗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中任意一組參數進行實驗．

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#機床潤滑油),換上加工工具,調整運行程序使棒底與型腔底有1mm間隙,棒與側面有0.05mm間隙,轉速n為19200r/min,沿四方型腔的一個面,以500mm/min的走刀速度沿精加工銑削路徑反復走刀100次,該面記為A1面．向上提升工具9mm,按同樣方式反復走刀100次,該面記為B1面．未走刀的2個面記為C1面．經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光整加工與光整加工的過渡區情形,光整加工與銑削加工痕跡對比明顯．實驗結果表明，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

實驗2工具轉速對光整加工效果的影響

實驗選定走刀速度為500mm/min,工件與工具間隙量為0.05mm,磨料混合液為1份320#拋光膏與10份40#機床潤滑油．工件經銑、清理、換刀、注液等過程后,在四方型腔的4個面標設為A2,B2,C2,D2面,分別對這些面以轉速n為4800,9600,19200,24000r/min,沿精加工銑削路徑反復走刀30次．經檢測得到加工表面效果圖如圖4所示．

圖4 工具轉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．實驗表明，高速工具轉速對光整加工效果有影響,轉速越高,加工效果越好．

實驗3走刀速度對光整加工效果的影響

首先工件預加工,在型腔中注入磨料混合液(1份320#拋光膏與10份40#機床潤滑油),工具轉速為19200r/min,工件與工具間隙為0.05mm,以走刀速度100,500,1000,5000mm/min分別光整加工標準設計為A3,B3,C3,D3面四方型腔的4個面,反復走刀30次．經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,走刀速度越大,走刀次數增加,也即光整次數增加,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

實驗4工具與工件間距對加工效果影響

工件完成預加工后,選定主軸轉速為19200r/min,走刀速度500mm/min,磨料混合液為1份800#拋光膏與10份40#機床潤滑油,以工件與工具間隙量為0.05,0.1,0.15,2.0mm分別光整加工標準設計為A4,B4,C4,D4面的四方型腔4面,反復走刀30次．經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,當間隙達到2.0mm時,D4面顯微圖像顯示幾乎沒有任何光整效果,這與理論分析結果是一致的,間隙小容易達到光整效果．

實驗5磨粒型號對光整加工效果的影響

實際上實驗應以磨料混合液的不同配比作為實驗變量參數,但磨料混合液配比可選方案太多,故實驗僅以不同磨粒型號作為實驗變量參數,分別選擇80#,320#,800#研磨拋光膏與40#機床潤滑油混合,微粉磨料W5與煤油、石油磺酸鋇混合,配制成磨料混合液進行實驗,實驗定量參數為工具間隙量0.05mm,主軸轉速為19200r/min,走刀速度500mm/min．

圖6 不同間距下的光整加工金屬表面的對比圖

實驗表明，當工件僅經過精銑,選擇80#,320#,800#研磨拋光膏與40#機床潤滑油配比的混合液,經過反復走刀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劃痕的現象；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．當反復走刀增加到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,實驗在運用高速工具約束磨料光整加工時,可根據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 影響因素的正交實驗分析

根據表1的實驗參數表,及實驗2～實驗5的單因素實驗結果,比較容易實現高速工具約束磨料光整加工的正交試驗的設計．在工具轉速上,可以采用最高轉速作為優選因素,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劃痕的現象,因此間隙量應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,因此應納入正交試驗的因素設計中．

通過正交實驗,得到初步結果:粗光整時,工具轉速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.15mm,1份80#研磨拋光膏與10份40#機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,工具轉速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.05mm,1份800#研磨拋光膏與5份40#機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,工具轉速選擇24000r/min,走刀速度選擇1000mm/min,間隙量0.02mm,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 結論

1) 提出了在工件利用高速加工機床完成精加工后,可以實現高轉速的工具約束磨料對零件表面進行可控精密光整加工的方法．

2) 利用流體動壓理論,建立了高轉速的工具與工件構成的楔形區(也是本方法實現光整加工的工作區)流體速度場與壓力場的數學模型,從理論上探討工藝方法實現的可能性．

3) 在實驗驗證工藝方法有效性的基礎上,研究了影響光整加工效率與效果的主要因素——工具轉速、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、鏡面光整的工藝數據．

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