多通管接頭磨粒流光整均勻性研究

王景坡，宋超，凌洋，杭偉

多通管接頭磨粒流光整均勻性研究

王景坡1，宋超2，凌洋2，杭偉2

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.浙江工業大學，杭州 310014）

提升航空油路中多通管接頭內壁磨粒流光整加工效果。以三通、四通金屬管接頭為研究對象，針對零件的材料特性、結構特性設計相關實驗，研究多通管接頭管道內表面磨粒流光整工藝中加工時間及加工流道對管道內壁粗糙度、材料去除量、表面質量一致性的影響。加工開始時管道表面糙度下降緩慢，在60 s后粗糙度開始加速下降，當加工240 s后零件管道表面粗糙度值下降至150 nm附近，此后不再下降。在加工過程中，具有彈性的磨料先快速去除管道的銹蝕層和毛刺，隨后去除材料本身，其作用為精修整管壁表面。零件材料去除速率呈現先快后慢的變化趨勢，不同硬度的材料去除速率有明顯差異，三通管材料去除率為0.829 2 g/h，四通管材料去除率為0.601 2 g/h。實驗通過改變加工流道提升了支路管道加工壓力，解決了支路小管徑和管道轉角加工不均勻的問題。單出口流道加工方式相比多出口流道，其加工后的管接頭內壁整體表面質量一致性較好，2種零件在檢測的10個樣點的粗糙度維持在20 nm附近，偏差下降了50%以上，在相同加工時間內，零件材料去除效率提升了30%以上。通過實驗研究確定了三通、四通典型多通金屬管接頭磨粒流光整工藝的加工時間、加工流道的工藝參數，提升了加工表面質量和加工效率，對多通金屬管接頭磨粒流光整工藝具有重要參考及指導意義。

金屬管接頭；磨粒流加工；表面粗糙度；加工時間；加工流道；材料去除量

在軍事航空領域中，零部件中閥體、管路連接頭、過濾器等零件的相貫孔[1]、交叉孔及內部腔體結構有著廣泛的應用。由于此類零件工作環境極其惡劣，同時還要承載極端載荷，故為保證其服役的可靠性，不僅要求零件具有較高的尺寸精度和形位精度，還對其表面質量（不能有刀痕、裂紋、毛刺、孔洞等加工缺陷，低表面粗糙度等）提出了要求，故管道內壁的表面質量是決定其使用壽命和疲勞壽命的關鍵因素[2]。此類零件一般靠鉆頭或電火花[3-4]制孔，使用刀具進行鉆孔時不僅要加工2次，零件孔腔還極易產生加工毛刺，而電火花加工零件表面時也會產生含有一定微裂紋的再鑄層[5-6]。雖然一些手工的方法能夠實現部分自由曲面及模具型腔等毛刺的去除[7]，但受加工方式、刀具的影響，加工過程中不可避免地存在加工空間狹小、加工難度大、加工效率低、產品一致性差等問題，這對個人技能提出了較高要求，一旦操作失誤，可能導致零件報廢或存在毛刺，這樣生產的零件在使用過程中會導致通道堵塞、產生油液污染，造成嚴重后果[8]。為了解決這一問題，可以使用具有多切削刃的松散磨粒加工復雜表面[9]，現已研制出磁流變拋光[10]、磨粒流加工等方法[11-12]。磁流變拋光技術是將電磁學、流體動力學理論、分析化學相結合而提出的一種新型光學零件加工方法[13-14]，但由于其機器結構復雜、加工不穩定等限制，導致不適合多腔精密零件的加工[15]。

磨料流加工（Abrasive Flow Machining，AFM）是以黏彈性磨料介質為拋光工具的柔性光整加工技術，利用磨料具有的流變特性[16]，實現復雜曲面表面的無死角光整加工，復雜結構零件的加工精度能達到0.05 μm[17]。國內外學者研究了磨料流加工工藝參數[18-19]、磨料介質配方[20]和磨料介質滑移特性[21]等，掌握了磨粒流加工材料的去除機理及工藝參數對加工特性的影響規律。施凱博等[22]等通過磨粒流加工法對鈦合金表面進行修整，得到了粒徑、壓力、加工次數對表面粗糙度均勻性的影響規律。蔡智杰等[23]使用磨粒流方法對電火花制孔的共軌微小孔進行光整加工，結果表明，拋光壓強、磨料濃度及加工時間對孔道表面粗糙度的影響均為負效應，磨粒粒徑大于148 μm時對表面粗糙度的影響為正效應，粒徑小于該臨界值時表現為對拋光效率的負效應影響，加工后孔道表面粗糙度由初始的1.31 μm降至0.20 μm。李俊燁等[24]研究了磨粒流加工非線性管零件，實驗證明磨粒流加工確實可以明顯改善非直線管零件的表面質量，從而提高非直線管零件的工作可靠性和使用壽命。綜上可知，磨粒流加工技術可以有效解決普通加工方法無法改善管道零件表面質量的問題。

多通金屬管接頭不僅具有材料強度高、耐磨損、耐腐蝕的優勢，如30CrMnSiA、1Cr11Ni2W2Mo等，還存在管道狹長、管道轉角、管道支路等特征[25]。在磨粒流光整內壁時往往出現去除效率低、拋光不均勻等問題。為此通過實驗探究磨粒流光整多通金屬管接頭工藝中加工時間、加工流道對管壁表面粗糙度、材料去除量的影響。

1 實驗

1.1 零件

選取軍用運輸機或戰斗機液壓油路轉接處的管接頭進行實驗研究，其主要有三通和四通2種典型形式，其內部管道均通過鉆床制孔，此工藝會導致樣品內表面留下大量毛刺和油污層。2種多通管接頭的性能參數及外觀形狀分別如表1和圖1所示。

表1 零件性能參數

Tab.1 Performance parameters of samples

圖1 實驗加工零件圖

1.2 管道流體仿真

為了分析加工時管道內部的應力狀態，建立流體動力學仿真模型觀察流體壓力分布情況。圖2為零件的Fluent仿真模型。磨料從上端流入，在流經支路時流體壓力下降，并且管道支路部分的壓力低于干路部分，導致加工時磨粒對支路部分的微切削作用減弱，材料去除量低從而導致形貌質量差。為了分析加工流道對加工效果的影響，設計實驗加工對比流道。磨料由管道上端流入，下端流出，將支路出口封堵設定為通路A；將其下端封堵，磨料由側端支路流出設定為通路B；磨料由上端流入，通過所有出口流出，將其設定為通路C，如圖3所示。其中通路A、通路B均為單出口流道，通路C為多出口流道。

圖2 零件Fluent仿真模型

圖3 零件加工流道通路

1.3 實驗相關方案

針對零件材料，實驗選取240#的SiC作為加工磨粒，該磨粒具有硬度高、導熱性好、抗腐蝕等特性[25]。加工磨料后，使用DV-2數字黏度計測得加工磨料的黏度為300 Pa·s。以磨粒流單向自動循環式拋光機作為實驗平臺，實驗時不考慮磨料體積被壓縮的情況，根據式（1）和（2）計算磨料的流速。

式中：為管道出口流量；為缸內磨料體積；為管接頭出口半徑；為壓力缸徑；1為磨料速度；2為壓力缸進給速度，可通過加工設備控制面板獲得；為加工時間，s。加工壓力的設置需要通過事先的觀測實驗獲得。首先將工件裝夾在設備上，啟動機器，隨后逐漸增加設備壓力，直到彈性磨粒能夠穩定地以層流的形式流出，此時的壓力設定為加工時所用壓力，其中實驗中加工壓力設為5 MPa。為了探討加工時間對表面粗糙度及材料去除量的影響，設計單因素實驗方案如表2所示。同時為了研究加工流道對表面粗糙度及加工均勻性的影響，設計相關實驗方案如表3所示。

實驗使用Sartorius超精密電子天平稱量零件各個時間段質量的變化。用線切割機床將零件對半剖開，KQ-50型超聲波清洗器去除表面油污。采用CHOTEST光學3D表面輪廓儀拍攝表面的3D形貌及檢測表面粗糙度。為滿足實驗工裝要求，在保證零件固定的同時還要使磨料流經相應的通路。其工裝原理如圖4所示，加工時夾具放置在支撐臺上，機器液壓頭壓緊頂蓋使零件固定在工裝板上，旋動工裝板上的3個旋鈕，封堵相應的出口，使磨料通過A、B、C這3個相應的通路。

表2 加工時間因素實驗參數

Tab.2 Experiment parameters of machining time

表3 加工流道因素實驗參數

Tab.3 Experiment parameters of machining flow passage

圖4 零件工裝示意圖

2 結果與分析

2.1 加工時間對粗糙度的影響

對實驗管接頭進口、轉角、出口區域進行粗糙度檢測。加工時間與表面粗糙度關系如圖5所示。零件管壁原始粗糙在400～500 nm之間，加工開始后表面粗糙度隨時間下降。在加工時間=60～120 s階段，粗糙度下降速度顯著。這是因為磨料與內壁之間摩擦產生熱量，使零件持續升溫。因為管壁與磨料的導熱速度遠大于與空氣的散熱速度，故貼近管壁部分磨料的溫度上升顯著。磨料介質是一種假塑性非牛頓流體，它的黏度會隨著溫度的上升而下降，黏度下降導致加工過程中磨料流速上升，從而增強拋光效果[22]。隨著金屬管接頭溫度的增大，工件材料表面變軟，進一步增強了磨粒的材料去除作用。當加工時間=180 s時，表面粗糙度下降到200 nm以下，其中三通管=180.142 nm，四通管162.081 nm。在=240 s時，由于受到SiC磨粒粒徑尺寸的限制，時間與粗糙度變化曲線趨于水平，粗糙度值不再隨著時間的增加有明顯降低[23]。圖6和圖7是2種零件在不同加工時間段拍攝的管道內壁表面形貌。可以清楚看到，隨著加工時間的推移，表面粗糙度逐漸降低，刀痕、凹坑和銹蝕等表面缺陷慢慢消失，當=300 s時表面形貌細膩有條理，且未出現明顯點蝕、凹坑、劃痕等加工缺陷。

圖5 加工時間與零件表面粗糙度關系

圖6 三通管表面形貌

圖7 四通管表面形貌

2.2 加工時間與材料去除量的變化

圖8是2類材料零件的磨粒流加工時間與材料去除量Δ的變化關系。可以看出，隨著加工時間的增加，材料去除量逐步提升，且2類材料的去除速率在加工開始階段均略高于后階段。這是由于原始管道內壁存在較多的毛刺和材料本身氧化而產生了金屬氧化物，在加工開始時磨粒先對毛刺和氧化的銹蝕層進行去除，因為毛刺為凸出材料而銹蝕層硬度低，故去除時Δ變化快。當毛刺和銹蝕層去除完后，磨粒開始對金屬材料本身去除，而由于材料硬度高，磨粒與材料受力面小，故此時去除速率顯著下降。將零件對半剖開，對比加工前后內腔的變化情況，如圖9所示。加工前三通管內壁銹蝕嚴重，大量銹跡附著表面，管道交叉處棱角分明，四通管內壁存在制孔時產生的加工刀痕。加工后三通管零件內壁的毛刺和銹蝕層消失，管道交叉處產生微小的弧形倒角，四通管內壁刀痕變淡跡象較為明顯，材料表面光滑且呈現一定的金屬光澤。2類材料硬度不同，其材料去除速率存在差異。材料去除率（Material Removal Rate，MRR）計算見式（3）。

式中：Δm為材料去除量；t為加工時間。三通管材料去除速率=0.829 2 g/h，四通管材料去除速率=0.601 2 g/h，硬度低的30CrMnSiA去除速率較高。

圖9 加工前后的零件內腔

2.3 加工流道對粗糙度的影響

為了分析加工后零件整體表面質量一致性的情況，沿著磨料流動方向選取10個粗糙度樣點，樣點之間的間距相等，零件的檢測樣點分布如圖10所示。

不同流道加工后零件檢測樣點的表面粗糙度分布結果如圖11所示，其中三通和四通管中樣點1、2、3（入口區域）的粗糙度低于樣點8、9、10（出口區域），而在轉角和支路管道區域檢測的樣點粗糙度偏高。根據流體動態壓力特性可知，彈性磨料進入管道內，混合在其中的磨粒對管道內壁有微切削作用，此時動能需要克服摩擦阻力做功，導致流體壓力沿管道延伸方向降低，轉角和支路部分磨料流經的阻力較大，壓力衰減。故在出口、轉角、支路的流體壓力較低，磨粒對管壁的微切削作用減弱，降低了光整效果，從而導致表面粗糙度偏高。

圖10 零件檢測樣點分布

如圖11a所示，多出口流道與單出口流道加工后，樣點1—4的粗糙度保持在140～150 nm之間，處于相近水平。單出口流道加工的后部分支路和管道出口處樣點粗糙度下降到160 nm以下，2種加工方式的粗糙度極差1=41.22 nm，2=20.20 nm（其中1為單出口流道加工的粗糙度極差，2為多出口流道加工的粗糙度極差），1相比2降低了21.02 nm。由于單出口流道加工時只留有一個磨料出口，因此能夠提升出口區域磨料對管道內壁的壓力，并對管徑更小的支路進行單獨的高壓力拋光，故其零件表面整體的粗糙度極差值更低。圖11b為四通管樣點粗糙度分布，2條曲線呈現兩端低中間高的分布特點。多出口流道加工樣點粗糙度極差3=36.28 nm，單出口流道加工樣點粗糙度極差4=16.96 nm。這是由于在磨粒流加工時，磨料流入管徑較小的支路阻礙較大，而流體壓力在流經拐角時壓力衰減，導致兩端支路修整不均勻。多出口流道加工的支路管道樣點4—7的表面粗糙度為175～180 nm，而單獨對支路修整的單出口流道加工后表面粗糙度為160～165 nm，零件管道整體粗糙度極值下降了19.32 nm。

圖11 管道內壁樣點粗糙度分布

圖12為2種流道加工前后三通、四通管接頭支路內壁表面形貌拍攝的SEM圖。可以看到，三通、四通管在原始未加工狀態下管壁表面粗糙，存在金屬氧化物沉積、加工刀痕殘留、表面凹坑等缺陷，嚴重影響了管接頭的使用性能。多出口流道加工后三通管材料銹蝕沒有得到有效去除，刀痕殘留清晰可見。四通管表面銹蝕情況并不明顯，但可以看到表面隆起和微裂紋。使用單出口流道加工后內表面粗糙度有明顯下降，形貌平整光滑，表面凹坑、銹蝕點、微裂紋消失。使用單出口流道加工效果相對于前者，有很大改善。

2.4 加工流道對材料去除量的影響

分別稱量2種流道加工后零件的質量變化Δ如圖13所示。多出口流道加工后，三通、四通管質量分別減少了0.059 7 g和0.042 2 g，而單出口流道加工后，質量分別減少了0.080 4 g和0.056 2 g。結果表明，無論是三通還是四通管接頭，在使用單口流道加工后，其材料去除效率均可以提升30%以上。

建立多通管道流體加工模型如圖14所示，其中為管徑，進為磨料進口速度，1為出口一速度，2為出口二速度。入口處的流量的計算見式（4）。

根據超精密加工領域常用的描述材料去除量的Preston方程見式（5）。

圖12 零件支路內壁表面形貌SEM圖

圖13 零件材料去除量

圖14 多通管道流體加工模型

式中：p為常數，與使用的磨粒、零件材料等有關；為壓力；為磨粒相對速度。結合式（4）和式（5）得到流量的相關公式見式（6）。

由于加工時流經管道的磨料體積是恒定的，在不考慮磨料被壓縮的情況下，2處出口流量分別為12。

由于在使用單出口流道加工時，磨粒對支路管壁的擠壓更強，在流經管道整體流量不變的情況下增加加工壓力則材料去除量Δ增大，所以零件整體的材料去除量更大，加工效率更高。

3 結論

對三通、四通管接頭進行磨粒流加工實驗，分析加工時間與管道內壁粗糙度值的變化規律、各時間階段材料去除率的變化、加工流道對管道內壁整體表面粗糙度變化及整體材料去除量的影響。得到相關結論如下。

1）管壁表面粗糙度隨時間的增加而下降，當=60 s時，下降速度增加，并在=180 s時放緩，此時三通管管壁面=180.14 nm，四通管內壁面=162.08 nm。當=240 s時，由于受到磨粒粒徑尺寸的限制，加工時間與粗糙度變化曲線收斂，粗糙度不再下降，此時管接頭內壁的表面形貌細膩有條理，且未出現明顯點蝕、凹坑、劃痕等加工缺陷，粗糙度降至200 nm以下，符合加工要求。

3）多通管接頭磨粒流光整加工時，采用單出口流道加工能夠改善管接頭支路局部修整不均勻的問題，加工后的管壁整體表面粗糙度極差相比多出口方式下降了20 nm左右，并且其材料去除效率相對于多出口流道加工提升了30%以上。

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The Uniformity of the Abrasive Flow Machining of Multi-way Pipe Joint

1,2,2,2

(1. State-owned Wuhu Machinery Factory, Anhui Wuhu 241000, China; 2. Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

This paper aims to improve the effect of the abrasive particle streamer finishing process of the multi-way pipe joint parts in the aviation oil circuit. Taking the three-way and four-way pipe joints were adopted as the research object, the experiment was designed for the material characteristics and structural characteristics of the samples. The effects of machining times and processing channels on the roughness of the inner wall of the pipe, material removal, and surface quality consistency in the multi-pass pipe joint abrasive flow finishing process were studied. At the beginning of machining, the roughnessof the pipe surface decreased slowly, and the roughness decreased rapidly after 60 s, after 240 s, the roughness of the pipe surface of the part decreases to around 150 nm, and then does not decrease. Elastic Abrasives first eliminated the rust layer and burrs on the pipe quickly and then removed the material to finish the pipe wall surface. The material removal rate of samples changes from fast to slow. The material removal rate of a three-way pipe joint is 0.829 2 g/h and that of a four-way pipe joint is 0.601 2 g/h. The processing pressure of the branch pipe was increased, and the uneven processing of the branch pipe and pipe corner was solved by changing the processing flow channel. Compared with a multi-outlet flow path, the overall surface quality of the inner wall of the pipe joint after machining of single outlet flow path was better. The extreme roughnessof 2 samples at 10 samples points was maintained near 20 nm, the extreme deviation was reduced by more than 50%, and the material removal efficiency of samples was increased by more than 30% in the same processing time. Through experimental research, the processing time and process parameters of the abrasive finishing process for typical tee and four-way multi-way metal pipe joints are determined, which improves the surface quality and processing efficiency. It has important reference and guiding significance for the abrasive finishing process of multi-way metal pipe joints.

metal pipe joint; abrasive flow machining; surface roughness; machining times; processing channel; material removal rate

TG176

A

1001-3660(2022)04-0299-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.031

2021-06-05；

2021-10-03

2021-06-05；

2021-10-03

浙江省公益技術研究項目（LGG19E050021）；浙江省高校基本科研業務費項目（RF-A2020003）

Zhejiang Province Commonweal Technology Research Project (LGG19E050021); Fundamental Research Funds for the Provincial Universities of Zhejiang (RF-A2020003)

王景坡（1977—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為機械設計制造。

WANG Jing-po (1977—)，Male, Master, Senior Engineer, Research focus: mechanical design and manufacturing.

杭偉（1984—），男，博士，副教授，主要研究方向為超精密加工技術與裝備。

HANG Wei (1984—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: ultra precision machining technology and equipment.

王景坡, 宋超, 凌洋, 等. 多通管接頭磨粒流光整均勻性研究[J]. 表面技術, 2022, 51(4): 299-307.

WANG Jing-po, SONG Chao, LING Yang, et al. The Uniformity of the Abrasive Flow Machining of Multi-way Pipe Joint[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 299-307.

責任編輯：蔣紅晨