磨料流光整加工理论与技术研究进展

在简要阐述挤压磨料流加工技术、磨料水射流抛光技术及软性磨料流加工技术材料去除机理的基础上,介绍了磨料流加工方法的研究进展,总结了上述3种磨料在流光整加工技术抛光过程中,磨粒种类/浓度/粒度、磨料黏度与黏温特性、挤压压力、喷射角度及喷射距离等关键工艺参数对被加工工件材料去除率(材料去除量)和表面粗糙度(表面粗糙度变化)的影响规律,分析了磨料流应用过程中存在的加工均匀性、力学性能及加工精度等技术难题。同时,针对所述技术难题,不仅探讨了相关试验研究,而且提出了一种磨料流与管材液力成形技术相结合的复合工艺,为实现增材制造零件短流程、低排放、低成本的低碳制造目标提供了有效方法。最后,综合归纳了磨料流加工技术在各领域的具体应用,并展望了磨料流光整加工的发展方向。

圆管切向振动辅助磨料流的光整加工试验研究

传统磨料流加工技术在加工孔道内壁、形状复杂的工件时,工件表面在各个方向上的加工质量不均匀。在传统磨料流加工中加入振动辅助,使工件表面形成波浪形加工轨迹,以提高工件表面质量和材料去除效率。分析振动辅助加工原理和磨粒对工件表面的划痕作用,搭建振动辅助磨料流加工试验平台,研究磨料流速、振幅、频率对工件表面粗糙度与表面形貌的影响。结果表明:与传统磨料流加工相比,振动辅助磨料流加工使磨粒在工件表面的切削路径变长,形成交叉划痕,工件表面粗糙度降低;振动频率越高,磨粒与工件表面间的微切削长度越长,工件的表面粗糙度越低;磨料流速增大,磨粒对工件表面的切削效果增强,表面粗糙度下降的幅度更大。

约束式磨料流光整加工方法及其加工特性的实验研究

采用传统磨削工艺对电梯曳引轮槽进行加工时,较难进行微量均匀的磨削力控制,以及进行仿形光整加工,为此提出了一种约束式磨料流光整加工方法,对磨料流的加工特性进行了理论建模、仿真分析和加工实验研究。首先,分析了约束式磨料流光整加工原理,并基于欧拉多相流理论及标准k-ε双方程模型,构建了磨料流动力学模型;然后,计算研究了约束流道内磨料流动力学特性,得到了工件表面流体动压及磨料压力随关键工艺参数的变化规律;最后,搭建了约束式磨料流光整加工实验平台,以球墨铸铁作为工件材料,开展了光整加工对比实验,对模拟计算及加工方法进行了验证。研究结果表明:约束空间内的磨料压力及动压达到最大值,是有效光整加工区域;在15°~75°范围内,约束空间入口角度越小,磨料压力分布越均匀,流体动压越剧烈;随着约束空间高度的减小,无量纲化材料去除率呈指数级增大,加工效率更高。

喷油嘴喷孔流道磨料流光整特性仿真与试验

喷油嘴喷孔流道入口有一定入口倒角和喷孔锥度,能通过提高喷油嘴的燃油雾化效果来进一步提高发动机的效率。通过软性流体磨料对喷孔流道进行加工,使喷孔流道入口有一定的入口倒角和喷孔锥度。结果表明:在5 MPa、8 MPa的入口压力下,使用平均粒径为5μm、质量分数为25%的软性磨料加工800 s后,测得喷孔入口倒角曲率半径分别为0.018 mm和0.010 mm,喷孔流道锥度为1°和3°。在不同的入口压力下,通过polyflow软件对软性流体磨料在喷孔流道的流动特性进行了分析,并通过试验进行验证,发现仿真与试验结果误差在允许的范围内,证明了数值分析的可靠性。

涡轮叶片内冷通道的磨料流光整加工特性

航空涡轮叶片内部的多冷却通道多采用消失模铸造等方法制造,其表面粗糙度较高,冷却效率低,内部流道截面小且呈S形弯曲狭长分布,不容易抛光。用Polyflow软件对叶片内冷通道进行仿真,研究其内部压力场、速度场的变化情况。在工件的4个典型区域进行S形内流道加工试验,研究表面粗糙度与材料去除量的变化规律。结果表明:经仿真,压力下降的幅度沿流动方向逐渐变小,速度由通道中心向壁面逐渐减小;相同试验条件下,S形流道转弯处的表面粗糙度比直流道处的低;流道内存在沿程压力损失,区域A比区域D的材料去除量大4~5倍。

磨料流加工磨料流动边界条件的确定

提出了磨料流加工磨料流动新的边界条件假设,并用简易实验验证了这种假设。根据能量守恒定律,推导出磨料在圆管边壁处的速度表达式。结论可为定量分析磨料流加工提供理论依据。

磨料流加工壁面滑动特性的研究

对磨料流加工存在的壁面滑动现象进行了研究 .研究结果表明 :磨料平均速度存在着临界值 ,在高于平均速度时存在壁面滑动现象 .同时壁滑速度随磨料平均速度增加而增大 .磨料粘度升高 ,会使临界值平均速度减小 ,而壁滑速度增加的程度却增大 .存在壁滑是实现磨料流加工的前提条件 .磨料载体内加入润滑剂有利于产生壁滑 ,但过分的润滑会降低磨料游流的加工效果 ,因此 ,对某一加工条件 ,润滑剂的含量应有一最优值 .

磨料流加工中磨料黏弹性对磨削效果的影响分析

本文应用流变学理论,建立了壁面滑移时磨料流在圆管中的壁滑流动模型。利用所建模型推导了磨料在圆管流动中的壁面压力和壁面滑动速度公式,建立了磨料黏弹性与壁滑速度间的关系。通过实验分析了磨料黏温特性对磨削效果的影响。结果表明:磨料的黏弹性对壁滑速度的影响较大,当黏度低于一定数值时,磨料的壁滑速度为零;温升导致黏度的降低是影响磨削效果的主要原因之一。

磨料流微去除力学分析与可控因素影响

研究了磨料流抛光中磨粒微去除力学建模方法以及可控因素影响抛光效果的问题。以力为纽带,提出磨粒去除工件表面微凸材料的动力来源于三个方面——介质作用力、磨粒挤压载荷和磨粒冲击载荷。利用建立的力学模型,分析了磨料流加工的内在因素,其中可控因素包括:加工温度、加工压力、活塞的移动速度、磨料黏度、磨粒物理性质(如尺寸、硬度)等;研究了各可控影响因素与工件表面抛光质量及效率的关系;量化了可控因素的大小对磨粒作用在工件表面的力的影响程度;将磨粒作用在工件表面的力合成并分解为与活塞运动方向相同的轴向力和垂直于工件壁面的切向力,指出微去除效果随轴向力与径向力的比值改变而发生变化,设计出简易的测量轴向力和径向力的方案。用试验验证了所建模型和可控因素对抛光效果影响,以及工件表面的加工纹理方向直接影响工件表面粗糙度的减小率和材料去除率的正确性。

异形内孔曲面的磨料流均匀加工方法研究

针对磨料流加工异形曲面一致性较差的问题,提出通过设置相似模芯结构以改善剪切应力分布的状态,从而实现均匀化加工异形曲面的方法。根据磨料流的剪切率与黏度的关系建立了幂律模型,通过COMSOL Multiphysics软件的CFD模块计算得到置入模芯时磨料介质在加工表面的速度、剪切率和剪切应力的分布。仿真与实验表明:置入相似的模芯后可形成等宽的流道,各曲面受到的剪切应力趋向一致。工件内壁表面粗糙度Ra最大差值由无模芯时的0.376μm降为置入模芯后的0.017μm。

螺旋面磨料流光整加工仿真与试验

针对难加工复杂螺旋面光整加工成本高及质量难保证等问题,提出基于磨料流加工技术的螺旋面光整加工方法.通过建立有无螺旋引流段的"夹具-螺杆"仿真模型,对比分析2种模型中螺旋面磨料介质流场分布规律,优选出适用于螺旋面均匀化光整加工的夹具结构,在此基础上开展挤压螺杆的磨料流加工与砂带磨削对比试验.结果表明:磨料介质静压力沿流动方向逐渐减小,且等值线近似沿螺旋槽宽度方向分布;增加螺旋引流段后螺旋面进出口回流区被消除,提高流场均匀性;磨料流加工后螺旋表面粗糙度由10.5μm降为0.45μm,螺旋槽最小直径一致性好,且加工质量和效率优于人工砂带磨削.

磨料流加工时磨料流动形态的研究

根据流变学原理建立了磨料流加工时磨料流动形态的数学模型，利用反光粒子－纹影照相法对磨料流动形态进行的分析表明：沿径向流速差决定了磨粒所受的力；壁面滑动速度决定了磨粒与加工表面的相对运动，磨粒所受的切向力和磨粒与加工表面的相对运动越大，其加工效果越好，实验结果与理论分析的结论基本一致。

磨料流加工流动形态及加工效果的研究

本文根据流变学原理建立了磨料流加工圆孔时磨料流动形态的数学模型，利用照相法对流动形态进行的分析结果表明：边界层磨粒与加工面相对滑动量及剪切应力越大，其加工效果越好．实验结果与理论分析的结论基本一致。

磨料流加工研究进展

磨料流加工是表面加工中发展起来的一项新工艺,是通过将半固态的流体磨料挤压通过工件待加工表面来达到去毛刺、抛光、倒角和去除再铸层的目的。本文介绍了磨料流加工的基本原理,影响磨料流加工的因素,当前磨料流加工的应用现状及加工设备,磨料流加工的研究成果和最新进展,磨料流加工与其它工艺的结合情况。并总结了磨料流加工的主要结论。

磨料流加工压力特性对加工表面粗糙度的影响

对压力参数进行了详细的研究，研究结果表明，出入口压力差的增加导致边界层磨粒切向推力及法向压力增大，同时，预压力增加也能够增大边界层磨粒所受的法向压力。作者认为，出入口压力差及预压力增加都会提高磨粒刮削金属的效果。

摆线泵内转子磨料流均匀化抛光及试验研究

为了降低内转子的表面粗糙度,提出了一种利用磨料流对内转子表面实现均匀化加工的抛光方法.采用与内转子壁面等宽度的方法设置模芯,通过建立均匀化流道,改善壁面的剪切应力分布,使内转子各曲面间的壁面所受剪切应力趋向一致.依据磨料流的流变特性,建立幂律方程,分析磨料流加工过程的剪切率及剪切应力分布状况,并利用COMSOL Multiphysics软件的CFD模块模拟磨料介质在均匀化流道下的表面加工流速、剪切率和剪切应力的分布.结果表明:在无模芯时利用磨料流加工,内转子各表面的剪切速率差值较大;置入模芯后内转子曲面各部分所受的剪切应力比无模芯时明显得到改善,经20次加工循环后,各表面间的粗糙度最大差值由无模芯时的0.847μm降至0.277μm,且有效地提高了加工效率及表面质量.

磨料流载体在圆管流动中的壁面滑动特性分析

用流变学理论建立了载体在圆管中的流动模型。在考虑壁面滑移和第一法向应力差的基础上,利用所建模型推导了载体在圆管流动中的壁面压力、壁面剪切应力和壁面滑动速度公式,并分析了各相关因素对其的影响。结果表明,加入第一法向应力差的影响,可以很好地解释载体流动中弹性能的储存现象;由壁面滑移速度公式可知,管壁处的流速不仅与流体的流量、压力有关,而且和载体与管道间的摩擦系数及载体的第一法向应力差有关。这一结论对分析磨料流的加工机理提供了理论依据。

磨料流加工的力学原理及应用

在分析磨料流加工的力学特性基础上，得出了流体磨料的粘弹性是进行磨料流加工的必要条件。根据这个分析，阐述了粘弹性和加工压力对磨粒切削稳定性及加工性能的影响。

磨料流在离心场中运动的实验研究(一)

应用高速摄影手段获得了对行星磨料流加工时磨料流运动的感性认识 ,通过对高速摄影结果的定性分析 ,了解了磨料流在离心场中的运动规律 ,确认磨料流在运动过程中 ,其滑移层的运动及前沿界面曲线的变化是影响加工效果的关键因素 .

磨料流加工中流体磨料粘度的模糊分级

流体磨料的粘度是磨料流加工工艺的重要参数.为了定量描述流体磨料的粘度,分析了流体磨料粘度常规描述的模糊性,提出用模糊数学理论对流体磨料的粘度进行模糊分级,建立了各种粘度的隶属函数,通过自由流延实验确定了函数中的有关参数,根据这些函数可以方便地求得未知流体磨料粘度的隶属度,为实际加工时选择粘度、确定磨料流加工的其它工艺参数以及预测加工结果提供了依据.