（机械制造及其自动化专业论文）喷油嘴磨粒流超精密抛光技术研究.pdf

分类号： udc 密级： 编号： 喷油嘴磨粒流超精密抛光技术研究 r e s e a r c ho na b r a s i v ef l o wu l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n g t e c h n o l o g yo fn o z z l e 学位授予单位及代码： 量壹堡王丕堂f ! q ! 墅2 学科专业名称及代码：扭煎剑堕丛基自蛰丝( q g q 2 q12 研究方向：揎宣：超蕴蜜加工! 捡型丛菱蚤 申请学位绒别：亟 指导教师：刻煎埋塾攫研 究 生： 塞壹堡 论文起止时f a j ：2 0 0 7 1 2 2 0 0 8 1 2 摘要 发动机喷油嘴的加工质量严重影响着发动机的经济性能与排放标准，而由于 喷孔孔径较小且与内腔形成交叉孔，采用常规的抛光方法难以实现。鉴于此，本 文提出了采用磨粒流加工技术对喷油嘴进行超精密抛光。 本文根据磨粒流加工原理建立了磨粒流抛光喷油嘴喷孔时的压强与速度分 布模型。在理论分析的基础上，自主设计制造了一套磨粒流n - t - 装备，并研发配 制了一种新型的磨粒流介质，解决了磨粒流介质的配制难题。利用这套装备和磨 粒流介质进行了磨粒流抛光工艺试验研究，获得了一系列工艺参数。 通过试验表明，应用自主开发的装备和磨粒流介质，能够对喷油嘴喷孑l 进行 有效抛光和去毛刺，提高了喷油嘴的喷油效率。 关键词：喷油嘴磨粒流超精密抛光装备设计 a b s t r a c t t h em a c h i n i n gq u a l i t yo fe n g i n en o z z l eh a sas e r i o u si m p a c to nt h ee c o n o m i c p e r f o r m a n c ea n de n g i n ee m i s s i o ns t a n d a r d s b u tb e c a u s eo ft h ed i a m e t e ro fn o z z l ei s s m a l l ，a n dt h es m a l lh o l ef o r m a t sac r o s s - h o l ew i t hc a v i t y ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v e f r o mt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do fp o l i s h i n g i nv i e wo ft h i s ，t h i st h e s i sp r o p o s e st h e u s eo fa b r a s i v ef l o w i n gm a c h i n i n g t e c h n o l o g yf o ru l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n go fn o z z l e i nt h i st h e s i s ，ad i s t r i b u t i o nm o d e lo fp r e s s u r ea n dv e l o c i t yi na b r a s i v ef l o w p o l i s h i n gn o z z l ei se s t a b l i s h e db a s e d o nt h ea b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g p r i n c i p l e o nt h e b a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，as e to fa b r a s i v ef l o wm a c h i n i n ge q u i p m e n ti sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e di n d e p e n d e n t l y an e wt y p eo fa b r a s i v ef l o wm e d i ai sr e s e a r c h e d a n dd e v e l o p e dw h i c hs o l v e st h ep r o b l e mo fp r e p a r a t i o n as e r i e so ft e c h n i c a l p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e di n t h ep r o c e s s i n gs t u d yo fa b r a s i v ef l o w p o l i s h i n g e x p e r i m e n t sb yu s i n go ft h ee q u i p m e n ta n da b r a s i v ef l o wm e d i a t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ti tc a nb ee f f e c t i v e l yd e b u r ra n dp o l i s hb yu s i n gt h e s e l f - d e v e l o p e de q u i p m e n ta n da b r a s i v ef l o wm e d i aw h i c hi m p r o v e st h ei n j e c t o r e f f i c i e n c yo fn o z z l e k e yw o r d s ：n o z z l e a b r a s i v ef l o w u l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n ge q u i p m e n td e s i g n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文喷油嘴磨粒流超精密抛光技术研 究，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：年三月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：幽幽年互月血日 指导导师签名： 年上月_ r 日 第一章绪论 1 1 发动机喷油嘴喷孑l 加工工艺简介 随着国家排放要求的提高，高压共轨技术的应用，发动机喷油嘴也向多孔数、小 孔径方向发展。其加工质量直接影响喷油嘴的雾化特性、油线贯穿度及流量系数，最 终影响柴油机的经济性、动力性和排放指标。 目前，国内用于喷油嘴喷孔的主要加工方法有四种：在变频或风动高速台钻上采 用手工钻削；采用数控三轴钻床钻喷孔；采用电火花喷孔机床加工喷孔；采用激光打 孔机加工喷孔。另外，用于喷孔后续加工的还有电解去压力室喷孔毛刺工艺和磨粒流 加工工艺等等。 随着技术的进步，在变频或风动高速台钻上采用手工钻削的工艺已经逐步淘汰； 激光打孔机j j n - r 喷孔技术目前尚在试验阶段，还没有应用于实际生产中；电解去压力 室喷孔毛刺工艺，只是对喷孔毛刺有一定的去除作用，不能改变喷孔的直径和粗糙度。 在此，本节只介绍其他的加工方法。 1 1 1 数控三轴钻加工喷孔工艺 目前，国内生产喷油嘴的大部分制造厂家加工喷油孔的主要设备都是数控三轴钻， 常见的设备型号有瑞士p o s a l u x 公司的p n c - i i i 数控三轴钻和国内鲁南机床厂的z k 9 3 0 3 型数控三轴钻。以上两种型号的机床加工原理基本相同：通过3 个高精度的变频调速 电主轴，进行打中心孔、钻孔和扩孔；电主轴的换位和进给均为伺服电机驱动。工件 分度为二维精度分度的定位机构，采用了传动误差小、空回小、传动效率高的谐波传 动减速器及伺服驱动电机；主轴换位及进给和水平分度轴的轴向移动均采用直线滚动 导轨副和滚珠丝杠副等精密传动部件。 它广泛地应用于塑橡模具工业的水孔、射销孔、电热孔、顶针孔；液压机械工业 的阀、分配器泵体；汽车拖拉机工业的发动机缸体、供油系统零件、传动系统零件、 转向机械壳体和转向轴；航天工业的推进器、着陆架；发电机工业的热交换等零件的 深孔加工。 通过生产的加工零件来看，该种设备加工后喷孔内毛刺较大，反应出来的喷孔流 量散差较大，手工不易清理喷孔内的毛刺，对喷油器总成的性能具有一定的影响。最 主要的是，使用该种设备加工直径小于0 2 0 m m 以下的喷孔时，因钻头的刚性差，造成 断钻头现象严重，且生产效率很低，严重制约着生产的发展他1 。为此，生产企业已逐渐 引进电火花加工设备。 1 12 电火花加工喷孔工艺 随着柴油机捧放标准的提高，喷油嘴喷孔向小孔径、多孔数发展，钻削加工喷孔 的工艺将很难适应喷孔直径越来越小的要求。而电火花加工喷孔则具有可加工直径小、 精度高和压力室无毛刺的特点，并可放在热处理后加工。 1 加工原理 电火花加工的原理是基于电极和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电时的电 蚀现象，靠放电时产生的局部瞬时的高温电蚀多余的金属，达到加工孔的目的。加工 喷孔的电极是利用3 0 0 m r o 长的杆状金属丝( 经常使用的有黄铜电丝、碳化钨电丝、紫 铜电丝和银电丝，但根据其加工质量和效率以及成本，多数情况下选用碳化钨电丝与 银电丝) 。此电极丝是通过无心磨床加工，电极丝的圆度保证在3 # m 以下，直线度保证 在3 舯以下。 目前的电火花加工喷孔的方式主要有两种：一种是加工喷孔时电极丝做轴向进给， 另一种是加工喷孔时电极丝做轴向进给和旋转运动。在加工过程中，总是根据加工零 件的不同( 材料、孔径和孔深等) 来确定放电参数( 脉冲频率、脉冲宽度和放电间隙 等) 的大小。 2 加工设各及工艺参数 行业中使用较多的是瑞士p o s a l u x 公司的h p 4 一e d m 型数控电火花加工喷孔机床， 如图ll 所示。该机床有3 个转动轴和3 位移轴，是六轴自动控制机床；具有单夹紧 系统和双夹紧系统两种加工方法。加工时，以喷油嘴的中孔和座面定位、两个销孔定 圆周方向，并通过爪形机构夹紧，如图1 2 所示，装卸卜分方便。 图il 瑞士p o s a l u x 公司的h p 4 一e d m 窄数控电火花加j 。喷f l 机床 图12h p 4 一e 叫型数控电火花加】一喷孔机床的爪形机构夹紧 电极丝的轴向进给分三步进行：电极丝的修整一电极丝加工( 电蚀) 工件一对整 个喷孔的修整( 去除倒锥) 。每一分步的进给量都要根据加工7 l 的孔深来确定，电极丝 可自动进给、自动补偿。经过批量加工试验，该机床加工喷孔的精度为平行度6 u n ， 赢径公差为6 ：a n ，粗糙度为r a o8 p m ：孔口能观察到圆角，并可加工直径为 0 m m l m m 的喷孔。喷孔各项精度都优于钻削的加工精度，咀) j n t _ 5 孔o2 7 r a m 的 p 系列油嘴为例，讵常情况下，每根电极丝可加工0 2 7 m m 深度l m m 的孔1 1 0 0 个左右， 每个孔的加工时间约4 0 s 左右。 近年来，瑞士a g i e 公司生产的a g i e4 h p 电火花设备在国内的应用数量呈上升趋 势。其加工原理是靠电解丝的轴向进给( x 、y 、z 和w ) 与旋转定位轴( a 、c ) 共同配 合加工工件的，加工精度与瑞士p o s a i ，u x 公司的h p 4e d m 型电火花机床加工精度不分 上下。 a g i e4 h p 电火花设备具有如下特点： ( 1 ) 加工时的空载电压高低：喷孔的直径和流量齄电门、的增加而增大，但增量不 是很大； ( 2 ) 电极丝二步进给量的大小：迸给量的大小影响喷孔的锥度和和压力室圆角的 大小，应根据不同的零件来通过试验确定合理的每步进给最； ( 3 ) 电极丝头部径向偏移量：加大偏移量会使喷孔直径增加，但是町以缩妊 加工 时问； 此外，常用的设备还有国内山东鲁南机床公刮生产的z k 9 3 0 6e d m 2 数控电火花喷 孔加_ 机床。 1 1 3 磨粒流加工工艺 在喷油嘴的加工中，国内的大部分生产厂还都在使用钻孔工艺加工喷孔。这种工 艺加工的喷孔，粗糙度大，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0 5 0 6 。 为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0 8 以上，需要 进一步提高其流量系数。目前，国际上普遍采用液体挤压研磨的工艺对喷油嘴进行抛 光和去毛刺，对于磨粒流加工技术将在下一节中详细论述。 试验证明，经过挤压研磨后，可以消除压力室与喷孔处的毛刺，扩大其相贯线处 的圆角，减少高压油的压力损失；降低喷孔表面的粗糙度，增加油的流速，获得良好 的雾化效果；可提高喷油嘴的流量系数，降低了柴油机的油耗和排放指标。 1 2 磨粒流加工技术简介 磨粒流加工技术，又称为磨料流加工技术，是由美国在上世纪六十年代发展起来 的一项光整加工新工艺，是通过软性磨粒流介质一种载有磨粒的粘弹体，在压力 作用下往复流过零件被加工面、边缘和孔道，以达到去毛刺、倒棱和抛光目的的加工 方法b 1 。这项技术已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子、模具等制造业中关键零件 的去毛刺、抛光、倒圆等。它具有以下一些特点h h6 | ： ( 1 ) 磨粒流介质的柔软性和流动性，使其易与任何形状的加工表面吻合，特别适 合于内部的、手工的难于触及的深孔和复杂型面的表面光整加工； ( 2 ) 适用于通常比较难2 h i 的零件内腔，能运用“挤压块的流变特性对金属材 料进行切除； ( 3 ) 磨粒流机床可以对挤压力、磨料流量进行控制，以达到最佳的加工效果； ( 4 ) 合理的磨料介质流道限制器可以引导磨料通达各被加工的部位，而对零件其 它部位则没有任何影响； ( 5 ) 通过选择不同种类的磨砂、粒度、密度以及载体的粘度，可以产生不同的研 磨效果； ( 6 ) 磨粒流加工可以同时加工一个零件上的多个部位，也可以同时加工多个零件， 高效而经济。 磨粒流加工具有在一次加工中完成去毛刺、抛光、倒圆角及改变零件表面性能的 作用。可以同时加工一个或多个工件的单一或多个表面，能够高效、经济地加工传统 方法难以加工的几何形状复杂的表面，如窄缝、交叉孔道、异形曲面等。磨粒流加工 对材料的适用性强，不仅能加工几乎所有的金属材料，并可对玻璃、陶瓷等硬脆性材 料进行加工口h 8 。使用磨粒流加工取代手工抛光可大幅度减轻劳动强度，提高生产效率， 并可保证产品加工的一致性。 磨粒流加工原理如图1 3 所示，被加工工件与夹具央持在上、下料缸之间，弹性 流体磨料密封在由上下料缸及工件、央具形成的密闭空自】中。通常在开始加丁时，磨 料填充在上料缸，在外力的作用下上料缸活塞挤压磨料经工件与夹具的通道，到达 下料缸，工件中的通道表面就是要加工的表面，这一加丁过程类似于珩磨，因此磨粒 流加工又称为挤压珩磨。当上料缸活塞到达顶部后，下料缸活塞丌始向上挤压磨料， 经工件加工表面回到上料缸完成一个加工循环。通常这样的零件需要经过几个加工 循环才能完成。 特 图l3 磨粒流加i 原理 磨粒流加工机床、流体磨料和火具称为磨粒流加工的二要素。磨粒流机床通常由 主机、液压系统及控制系统组成。丰机的主要部分是两个相对的磨料缸，在液压系统 驱动下两料缸可以开合。液压系统驸动各液压执行兀件，完成磨料缸丌合以及挤压推 动磨料等动作。控制系统除完成对液压系统各电磁阀的控制外，并要完成对加工各参 数如温度、压力、粘度、流动速度等的检测。大型磨粒流加工机床另配有上下料系统、 工件清理系统等辅助设备。流体磨料是磨粒流加工中的刀具，是由粘弹性的高分子聚 合物与磨粒以定比例混合组成的半固态的物体，具有一定的流动性。磨粒通常使用 碳化硅、氧化铝、氮化硼、余刚石等”o 。对磨料要求具有一定的流动性，不粘零件 无毒，不掉砂。流体磨料最主要的性能指标是粘度，粘度可通过润滑剂进行调整。磨 耗流失具用于固定工件，井引导磨料到要加工的表面。央具另外还起密封流道，对小 能承受压紧力的工件承受压紧力的作用。简单的工件可能不需要央具但对复杂儿何 形状的工件的磨粒流加工，火其是加j 一成败的重要因素。通过央其设计可以实现在一 次加工中完成多个工件的加工。 1 3 国内外研究现状 磨粒流加工是上世纪 f 年代山美国两家公司发展起柬的，最初用十航空航犬领 域复杂儿何形状的合会工件的鼻毛刺加工，此后逐渐推广应川到其它：f t , i k 。磨粒流加 工最初是在1 9 8 3 年进入国内的，开始主要是作为进口成套设备的配套设备引进的。国 内曾将磨粒流加工技术列为“七五”攻关技术项目之一进行了研究，取得了一定的试 验研究成果2 1 。目前对磨粒流加工技术的研究主要集中在三个方面：磨粒流加工技术 的应用研究，磨粒流加工机理与工艺参数的选择，以及与其它加工方法相结合的研究。 1 3 1 磨粒流加工的应用研究 经科研人员和各行业工程技术人员的努力，磨粒流加工技术已应到用多个行业。 航空航天是磨粒流加工应用最早也是最重要的行业之一，对压气机整体叶轮抛光，涡 轮叶片，喷口整流片，扩压器及其它零件的抛光，去毛刺，倒圆角等工作均取得了满 意的加工效果。模具几何形状复杂，表面粗糙度要求高，手工抛光费时费力，用磨粒 流抛光加工可以大大提高生产效率，降低成本，是一具有广泛前景的应用行业h 1 。另外， 磨粒流加工还应用于纺织、液压、发动机等行业。 应用研究的另一方面是磨粒流加工设备及磨料的研制。国外主要有e x t r u d eh o n e ， d y n a s t i c 及日本东洋公司生产磨粒流机床及流体磨料，已经形成系列化，自动化程度 较高。某些型号的机床除配有通常的控制系统外，还有数据记录系统、磨料冷却系统、 补料系统、可交换工作台等。国内从8 0 年代开始研究磨粒流加工技术，已经取得很大 进展。太原理工大学1 9 8 4 年成功开发了m b 9 2 0 9 、m b 9 2 1 1 、m b 9 2 1 5 等机床，以及适应 各加工的流体磨料，并在纺织，液压，模具等行业推广应用。另外还有北京航空工艺 研究所，西安东方机械厂，四川长征机床厂，山西内燃机厂，哈尔滨汽轮机实业有限 公司，大河机床厂等企业研制、生产磨粒流机床n 3 h 1 5 1 。目前国产设备及磨料已基本能 满足大部分磨粒流加工的需要。 磨粒流加工一般用于去毛刺、抛光、倒圆角等目的。但磨粒流加工由于其独特的 加工机理，使其在一些领域具有特殊的加工效果。 1 磨粒流加工用于改变表面特性 磨粒流加工中的切削力很小，切削过程中不会引起金属的晶格破裂和工件的挠曲 变形，但磨粒流仍具有一定的切削作用，因而可利用磨粒流加工去除e d m 和激光加工 后的表面再铸层n 町叫1 7 1 。经磨粒流加工后可将线切割加工表面的张应力状态改为压应力 状态，大大提高线切割表面的抗疲劳性，减小残余奥氏体量，降低了表面的粗糙度， 因而大大提高了表面的硬度和耐磨性。 2 齿轮的磨粒流加工 磨粒流加工用于齿轮齿面抛光和去毛刺，已有许多成功的案例。利用磨料加工过 程中金属去除量随加工长度变化的规律，有研究人员发明了用磨粒流进行齿轮修缘及 抛光鼓形齿面的技术，不仅提高了齿面的精度，而且改善了啮合条件，大大降低了齿 轮传动的振动与噪声，提高了传动效率，延长了使用寿命n 引。 3 小孔的磨粒流加工 小孔，尤其是长径比大的深孔，是孔加工中最难加工的，由于尺寸的限制，传统 的加工手段较难胜任，磨粒流加工中的刀具磨料具有流动性，并可填加润滑剂进 行调整，到达区域不受限制。用磨粒流h n t 诸如拉丝模、喷油嘴、叶片气孔等小孔具 有较大优势m 3 。 1 3 2 磨粒流加工机理与影响因素的研究 磨粒流加工中影响加工质量的因素较多，要得到满意的加工效果，必须综合考虑 并控制各影响因素。深入研究各因素对加工效果的影响，建立磨粒流加工的理论模型， 一直是科研人员研究的重点方向。 有研究人员利用扫描电子显微镜( s e m ) 研究了不同方法得到的加工表面经磨粒流 加工后的效果，认为初始表面和磨料粘度对加工表面的粗糙度有重要影响。并认为 e d m ( 电火花加工) 后的表面最适于用磨粒流加工啪1 。利用一种数据依赖系统( d d s ) 研究 磨粒流加工后的表面建立随机模型，并且通过声波检测的方法来监测磨粒流加工。这 些研究结果表明磨粒流粘度和加工压力对粗糙度和材料去除量有重要影响，并认为主 要的加工在开始的几个循环中比。通过描述周边表面上流动的悬浮磨料微粒产生的力 的框架，利用有限元模拟流束中二维平面刨削来证明悬浮物质变形与磨料微粒工 件壁作用力之间的关系，可以确定磨粒流加工中存在的“分散压力增加了磨粒流加 工中的切削作用，“分散压力”是因作用于磨料微粒上的压力与作用于包围磨料微粒的 介质( 载体) 上的压力不同产生的乜2 h 2 射。也有外国学者通过研究磨粒流加工中流体磨 料的流变学特性，提出了一种切削比能与切削力计算的模型，在牛顿流体假设下建立 了磨粒流加工直孔的模型及有限元求解的方法，并建了一个磨粒流加工的简单的神经 网络模型。用神经网络的方法确定磨粒流加工中的参数，并将此方法应用到发动机的 加工中，试验表明该方法能较好地预测加工结果啪】- 2 8 】。 由于磨料微粒在介质中分布的内在随机性和变量的多样性，磨粒流加工工艺的理 论和试验研究遇到了很大的阻碍。同时由于人们缺乏对磨粒流介质性能以及材料去除 的复杂性和随机性的认识了解，磨粒流加工工艺的建模也是很复杂的。研究发现，磨 粒流介质的粘度受温度的影响最大，高粘度的磨粒流介质甚至会由于温度的很小升高 ( 2 。c 1 0 ) 而急剧下降。这些结果表明，温度从低往高上升，基体介质的粘度会发 生变化。因此，研究磨粒流加工过程中的温升具有十分重要的实际和理论意义啪卜b 。 通过考虑磨粒流加工工艺参数( 如磨粒粒度、挤压力、工件材料硬度、挤压的往复周 期数和主动磨粒的数目) ，能够建立磨粒流加工过程中每单位体积材料去除所消耗的能 量比能和切向力的模型，有助于分析磨粒流加工中工件和磨粒流介质的热传导以 及工件温度与磨粒流加工工艺参数之间的关系，并将理论计算结果与试验结果进行比 较分析h 3 引。 1 3 3 磨粒流加工与其它工艺的结合研究埘1 1 磁性辅助磨粒流加工 磁性辅助磨粒流加工工艺，其方法是将磁性磨料加入载体中形成磁性流体磨料。 在被加工件外安装专门设计的电磁铁，电磁铁安放在不导磁的夹具中。当磨料挤压通 过工件内腔时，由于磁力的作用磁性磨粒被吸引到工件的表面。试验表明磁性辅助磨 粒流加工的金属去除量比普通磨粒流加工大，对某些材料( 如黄铜) 可有效降低表面 的粗糙度。 2 超声波磨粒流加工 超声波磨粒流；b n - r - ，即将超声波加工与磨粒流加工结合在一起。加工中流体磨料 挤压通过超声波换能器与出口的中心线，流体磨料相对于换能器轴线放射状流动，同 时在换能器作用下，流体产生超声振动，在流动与振动共同作用下抛光工件表面。 3 振动抛光 柔性磨料振动抛光( s t v m ) 工艺，其原理是将柔性磨料( 流体磨料) 加压注入需抛 光的孔腔中，使其与孔腔壁完全吻合，施加一定压力后，向工件施加振动力f ，柔性磨 料与工件一同振动，因柔性磨料的粘弹性变形恢复具有滞后性，相对于工件孔腔产生 振动位移，达到抛光的目的。振动抛光的主要特点之一是消除了普通磨粒流中流体磨 料的剪切变稀现象，加工效率大幅度提高。振动抛光加工后，工件表面粗糙度达 r a 0 0 1 2 。0 8 m m 。 1 4 课题来源和研究内容 该课题是为企业解决“喷油嘴磨粒流超精密抛光技术”而开展的研究。受技术保 密性因素的影响，磨粒流介质( 即磨料) 参数的研究将是一个重点和难点。另外，国 内研制的磨粒流抛光装备尚不能对直径在0 1 5 m m 的孔径进行抛光加工，而国外进口 的装备价格高昂，使企业难以承受。因此，迫切需要研制一套结构简单、成本低廉、 满足加工质量要求的磨粒流抛光装备。针对发动机喷油嘴的抛光要求，本研究课题主 要将着重完成以下几项工作： 1 磨粒流抛光加工理论分析 对磨粒流抛光加工技术进行系统的理论研究，通过建立喷油嘴磨粒流抛光加工的 磨料流动特性模型，对磨料在喷孔内抛光时的压强与速度分布进行分析和讨论，并将 分析磨料微粒的受力情况，在微观上对磨粒流抛光加工的原理进行理论把握，为自主 设计制造磨粒流抛光装备和配制磨料提供理论保证； 2 磨粒流加工装备与夹具设计 磨粒流加工装备的基本功能是提供一定的工作压力，驱使加工介质完成所需要的 工作。需要保证针对不同零件调整不同的加工参数，满足加工要求；夹具的功能主要 是把工件固定在所需的位置上，引导磨料的流向。正确设计夹具并保证磨料在通道中 流动稳定可获得一致的、可预见的加工效果。因此，将根据课题要求设计一套实用的 磨粒流加工装备与夹具； 3 磨粒流介质参数研究 磨粒流介质是磨粒流j n t _ 技术中最关键的部分，因此，需要对磨粒流介质的参数 进行研究，从而配制出一种新型的磨粒流介质； 4 磨粒流工艺试验与检测 通过对试验后的零件进行检测与分析，确定最佳的加工工艺参数，主要包括：工 作压力、磨料流速、工作行程与加工时间等，为后续的磨粒流抛光技术的研究提供数 据支持。 第二章磨粒流抛光加工理论分析 由于磨料具有一定粘性，因此在运动过程中，表面应力除了有法向应力外还有切 向应力。当磨料在喷油嘴喷孔内部流动时，紧贴管壁的流体质点将粘附在孔壁上，它 们与孔壁的相对速度为零。在孔壁上和管中心处的流体之间必定有一个由孔壁速度过 渡到孔中心处流体速度的流速变化区域。也就是说，在垂直于流动的方向上存在着速 度梯度。因此，有必要建立磨料在喷油嘴喷孔内的压强与速度分布规律模型，从而对 磨料在小孔内的流动特性加以分析和规律把握。 2 1 磨料在喷油嘴喷孔内的压强分布规律模型 在运动着的磨料流体中取一无限小平行六面体微团，如图2 1 所示。六面体的3 边长为d x 、d y 和d z ，分别平行于x 、y 和z 轴。由于所选取的六面体无限小，可以近 似地认为作用于同一作用面上各点的应力相等。作用在6 个表面上的应力，不仅有法 向应力，还有切向应力，其合应力不再垂直于所作用的表面，而与作用面成某一角度。 仃。+ 盟出 + 戤 批 方 图2 1 无限小平行人面体微团 在这个六面体的每个表面的各点上都作用有一个法向应力和两个切向应力。假设 所有的法向应力都以作用面的外法线方向为j 下，经过图中a ( x ，y ，z ) 点的3 个表面 上的切向应力的方向与坐标轴方向相反为正，其它3 个表面上的切向应力的方向与坐 标轴方向相同为正。图中按j 下向标出了微小平行六面体6 个表面上的法向应力和切向 应力。6 个面上共有1 8 个应力。在过a 点垂直于x 、y 、z 轴的作用面_ k n 应力可以分 解为 勿乞 7 l f 声、 仃拶、f _ ，i ： ( 2 1 ) f 荔、z 巧、仃。j 其中，法向应力 z 切向应力 第一个下标表示应力所在平面的法线方向，第二个下标表示应力本身的方向。这3 个作用面上的9 个应力就表示了a 点的应力状态。 取六面体中心点m ，将作用于六面体上的所有表面力和质量力，对通过六面体中 心点m 且与z 轴平行的轴线取力矩，如图2 2 所示。由于6 个面上的法向应力的合力 通过六面体中心，对m 点的力矩为零。作用于六面体上的质量力也通过中心点m ，所 以也对m 点不产生力矩作用。也就是说，只有切向应力对m 点产生力矩。取力矩逆时 针方向为正，顺时针方向为负，则表面力对该轴的力矩之和为 2 m 一声砒譬一眩+ 鲁咖舭譬方出了d x + + 鲁出舭譬 泡2 ) d 图2 2 对通过人面体中心点m 且与z 轴平行的轴线取力矩 根据转动定律： y m = j a j = p d x d y d z ( d r ) 2 其中，厂磨料微团对通过其中心点m 且与z 轴平行的转动惯量； a 角加速度； 咖转动惯量半径。 将转动定律代入式2 2 合并后化简得 飞) a x d y e z + ( 鲁出一鲁e y ) 半一舭( 坩口 略去上式中的四阶和五阶无穷小量，得 胛一f 惯) 出e y e z 一0 因此得 f 叫2z ) 谭 同理可得 气，z 飞巧 f “2 f e ( 2 3 ) 从以上推导中可以看出，磨料中任意一点应力状态的9 个分量中只有6 个是独立 的，即3 个相互垂直的法向应力和3 个切向应力。 工 图2 3 平面直线流动 现在假设磨料中有一如图2 3 所示的平面直线流动。取距离缈的两条流线i 和i i ， 在t 时刻截出一个小矩形面积a b c d 。在t + 缸时刻，这一面积向右移动了某一距离。 由于上边口点的速度大于下边a 点的速度，a 、b 间存在相对运动，矩形变为平行四 边形。a b 边在移动的同时还发生了转动，在t + 时刻a b 边移动到a b 位置，转过 的角度a o 为 口t a n 口：b b - a a ：! ! 兰垒! ! ! 竺二! ! 竺；垒竖址 a b a ya y 址一o 时，则有 d o d v 。 出 方 即磨料微团的角变形速度等于垂直于流动方向上的速度梯度。 由牛顿内摩擦定律 口1 ， f = “二 。方 可得 d 口 f = “ 。出 上式表明，相邻两流体层间的切向应力与角变形速度成正比。 根据流体微团平面运动时的角变形速度公式 2 ”誓+ 誓 d xd v 切向应力f 可写成 ( 2 4 ) ( 2 5 ) f ：f 一；2 l a y ， ( 2 6 )f2 f w2，z l ， 这里假设磨料的粘性在各个方向上都相同，即磨料的粘性是各向同性的，则可得 到切向应力与角变形速度之间的关系 矿驴2 肌叫等+ l 驴驴2 肌州等+ - 7 ， i f 。= k = 2 a y y = ( 堡o x + 监o z ) j 上式说明磨料内部的切向应力等于磨料的动力粘度与角变形速度的乘积。 由于磨料属于粘性流体，磨料微团除了产生引起切向应力的角变形外，同时还发 生直线变形，使磨料微团伸长或缩短，法线方向上的直线变形在磨料中引起了附加法 向应力。由于沿各方向的直线变形速度不同，使沿各方向的附加法向应力不相等，从 而使各方向的法向应力也不相等。假设磨料中的法向应力为 羞) 仃。一p 脚誓1 驴训2 专 汜 吁州2 警j 将上式中的3 个法向应力相加，得 鸭鸭一胛( 誓专+ o 叱v a ) 由于磨料可压缩性很小，可以认为其是不可压缩粘性流体， ( 2 1 1 ) 因此有连续方程 监+ 盟+ 兰；o 缸 砂 o z 所以由式2 1 1 得 p = 一；1 ( 仃。+ 仃+ 仃。) ( 2 1 2 ) 这里的p 就是磨料在喷油嘴喷孔中流动时的压强，它等于给定点上任意3 个相互 垂直微元面上法向应力的算术平均值。由此可见，尽管磨料中任意一点的3 个相互垂 直的法向应力可能各不相等，但是压强p 不随方向而改变。 2 2 磨料在喷油嘴喷孑l 内的速度分布规律模型 如图2 1 所示，作用在磨料微团上的各法向应力和切向应力已表示在图中。作用 于磨料微团上的单位质量上的质量力的3 个分量分别为六、和疋。对磨料微团应用 牛顿第二定律，则沿x 轴方向的运动微分方程为 脚出警；f p d x d y d z a 叫d y d z + ( + 等出) 抛一取抛 化简后得 + p f + o 砂f y x 咖) 比出一吆出咖+ p 。+ 誓出吣 ( 2 1 3 ) 鲁= 丘+ 吉c 警+ 等+ 争1 同理得 f d 出v _ _ z y 啪吉c 等+ 鲁+ 争广 汜 等= 九+ 吉c 等+ 鲁+ 鲁，j 将切向应力与法向应力的关系式2 7 和式2 1 0 代入上式，得 警= 兵+ 吉忙 一p + 2 肛鲁卜专心誓+ 等) + 昙心誓+ 誓) 小石li a p + 目警+ 矿0 2 v y + - 1 9 叫2 v zi 蕊pa ( a 觑v r 一专+ 誓) 监+ 堕+ 丝；0 o x a y a z 将其代入上式，有 鲁! p 虫o x 巾l l ( 0 2 v ：x + 矿0 2 v y + 鲁) 亿 利用拉普拉斯算子v 2 ；鲁+ 熹+ 导代入式2 1 5 ，得 警= 六一万l 面a p + 缔p 匕、 同理得 i 等咖吉号+ 钞，产 亿 盟：，：一三望+ 兰v 2 y ： jdt 。pa zp 7 上式即磨料在喷油嘴喷孔内的运动微分方程。 将喷油嘴喷孔内磨料流动平面置于坐标系冽内，假定磨料沿着x 轴正向流动，如 图2 4 所示。则式2 1 6 中氕= o ，l 一一g ，九一0 ，y ，- 0 ， ，：= 0 。又由于磨料流 动是定常的，所以有监o t = i o v y = 等= 。因此，运动微分方程2 1 6 可简化为 y 睾- 一净氖+ 等) 飞 汜1 7 ) 一昭；望a y j c 2 8 ， 将v ，= 。，也= 。代入连续方程誓+ o a v v _ 上r + 誓= 。可得 盟：0 a x ( 2 1 9 ) 图2 4 磨科在x o y 截向内各点流速 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 7 ) 得 罢t 争 汜2 0 ， 根据( 2 1 9 ) 式可知，y x 仅是坐标y 的函数，即y x 只沿着y 方向变化，因此可以 将上式右端由偏导数改写成全导数形式，即 罢= 告 对上式进行二次积分，得 比一五li a py 2 + c l y + c 2 ( 2 2 1 ) 根据边界条件来确定积分常数c 。和c ：，边界条件为 在y ；0 处，叱= 0 在y = b 处，匕= 0 代入式( 2 2 1 ) 可得 rb 印 l 1 = 一一一 1 2 “o x c 2 = 0 于是速度分布为 v ，一乏l o 麟p ( b y y 2 ) ( 2 2 2 ) 这一结果表明速度分布呈抛物线规律，也就是说，在整个喷油嘴喷孔内的磨料流 动速度呈抛物面舰律。 2 3 磨粒流抛光加工中的磨料微粒受力分析 喷油嘴磨粒流抛光加工时，喷孔作为圆形孔道加工，截取其中一段磨料，可简化 成如图2 5 的磨料柱，长度l ，磨料进入喷孔孔道时的作用力为只，流出时所受的压 力为只，孔径为d ，磨料微粒所受的剪切应力为了。而磨料微粒在一定压力只的作用 下是作匀速运动，则其作用力的平衡方程式为 ( 最一只) 譬一石讲l ( 2 2 3 ) 因此 f ；舻旦( 2 2 4 ) 4 l 其中 a p = 置一只 f - - - - - - 一i 、厂 l i i l i i l 图2 5 喷孔内磨料柱的受力情况 一卜二二_ 一 只 单个磨料微粒受力状况见图2 6 。图中p ，为剪切应力f 所产生的切向推力，p 为 磨料微粒对被加工表面的法向应力，p ；为切削抗力的切向分力，群为切削抗力的法向 分力，m 为阻力矩。通常磨粒流加工时，所设定的加工压力在一次加工过程中是不变 的，磨料匀速运动，磨料微粒在运动时受到的作用力，基本处于平衡状态。其中阻力 矩m 在加工过程中由磨料载体和磨料微粒之间的粘滞阻力矩m7 来平衡。磨料在加工 过程中，沿着光滑的喷油嘴中孔运动，磨料微粒沿中孔孔壁滑动，微粒受到的两力矩 平衡，微粒受到的法向力r 较小，因此磨料微粒切削力小。当磨料进入喷孔，从喷孔 挤出时，由于中孔与喷孔相贯处的表面粗糙度较大，毛刺较大，磨料受到阻力矩m 加 大，此时在切削点上磨料微粒产生相应的法向力p 增大，法向切削效果也变得明显。 并且这个法向力p 与磨粒流介质的粘弹性有关，磨粒流介质的粘弹性越强，法向切削 图2 6 单个磨料微粒受力分析 力越大，切削效果也越明显。由于磨料是一种粘弹性体，其粘滞阻力是由磨料配比确 定的，当工作压力一定时，磨料微粒受到的法向力r 是一定的，当遇到的阻力超过法 向力r 时，磨料微粒会产生退让。这样只要工作压力调整合适，在切削过程中不会 破坏中孔原先已加工好的部位，而在中孔与喷孔相贯处可获得一定的圆角，降低喷孔 表面的粗糙度。 由于磨料在喷孔中是匀速运动，所以同一直径上各点的f 值相同，其在喷孔磨料 柱中的截面变形状态如图2 7 所示。其中，o r 为切向应力、口为法向应力。当磨料受 的剪切应力r = 0 时，仃= 0 ，d ；0 ；当磨料受的剪切应力r 乒0 时，磨料柱收缩，产生 切向应力仃和法向应力o r 。 仃7 = 0 0 - r 0 0 = 0 图2 7 磨料柱截面变形状态 法向应力盯7 垂直于被加工喷孔孔壁，并且是孔半径，的函数，当磨料微粒运动方 向的截面积为s ( ，) 时，磨料微粒产生的作用力为 p = c 盯( ，凇( ，) ( 2 2 5 ) v 0 这个作用力垂直于被加工的压力室孔壁，并与磨料的弹性、粘度和磨料微粒粒度 有关，磨料的粘度越大，p 作用力越强，切削效果越明显。 第三章磨粒流抛光装备设计 通过对磨粒流抛光加工原理的分析可知抛光装备需要由床身、动力装置、磨料 缸、控制系统、夹具和其它辅件等组成。本章主要是根据喷油嘴零件的结构特点，如 图31 和图32 所示，依据磨粒流加工的原理，利用c a t i a 软件进行三维装各结构设 计，针对装备主体进行方案设计、分析与选择，最终设计形成一套适用的磨粒流抛光 装备。 图3l 喷油嘴三维图 幽32 喷油嘴 涉 31 磨粒流抛光装备主体设计 目前国内外的磨粒流加工基本都是采用两个相对磨料缸，即磨料在零件内部往复 运动的方式，如图33 和图34 所示，这种布局方式是目前国内外研究人员和研究机 构采用的基本形式。 图33 两个相对磨料缸的加工方式 幽34 两个相对磨料缸的加上方式( 爆炸图) 15 - * 科缸2 4 兴具3 一喷油嘴 但是，在对喷油嘴喷孔进行磨粒流抛光时，磨料往复流过喷孔会在喷孔外缘形成 一个如图35 所示的圆角这会使喷油嘴的喷油角度变大很多，这是不允许的。因此， 必须考虑选用其它方案进千设计。 311 抛光装备方案设计 图35 喷孔外缘形成圆角 根据以上分析，决定选用“单侧挤压磨料流过喷孔”的加工方式进行磨粒流抛光 加工，制定了两套设计方案，并均使用c a t i a 软件进行了详细的三维结构设计。 ( 一) 方案一 本设计方案采用两个电动推杆提供动力，两个磨料缸分别为主磨料缸和回料缸， 通过支承座安装固定在工作台面上，如图35 所示。喷油嘴固定在夹具内，如图37 所示。 幽36 磨粒流抛光装备总体设计方寰 夕 图37 夹具与喷油嘴 l 3 夹具2 喷油嘴 如图3 8 所示，进行磨粒流加工时，先打丌阀门3 ，关闭阀门5 ，然后启动电动推 丰t 向l j i 推动土磨料缸1 内的活塞，同时启动另外个电动推杆向后拉动回料缸6 内的 活塞，从而挤压主磨料缸1 内的磨料流过央具与喷油嘴2 ，经连接弯管4 流八回料缸6 。 当主磨料缸1 内的活塞到达前端行程限位时，回料缸6 内的活塞到达后端行程限位， 此时停止电动推杆工作，关闭阀门3 ，打开阀门5 ，启动两个电动推杆并令其按与先| i 相反的方向施加推、拉力，此时磨料经阀门5 流入主磨料缸，当回料缸6 内的活摩到 达前端行程限位时，主磨料缸1 内的活塞到达后端行程艰位，此时停止电动推杆工作， 这样就完成了一次加工循环。通常的零件加工需要几次循环才能完成。 幽38 磨料缸与夹具2 问的连接关系 辫料缸2 央兵0 喷油嘴3 5 哺门4 连接弯管6 。l 料缸 2 3 - ( 二) 方案二 本方案采用一个电动推杆提供动力，一个主磨料缸，一个集料箱，均通过支承座 安装固定在工作平台e ，工作平台固定在基座上，如图3 9 所示。 图39 磨粒流抛光装备总体设计方案一 1 基座2 一电动推杆3 磨料n4 集料箱5t 作、r 告 进行磨粒流加工时，启动电动推杆2 ，向前推动磨料缸3 内部的活塞，挤压磨料流 过喷油嘴，在喷油嘴前端放置一个集料箱，磨料被挤出后直接进入此集料箱内。当电 动推杆到达前端行程限位时，先暂停电动推杆然后启动反转向后拉动活塞，到达 后行程限位时停止工作。这样，一个加工行程完成，如想继续加工，则需手动打开磨 料缸的进料口，将集料箱里的磨料倒入磨料缸关闭进料r n 后叩可进行下个加工行 程。工件、夹具和磨料缸之间的关系如图31 0 和图31 1 所示，集料箱前端的长管完 全罩住了工件，保证挤压出的磨料能顺利回收。 陶31 0j 忭，夹且、磨料缸和集料箱问的咒系 图3l l 工件、夹具、磨料缸和集料箱之间的关系( 穆开集料箱后) i 磨料缸避料口2 - 支承庄3 一夹具4 工件5 集抖箱 3i 2 抛光装备设计方案分析与选择 通过分析以上两套方案的设计，可以看出都有各自的优缺点： 1 结构都很简单，加工可控性好，结构强度、剐度和抗振性均容易保证要求； 2 都设置了行程限位装置，能够确保同一批工件的加工质量基本相同； 3 共同的缺点就是结构过于简单，自动化程度不高，不利于批量化生产加工； 4 就这两套方案对比而言，方案一的装备只需要一次舔加磨料就能完成一个零件 的多个工作行程，而方案二的装备在加工时每个工作行程都需要添加一次磨料，如果 一个零件需要多个工作行程才能完成，则需要进行多次人工添加磨料，自动化程度相 对来说更低； 5 方案二比方案一少了一套电动推杆和一个磨料缸，整体结构也更为紧凑，成本 大大降低。 综合以上分析，考虑到成本、满足加工质量要求和适用于小批单件生产等需求， 最终确定选用第二套设计方案作为磨粒流抛光装备的制造方案。除上面介绍的优缺点 以外，该设计方案还具有以下特点： 1 采用