（机械制造及其自动化专业论文）激光微加工熔凝区的磨粒流抛光机理研究.pdf

激光微加工熔凝区的磨粒流抛光机理研究 摘要 本文为研究磨粒流抛光激光微加工表面熔凝区的可行性，构建了旋转式磨 粒流抛光装置并配制了三种磨料对激光微加工铜片进行抛光实验。旋转式低压 磨粒流抛光装置通过旋转轴带动铜片在充满磨料的磨料杯中快速旋转，磨料中 磨粒磨损铜片表面从而达到抛光目的，密封盖起到定容作用，密封盖上可添加 一定质量砝码实现加载作用。 实验依次选取磨料种类、挤压力、抛光时间、激光加工参数为变量，测得 材料去除量、表面形貌、熔凝区面积占有率的变化，分析各因素对抛光效果的 影响。结果表明：采用磨粒流抛光可有效去除激光加工熔凝区；材料去除量会 随磨粒浓度、抛光时间呈非线性增长，随挤压力呈接近线性增长；抛光初期表 面粗糙度变化幅度较小，抛光一段时间后变化幅度会显著增大。 在实验的基础上，用显式有限元法对磨粒流加工过程做了一些仿真和分析。 分别模拟了不同速度、挤压力、磨料种类下，磨粒与试件表面问的相互作用， 得到模型中应力、能量的变化规律。 关键词：磨粒流加工熔凝区磨料挤压力数值模拟 i n v e s t i g a t i o ni n t ot h em e c h a n i s m o fa b r a s i v ef l o w m a c h i n i n g o nm e l t i n ga r e ao fl a s e rm i c r o p r o c e s s i n g a b s t r a c t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo fp o l i s h i n gm e l t i n ga r e ao fl a s e rp r o c e s s i n gb y a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ，ar o t a t i n ga b r a s i v ef l o wm a c h i n i n gd e v i c ew a sc o n s t r u c t e da n d t h r e ek i n d o fm e d i aw a sc o n f e c t e df o re x p e r i m e n t sw i t hc o p p e rs a m p l e sw h i c hw a s p r o c e s s e db yl a s e r t h ec o p p e rw h i c hi sd r i v e nb ya x i sr o t a t er a p i d l y i nm e d i u mc u pw h i c h f u l lo fm e d i u m a b r a s i v ew e a rc o p p e rs u r f a c es oa st oa c h i e v ep o l i s h i n gg o a l c l o s u r e sp l a y t h er o l eo ft h ec o n s t a n tv o l u m e s o m ew e i g h tc a nb ea d d e do ni tt oa c h i e v el o a d i n g t h et y p e so fa b r a s i v e s ，p r e s s u r e ，p o l i s h i n gt i m e ，t h el a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a s s e l e c t e di nt u r nf o rt h ev a r i a b l ea n dt h ec h a n g eo fm a t e r i a lr e m o v a lv o l u m e ，s u r f a c e m o r p h o l o g ya n dm e l t i n ga r e as h a r ew a sm e a s u r e dt oa n a l y s i st h e e f f e c to ft h e mo n p o l i s h i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：m e l t i n ga r e ao fl a s e rp r o c e s s i n gw i l l b ee f f e c t i v e l y r e m o v e db ya b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g 。m a t e r i a lr e m o v a lv o l u m ew i l li n c r e a s en o n l i n e a r l y w i t ht h ei n c r e a s eo fm a c h i n i n gt i m ea n dm e d i u ms p e c i e s ，a n dw i l l i n c r e a s ea l m o s tl i n e a r l y w i t ht h ei n c r e a s eo fp r e s s u r e t h em a g n i t u d eo ft h ec h a n g eo fs u r t h c er o u g h n e s si sl o wi n i n i t i a ls t a g ea n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e di nt h e b l l o w i n gt i m e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h e a b r a s i v ef l o wp r o c e s s i n g s i m u l a t i n gt h ei n t e r a c t i o no fa b r a s i v ea n dc o p p e rs u r f a c eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs p e e d ，p r e s s u r ea n dt h et y p e so fa b r a s i v e sr e s p e c t i v e l y su m m a r i z e d t h ev a r i a t i o no fs t r e s sa n de n e r g yi nt h i sm o d e l k e y w o r d s ：a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ，m e l t i n ga r e a ，m e d i u m ，p r e s s u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 致谢 时光荏苒，岁月如梭。弹指间，三年研究生生活即将结束。在论文完成之 际，首先向我的恩师刘熄教授致以由衷的谢意! 从开题报告到中期检查，从论文 初稿到修改润色，刘老师都给予了专业的指导。刘老师渊博的学识、深厚的学术素养 使我逐渐领悟到科研的真谛；严谨的科研态度、一丝不苟的工作作风使我深刻领会到 “细节决定成败”这句话的深意。再次感谢老师，祝老师身体健康工作顺利! 感谢王伟老师在研究生期间对我的悉心指导。从进入实验室以来，您引导我研究 工作的每一步进展。试验装置的搭建过程中，您帮助没有经验的我克服重重难关。感 谓 摩擦所的各位老师：焦明华、胡献国、俞建卫、解挺、尹延国、田明和徐玉福等， 在我读研期间为我创造了良好的学习环境，并对我的课题研究提出很好的建议和指 导，在生活各方面也给予我诸多帮助。 感谢我的各位师兄师姐师弟师妹：赵明、张伯平、刘仕冬、李兵、李见、周洋、 胡恩柱、贾文斌、杨j i l 江、朱桂庆、王智勇、王森、王爱彬、李杨等，我的同学：徐 新泉、程亚洲、董慧芳、李媛等，在学习和生活过程中给予我大量的关心和帮助。感 谢所有支持关心我的同学和朋友。 特别感谢我的父母，二十余年过去，许多父母都已退休在家享清福。他们还是一 如既往的站在我身后默默地支持我，助我完成学业。焉得谖草，言树之背，养育之恩， 无以回报。 最后，感谢参与论文评审和答辩的各位专家教授，能在百忙之中抽出宝贵时间对 沦文进行评阅和审议 作者：张志斌 2 0 12 年0 4 月 插图清单 图1 1 磨粒流加工机床2 图1 2 小型a f m 机器组装图3 图1 3 磨料照片一4 图1 4 周期数影响一5 图1 5 不同流速下磨料流动示意图6 图1 6 磨粒粒度对材料去除量的影响7 图1 7 磨粒粒度对r a 影响7 图1 8 以黄铜( a ) 铝( b ) 作为材料，磨粒百分比浓度对材料去除量的影响8 图1 9 磨粒百分比浓度对：工件r a 、a r a 的影响9 图1 10 撕裂模型中，温度5 5 时，应变对撕裂强度的影响l o 图1 11 剪切率对s b r 剪切粘度影响_ 1 1 图1 1 2 磨料热稳定性1 2 图1 一1 3 混合磨粒流加工工艺1 3 图1 1 4 球形磨粒与工件表面作用示意图1 4 图1 15 不同压力差条件下边界层与壁面的流速差分布1 5 图1 16 不同粘度条件下出口截面上磨粒流的径向流速分布图1 5 图2 1 磨粒流抛光装置示意图2 1 图2 2 磨粒扫描电镜照片2 4 图2 3 磨料照片2 5 图2 4 黄铜圆片2 6 图2 5 激光打标图案2 6 图2 - 6y l p f 1 0 光纤激光打标机2 7 图2 7 低压磨粒流抛光实验流程图2 8 图3 1 抛光前后试件照片3 2 图3 2 点、线区域显微镜照片3 7 图3 3 面状区域显微镜照片3 9 图3 4p = 1 0 w 、n = 4 次、宽度o 1 0m m 的线区域抛光前后轮廓仪测试图错误! 未 定义书签。 图3 5p = 1 0 w 、n = 1 次、宽度0 1 0m m 的线区域抛光前后轮廓仪测试图错误! 未 定义书签。 图3 - 6p = 5 w 、n = 4 次、宽度0 1 0m m 的线区域抛光前后轮廓仪测试图错误! 未定 义书签。 图3 7 抛光时间对熔凝区轮廓影响错误! 未定义书签。 图3 8 区域形状对熔凝区轮廓影响错误l 未定义书签。 图3 9 磨料种类及抛光时间对材料去除量的影响4 4 图3 1 0 激光加工参数对材料去除的影响4 5 图3 1 1 挤压力对材料去除的影响4 5 图3 。1 2 磨料种类及抛光时间对材料去除的影响4 6 图3 1 3 激光加工参数对表面形貌的影响4 7 图3 1 4 挤压力对表面形貌的影响4 8 图4 1 氧化铜的真实应力与塑性应变关系曲线5 0 图4 2 常用积分单元对比- 5 2 图4 。3 圆形单颗粒模型5 3 图4 4 圆形多颗粒模型5 5 图4 5 复杂形状多颗粒模型5 6 图4 6 模型在挤压力1 6 8 k p a 时的应力云图5 8 图4 7 凸起区域上挤压力对m i s e 应力分布影响5 9 图4 8 交线上挤压力对m i s e 应力分布影响5 9 图4 - 9 颗粒速度对凸起区域m i s e s 应力分布影响6 0 图4 1 0 颗粒速度对熔凝区、基材交线的m i s e s 应力影响6 1 图4 一l l 模型内能分析6 2 图4 1 2 模型摩擦耗能分析6 2 图4 1 3 圆形多颗粒模型应力云图6 4 图4 1 4 圆形多颗粒模型不同区域上内能分析6 5 图4 15 单颗粒模型与多颗粒模型内能对比6 5 图4 1 6 单颗粒模型与多颗粒模型摩擦耗能对比6 6 图4 1 7 模型粘性耗能分析6 7 图4 1 8 复杂形状多颗粒模型应力云图6 9 表格清单 表1 1 颗粒流分类1 7 表2 1 磨料组分配比2 4 表2 2 激光打标机技术指标2 6 表2 3 实验变量3 0 表3 1 熔凝区抛光前后能谱图4 0 表4 1 材料h 6 2 黄铜塑性阶段应力一应变数据5 0 表4 2 材料氧化铜塑性阶段应力应变数据5 1 第一章绪论 1 1 导言 随着科学技术的发展，保证零件在高压、高温、重载、高速以及强腐蚀等 极端条件下工作的可靠性的需求日益增高。此类特殊零件很难在满足经济性要 求的前提下采用传统机械加工方法完成，因此各种特种加工技术应运而生，如： 高能束流加工技术、电加工技术、物料切蚀加工技术及其他复合加工技术等。 激光加工就是一种应用广泛的高能束流加工方法，可加工高熔点、高硬度的脆 性材料。在较多场合下，激光加工效率高、无污染、噪声小、导向性好、经济 性好，因此激光加工技术正逐步得到国内外企业界的重视和采用，在热处理、 切割、打标、打孔等应用领域中所占份额稳步提升j 。但激光加工后表面往往 存在0 1 01 t 1 1 t i 数量级厚度的熔凝区，且熔凝区上分布着深浅不一的微裂纹，有 些裂纹甚至延伸至基体，这一现象直接缩短激光加工件的疲劳寿命 2 1 。目前国 内外主要采用辅助气体喷剩一激光加工技术1 3j 、超声辅助激光加工【4j 、喷射液束 电解一激光复合加工技术【5j 等措施去除激光加工熔凝区，均取得了一定的效果但 应用并不广泛。针对这一现象，本文提出采用磨粒流加工技术去除激光加工熔 凝区。在下一节中将对磨粒流加工技术进行详尽论述。 1 2 磨粒流加工概述 磨粒流加工工艺( a f m ) 是19 6 0 年后开发的一种非传统加工工艺，是一 种材料去除量小、效率高、经济性好、精度高的物料切蚀加工技术也川。m c c a r t y 【6 j 将其描述为一种挤压珩磨方法。a f m 加工最初被用于航天器阀门和机身去毛 刺，需通过2 0 倍显微镜检测加工效果，如今已被广泛应用于：翼型叶轮表面， 挤出模具，焊接喷嘴 15 1 ，弹簧加工【16 1 ，电火花加工( 线切割) 的微通道缝 1 7 - 1 9 , 5 0 ， 柴油喷射器喷嘴拉o ，2 1 ，4 圳的磨光等。 磨粒流加工原理就是以一定的压力强迫含磨粒的粘弹性物质( 半流动性的 粘弹性体，或称其为柔性磨料、粘弹性磨料) 通过被加工表面，利用其中磨粒 的微切削作用去除工件表面微观不平材料从而达到对工件表面光整加工的目 的。对于塑性材料主要是微犁割和微切削为主，当磨粒对被加工零件施加切削 力后，材料本身即开始产生塑性变形。持续一段时间后，原塑性变形区逐渐屈 服，材料因被破坏、断裂而去除。对脆性材料则以微裂痕方式呈现。脆性材料 在承受应力负荷时，由于本身没有塑性材料屈服阶段作为材料破坏前的缓冲， 在不断地应力累计后，便快速的达到破裂的状态。进而在表面开始产生微裂纹， 使应力持续的集中于所产生的裂缝上，促使微裂纹区域产生较高的应力集中现 象，从而导致材料被急剧的破坏去除。 磨粒流加工装置主要由3 部分组成 4 9 , 5 0 ：机床、磨料、夹具。常用的各种 型号的磨粒流加工机( 如图1 1 ) 包含2 个垂直对置的磨料缸，中间通道由夹 具和工件组成。通过反复挤压磨料使其从一个缸到另一个缸，磨料通过受限区 域流过工件时对工件产生磨削作用。 商用机床通常可控制挤压力，机床可提供从7 到2 0 0b a r ( 1 0 0 到3 2 0 0p s i ) 的挤压力。流量可超过每分钟3 8 0 公升( 1 0 0 加仑) ，流量取决于每个周期磨 料流量与完成工作需要的总周期数。这些参数都可在机床上进行设置。 图1 1 磨粒流加：i ：机床 也有些以实验研究为目的而制造出的迷你磨粒流加工机8 】( 如图1 2 ) 。图 中机器的磨料缸中添加了尼龙套，除了作为夹具外还可形成一个无流通区域， 以减少加工所需挤压力。 2 沁一 一l 擀嚏- ，照 j 7u g 戳 ，t - 一一一。 一： 、 ：! t 浚嚣 b ，i jo i 鲤l 霹 影 ；i 。! 蔓 嚣， 蓬羹懑 i - ￥1 耩，一，： 一i 、 ， 羹豢! 豳，- ；留一0 ，一oj ，曦萨髫 一墨黪 。j z ：i i 雾鬻产 潮 一 圈引 器 溺 a , -；7 i ： 匿 靠! j 孵! 簿 ：i ! l 一一 ，l i 蔓 图1 2 小型a f m 机器组装幽 注：1 黄铜轴衬；2 缸盖；3 磨料缸：4 活塞套：5 活塞；6 下端活塞杆；7 上端活塞 杆：8 支柱；9 支柱与加压板间连杆；10 尼龙套；11 ：f i 二夹具吲定块；1 2 i i l i f l ：夹具； 13 加压板；1 4 中心架 夹具实现工件固定并保证磨料流经加工区域完成加工。多数a f m 工艺只 需要简单的央具，典型的模具制造不需要夹具，模具加工通道本身就可使磨料 流动受限。对于外部边界或表面，夹具被用来限制零件外部和夹具内部问磨料 的流动。夹具也可在加工区域起到限制流动作用或阻止磨料流过无需加工的区 域。 磨料由柔软的半固体载体和一定浓度的磨粒组成( 如图1 3 ) 。常见的磨 粒是碳化硅、碳化硼、氧化铝，有时也使用金刚石。不同的磨料粘度、磨粒尺 寸、磨粒种类、磨粒浓度对加工效果都将产生一定的影响。当加工区域受挤压 力作用时，磨料粘度上升，对磨粒施加一个合适的支持力，磨粒只有在这种粘 度状态下才可以随着载体的流动磨削加工区域，达到加工目的。当磨料流出受 限区域时磨料粘度恢复正常，产生少量磨损或无磨损。 ( a ) 磨料( b ) 碳化硅磨粒 图1 3 磨料照片 在机床、磨料、夹具3 要素中，尤以磨料地位最重，也是商业磨粒流加工 的核心技术所在。 1 3磨粒流加工实验研究 随着磨粒流加工应用的日渐广泛，针对磨粒流加工的实验研究越来越被重 视，至今为止，国内外多名学者采用不同的工艺参数进行了磨粒流加工实验研 索 2 7 - uo 1 3 1磨粒流加工工艺参数对加工效果的影响 在a f m 加工过程中，最重要的是确定确切的达到最终表面质量要求的周 期数。加工过程的周期数从几到几百不等。w i l l i a m s 和r a j u r k a r 9 1 称，在最初 的几个周期内磨损现象比较明显，在此后无论是材料去除率还是表面粗糙度水 平都将趋于稳定。j a i n 和a d s u l p 1 0 j 以黄铜和铝为工件，控制磨粒百分比浓度 ( 8 0 ) 、磨粒粒度( 10 0 ) 、磨料流速( 5 15m m m i n ) 不变，取周期数为变 量，探讨周期数对工件的表面粗糙度值( r a ) 和材料去量的影响。他们提出： 材料去除量与表面粗糙度值随周期的增加呈非线性增加( 如图1 4 ) 。然而材 料去除率及表面粗糙度变化率r a 是随着周期数的增加而减少的。这一点可做 如下解释。初始表面( a f m 加工前) 存在尖峰，当磨粒流经这些尖峰运动，尖 峰因加工而被磨平，表面变得平坦，在这一阶段加工效率较高。接下来的循环 里，大多数尖峰已被磨平，这将导致材料去除率的降低。图1 4 也说明，黄铜 和铝的材料去除量m r 及表面粗糙度r a 的变化趋势是相似的，只是铝的总材 料去除较高，因为相对于黄铜而言，铝的耐磨性较差。 4 ( a ) 周期数对材料去除的影响 ( b ) 周期数对表面租糙股的影恫 图1 4 周期数影响 挤压力是由磨粒流机床控制的重要加工参数。实验表明p 1l j 保持其它参数 不变，挤压力增大切削速度加快，当挤压力大于2 2m p a 时，切削速度随挤压 力增大而加快的趋势将不再明显。r h o a d e s j 对挤压力与a f m 磨料中磨粒受力 关系进行研究，提出有效压力概念。他提出机床提供的总压力一部分在克服磨 料流动的粘性阻力中消耗了，剩下的作用在与工件表面接触的磨粒上。直接作 用在近壁磨粒上的压力即为有效压力，有效压力直接影u 向磨粒流加工效果。 磨料流量即在整个加工过程中流过加工区域的总的磨料量，是a f m 重要 的工艺参数之一，实验表明，在一定流量范围内，保持其它参数不变，磨料流 量大则磨损量大。超过此范围，继续加大磨料流量对加工表面质量不会有明显 影响。 r h o a d e s 】称磨料流速对材料去除均匀程度以及圆角半径有重要影响。磨 料流速等于磨料流量除总加工时间。磨料粘度、挤压力、加工区域几何形状共 ) 同决定磨料流速。多项实验表明【7 ，8 ，1 1 ，12 1 ( 如图1 5 ) 较低流速可在不同加工区 域保持较为一致的材料去除量，较高流速将产生较大圆角半径。对精密仪器表 面加工时，应采用较低流速以保证加工效果。在去毛刺或倒圆角加工过程中应 采用较高流速以提高加工效率。 f i g u r e2f i g u r e3 砌pm e d i a f l o wp a t t e r nc 日，lb ev a r i e dt oa c h i e v e d i f f e r e n t f i n i s h i n gr e s u l t s 图1 5 不同流速下磨料流动示意图 磨料粘度、磨粒粒度、磨粒百分比浓度由磨料种类决定，对加工结果将产 生决定性的影向。 w i l l i a m s 和r a j u r k a r 【q j 提出：磨料粘度是a f m 加工中同时影响材料去除率 和表面粗糙度的最重要的指标之一。保持其他参数不变，磨料粘度增加，材料 去除率和表面质量随之提高。k o h u t 1 3j 对磨料粘度影响进行实验研究并提出如 下经验法则：如果加工通道长度远小于原始通道长度2 倍，应使用较高粘度磨 料。反之，如果通道长度大大超过通道宽度的2 倍，应选用较低粘度磨料。对 通过长宽比是2 ：1 的不同宽度的通道的磨料粘度的选择总原则为： ( 1 ) 对宽度从0 4 毫米到3 2 毫米的通道，应采用较低粘度的磨料。 ( 2 ) 对宽度从6 4 毫米到5 0 8 毫米的通道，应采用较高粘度的磨料。 a f m 加工过程中，温度升高会导致磨料粘度的降低，导致磨粒的沉淀，从 而影响磨料流动性和整个a f m 加工过程。因此，保持足够的磨料粘度对a f m 加工顺利进行有着决定性的意义。hsm a l i ，am a n n a 【7j 指出：磨料粘度低于3 0 p a s 时，磨粒将无法悬浮在载体中，磨粒自身的重力将使磨粒沉淀在下磨料缸 底，从而导致加工失败。 j a i n 1 4 】建议：a f m 加工中的磨粒尺寸应从8 目( 用于粗切削加工) 到5 0 0 目( 用于小孔加工) 之间。较高粒度或较小尺寸的磨粒可以得到较高的表面光 洁度并可完成对复杂、狭窄通道的加工，而使用较大尺寸磨粒可有效提高加工 效率。w i l l i a m s 和r a j u r k a r l 9 】提出：较细的磨粒应被用于初始表面粗糙度较低 的场合。j a i n 和a d s u l 】选取磨粒粒度为实验变量进行了a f m 实验研究，( 如 图1 6 、1 7 ) 他们得出结论：由于磨粒粒度的增加，材料去除量m r 以及表面 粗糙度变化率a r a 均将会降低。m r 降低是因随着磨粒粒度的增大，磨粒的穿 透深度、宽度都减小了。 6 图l 一6 磨粒粒度对材料去除量的影响 图1 7 磨粒粒度对r a 影响 磨料中磨粒百分比浓度即一定量磨料中磨粒质量除以总磨料质量。磨粒百 分比浓度是影响磨粒流加工最重要的因素博1 2j 。这里应指出：在同一组实验中， 磨粒百分比浓度是无法改变的，因此如今的a f m 实验都是取不同浓度的磨料 分别在不同周期数下进行实验，将所得数据纵向比较从而评估磨粒百分比浓度 对加工效果的影响。 j a i n 和a d s u l 1 0j 以黄铜和铝为工件，控制磨粒粒度( 1 0 0 目) 、磨料流速( 5 15 m m m i n ) 不变，取周期数及磨粒百分比浓度为实验变量，探讨磨粒百分比浓度 对工件的表面粗糙度值( r a ) 和材料去除量( m r ) 的影响。如图1 8 、图1 9 ， 由图中可知：磨料中磨粒浓度增加则m r 增加，这是因为磨粒浓度增大则会有 更多的磨粒接触到加工表面。此外，高浓度磨粒使得磨料可以维持一个较大的 切削力。图1 8 还显示，当磨粒百分比浓度达到7 0 时，进一步增大磨粒浓度 至8 0 ，m r 变化幅度不大。与此同时，磨粒百分比浓度增大，a r a 迅速增大。 这是因为磨粒浓度越高，接触到工件的磨粒越多，导致更多的磨削，因此得到 较大的a r a 。 7 艟拍 婆。品 ” 嫡管w c 2 “挂 图i 8 以黄铜( a ) 铝( b ) 作为材料，磨粒百分比浓度对材料去除量的影响 1 3 2磨粒流加工磨料选择及评价 前文已提到，磨料是决定磨粒流加工效果的关键性因素，选取合适的磨料 对a f m 加工至关重要。磨料主要是由聚合物形成的载体、悬浮于载体中的磨 粒及各类添加剂组成的。当磨料受压时，磨粒失去改变方向的能力，产生切削 作用，因此a f m 加工实际上是一个低材料去除率的多点切削过程 6 , 7 , 1 7 , 2 2 】。 要选取合适的磨料，首先应对磨料的材料特性有足够了解，磨料影n 向加工 效果的材料特性主要包括： ( 1 ) 力学特性：近似杨氏模量、滞后损失 ( 2 ) 流变特性：剪切粘度、复数粘度 ( 3 ) 其它特性：温度稳定性等 1 , 0 1 6 暮 2 s 时 兰 0e o 毒 图1 。9 磨粒百分比浓度对：工4 - i 二r a 、r a 的影响 注：( a ) 黄铜工件r a 值的影响；( b ) 铝：r = 件r a 值的影响；( c ) 铝工4 - i ：表面粗糙度变化率( r a ) 的影响 1 3 2 1 力学特性 磨料的力学特性在静态下测得，不加外部循环载荷，采用拉应力产生形变， 控制恒定的温度，在不同的变形速度下，将磨料拉伸到需要的长度。在拉伸过 程中，。材料几何形状不变，从而计算出模量、滞后损失。 磨料在加工过程中会承受多种剪切力，杨氏模量测量非常重要。但实际加 工中，磨料的应力应变曲线是高度非线性的，因此准确计算杨氏模量值是不可 能的。近似计算模量公式为： m o d u l u s 彳s t r a i n = s t r e s s x s t r a i n ( 1 1 ) 此公式广泛应用于橡胶领域。 9 选取不同的应变：2 5 ，5 0 ，7 5 ，10 0 ，对各种磨料相对应的应力进 行测量，从而得出各种磨料在不同应变下的弹性模量值。实验表明：载体分子 链结构越简单，弹性模量越小，反之越大。弹性模量越大，应变对弹性模量影 响越小。磨料中含有不同的组分，其弹性模量相应发生变化。现有技术表明 2 2 , 2 3 ，聚合物模量与其摩尔质量成比例。磨料的弹性模量越大，外加作用力会 更有效的作用于加工区域，加工效率也就越高。或者说达到预期加工效果所需 的挤压力越小，因此磨料配制过程中在满足其它条件的前提下，应考虑尽可能 加大磨料的弹性模量，从而达到更好的加工效果。 a f m j j i 工中，磨粒的微小尺寸可能导致磨料不连续。实际上，载体连续是 很少见的。磨料中磨粒的运动过程实际上是磨粒撕裂载体向前运动的过程。现 有技术表明撕裂强度由高到低分别为丁基橡胶i ir 、苯乙烯丁二烯橡胶s b r ， 硅橡胶s i ，三元乙丙橡胶( 含双环戊二稀) e p d m ，天然橡胶n r 。所有载体的撕 裂强度都l l n r n j 大是因为n r 载体的分子链复杂，导致运动困难，产生裂痕困 难。温度升高，撕裂强度随之减小。因为温度上升，分予链稳定性下降。图1 10 显示了在撕裂模型下应变对撕裂强度的影n 向【7 3 1 。 图l 1 0 撕裂模型中，温度5 5 。c 时，应变对撕裂强厦的影响 在粘弹性材料中，存在由于滞后而产生的机械能损耗现象。对具有高粘弹 性的橡胶而言，在变形和恢复的一个周期内，变形过程中所吸收的能量与恢复 过程中所放出的能量之差就是它的滞后损失a w 。滞后损失受应变、温度影响， 但对不同载体的影响强弱有很大差异。在相同应变、温度下，磨料的滞后损失 由磨料的软硬程度决定，n r 磨料相对较软，挤压使之变形所需功相对较少。除 此外，柔软的粘弹性载体中粘性部分的变形较显著。当我们把n r 改为s i ，载体 变硬，a w 增大。从目前的文献看，滞后损失a w 最大的载体为s b r ，接下来分 别是s i 、i i r 、e p d m 、n r 。这一结果与上述的理论一致 2 4 1 。 1 3 2 2 流变特性 a f m 加工中，磨料是持续流动的，必须具有良好的流动性。因此除对磨料 的力学特性有充分了解外，还需要研究磨料的流变特性。磨料的流变特性在动 态下测得，主要包括剪切粘度、复数粘度等。 10 实际a f m 加工是磨粒以剪切形式磨削待加工工件表面的过程，加工过程 中磨料剪切粘度的变化趋势直接影响加工效果及该磨料的应用范围。k a m a l k 2 2 1 等人通过平行板剪切模型对苯乙烯丁二烯橡胶s b r 的剪切粘度进行了测 量，如图1 11 。剪切条件：温度2 7 ，剪切速度0 0 0 1s - i 1o os 。平行板直径 1 5 m m ，磨料样本厚度2 m m 。 图1 11 剪切率对s b r 剪切粘度影响 实验表明磨料的粘度随剪切速率的提高而显著降低，这一现象被称为假塑 性现象或剪切变稀现象。出现这一现象的原因有：( 1 ) 随着剪切速度的提高， 载体分子链变松软，从而导致粘度下降。( 2 ) 加工过程中磨料磨损工件表面 同时做弹塑性变形，必然导致部分机械能转化为内能，从而导致温度升高，磨 料的粘度随温度升高必然降低。磨料粘度降低会导致磨粒的沉淀，从而影响磨 料流动性和整个a f m 加工过程。因此，在选择磨料组分材料时，应该选粘度 随温度变化不大且抗剪切能力较强的材料做载体，如硅橡胶s i 、苯乙烯丁二烯 橡胶s b r 等均较适合做a f m 的载体【7 土2 4 ，37 | 。 高聚物熔体具有粘弹性，与复数模量和复数柔量一样，复数粘度也包括两 部分，实部表示真正的粘度贡献，虚部是弹性部分的贡献。试验表明心工7 6j 随剪 切频率增大，复数粘度绝对值值降低，也就是说，频率较低时，粘度状态受储 能模量或储能粘度支配，复数粘度中虚部值较大，从而导致复数粘度绝对值较 大。频率增加初期，复数粘度下降非常厉害，之后下降速度逐渐放缓，这是因 为随着频率的增大，巨大分子的长分子链已不可放松且它们的速度已可跟上变 形，此时粘度的变形受粘性部分支配，也就是耗能模量、耗能粘度7 , 2 8 。 1 3 2 3 其它特性 主要包括温度稳定性。k a m a lk 2 2j 等人通过热失重实验对天然橡胶n r ， 三元乙丙橡胶e p d m ，丁基橡胶i ir ，硅橡胶s i ，充油丁苯橡胶s b r 的热稳定 性进行了评价，如图1 。l2 。 02 0 3 0 0 4 1 3 95 0 06 0 0 t e m p e r a t u r er c ) 图1 1 2 磨料热稳定性 上图中最低位置为相应载体的老化温度。老化温度高低由载体的化学结构 决定。化学结构越复杂，老化温度越高。他们还提出：一种载体不见得只有1 个老化温度。如果一种载体中含有多种主要元素，而主要元素的老化温度不同， 则会导致载体有2 个甚至多个老化温度。 1 3 3混合磨粒流加工工艺 磨粒流加工是如今应用广泛的一种加工工艺，但与其他非传统加工工艺相 似，还是有生产率低的的缺陷，要加大a f m 生产率，主要有2 个途径： ( 1 ) 增大靠近工作表面的有效磨粒浓度； ( 2 ) 提高磨粒所受径向力会使切削深度加深，导致材料去除率m r r 加快且在 初始阶段可以比较迅速的进行表面处理。 国内外多位学者试图将a f m 与其它工艺结合使用来克服这个问题。j o n e s 和h u l l 2 9 1 研制了超声波磨粒流加工；w a l i a 等 3 0 , 3 1 1 丌发了离心力磨料流加工 ( c f f a f m ) 以克服m r r 低的限制；s i n g h 和s h a n1 3 2 提出一个把a f m 加工 与磁性研磨加工( m a f ) 结合起来的设想( 也称为磁性磨粒流加工m a f m ) 并 称这一技术可以成功的通过用磁场和磁性磨粒( m a p s ) 替代简单的a f m 加工 中的磨料颗粒来提高m r r 。由于磁场的作用，磁性磨粒m a p s 被吸引到工件 的内壁。因此，近壁处的有效磨粒浓度比介质中的其他区域的浓度高，去除同 质量的物质所需的周期数会减少。j h a 和j a i n 3 3 , 3 4 j 设计和丌发了磁流变磨料流 加工( m r a f f ) 并称它可以更好的控制充满磨粒的磁流变( m r ) 介质的流变 特性。磁流变液由油脂、矿物油、分散在其中的羰基铁粒子( c i p s ) 和碳化硅 磨粒组成，m r a f f 可显示在外磁场作用下的流变特性的变化。j h a 和j a i n ”】 称这种工艺可被广泛用于各工业领域，具有对复杂形状零件进行纳米级加工的 能力。他们说，相同的周期数下，磁场增强表面粗糙度值减小，且不锈钢和氮 化硅工件上的r a 值可达3 0n n l 。图1 13 总结了部分混合磨粒流加工工艺。 1 2 鲫 们 ；暑 拍 们 一点、零一母芏西一望o言雪ij。凸 图1 13 混合磨粒流加工工艺 1 4磨粒流加工经验公式与仿真 1 4 1磨粒流加工经验公式 j a i n ，a d s u l 【8 1 采用多曲线拟合法对磨粒流加工实验数据进行了处理。用于 估测m r 和a r a 的参数方程如下： y = a o x ? 1 x ；“x ；j x ；“ ( 1 2 ) 式中，x 为周期数；x ：为磨粒百分比浓度；x ，为磨粒粒度；x 。为磨料流速。 通过实验研究，得经验公式如下： $ j ： m r = = 0 0 1 6 4 ( x i ) o 7 6 1 3 ( x 2 ) 20 8 2 4 ( x 3 ) 一11 0 2 8 ( ：c 4 ) o 0 3 7 2 ( 1 3 ) a r 。= 9 9 8x1 0 7 ( x 1 ) o6 1 0 9 ( x 2 ) 16 5 9 8 ( x 3 ) 一o4 9 8 7 ( x 4 ) 1 0 0 8 0 ( 1 4 ) 车吕： m r 。= = 0 0 0 0 3 2 ( x 1 ) o7 8 8 6 ( x 2 ) 23 1 2 2 ( x 3 ) 一10 8 2 5 ( x 4 ) o 5 0 6 0 ( 1 5 ) a r 。= 0 0 0 11 6 ( x i ) o5 5 7 0 ( x 2 ) o9 0 9 ( x 3 ) 一o5 8 8 5 ( j ：4 ) o 4 3 2 0 ( 1 6 ) k u m a r 3 6 u 各材料去除量q 描述为： q = 6 x , x ；2 糍c 。慨 ( 1 _ 7 ) j a i n 等人”1 用公式描述了材料去除率m r r 和平均表面粗糙度值r a ： m r r = 5 5 2 8 5 1 0 一。螈0 1 9 5 c 。3o 8 m 4 v ，i 6 5 ( 1 8 ) r 。= 2 8 2 7 5 1 05 3 c 2 m k 卜8 ( 1 9 ) 1 4 2 磨粒流加工仿真研究 j a i n 等人【3 8 采用有限元法( f e m ) 分析a f m 对外表面加工过程。当所受 剪切应力低于屈服应力值时，粘塑性物质或宾汉塑性物质可视为刚性固体。超 过屈服应力，粘塑性材料表现出像牛顿流体一样，变形与剪切力呈线性关系的 现象。在面团、悬浮液、油漆、油灰中都可看到这种现象。 a f m 加工中用的磨料在弹性应变忽略不计时可被看做粘塑性材料。因此在 分析过程中做出如下假设： ( 1 ) 磨料视为粘塑性材料。 ( 2 ) 磨料与工件间视为满足库仑摩擦条件。 ( 3 ) 加工过程中，速度上升温度不变，因为温度上升的很小。 ( 4 ) a f m 加工过程被视为理想的稳态轴对称过程。 为研究a f m 材料去除机制，j a i n 等人【3 8 进行了对单一颗粒受力的有限元 分析。( 如图1 14 ) 在单颗粒分析中，做出如下假设： ( 1 ) 磨粒与工件每次接触所引起的材料去除量相同，为一定值。 ( 2 ) 为简化问题，所有磨粒均被视为粒度相同的球形颗粒。但实际上磨粒的 大小、形状是各不相同的。 ( 3 ) 假设作用于每个磨粒上的法向力相同且为定值。 ( 4 ) 假设磨料中的磨粒分布均匀。 ( 5 ) 加工过程温升忽略不计。 由此，材料去除量v g 可由如下公式表示： v o = z r r h 2 ( 1 1 0 ) 由几何关系可知，式中各参数满足如下关系式： = 争办卜 m 因h 极小，将其忽略，上式可简化为： r = 厮 2 ) 上 h r 图1 1 4 球形磨粒与工件表面作用示意图 在此基础上，j a i n 等人 38 采用有限元模型将磨料看做粘塑性材料从而分析 a f m 对外表面的加工过程。利用响应面法( r s m ) 进行试验研究，分析挤压力与 周期数对材料去除量和表面粗糙度的影响。将材料去除量的有限元分析结果与 a f m 加工得到的实验数据对比，得出了相似的结论。 1 4 汤勇等【5 1 1 对磨粒流加工壁面滑动特性进行了研究。聂先桥、杨建明【3 9 】针对 磨粒流加工壁面滑动特性提出了磨粒流加工中磨料流动新的边界条件假设，这 一假设与磨粒流加工实际工况更贴切，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： u = ( 卸q ) ( 尼d f e p 。i ) ( 1 1 3 ) 式中，u 为近壁处磨料流速；卸为进、出口截面压力差；q 为磨料流过通 道的流量；厂为摩擦力；s 为泊松比；p 。为进、出口截面压力平均值；d 、i 为相应工件尺寸。 谭援强，李艺，s h e n gy o n g 【4 0 】应用f l u e n t 软件，采用固液二相湍流模型对 磨粒流加工过程中磨粒的流动进行了有限元分析，他们提出：增大加工通道进 口与出口压力差可提高加工通道中磨料的平均速度( 如图1 15 ) ；增大加工区 域边界层与壁面流速差可提高加工效率；进口压力为非稳态时，会导致近壁面 处的磨粒数目( 即有效磨粒数) 增多，有利于加二 效率的提高；磨料的粘度对 a f m 加工结果有重要影响( 如图1 16 ) 。 鬻j 薯t 、 、i 、i 、 0 文 ，| ，： 隧i j 一。 0 3 m p a 2 a p = ( 15 m p a 0 7 mp a 4 a ，= 0 9 m p a 图1 15 不同压力差条件下边界层与壁面的流速差分布 u = 1 10 p a s 30 = 4 5 l ( ) 4p a s 2 h = 9 f ) j0 4p a s 4 睢= 2 2 1 ( j 。p a s 图1 1 6 不同粘度条件下出口截面上磨粒流的径向流速分布图 1 5 王浩程、张宏太、张德良、方新【4 1 】采用液固两相流体动力学的方法对离心 力磨粒流加工过程中磨料的流动进行了数值模拟，得出磨料流动的动态模型并 计算出相应模拟结果，与高速摄影得到的实验结果进