（机械制造及其自动化专业论文）砂轮约束磨料喷射外圆磨削加工机理的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 砂轮约束磨料喷射外圆磨削加工机理研究 摘要 本文提出一种在外圆磨床上进行的磨粒喷射精密光整加工新方法。该方法 是在磨削后停止砂轮切入进给，将磨削液与磨料混合液注入磨削区，借助砂轮 旋转和楔形区挤压流体的压力场、速度场使微细磨粒获得能量，实现对工件进 行有边界约束的微去除加工。研究表明，该加工方法既保持或获得高的表面形 状精度，又可以高效地获得具有粗糙度r a 0 1 5 0 印m 的无缺陷加工表面，实 现高效、高精度、低粗糙度，并且普通磨削和高速研磨可以集成的表面精密光 整加工。本文对砂轮约束磨粒喷射精密光整加工机理及表面特性进行了系统的 理论和实验研究，取得了若干有价值的研究成果。总结全文，本论文的工作包 括如下几个方面： ( 1 ) 阐述了光整加工技术在机械制造中的作用，光整加工技术的分类、特点 和发展方向，重点论述了游离磨粒精密光整加工技术的性能特点和国内外在磨 料喷射精密光整加工方面的发展状况，论述了本课题的背景及意义。 ( 2 ) 阐述了这种创新的磨料喷射加工与普通外圆磨削一体化加工方式的工作 原理，并且建立了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工中砂轮工件楔形磨削区流体 动压力场的三维数学模型并进行有限元仿真分析，研究了砂轮约束楔形区流体 动压力、速度的分布规律及其影响因素。 ( 3 ) 研究了外圆磨削砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理，即：两 体研磨加工，三体抛光加工，磨粒喷射加工，磨粒流体剪切加工以及化学机械 加工等加工模式的集成。分析了在两体加工及三体加工模式条件下，单颗磨粒 运动特点以及磨粒由两体研磨加工向三体抛光加工转变的临界条件。以及其他 几种存在的辅助加工方式的工作原理、加工条件。 ( 4 ) 利用外圆磨床m b l 3 3 2 a 进行了磨粒喷射精密光整加工实验，实验结果验 证了依据机理所建立的材料去除模型，发现实验结果和模型很好的吻合。并且 通过实验结果验证磨料喷射加工后的工件与普通外圆磨削的工件在表面粗糙 度、表面形貌特性上的区别，并以此为实验依据验证加工工艺改进的可行性。 ( 5 ) 总结了论文工作，并提出了探索性的建议 关键词：砂轮约束；磨粒喷射；精密光整加工；微去除机理；表面特性 - - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t _ _ ；= = j _ _ _ _ _ _ e ；i j ；= j a _ _ _ - - _ _ _ _ _ | i j 目j _ j ；- _ _ _ _ _ _ _ 目i | ；| _ _ i l l l s t u d yo nt h em e c h a n i s mf o ra b r a s i v ej e tf i n i s h i n gw i t h w h e e lr e s t r i c t i o ni nc y l i n d r i c a lg r i n d i n g a b s t r a c t i nt h i st h e s i s , a u t h o ri n v e n ta n e w l y a b r a s i v ej e tp r e c i s i o nf i n i s h i n gm e t h o d , w h i c h 蠲e c ts l u r r yo fa b r a s i v ea n dl i q u i ds o l v e n tt og r i n d i n gz o n eu n d e rh a v e n td e p t ho f c u ti n f e e dc o n d i t i o nw h e na c c o m p l i s h e dw o r k p i e c eo i lc y l i n d r i c a l 鲥n d i n g t h e a b r a s i v ep a r t i c l e sw i t hg r i n d i n gw h e e la sr e s t r a i n ta l ed r i v e na n de n e r g i z e db yt h e r o t a t i n gg r i n d i n gw h e e la n dl i q u i dh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ea n di n c r e a s e ds l u r r ys p e l l b e t w e e ng r i n d i n gw h e e la n dw o r ks u r f a c ea c h i e v e dm i c r o r e m o v a lf i n i s h i n gp r o c e s s t h ei n v e s t i g a t es h o w i n g , t h em i c r or e m o v a lm a c h i n i n gw i t hg r i n d i n gw h e e la s r e s t r a i n , n o to n l yt oa t t a i nh i g h e rs u r f a e ：cf o r ma c c u r a c yb u ta l s ot oc 弛a c q u i r e e f f i c i e n t l yf r e ed e f e c t sf i n i s h i n gs u r f a c ew i t hr a 0 1 5 0 6 “ma n df i n a l l ya c h i e v e h i g he f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o na n dl o wr o u g h n e s sv a l u e s , f u r t h e r m o r e i n t e g r a t i n g g r i n d i n gp r o c e s sa n dp o l i s h i n gi n t oo n ef e a t u r e s , n a m e l ys u r f a c ep r e c i s i o nf i n i s h i n g i nt h ep a p e r , t h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho l lt h em e c h a n i s ma n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c o fm a c h i n e ds u r f a c ef o ra b r a s i v ej e tf i n i s h i n gw i t hg r i n d i n gw h e e la sr e s t r a i n tb y t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n das e r i e so fw o r t h yr e s e a r c hr e s u l t s h a v eb e e no b t a i n e d t h ed e t a i l so ft h es t u d yw e r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ef u n c t i o n ，s o r t s ，t r a i ta n dd e v e l o p m e n to ft h ef i n i s h i n gt e c h n o l o g yw e r e s u m m a r i z e d e s p e c i a l l y , t h el o o s ea b r a s i v ef i n i s h i n gt e c h n i q u ea n d t h el a t e s t a c h i e v e m e n to ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lw e r ee s p e c i a l l y a n a l y z e d 。t h e i n t e n t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i cr e s e a r c hw a sa l s oi n t r o d u c e d ( 2 ) t h et h e s i sh a de x p a t i a t e dw o r k i n gp r i n c i p l ew h i c ht h ei n n o v a t i v et 0c o m b i n e a b r a s i v ej e tm a c h i n i n ga n dc o n v e n t i o n a lg r i n d i n gt o g e t h e ra n dm o d e l e dan e ws o r t o fg 血d i n gw h e e lp e ga b r a s i v ej e t p r o c e s sm o d e a n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i cp r e s s u r eo nm o d e l i n go fw e d g e - l i k eg r i n d i n gz o n eb e t w e e nw h e e la n d w o r k p i e c eo na b r a s i v ej e tf i n i s h i n gw i t hw h e e la sr e s t r a i n tw a se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t i o n , b a s e do nn a v i e r - s t o k e sa n dc o n t i n u i t ye q u a t i o n s t h el i q u i d h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i n gp r i n c i p l ea n da f f e c t i n gf a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e d t h eh y d r o d y n a m i c p r e s s u r e a tw e d g e - l i k ez o h eb e t w e e nw h e e la n dp a r tw a s i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h et h e o r e t i c a lm o d e l j s a g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h em o d e lc a nw e l lf o r e c a s t h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na tc o n t a c tz o n e 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 3 ) t h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m sf o ra b r a s i v ej e tp r e c i s i o nf i n i s h i n gw i t h c y l i n d r i c a lg r i n d i n gw h e e la sr e s t r a i n tw e r ei n v e s t i g a t e d i tc a nb es u g g e s t e dt h a tt h e m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m sc o m b i n e dw i t h t w o - b o d yl a p p i n g , t h r e e b o d y p o l i s h i n g ，a b r a s i v ej e tm a c h i n i n g , f l u i dh y d r o d y n a m i cs h e a rs t r e s sm a c h i n i n g ，a n d c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 耽es i n g l ea b r a s i v em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i cw a s a n a l y z e du n d e rt w o b o d ym a c h i n i n ga n dt h r e e b o d yp o l i s h i n gm o d ec o n d i t i o n ， i n d u c t e dt h ec r i t i c a ls i z er a t i ow a st h es i g n i f i c a n tf a c t o rf r o mt w o b o d yl a p p i n gt o t h r e e - b o d yp o l i s h i n gt r a n s i t i o n a n dt h ep r i n c i p l e sa n dm o d ec o n d i t i o no fo t h e r a c c e s s o r i a lw o r k i n gm o d e s w e r ei n v e s t i g a t e dd e t a i l e d l y ( 4 ) e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e di nt h ec y l i n d r i c a lg r i n d e rf o ra b r a s i v ej e t m a c h i n i n g i tw a sf o u n dt h a tw o r k p i e c es u r f a c ep i c t u r e sw e r ea g r e e m e n tw i t ht h e o r y a n a l y z ea n dt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t em o d e lw a sf o u n dt og i v eag o o dd e s c r i p t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n di tw a sf o u n dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew o r k p i e c e a n di tw h i c hw a sg r i n d e di nc o n v e n t i o n a lc y l i n d r i c a lg r i n d e ro ns u r f a c ep i c t u r e sa n d s u r f a c ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ow ec a nv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fi m p r o v e m e n to n t h i si n n o v a t i v em a c h i n et e c h n i c s ( 5 ) t h er e s e a r c hw o r kw a ss u m m a r i z e da n de x p l o r i n gs u g g e s t i o nw a sp r o p o s e d k e y w o r d s ：g r i n d i n gw h e e lr e s t r i c t i o n , a b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ，p r e c i s i o nf i n i s h i n g , m i c r or e m o v a lm e c h a n i s m ，s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 、- f 学位论文作者签名：o 川。；数 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名：五、诌舅。 日 期： 妒7 、，f 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光整加工技术在机械制造中的重要作用 随着科学技术的进步，现代机械产品在致力于提高加工精度的同时，更注 重提高零件表层质量和表面完整性，以能提高产品性能的稳定性和可靠往使 精密高效低成本高表面完整性加工成为制造技术的发展方向之一 各种机械加工方法，无论是切削加工，还是铸造，锻造、冲压、焊接加工， 几乎都不可避免在零件表面留下一定的缺陷，如表面不平、凸棱明显、刀痕波 纹、飞边、毛刺、微观裂纹及一定的拉应力等。这些缺陷对零件外观及使用功 能造成一定的影响，如造成电器产品工作失灵、机械传动系统磨损加剧、振动 及噪音加大、密封失效、机械效率下降、影响电镀保护层的结合力等。更为严 重的是，零件在自动流水线上加工时，常因零件缺陷的存在导致废品率上升。 因此，必须从多方面采取措施，最大限度的克服这些缺陷，满足生产部门对零 件的使用要求。为了改善零件的外观质量，提高零件表面的耐磨性，充分发挥 每个零件的功能，保证产品的整机性能，零件在获 | 导规定的尺寸精度、几何精 度之后，如尚未达到表面质量的要求，还要根据需要进行去除表面缺陷层、细 化表面粗糙度和波纹度，改善表面应力状态等工作。在机械加工中，以提高零 件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术统称为表面光整加工技术，简称光 整加工。通常根据需要对零件毛坯表面和零件机械加工表面进行相应的表面光 整加工。对于零件毛坯的光整加工，是指零件在经过铸锻、冲压、焊接之后， 虽然获得了规定的毛坯尺寸、几何形状，但就其表面质量而言，还存在许多缺 陷，如表面氧化层、皱曲、粘砂、残留焊渣等。这样的零件在进入下道工序之 前，必须进行清砂处理或者镀前处理等，这类表面光整加工，是以保证零件毛 坯表面质量为目的的，称为毛坯表面光整加工技术。同理，零件经切削加工后， 进行棱边倒圆，去毛刺、消除微裂纹、细化表面粗糙度和波纹度，改善表面物 理力学性能，称为零件最终表面光整加工技术，也称为精密光整加工技术。精 密光整加工技术的发展水平直接关系到产品的质量和性能，以及产品的成本和 价格。事实上，对精密表面光整加工，并不是一件容易的事，在工业发达国家 的制造业中，对此均十分重视。美国曾对4 0 0 个工厂进行过调查，其中有7 0 以上的工厂光整加工费用惊人，最高可占生产成本的4 0 ，在这4 0 0 个工厂中， 有8 0 个工厂光整加工占生产成本的1 0 - - 2 0 。近十年来，美国每年光整加工 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 费用在3 0 亿美元以上，有的年份竟高达8 0 亿美元。在日本，t o y o t a 汽车公 司有2 5 的工作人员直接或间接从事光整加工的工作，据统计，一辆高级轿车 有9 5 以上零件需进行光整加工。更有甚者，对航天、航空装置中精密度很高 的精密件，其光整加工的成本和其它工序成本的总和相差无几，在激烈国际竞 争中，中国机械工业产品有相当一部分是由于零件表面质量问题而失利的【】。 现代产品对零件表面质量的要求越来越高，因此零件表面加工技术发展很 快，其中常被作为终加工工序的精密光整加工技术得到了迅速发展，它集机械 加工、材料学、物理学、化学、电磁学等多学科为一体的新型综合性学科，日 益受到人们的重视。光整加工技术已成为现代机械工业发展必不可少的内容， 在最大限度推广已有技术的基础上，研究开发新的光整加工技术十分必要。 1 2 光整加工技术分类、主要目的、j a m 特点 1 2 1 光整加工的技术分类 光整加工技术的工艺方法种类繁多，有不同的分类方法。若按光整加工的 主要目的来划分，可分为三大类： ( 1 ) 以降低零件表面粗糙度为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、 抛光和珩磨等； ( 2 ) 以改善零件物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、 金刚石压光和挤孔等； ( 3 ) 以去毛刺、去飞边、棱边倒圆为主要目的的光整加工，如喷砂、滚磨、 喷射加工、磨料流加工、动力刷加工等。 若按加工时能量提供方法来分，光整加工技术有机械法、化学和电化学法、 热能作用等几类。其中，在机械法光整加工中，按磨料所处状态或以某种形式 构成的磨具在加工过程中所处状态不同，可分为固结磨具光整加工和自由磨具 光整加工两大类。如图1 1 所示。从表面光整加工分类及目前实际应用情况可 知，自由磨具光整加工技术以应用范围广，加工效果好、成本低、效率高的优 势，在表面光整加工技术领域占据重要位置 4 , 5 1 。 1 2 2 光整加工的主要目的 零件表面光整加工主要目的如图1 2 所示 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 零 件 表 面 光 整 加 工 零 件 光 整 加 工_ 的 主 要 目 的 机械法( 固l j f f , l 、砂带抛光、弹性轮抛光、动力刷加 结磨具和_ 工、滚压、挤压、压光 自由磨具) 研磨、弹性发射加工、磁流交加工、电化 学机械光整加工、化学机械抛光 化学和电 电化学抛光、化学心轴抛光、电化学 化学法 振动抛光、电解研磨、超声波加工 热能作用_ 激光加工热电阻丝加工、 高温去毛刺 图1 1 各种光整加工方法 f i g1 1v a r i o u sm e t h o l d so ff i n i s hm a c u i n i n g 翼竺竺：，一茎喜葛篡主刺，改变表面质量 。 自动化 降低表面粗糙度值， 提高表面质量 提高表面物理力学性 - 能，改善表面应力分布 改善和配合零件的装 配关系，降低初磨损 量，提高产品精度 提高零件本身和 整体产品的使用 改善或改变零件表面提高镀层和机体 色泽，光亮度，提高零+ 的结合力，满足外 件的表面清洁程度观特殊需要 图1 2 零件光整加工的主要目的 f i g1 2m a i na i mo ff i n i s hm a c h i n i n g 1 2 3 零件表面光整加工的主要特点 ( 1 )在不破坏上道工序；o u t 的尺寸精度、形状精度的前提下，重在提高表面 质量； ( 2 )参与加工的自由磨料必须借助于某种气体、液体或固体作为工作载体构 成磨具，并且通过这种磨具以一定相对运动方式及一定工作压力随机地完成挤 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 压( 滚压) 、蚀刻和微去除加工； ( 3 ) 设备简单、成本低、通常不需要有较高的运动精度； ( 4 ) 配套加工附属装置多，非标准设计制造多。一般要配备如筛选装置、分 离装置、清洗装置、烘干装置及自动装卸料装置等。 1 3 光整加工技术发展方向 自由磨具光整加工以生产成本低、效率高等特点在实际生产中已得到广泛 应用。目前开发并应用的设备种类及型号很多，除应用范围有限之外，加工机 理的分析与研究不深入，理论指导性不强的问题仍很突出；现有各种自由磨具 光整加工设备多数停留在原始样机阶段，自动化程度低，人为因素影响较大、 难以适应大型生产线工作节奏及生产方式。只有在进一步加强机理研究和工艺 实验总结的基础上，针对各类零件及不同的加工要求，分类构建工艺参数之间 合理的数学模型，整体建立技术、工艺、设备及辅料选定的专家系统，应用现 代测试技术，实现加工过程的人机适应控制，从根本上解决加工自动化的问题。 另外，对部分特殊工件表面光整加工处理，可采取专用设备或常规设备改 造，如磨料流挤压珩磨加工可利用车床进行改装，对工件表面进行倒圆、倒棱 和去毛刺等的光整加工；磁力研磨也可在改装的车床或铣床上进行磁力研磨的 光整加工，这些方法不仅满足了生产需要，而且也大大地降低了成本。高效、 低成本、高表面完整性精密光整加工是光整加工技术的发展方向。 1 4 精密光整加工方法 目前，精密光整加工广泛采用磨粒加工，磨粒加工可分为固结磨粒和游离 磨粒两大类加工方式。 1 4 1 固结磨粒加工 将磨粒或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘结、涂覆等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。其中用烧 结方法形成砂轮、砂条、油石等称为固结磨具；用涂覆方法形成的砂带，称为 涂覆磨具或涂敷磨具。 1 4 2 游离磨粒加工 游离磨粒加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法，它是不切除或切 除极薄的材料层，用以降低工件表面粗糙度值或强化加工表面的加工方法，多 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用于最终工序加工。近年来，在这些传统工艺的基础上，出现了许多新的游离 磨粒加工方法，如磁性研磨、弹性发射加工、流体动力抛光、液中研抛、磁流 体抛光、挤压研抛、磨粒喷射加工等。下面介绍几种与本加工方式有关的游离 磨粒加工方式的主要特点。 1 4 2 1 研磨和抛光 研磨是种常用的光整加工方法，研磨加工的机理是利用附着或压嵌在研 具表面上的游离磨粒，以及研具与工件之间的微小磨粒借助于研具与工件的相 对运动，切除下微细的切屑，以得到精确的尺寸和表面粗糙度值很小的加工表 面。研磨加工的切削作用一般有两种情况，一种是滑动切削，即两体加工( 图 1 3 a ) ，镶嵌粘附在研具上的磨粒，与工件相对运动而产生推挤作用，使工件 留下带有擦痕的光滑表面；另一种是由研具与工件之间的磨粒旋转作用而产生 的滚动切削，即三体加工( 图1 3 b ) 研磨开始仅有少数大颗磨粒切削，效率并 不高，且比压较大，随后很快被压碎变为许多小磨粒一起参加工作磨粒一方 面切削工件，另一方面继续被压碎，研磨效率基本上不变。持续一段时间后， 由于磨粒愈益细化，研具与工件之间的间隙变窄，切屑堵塞于磨粒之间的缝隙， 研磨效率急剧下降，工件表面变得非常光滑旧 工件 工件 图1 3 研磨机理 f i g 1 3m e c h a n i s mo fl a p p i n gm a c h i n i n g 抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但 是，抛光使用的磨粒是1 微米以下的微细磨粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡、 合成树脂和人造革等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也 没有的镜面。 抛光时磨粒的变化如图1 4 所示，微小的磨粒被抛光器弹性的夹持研磨工 件，因而，磨粒对工件的作用力很小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。 1 4 2 2 磁力悬浮研磨 。 磁力悬浮研磨，是基于磁性流体中非磁性磨粒受磁场作用时，会产生向低 磁场方向悬浮的现象而研究出的光整加工方法图1 5 为东北大学在八十年代 末期进行的磁力悬浮研磨陶瓷球加工原理图，氮化硅毛坯球置于磁流体( 通常 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是胶态的f c 3 0 4 ) 、非磁性磨料与水或油混合液中，在磁场的作用下，磁流体向 强磁场方向运动，对磨料产生反向浮力，陶瓷球和浮板有向上的推力作用，使 陶瓷球与各研磨点形成研磨压力。这个压力较小，约为1 n 球，而且是弹性的， 从而减小了陶瓷球表面的滑痕及微裂纹。当传动轴带动锥形研磨盘旋转时，便 对陶瓷球起研磨作用川。 图1 4 抛光加工模型 f i g 1 4m o d e lo fp o l i s h i n gm a c h i n i n g 图1 5 磁浮抛光陶瓷球简图 f i g 1 5d i a g r a mo fc e r a m i c b a l lf i n i s h i n g 1 4 2 3 磨料流加工 磨料流加工( a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n ga f m ) 是指在一定的机械压力 ( 1 0 m p a ) 作用下，使含有磨料的半固态粘弹性介质，反复流经工件的内外表 面、边缘和孔道，以达到去毛刺、倒棱、抛光和去除再铸层的方法。以聚合物 为基体加有磨粒的介质，按其粘度、类型和磨粒的比例来选择，以适合被加工 零件的形状和所要达到的加工作用【8 l ，如去毛刺、抛光、倒角等。通常用油灰 状介质在工件中或工件上来回挤压。在一次装夹中，这种磨料流要往返1 1 0 0 次。用氧化铝、碳化硅、碳化硼或金刚石做磨料，挤压介质的速度取决于粘度、 压力、工件的尺寸和通过的长度等主要参数。 1 4 2 4 磨粒喷射加工 磨粒喷射加工( a b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ) 是一种使用游离磨粒以喷射运动方 式进行的磨料去除加工。其工作机理是用高速射流( 气体、液体或气体与液体 的混合物) 喷射磨粒，磨粒以很高的速度冲击或抛磨工件表面，从而去除工件 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 表面材料。磨粒喷射光整加工设备是由四部份组成：( 1 ) 存储、混和和输送磨 料的装置；( 2 ) 工作室；( 3 ) 吸尘器；( 4 ) 供应干燥清洁气体的气源。图1 6 为磨料流喷射光整加工的流程图，经过干燥和油水分离的压缩空气到达混和室 与来自磨料喂入装置的磨料相混和，压缩气体的压力和流量通过调压阀5 和阀 3 控制，磨料喂入量通过调节振动器的振幅和频率控制，经混和后的磨料流由 喷嘴喷出，直接作用到被加工工件表面。真空吸尘器与工作室相连，以吸除废 屑及加工后的磨料流尘埃。气源的压力至少要7 0 0 9 0 0 k p a ，气体含水量要小 于万分之五，可以用瓶装二氧化碳或氮气作为干燥气体的气源。喷嘴端部通常 用碳化钨或蓝宝石制造，其寿命与所用磨料的种类及压力有关。磨料微粉必须 干净、干燥和仔细分选，磨料不能回用1 9 1 。 磨粒喷射加工分类。磨粒喷射加工有高去除率加工和微去除加工之分高 去除率磨粒喷射加工采用液体、气体或气液混合流体为介质，混入粗粒径磨粒， 经加压混流系统和喷嘴形成高压( 1 0 0 4 0 0 m p a ) 、高速( 5 0 0 9 0 0 m s ) 的束 流对工件进行加工。磨粒冲击工件表面时其动能转变为材料变形能，形成切屑 去除材料。其加工面积和加工深度取决于加工束径、入射角度、喷射速度、压 力及压射距离等。该方法主要用于难加工材料( 钛合金、超级合金、玻璃、陶 瓷等) 的表面光饰、切割、小孔加工及模具凹腔加工等。高去除率磨粒喷射加 工一般不用来进行光整加工。 磨粒喷射微去除加工是利用微细磨粒( 粒径1 0 5 0 9 m ) 、压缩气体( 压力 0 2 1 3 m p a ) 和流体介质混和后经喷嘴形成高速( 1 5 0 m s 以上) 磨料束流进行 加工，加工时以高速冲击成屑、微细蚀刻及磨擦抛光作用去除材料，以达到去 除表面缺陷层、进行光整加工的目的。该方法要求磨粒经过仔细分选，磨粒速 度最大不超过3 4 0 m s ，材料去除率为1 5 m m 3 m i n 左右。磨粒喷射微去除加工是 一种冷切削方式，对工件表面不产生热作用，并且无加工应力产生，这非常适 于提高表面层质量 i o , l t j 。 喷射加工的特点：( 1 ) 磨粒喷射加工是冷切削，不影响和改变热敏感合金 的特性，在加工过程中，工件表面不产生加工应力和热损伤；( 2 ) 磨粒喷射光 整加工后的表面有散乱的纹理，表面粗糙度r i 值在0 1 5 1 砸m 之间，为防止 在加工表面形成弯月形洼坑，喷嘴必须作不停的运动；( 3 ) 磨粒喷射用磨料粉 末应仔细分级筛选，以保证形成合适的射流：( 4 ) 压缩气体不能用氧气替代， 因为氧气与工件碎屑或磨料相混和时可能发生强烈的化学反应，此外，压缩气 体要经过过滤和干燥，以除去油和水分；( 5 ) 喷射加工要在防尘罩内或在吸力 足够的吸尘器附近进行。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 8 1 一压缩气瓶2 一过滤器3 一压力阀4 一混料室5 一手把 6 一防尘罩7 一吸尘器8 一工作台9 一振动器1 0 一脚踏开关 1 1 一喷嘴 图1 6 磨粒喷射光整加工简图 f i g 1 6 d i a g r a m o f a b r a s i v e j e t f m i s h i n g 磨粒通过高速冲击和抛磨作用去除工件材料，以达到光整加工的目的。磨 料流束可以随工件的轮廓形状对不规则表面进行光整加工，能有效地去除表面 缺陷层，降低表面粗糙度值，改善表面质量。还可用于玻璃、陶瓷或脆硬金属 去毛刺，以及小型精密零件、精密偶件及印刷电路板等的表面清理，和在玻璃、 陶瓷或坚硬的金属上进行蚀刻。微细磨粒磨料喷射光整属于材料微去除加工工 艺。该方法磨料流柬不受约束，在与工件接触处形成弯月形洼坑，在工件表面 产生散乱的纹理。虽然加工后表面粗糙度可达r a 0 1 5 1 6 , m ，但不能修正表 面形状和提高尺寸精度。 主要加工范围1 1 2 】： ( 1 ) 铸、锻件热处理后零件表面清理。 ( 2 ) 钢板除锈、去涂层。 ( 3 ) 油漆、电镀表面的预加工。 ( 4 ) 玻璃、水晶、宝石等脆性材料的切割、光饰、喷刻图案、花纹等。 1 4 2 5 动压浮起平面研磨 动压浮起平面研磨属于非接触研磨，研磨液在旋转研磨盘的拖曳作用和流 体动压力作用下，不仅可得到超光滑无表面变质层的加工表面，而且能明显改 善被加工工件的形状精度。由于动压浮起平面研磨可多片同时加工，因此生产 效率较高。动压浮起平面研磨用于加工直径为7 6 2 m m 的半导体硅片，得到平 面度为0 私m ，粗糙度为l n m 的无加工变质层的精密加工表面。 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 精密光整加工存在的主要问题 现有的表面精密光整加工方法通常是在精加工后单独进行的，工序分散， 不集中，在工序问传送的过程中，很容易造成工件表面磕碰、划伤等现象，在 一定程度上，工件表面质量的提高受到一定的限制。因此，将精密加工和光整 加工方法一体化，不仅简化了工序，提高了产品质量，而且降低了成本【1 3 1 ，可 能有“尽善尽美”的效果。 1 6 微细磨粒喷射光整加工技术的发展及研究现状 1 6 1 微细磨粒喷射光整加工技术的研究现状 许多研究工作致力于不同形状磨粒的单颗和多颗磨粒的冲蚀模型的建立 松散磨粒的材料去除可采用准静态压痕理论结合试验研究建模，此模型主要取 决于磨粒的冲击速度，磨粒的形状、工件材料的断裂韧性和硬度、以及磨粒的 冲击角度等加工参数。根据所建立的冲蚀模型，对材料去除率和表面形貌进行 仿真。在微细磨粒喷射加工中，每颗磨粒冲击时，磨粒的尺寸、材料的表面状 态以及动态冲击的状况都不同，这就阻碍了现有的单颗颗粒冲击模型直接用于 预测整个冲蚀率，不可能用所得的材料去除率数据归纳出特定条件下的冲蚀模 型1 1 5 阚。 1 6 2 微细磨粒喷射光整加工发展趋势 微细磨粒喷射加工是对硬脆材料进行微细加工和光整加工的一种非常有潜 力的技术。目前的发展趋势是：提高磨粒喷射加工设备的可靠性和寿命，尤其 是其中关键零部件如高压泵、高压软管、接头和喷嘴的寿命：优化工艺参数， 进一步提高效率，减少磨料消耗和降低能耗；发展智能化控制，使工艺参数能 在加工过程中自适应调整，以提高加工精度；不断扩大加工的应用范围，由二 维的切割和去毛刺加工发展到孔加工和三维型面的加工；为了更有效的运用这 种加工技术，需开发测量不同切削性能如切削深度和表面粗糙度的数学模型。 通过试验研究开发这种预测模型结合理论研究将为开发用于加工工艺的优化和 控制的策略提供基础。 1 7 课题研究的背景及意义 普通磨削中由于磨削高温、反复碾压产生的工件表层材料过度塑性变形、 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 微裂纹、残余应力和表面层污染等，在工件上形成表面缺陷层，同时表面粗糙 度和波纹度也较大。这将影响零件疲劳强度、抗蚀性和接触刚度，不满足重要 零件的使用要求。因此，重要零件需要在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗 糙度和波纹度的光整加工。 如果，借鉴弹性发射加工的磨料流束边界约束的原理思想，采用磨料喷射 光整加工的磨粒粒径和磨粒速度，利用高速旋转的砂轮作为带动和加速磨粒的 工具，同时作为磨粒流束边界的约束，我们可望获得一种即能高效地获得具有 粗糙度r a o 1 5 0 缸m 的无缺陷加工表面，又可以保持或获得高的表面形状精 度。这样，我们就可以创薪开发出一种高效、高精度、低粗糙度表面精密光整 加工新工艺。更进一步地，还可以利用砂轮进行表面光整前的磨削精加工，使 表面磨削精加工和表面精密光整加工在一台机床上连续一次完成，使其更具有 实际意义。 依此，本课题综合弹性发射加工和磨料喷射光整加工各自的特点，提出一 种在磨床上进行的微细磨粒精密喷射加工的新方法。该方法在完成工件磨削后， 砂轮停止切入进给，并将磨料混合液注入磨削区，磨粒借助砂轮速度、离心力 和在楔形挤压区流体压力和速度的迅速增高获得动能能量对工件表面进行微去 除加工，同时由于流体在楔形区侧向流出而形成的速度方向变化而形成交叉网 状切痕。这时的自由磨料的材料微量去除是在砂轮外圆周的约束之下进行的， 从而得到精确的尺寸、形状和表面粗糙度值很小的表面。这一表面不仅因微量 去除消除了表面缺陷层，表面粗糙度值比磨削表面大为降低，波纹度也可因加 工均化而降低，成为精密光整表面。 本课题属工艺方法创新，首次利用磨削区流体速度场使磨粒获得动能对工 件进行微去除加工，在磨削中一次经济地获得高完整性、低粗糙度和低波纹度 表面，将磨削与磨料喷射光整加工一体化，对丰富精密光整加工工艺和理论具 有重要价值，并对工业生产有实际意义和实用价值。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章砂轮一工件楔形接触区磨科流体动压力场建模与仿真 第二章砂轮工件楔形接触区磨料流体动 压力场建模与仿真 2 1 砂轮约束磨料喷射流体动压力场数学模型 2 1 1 引言 雷诺( r e y n o l d s ) 在他的经典流体动力学问题中指出；当已知粘度的液体在 收敛性的缝隙中，以一定的速度运动时会产生流体动压力在砂轮约束磨粒喷射 精密加工中，磨料微粉与介质的混合流体在砂轮工件接触区与上述情况相似。 由于外圆磨削中的砂轮、工件的楔形区几何形状类似于滑动轴承的内圆相切楔形 区，所以借鉴滑动轴承的流体动压润滑原理和n a v i e r - s t o k e s 方程可以建立砂轮 约束磨科喷射楔形磨削区流体动压力场的三维数学模型i l 玎 ； 图2 1 外圆磨削对的砂轮与工件接触区域的模型 f i g 2 1d e d u c e s k e t c h o f f i l m t h i c k e q u a t i o n o f o u t e r c y l i n d r i m l 砷d i n g 流体动压润滑原理有以下几个主要的因剥墙】：两固体的表面存在楔形间隙； 间隙中充有粘性流体；粘性流体能吸附于两固体表面；两固体表面的相对运动带 动润滑流体由间隙大端向间隙小端运动。平面磨削和外圆磨削时砂轮和工件之间 存在楔形间隙，分布在相切线的两侧狭小区域，当磨削液喷射到楔形区进行冷却 1 1 东北大学硕士学位论文第二章砂轮一工件楔形接触区磨料流体动压力场建模与仿真 的时候，切线两侧较小的间隙中充满流体，而且砂轮和工件的相对运动带动磨削 液流体由大间隙向较小的间隙端运动。在平面磨削中，砂轮与工件相切线的两侧 的楔形磨削区间隙较小，间隙中可以完全充有粘性流体，并且在砂轮与工件相对 运动的时候被带动由间隙大端向间隙小端运动，形成一个约束的流体动压力场。 外圆磨削中，砂轮约束的工作区是类似于两个对称的平面磨削楔形工作区相叠加 在一起的( 相同的砂轮半径情形下) ，对称的中心线是砂轮和工件的相切的水平 线，这个加工的楔形区要比平面磨削中的相对较大，存在的磨料流体泄露会相对 比较明显，但是从整个加工原理来看，工作区是在砂轮与工件相切线的两侧很小 的区域；在磨削完成后，砂轮停止切向进给，把混有一定比例磨料的磨削液向加 工区域喷射，则满足楔形间隙中充满粘性流体的条件，且能使粘性流体吸附于两 固体表面，并且在砂轮与工件相对运动的时候粘性流体被带动由间隙大端向间隙 小端运动，所以砂轮约束楔形工作区满足圆柱形滑动轴承的动压润滑工作原理。 为了研究砂轮与工件接触区流体动压力场，作以下简化和假设【1 1 】： ( 1 ) 砂轮表面为光滑表面( 按磨粒的平均光滑表面考虑) ，虽然其粗糙表面 会产生微弹流现象，但对流体动压力分布曲线影响不大；如果磨粒的尺