微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究.pdf

2 0 1 0年 1 1月 第 3 8卷 第 2 l 期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUL I CS NO V 2 01 0 Vo 1 3 8 No 2 1 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 1 0 0 2 微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究 袁卓林 雷玉勇 孙书蕾 汤积仁 聂光伟 西华大学机械工程与 自动化学院 成都 6 1 0 0 3 9 摘要 采用碳化硅固体磨粒 纯水和水溶性乳蜡 水蜡 混合而成的液体磨料 液体磨料的浓度按 固体磨粒与添加液 的质量比 1 2的比例混合 工件材料采用热作模具钢 4 C r 5 Mo S i 1 被抛光工件表面分别为未经热处理的模具钢表面和电火 花加工后的工件表面 实验研究了不同粒度的固体磨粒 添加液浓度 抛光时间等对抛光性能的影响 研究表明 经过9 O mi n的抛光 两种抛光面的表面粗糙度值 都呈显著下降 对于电火花加工表面 抛光 9 0 m in 后 的粗糙度值由最初的 R a 1 0 m下降到R a 0 0 8 m 对于未经热处理的工件表面 抛光 9 0 ra in 后的粗糙度值由最初的R a 0 3 6 Ix m下降到 R a 0 0 6 m 证明微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用 研究还表明 磨料液成分 抛光时间以及被抛光工件 材料以及工件表面原始粗糙度等对抛光性能有重要影响 对于硬度和粗糙度较高的工件表面 宜采用具有较粗的固体磨料 粒子和较高浓度添加剂的磨料液 对于硬度和粗糙度较低的工件表面 宜采用较细的固体磨料粒子和添加剂浓度较低的磨 料液 对于较低硬度的工件表面 采用蜡敷磨粒的磨料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度 关键词 微磨料射流 液体磨料 抛光 添加液 蜡敷磨粒 中图分类号 T G 3 5 6 2 8 T P 6 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 1 0 0 4 3 S t u d y o n S u r f a ce P o l is h in g Us in g M icr o Ab r a s iv e W a t e r J e t YU AN Z h u o l in L E I Y u y o n g S UN S h u l e i T ANG J ir e n N I E Gu a n g w e i S ch o o l o f Me ch a n ica l E n g in e e r in g A u t o m a t io n X ih u a U n i v e r s i t y C h e n g d u S ich u a n 6 1 0 0 3 9 C h in a Ab s t r a ct T h e p o l is h in g e x p e r ime n t s we r e co n d u ct e d o n t h e wo r k p ie ce s o f h o t wo r k d ie s t e e l 4 C r 5 Mo S iV1 wit h t h e e l e ct ri ca l d is ch a r g e ma ch in e d S U r f a ce a n d t h e g r o u n d S U r f a ce t l 1 e s l u r r y a b r a s iv e mix e d w it h s o l id S iC p a r t icl e s w a t e r a n d w a t e r s o l u b l e e mu l s io n w a x w a s u s e d a s p o l is h in g s l u r r y T h e p r o p o r t io n o f s o l id S iC p a r t icl e t o l iq u id in s l u r r y a b r a s iv e is l 2 in ma s s T h e e f f e ct o f p a rt icl e g r a n u l a r co n ce n t r a t io n o f wa t e r s o l u b l e e mu l s io n wa x a n d p o l is h in g t ime o n t h e p o l is h in g p e rfo r ma n ce Was in v e s t ig a t e d T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t a f t e r p o l is h in g f o r 9 0 min u t e s t h e r o u g h n e s s o f t h e w o r k p ie ce s is d e cr e a s e d s ig n ifi ca n t l y T h e r o u g h n e s s is r e d u ce d r e s p e ct iv e l y f r o m 0 0 8 m t o 1 0 m f o r t h e e l e ct ri ca l d is ch a r g e ma ch in e d wo r k p ie ce a n d f r o m 0 0 6 m t o 0 3 6 z m f o r t h e gro u n d w o r k p i e ce I t s h o w s t h a t mi cr o a b r a s i v e w a t e r j e t h a s r e m a r k a b l e s u rf a ce p o l i s h in g e ff e ct T h e p o l i s h i n g p e rf o rma n ce is g r e a d y a f f e ct e d b y t h e co mp o n e n t s o f s l u r r y a b r a s iv e t h e p o l is h in g t ime t h e h ard n e s s a n d t h e in it ia l s u rf a ce r o u g h h e s s o f w o r k p ie ce s F o r t h e wo r k p i e ce s wi t h h ig h e r h a r d n e s s a n d l o we r i n it ia l r o u g h n e s s t h e s l u r r y a b r a s i v e w i t h co a r s e s o l i d p a r t icl e s a n d h ig h e r co n ce n t r a t io n o f a d d it iv e iS b e t t e r F o r t h e wo r k p ie e e s wit h l o w e r h a r d n e s s a n d h ig h e r in it ia l r o u g h n e s s t h e s l u r r y a b r a s iv e wit h fin e r s o l id p a rt icl e s a n d l o we r co n ce n t r a t i o n o f a d d i t iv e i s b e t t e r F o r t h e s o f t e r wo r k p i e ce s t h e a ccu r a cy o f p o l is h e d s u r f a ce co u l d b e imp r o v e d a n d t h e p o l i s h in g t ime s a i l b e s h o rt e n e d b y u s in g s l u r r y a b r a s i v e wi t h w a x co a t e d p a rti cl e s Ke y w o r d s Mi cr o a b r a s iv e w a t e r j e t S l u r r y a b r a s i v e P o l is h in g A d d i t i v e Wa x co a t e d p a rt icl e 高精度模具通常经电火花和研磨加工 电火花加 工后会产生很脆 的变形层 易使工件表 面出现毛刺和 凹凸不平的小坑 它不但影响模具组装后的使用 也 会缩短模具使用的寿命 为去除变形层 常用的方法 包括机械抛光 化学抛光等 这些方法可提高工件的 表面精度 但机械抛光以手动为主 表面精度的均匀 性不好控制 化学抛光在加工过程中散发有害气体 污染环境严重 作者研究利用微磨料水射流对工 件进行抛光 微磨料水射流将高速喷射的磨料液作用 于工件表面 利用磨料粒子对工件表面的高速碰撞 冲蚀 剪切 磨削等作用 实现工件材料微切除 进 而达到微磨料水射流对工件表 面的抛光作用 与 传统抛光相 比 磨料水射流抛光技术对工件的抛光 比 较均匀 安全环保 磨粒和抛光液易于循环使用 1 试验系统及实验条件 微磨料水射流抛 光试验系统如图 1所 示 主要由微磨料液 增压系统 喷嘴装置 3轴 运 动 平 台 工 件 和磨料液 回收循环装 置等组成 图1 磨料射流抛光系统 收稿 13期 2 0 0 9 1 0 2 6 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 0 8 4 4 0 3 3 四川省教育厅资助项 目 0 9 Z Z 0 3 0 作者简介 袁卓林 1 9 7 9 一 男 硕士研究生 主要研究方 向为机电一体化技术 通信作者 雷玉勇 电话 0 2 8 87 7 20 5 07 E ma il y uy o ng l e i ma il x hu e d u cn 第2 1 期 袁卓林 等 微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究 5 微磨料液采 用 碳 化硅 S iC 固体磨 粒 纯水 水溶性乳蜡 水蜡 添加剂混合而成 的液体磨料 不 同粒径的 S iC固体磨粒和添加液按质量 比 1 2的 比 例混合而成 实验采用 7种不 同浓度 的浆液磨料 如 表 1 所示 表 1 浆液微磨料液 磨 料 液 编 号 堕 等 皇 篓 蜡敷 磨粒 采用 雾化 技术 原 理 在 供料 装置 中按 1 1 比例混合水蜡和磨粒 加热后液状蜡涂敷在磨粒 表层 然后采用高压气流将其送人雾化冷却罐冷凝成 干粉状 形成蜡敷磨粒 试验喷嘴直径 d 4 m m 喷嘴与工件之 间的距离 靶距 S 1 0 m m 系统 压力 P 4 M P a 被抛光工件 热作模具钢 4 C r S M o S i V 1 表面分 别为未经热处理 的模具钢表 面和 电火花加工后的工件 表面 微磨料水射流抛光试验装置如图2所示 加工零 件表面粗糙度用手持式数字粗糙度仪 T R 2 0 0 图3 测 量 以3 次测量尺 的平均值作为该工件表面粗糙度 图 2 微磨料水射流 抛光试验装置 2实验结果和分析 图 3 T R 2 0 0型号粗 糙度仪器 2 1 微磨料水射流对工件表 面抛光作 用 实验分别对热作模具钢 4 C r S M o S i V 1表面和电火 花加工后 的工件 4 C r 5 Mo S i V 1 表 面进 行 了抛 光处 理 经检测 未 经热 处 理 的热作 模具 钢 4 C r 5 M o S iV 1 表 面硬度为 H R C 2 2 6 表面粗糙 度 R a 0 3 6 I x m 电 火花加工后 的工 件表 面硬 度为 H R C 5 8 表 面粗 糙度 R a 1 m 抛光 9 0 m in 后 两种抛 光 面的表 面粗糙 度值 R a如表 2所示 由表 2可知 抛光后两种抛光 面的表面粗糙度都呈显著下降 证明微磨料水射流对 工件表面具有 良好 的抛光作 用 从表 2还可 以看 出 不同浓度和不同类型的磨料液对抛光效果具有显著影 响 对于电火花加工表面 1号磨料液抛光效果最 好 对于未经热处理的工件表面 2号磨料液抛光效 果最好 这主要是因为磨料粒子越粗 其对材料的微 刻蚀作用越强 表 2 抛光 9 0 m i n前后 工件表面粗糙 度 肋 m 2 2 抛 光 时间及磨 粒 尺寸 对抛光 性 能的影 响 为研究不同磨料液对抛光性能的影响 用不同磨 粒尺寸和磨粒浓度的7种类型的磨料液 如表 1 分 别对工件表面抛光 不同磨粒尺寸的磨料液对抛光表 面粗糙 度的影 n i n t h 图 4所示 图 4 a 是对 电火花 加工 表面进 行抛光 时表 面 粗糙度 R a与抛 光 时间 t 的关 系 由图 4 a 可 知 3 种磨料液抛光后 的表 面粗糙 度抛光 随时问的变化规 律基本相 同 即随着抛光时间的增加表面粗糙度下 降 在抛光的前 3 0 m in 工件表面的粗糙度值下降很 快 而后 6 0 m in 表面粗糙度值变化比较平缓 由图4 a 可发现 磨粒尺寸对抛光作用影响 非常明显 采 用 1 号磨料液 2 0 0 0目 抛光 3 0 m in 后 工件表面粗糙度值下降最快 抛光 9 0 m i n后 工件表面粗糙度值由最初的 R a 1 m下降到 R a 0 0 8 m 抛光前 3 0 m in 2 号磨料液 3 0 0 0目 抛 光表面粗糙度值下降稍慢 3号磨料液 8 0 0 0目 抛光表面粗糙度值下降最慢 3号磨料液抛光 9 0 m i n 后 抛光表面的粗糙度值由最初的R a 1 m仅下降 到 R a 0 2 6 m 这说 明较粗磨料粒子 的磨料液对工 件的抛光时间效果也较好 因为大颗粒的磨料粒子与 工件表 面碰撞 的面积较大 微切削力也相应增大 从 而使抛光工件表面粗糙度值下降更快 时效性更好 詈篝 f m n f a 电火 花 加工 表面 O 1 5 30 45 6 O 75 90 t min b 未热 处 理工件 表 面 图4 抛光表面粗糙度 R a与抛光时间 和磨料液的关系 6 机床与液压 第3 8卷 詈霾 詈雾 t m in a 电火花 加 工表 面 t m in f b 未热 处 理工件 表 面 图5 抛光表面粗糙度与抛光时间和添加液浓度的关系 由图 5 a 可 以看 出 采 用添 加 液 的 2号 4 号 5号磨料液对抛 光工件 表面粗糙度 的影 响规律类 似 即随着抛光时间的增加表面粗糙度下降 且在抛 光的前3 0 m i n 工件表面的粗糙度值下降很快 而在 抛光 3 0 9 0 m in 表面粗糙度值变化 比较平缓 其 中 具有 较 高 添加 液 浓 度 的 4号磨 料 液 7 5 0 m L 其抛光效果相对较差 经过 9 0 ra i n抛光后 工件表 面粗糙 度值 由最初 的 R a 1 0 m 下 降到 R a 0 2 8 tx m 具有较低添加液浓度的 5号磨料液 2 5 0 m L 其抛光效果次之 经过 9 0 ra in抛光后 工件表 面粗糙度 值 由最初 的 R a 1 0 m 下 降到 R a 0 2 2 tx m 具有适 中添 加液浓 度 的 2号磨 料液 5 0 0 m L 其抛光性能最优 经过 9 0 ra in抛光 后 工件表 面粗糙 度 值 由最 初 的 R a 1 0 m 下降 到 R a 0 1 6 m 而完全不用添加液的 6号磨料液 0 m L 在抛光前 3 0 m i n 工件表面粗糙度下降最快 工件表 面粗糙 度 值 由最 初 的 R a 1 0 m 下降 到 R a 0 2 8 m 而后的3 0 9 0 ra i n 工件表面粗糙度值反 而有所上升 达到 R a 0 3 2 m 图 5 b 是对未热处理的模 具钢 4 C r 5 M o S iV 1 表 面进行抛光时表面粗 糙度 R a与抛光 时 间 t 及磨料 液 的关系 由图 5 b 可知 在抛 光前 3 0 m in 不 同 添加液浓度的 4种磨料液 2号 4号 5号 6号 对抛光工件表面粗糙度的影响基本相同 但随着抛光 时间增加 不同添加液浓度的磨料液对抛光性能的影 响显著 从 图 5 b 可 以发现 采 用添加 液浓度 较 低的5号磨料液抛光时 抛光效果较差 这是因为磨 料液中水含量较高 在压力作用下水蜡容易从磨粒表 面剥离 从而导致 S iC磨粒的滑动研磨能力减弱 无 添加剂的6号磨料液的抛光性能最差 而2号磨料液 的抛光性 能最好 在抛光 6 0 ra i n后 工件 表面粗 糙 度值 由 0 3 6 m减小到 0 0 5 4 I L m 2 4 蜡敷 磨 粒 的抛 光性 能 实验分别对采用蜡敷磨粒和相同尺寸的普通磨粒 的磨料液的抛光性能进 行 了比较 如 图 6所示 由图 6可以看出 采用普通磨粒的2 号磨料液 3 0 0 0目 抛光过程 中 工件表 面粗糙 度下 降稍 慢 在 抛光 9 0 m i n 后 工件表面粗糙度值由R a 0 3 6 m减小到 R a 0 0 5 4 m 而采用蜡敷磨粒 的7号磨料液抛光 过程中 工件表面粗糙度下降较快 在抛光 9 0 m in 后 工件表 面粗 糙 度值 由 R a 0 3 6 m 下 降 到 0 0 4 m 显然 在相 同时 间 内 7号磨 料液抛 光工 件的表面精度更高 达到同样的表面粗糙度值 7号 磨料液所用的时间更短 其抛光性能较好 图6 表面粗糙度和抛 图7 材料去除率和抛 光 时间的关 系 光时间的关系 下转第 2 2页 2 2 机床与液压 第 3 8卷 能力和 跟踪 能力 另 外 由于系 统开 环截 止 频率 与 带宽近似相等 所以所设计 的 H 优化 控制器满 足系 统设计要求 为了便于比较 对采用 常规的 H 控制 器和经 遗传 算法优化求 出的 H 控 制器 的交流直线伺服系统分别做 茹 单位阶跃响应仿真试验 并 在 t 0 3 S 处加 以 2 0 0 N的 1 一 优化 前 2 一 优 化后 扰动 结果如 图 7所示 图7 局部放大的优化 由图 7可以看 出采用基 前后响应曲线 于遗传算法优化的 H 控制具有较快的响应 超调很 小 而且系统阶跃响应过渡时间明显缩短 仿真中在 t 0 3 S 时 分别对 系统施 加 相 同的扰动 可 以看 出 系统的输出在扰动作用下均出现了波动 但采用基于 遗传算法优化的 H 控制时波动相对来说更小且在更 短的时间内就得以恢 复 5结束 语 针对交流直线伺服系统存在的不确定性扰动 设 计 了 H 控制器 由于加权 函数 的选 择 尚无统一 有效 的方法 在这里 通过选择适 当的 目标 函数 采用遗 传算法进行加权函数的选择 仿真结果表明 基于遗 传算法优化 的 H 控制器在交 流直线伺 服系统 中取 得 了良好的控制效果 同时也表明了采用遗传算法对于 找 出符合性能要求的权 重函数是有效合理 的 参考文献 1 郭庆鼎 蓝益鹏 永磁直线伺服电机L 2鲁棒控制的研究 J 中国电机工程学报 2 0 0 5 2 5 1 8 1 4 6 1 5 0 2 徐月同 傅建中 陈子辰 永磁直线同步电机进给系统 H 控制策略的研究 J 浙江大学学报 工学版 2 0 0 5 3 9 6 7 8 9 7 9 4 3 孙宜标 王桂宏 郭庆鼎 永磁直线电机伺服系统模型参 考离散滑模控制 J 沈阳工业大学学报 2 0 0 7 2 9 5 5 38 5 41 4 郭庆鼎 王成元 周美文 等 直线交流伺服系统的精密 控制技术 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 0 5 郭庆鼎 李晓慧 直线伺服系统的鲁棒二次最优控制 J 沈阳工业大学学报 2 0 0 7 2 9 4 3 0 9 4 1 7 6 R a h m a n M A V il a t h g a m u w a M U d d i n M N e t a1 N o n l i n e a r co nt r o l o f int e r io r pe r ma n e n t ma g n e t s y n ch r o no us mo t o r J I E E E T r a n s a ct i o n o n I n d u s t r y A p p l ica t i o n 2 0 0 3 3 9 2 4 0 8 4 1 6 7 刘 昌焕 许溢适 A C 伺服系统的理论与设计实务 M 台湾 文笙书局 1 9 9 2 8 吴旭东 解学书 H 鲁棒控制中的加权阵的选择 J 清 华大学学报 自然科学版 1 9 9 7 3 7 1 2 7 2 8 9 周明 遗传算法原理及应用 M 北京 国防工业出版 社 2 0 0 2 l 0 刘金琨 先进 P I D控制及其 M a fl a b 仿真 M 北京 电 子工业 出版社 2 0 0 3 1 1 张思才 张方晓 一种遗传算法适应度函数的改进方法 J 计算机应用与软件 2 0 0 6 2 3 2 1 0 8 1 1 0 上接 第 6页 抛光过程中 材料去除率 y和抛 光时间 t 的关 系 如图 7 所示 由图7可知 采用普通磨粒的2号磨料 液 3 0 0 0目 抛光 过程 中材 料去 除率显 著高 于采用 蜡敷磨粒的7号磨料液 且材料去除率 随着抛光时 间 t 的增加而上升 尤其是在抛光 6 0 m in 后 材料去 除率大幅跃升 而采用蜡敷磨 粒的磨料 液抛 光过程 中 材料去除率很小 且随着抛光时间 t 的增加 材料去 除率增加并 不 明显 这是 因为3 0 0 0目 S iC蜡 敷磨 粒 表面蜡的润滑层降低了磨粒对工件表面的切削力 3结 论 作者通 过 实验 研 究 了 微 磨 料 水 射 流 对 模 具 钢 4 C r 5 M o S iV 1 工件表面的抛光 研究表明 微磨料水 射流对工件表面具有良好的抛光作用 研究还表明 应用微磨料水射流进行工件表面抛光时 磨料液 抛 光 时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度 等对抛光 效果 有重 要影 响 为 了提 高抛 光精 度 和效 率 对于硬度较高的工件表面 宜采用具有较大磨粒 直径和较高浓度添加剂的磨料液 对于硬度较低的工 件表面 宜采用磨粒直径较小和添加剂浓度较低的磨 料液 对于较低硬度的工件表面 采用蜡敷磨粒的磨 料液可缩 短抛光 时间和提高抛光 的表 面精度 参考文献 1 Y a n B H T s a i F