不锈钢孔磨粒流抛光技术—磨粒流抛光质量影响因素剖析

磨粒流抛光主要用于各种结构化型腔及流道孔系的精加工，其工作原理是通过一种载有磨粒的黏弹体软性磨料介质，在挤压力作用下往复流经被加工表面而实现光整加工。磨粒流抛光质量主要取决于其工艺参数的选取，若参数选取不合理，则抛光质量通常达不到技术要求。目前在使用磨粒流抛光内孔时，通常凭经验并借助试验来确定其抛光工艺参数，而试验需将试件进行破坏性剖开检测，需进行大量试验来确定其工艺参数，成本较高，从而影响了磨粒流加工在实际生产中的广泛应用。

磨粒流抛光质量受磨粒、工作压力、流速、抛光时间等多种因素综合影响，导致磨粒流抛光工艺参数很难确定。Petri K.L.等针对影响磨粒流抛光的关键因素，通过试验运用神经网络技术对磨粒流的抛光过程建立了一种可预测的抛光加工工艺参数系统模型；Hsinn J.T.等针对零件放电加工形成的微小切口处进行了磨粒流光整加工试验，获得了一系列微孔道表面光整加工参数；赵涛等针对大型汽轮机喷嘴环磨粒流抛光的工艺问题，采用信噪比试验得到了工艺参数对表面粗糙度的影响关系；李俊烨等利用数值分析软件Fluent对共轨管零件微小孔结构和磨粒流抛光的加工状态进行了数值模拟，得到了理想的磨粒流加工方案；计时鸣等针对软性磨粒流湍流形态，建立了针对结构化表面磨粒流抛光约束流道内固液两相流的流体磨料动力学模型，通过数值分析得到了进口压力和进出口截面尺寸等工艺加工参数对流道内软性磨粒流的湍流形态的影响规律。

本文采用流体仿真软件对内孔磨粒流抛光加工过程进行数值模拟，通过分析流体磨料在孔道内加工过程中的压力、流速等特性，得出进口压力对加工过程的影响规律，并结合试验确定不同孔径和孔深的磨粒流抛光加工参数。

1  磨粒流抛光有限元模型

用数值模拟磨粒流抛光过程中孔的流动状态，首先要建立能够反映实际的流道，即对被分析零件进行模型的创建和网格的划分。由于直孔通道的几何形状简单，且呈几何对称，故选择二维有限元模型；流体磨料的粘度较大，当在孔道内横向流动时，重力可以忽略不计，为此采用四边形单元建立有序且规则的结构网格，本文采用1mm分布10个节点的分布原则划分网格，如图1所示。磨粒流在加工时，流体磨料依靠上下液压缸的挤压作用，从磨料缸的一端通过工件内的流道流向磨料缸的另一端，因此，分别将进出口边界条件设置为压力进口边界和压力出口边界来模拟液压缸挤压力。将压力进口的取值定为流体磨料工作压力的大小，压力出口取标准大气压101325Pa，其余边界条件均设置为标准无滑移壁面，内部单元区域定为流体。模拟过程中涉及的材料及物性参数取值见表1。

2  磨粒流抛光加工过程的模拟与分析

(1)一定进口压力下不同孔径的模拟与分析

基于上述模型设定稳定的流场，以压力进出口为边界条件选取进口压力（Poutlet＝1MPa）和出口压力（Fluent采用绝对压力中减去操作压力得到相对压力值，故出口压力实际显示值为0），对相同孔深（l1＝9mm）、不同孔径（d1＝1.5mm、d2＝4mm、d3＝6mm、d4＝9mm）的4组模型进行模拟分析，得到流体磨料在圆孔通道内的压力分布云图，见图2。

压力降的大小是考量磨粒流加工质量好坏的重要指标之一。由图2可见，磨粒流在加工过程中，流道内部的压力降总体来说呈线性递减趋势。当进口压力一定时，孔道内部呈现线性均匀的压力降为有效的进出口压力差。当进口压力为1MPa、孔径为1.5mm时，入口处的应力集中峰值为1.5×106Pa，有效进出口压力差为9.2×105Pa。为了分析进口压力一定时，有效进出口压力差随孔径变化情况，从其余三组模拟结果中摘出压力集中峰值和有效进出口压力差，可得入口处压力集中峰值和有效进出口压力差随孔径变化规律曲线见图3。

图3  入口处压力集中峰值和有效进出口压力差

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