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不銹鋼孔磨粒流拋光技術—磨粒流拋光質量影響因素剖析
磨粒流拋光主要用于各種結構化型腔及流道孔系的精加工，其工作原理是通過一種載有磨粒的黏彈體軟性磨料介質，在擠壓力作用下往復流經被加工表面而實現光整加工。磨粒流拋光質量主要取決于其工藝參數的選取，若參數選取不合理，則拋光質量通常達不到技術要求。目前在使用磨粒流拋光內孔時，通常憑經驗并借助試驗來確定其拋光工藝參數，而試驗需將試件進行破壞性剖開檢測，需進行大量試驗來確定其工藝參數，成本較高，從而影響了磨粒流加工在實際生產中的廣泛應用。
磨粒流拋光質量受磨粒、工作壓力、流速、拋光時間等多種因素綜合影響，導致磨粒流拋光工藝參數很難確定。Petri K.L.等針對影響磨粒流拋光的關鍵因素，通過試驗運用神經網絡技術對磨粒流的拋光過程建立了一種可預測的拋光加工工藝參數系統模型；Hsinn J.T.等針對零件放電加工形成的微小切口處進行了磨粒流光整加工試驗，獲得了一系列微孔道表面光整加工參數；趙濤等針對大型汽輪機噴嘴環磨粒流拋光的工藝問題，采用信噪比試驗得到了工藝參數對表面粗糙度的影響關系；李俊燁等利用數值分析軟件Fluent對共軌管零件微小孔結構和磨粒流拋光的加工狀態進行了數值模擬，得到了理想的磨粒流加工方案；計時鳴等針對軟性磨粒流湍流形態，建立了針對結構化表面磨粒流拋光約束流道內固液兩相流的流體磨料動力學模型，通過數值分析得到了進口壓力和進出口截面尺寸等工藝加工參數對流道內軟性磨粒流的湍流形態的影響規律。
本文采用流體仿真軟件對內孔磨粒流拋光加工過程進行數值模擬，通過分析流體磨料在孔道內加工過程中的壓力、流速等特性，得出進口壓力對加工過程的影響規律，并結合試驗確定不同孔徑和孔深的磨粒流拋光加工參數。
1 磨粒流拋光有限元模型
用數值模擬磨粒流拋光過程中孔的流動狀態，首先要建立能夠反映實際的流道，即對被分析零件進行模型的創建和網格的劃分。由于直孔通道的幾何形狀簡單，且呈幾何對稱，故選擇二維有限元模型；流體磨料的粘度較大，當在孔道內橫向流動時，重力可以忽略不計，為此采用四邊形單元建立有序且規則的結構網格，本文采用1mm分布10個節點的分布原則劃分網格，如圖1所示。磨粒流在加工時，流體磨料依靠上下液壓缸的擠壓作用，從磨料缸的一端通過工件內的流道流向磨料缸的另一端，因此，分別將進出口邊界條件設置為壓力進口邊界和壓力出口邊界來模擬液壓缸擠壓力。將壓力進口的取值定為流體磨料工作壓力的大小，壓力出口取標準大氣壓101325Pa，其余邊界條件均設置為標準無滑移壁面，內部單元區域定為流體。模擬過程中涉及的材料及物性參數取值見表1。
2 磨粒流拋光加工過程的模擬與分析
(1)一定進口壓力下不同孔徑的模擬與分析
基于上述模型設定穩定的流場，以壓力進出口為邊界條件選取進口壓力（Poutlet＝1MPa）和出口壓力（Fluent采用絕對壓力中減去操作壓力得到相對壓力值，故出口壓力實際顯示值為0），對相同孔深（l1＝9mm）、不同孔徑（d1＝1.5mm、d2＝4mm、d3＝6mm、d4＝9mm）的4組模型進行模擬分析，得到流體磨料在圓孔通道內的壓力分布云圖，見圖2。
壓力降的大小是考量磨粒流加工質量好壞的重要指標之一。由圖2可見，磨粒流在加工過程中，流道內部的壓力降總體來說呈線性遞減趨勢。當進口壓力一定時，孔道內部呈現線性均勻的壓力降為有效的進出口壓力差。當進口壓力為1MPa、孔徑為1.5mm時，入口處的應力集中峰值為1.5×106Pa，有效進出口壓力差為9.2×105Pa。為了分析進口壓力一定時，有效進出口壓力差隨孔徑變化情況，從其余三組模擬結果中摘出壓力集中峰值和有效進出口壓力差，可得入口處壓力集中峰值和有效進出口壓力差隨孔徑變化規律曲線見圖3。
圖3 入口處壓力集中峰值和有效進出口壓力差
隨孔徑變化規律曲線由圖3可見，孔道內的進出口有效壓力差隨孔徑的增大逐漸減小。隨著孔徑的增大，孔道內進出口的有效壓力差減小，對應的孔道表面的加工質量下降，因此，增大進口壓力可使孔道內的有效壓力差增大。根據圖中有效進出口壓力差隨孔徑減小的曲線關系可以擬合出其斜率k=-0.04267，因此，根據孔內有效進出口壓力差與孔徑變化間的比例，得到孔徑與進口壓力之間需保持的比例k=0.04267。
(2)一定進口壓力下不同孔深的模擬與分析
設定穩定流場仍以進出口壓力為邊界條件，選取1MPa為進口壓力，出口壓力仍選為標準大氣壓，對相同孔徑（D＝6mm）不同孔深（l1＝9mm，l2＝16mm，l3＝25mm，l4＝45mm）的四組模型進行模擬，同樣可得到相應的流體磨料在圓孔通道內壓力分布云圖和壁面壓力，見圖4。
從中摘出不同孔深的壓力集中峰值和進出口有效壓力差，可以得到入口壓力集中峰值和進出口有效壓力差隨孔深變化的規律曲線（見圖5），線性化后可得到孔深與進口壓力間需保持的比例k2=-0.01667，即在知道某一孔深最佳進口壓力后，就可推算出任意孔深最佳的進口壓力值。
(3)不同進口壓力下固定圓孔通道的模擬和分析
設定穩定流場，保持出口壓力恒定（標準大氣壓Poutlet=101305Pa），分別選取1MPa、3MPa、5MPa、7MPa為進口壓力，對孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道模型進行模擬分析，可得流體磨料在固定圓孔通道內沿其流動方向的壁面壓力曲線，同樣通過4組數據結果可得到入口處應力集中程度隨進口壓力的變化規律曲線(見圖6）。
在分析入口處應力集中程度時，因進口壓力取值變化，所使用的參照數據不再是單純的入口處壓力集中的峰值，而是該峰值和進口壓力的差值ΔP與進口壓力Pinlet的比值，因此可以更客觀地展現入口處應力集中程度。由圖6可見，隨著進口壓力的增加，入口處的應力集中程度呈逐漸變小趨勢，當進口壓力增加到一定程度，入口處應力集中程度的變化趨勢變緩。由此可得，繼續增大進口壓力并不能持續改善表面加工質量，反而會破壞小孔的加工精度。由圖可得計算模型：孔徑D=6mm、孔深l=16mm的圓孔通道理想的進口壓力應為3MPa以上。故暫以3MPa為進口壓力，并結合上文得到的孔徑與孔深和進口壓力間的比例關系k=0.04267、k2=-0.01667，可得到進口壓力隨孔徑和孔深變化關系式為
y1min=0.04267x1+2.74398 (1)
y2min=-0.01667x2+3.20004 (2)
3 磨粒流拋光試驗與分析
試驗試件取某企業生產的質量流量控制器底座，該工件整體材質為316L不銹鋼，外形尺寸74mm×28mm×28mm。拋光對象是該工件上6mm×12mm直孔，如圖7所示。磨粒流設備為美國AFM系列Easy Flow 150磨粒流擠壓珩磨機，檢測儀器為S2粗糙度儀和SZX-10體視顯微鏡及內徑千分尺。
在立式加工中心用φ5.9mm的鉆頭鉆孔后，用φ6mm的鉸刀進行精鉸，磨粒流拋光加工后，用內徑千分表測量各孔的孔徑值，再用電火花線切割機將工件整體沿中軸面橫截剖開，采用體視顯微鏡觀察孔道表面形貌（見圖8），并使用粗糙度儀測量其表面粗糙度。
試驗參數：最大流速為根據模擬得出的最佳進口壓力下圓孔通道內的v=700mm/s；磨料為粒度W20的碳化硅，粘度中軟，磨粒百分比50%。根據磨粒流拋光加工參數確定取值梯度，工作壓力分別取為1MPa、3MPa、5MPa、7MPa，加工時間分別為10min、20min、30min和40min，共進行16組試驗。
為分析工作壓力對小孔磨粒流拋光后表面粗糙度的影響，取試驗工件工作壓力相同的1-4組、5-8組、9-12組、13-16組中的各試件孔道中間部位的三次測量均值試驗數據，見表2。
磨粒流拋光后孔的表面粗糙度隨工作壓力的增加先有變小的趨勢，而后變大，在工作壓力為3MPa時達到了工件所要求的表面粗糙度Ra0.1以下。但持續增大工作壓力，對拋光質量提升影響越來越小，甚至過了臨界值后，壓力對拋光質量的影響開始呈現相反的作用。隨著壓力的持續增加，拋光質量不能達到工件加工所要求的表面粗糙度，這與數值仿真模擬所求出的結果與分析相吻合。
磨粒流拋光加工時間是指加工所用總時間，取試驗件加工時間分別為10min、20min、30min和40min的1、5、9、13組，2、6、10、14組，3、7、11、15組和4、8、12、16組的各試驗件孔道的試驗數據，其Ra最小值分別為0.248μm、0.096μm、0.089μm、0.081μm，可見磨粒流拋光加工時間越長，孔表面粗糙度越小。但加工20min以后變化并不明顯，加工40min時雖然粗糙度較好，但通過對孔徑的測量，發現孔徑變大導致尺寸超差。經試驗驗證，生產效率最佳的拋光加工時長應在25min左右。
結合數值模擬得出的進口壓力隨孔徑、孔深的變化規律，可得到針對該產品不同孔徑孔深的磨粒流拋光工藝參數的確定，設某待加工孔道孔徑為d，孔深為l，則由式(1)和式(2)可得該孔道的進口壓力為
經試驗驗證，數值模擬結論正確，得出直徑φ6mm、孔深12mm的直孔磨粒流拋光最佳工作壓力為3MPa，最佳的磨粒流拋光加工總時間約為20min。
小結
通過數值模擬分析與試驗相結合的方法，對磨粒流拋光不銹鋼孔的加工工藝參數進行研究，可得以下結論：
（1）對于不銹鋼孔類的磨粒流拋光，孔徑與進口壓力之間需保持比例k1=0.04267，孔深與進口壓力間需保持比例k2=-0.01667。通過試驗得到某一具體孔深孔徑后，便可通過k1、k2的比例關系得到具體的優選工藝參數。
（2）持續增大進口壓力并不能一直改善表面加工質量，反而會破壞孔加工精度。
（3）磨粒流拋光加工時間越長，孔表面粗糙度越小，但時間過長會使孔徑變大而導致尺寸超差，考慮生產效率的拋光加工時長應在25min左右為佳。