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磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的沖蝕磨損分析
１ 引 言
伺服閥的閥芯噴嘴是伺服閥的關鍵零件，而閥芯噴嘴處小孔的表面質量會直接影響伺服閥的使用性能，當噴嘴體小孔的內壁存在毛刺、不夠光滑或是有污染物殘留時，就容易造成閥芯噴嘴射流時發生散射和螺旋，或導致噴嘴體堵塞，從而對整個伺服閥控制系統造成嚴重的損害。為了提高閥芯噴嘴體小孔的表面質量，進行噴嘴體小孔精密光整加工具有非常重要的意義。磨粒流研拋技術具有很好的研磨能力，尤其適用于對復雜零件內表面以及零件內部隱蔽部位的孔及型腔、模具等復雜曲面的光整加工
［１］是一種經濟有效的新型精密光整加工工藝。因此可以采用磨粒流研拋技術改善伺服閥閥芯噴嘴的流道表面質量。磨粒流研拋技術機理是把磨粒流加工介質內的磨粒看作無數的切削刀具，利用磨粒的不規則堅硬棱角反復磨削零件的待加工表面，從而實現零件表面的精加工
［２］磨粒流研拋技術的加工實質就是，利用磨料顆粒與研拋表面之間的相對運動，對零件表面產生一定的微量磨削、刻劃、碰撞作用，從而實現對研拋表面的光整加工
［３］其加工機理與采礦、管道運輸、冶金領域存在的沖蝕磨損相似。因此可以借助沖蝕磨損的相關理論思想來對磨粒流研拋技術進行研究。根據沖蝕磨損的相關研究可知，影響材料沖蝕磨損結果的因素主要分為三個方面，一是沖蝕流體的特性，主要包括沖蝕的速度、溫度、角度以及流體的腐蝕性等特性；二是沖蝕顆粒的屬性，主要包括顆粒的粒徑、形狀、硬度等特性；三是靶材的特性，主要包括靶材的結構形狀、材料性能等特性
［４］故對磨粒流研拋性能的研究也可以從這三方面入手，本課題組之前研究了磨粒粒徑、磨料濃度、擠壓力、加工時間４種工藝參數對磨粒流研拋非直線管類零件效果的影響
［５］李琛等對結構化表面中磨粒在流體中的受力進行了分析，并研究了磨粒對壁面的微切削機理
［６］計時鳴等學者提出了一種在約束流場內引入微尺度氣泡來增強流體動能的方式，通過實驗發現引入微納米氣泡后流體的拋光效率有所提高
［７］Ｍ．ＲａｖｉＳａｎｋａｒ等學者探討了磨粒流旋轉加工方式對工件材料表面形貌的影響
［８］目前國內學者主要從磨粒粒徑、磨料濃度、溫度、擠壓壓力、加工時間等方面對磨粒流的研拋性能進行了相關研究，本文將從固液兩相磨粒流沖蝕磨損特性和磨粒硬度角度方面探討磨粒流研拋機制。
２ 沖蝕磨損模型
沖蝕磨損主要是指粒徑小于１ ０００μｍ 的松散小顆粒以一定的速度以及角度對材料表面進行沖擊并造成其表里材料流失的現象［９］。研究沖蝕磨損主要是為了弄清材料流失的影響因素以及材料流失的本質［１０］，而研究磨粒流研拋技術主要是為了弄清在何種工藝參數下能夠獲得更好的工件表面質量。這使得磨粒流研拋技術的研究與沖蝕磨損的研究具有很多的相似之處。Ｆｉｎｎｉｅ［１１］基于剛性粒子對塑性金屬的沖蝕磨損提出了微切削理論，較準確地描述了在低角度沖蝕下顆粒對塑性材料的磨損規律。
其中ν為體積沖蝕率，Ｋ 是修正系數，ｍｐ為沖蝕顆粒的質量，ｖｐ
為顆粒時沖擊速度，ｎ 為速度指數，α為沖擊角度，Ｐｔ為材料的流動應力。在磨粒流研拋技術的數值求解過程中，顆粒相可被視為擬流體相也可被視為離散相。
３ 沖蝕磨損數值模擬
利用計算流體力學方法對磨粒流研拋閥芯噴嘴的沖蝕磨損過程進行數值模擬，采用κ－ε湍流模型、混合模型以及離散相模型進行分析，求解方法采用壓力－速度耦合求解方式，并選取經典ＳＩＭＰＬＥＣ算法和一階迎風格式，選用速度進口和自由出口邊界條件。
在噴嘴小孔區域及交叉孔區域處的沖蝕磨損效果比較明顯。這主要是由于磨粒流流經噴嘴的交叉孔區域時加工通道的尺寸發生了改變，磨粒流速度瞬時增加湍流加劇導致此處磨粒的無序運動加劇，從而使磨粒與壁面的碰撞更加激烈，導致此處磨粒的微磨削作用更加明顯，加工質量更好。
４ 試驗分析
為證實磨粒流研拋技術對伺服閥閥芯噴嘴表面質量改善的效果，以及不同磨粒硬度對加工效果的影響，選用碳化硅和白剛玉兩種磨粒對伺服閥閥芯噴嘴零件進行磨粒流光整加工試驗。通過比較不同磨粒種類下工件研拋前后的表面粗糙度和表面形貌，檢測零件的表面質量。根據文獻［１２］中關于不同磨粒粒徑對噴嘴小孔表面粗糙度的影響試驗結果可知，當磨粒粒徑為１０μｍ時能夠獲得較低的表面粗糙度數值，因此本試驗主要選用粒徑為１０μｍ的磨粒對磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的可行性和有效性進
行試驗分析。
４．１ 試驗準備
試驗所采用的閥芯噴嘴總長度為１０ｍｍ，外圓尺寸為３．５ｍｍ，內孔尺寸為１．５ｍｍ，射流小孔直徑為０．１ｍｍ，試驗所用液體相為液壓油，所用磨粒材料的參數如表１所示。將采用碳化硅研拋后的工件命名為１＃樣件，采用白鋼玉研拋后的工件命名為２＃樣件。
４．２ 試驗結果與討論
由于伺服閥閥芯噴嘴的內部流道狹小細長，尤其是噴嘴小孔區域，現有的檢測手段無法進行有效測量，因此試驗結束后需要采用線切割機床對零件進行切割剖面，零件清洗之后才能進行內表面檢測。線切割后的噴嘴零件局部放大圖如圖３和圖４所示。
通過對比觀察圖３圖４可發現，研拋前的閥芯噴嘴零件尤其是噴嘴小孔區域內表面較粗糙，而研拋后的閥芯噴嘴零件內表面比較光滑。
４．２．１ 閥芯噴嘴噴孔形貌分析
通過對比觀察小孔區域的表面形貌來判斷磨粒流研拋技術的加工效果，采用Ｎｉｋｏｎ ＳＭＺ７４５Ｔ電子顯微鏡對閥芯噴嘴原件、１＃樣件和２＃樣件的噴孔表面進行觀察，檢測結果如圖５和圖６所示。
從圖５和圖６磨粒流研拋前后的閥芯噴嘴孔示意圖可以看出，未經磨粒流研拋的噴嘴孔型及環帶粗糙、不光潔、存在毛刺現象，而經磨粒流研拋后的噴嘴孔型及環帶則變得平整光潔。
４．２．２ 閥芯噴嘴內通道表面粗糙度的檢測分析
為了能夠更加直觀地分析磨粒流的研拋效果，利用ＮＴ１１００光柵表面粗糙度測量儀對研拋表面進行多位置點測量，分別選取了伺服閥閥芯噴嘴零件的主干通道、交叉孔以及小孔區域進行表面粗糙度檢測，獲得了零件表面粗糙度的表面形貌圖。磨粒流研拋前后噴嘴零件的主干通道測量結果分別如圖７～９（彩圖見期刊電子版）所示。從圖７～９可以看出，初始原件主干通道的表面粗糙數值為１．１μｍ，經磨粒流研拋后的１＃樣件主干通道表面粗糙度為０．７３５μｍ，２＃樣件主干通道的表面粗糙度為１μｍ。
表面粗糙度檢測結果可以看出，初始原件交叉孔處的表面粗糙數值為０．８２３μｍ，經磨粒流研拋后的１＃樣件交叉孔處的表面粗糙度為０．７２１μｍ，２＃樣件交叉孔的表面粗糙度為０．７４７μｍ。磨粒流研拋前后噴嘴零件的小孔區域的測量結果如圖１３～１５（彩圖見期刊電子版）所示。從圖１３、圖１４和圖１５可以看出，原件小孔處的表面粗糙數值為０．７４３μｍ，經磨粒流研拋后的１＃樣件小孔處表面粗糙度為０．５７１μｍ，２＃樣件小孔處表面粗糙度為０．６９６μｍ。從伺服閥閥芯噴嘴經磨粒流研拋前后的表面粗糙度檢測結果可知，未經磨粒流研拋的噴嘴零件的表面質量較差，經過磨粒流研拋后的噴嘴零件表面的表面粗糙度數值變小，并且１＃樣件噴嘴的整體粗糙度值要低于２＃樣件噴嘴的粗糙度值，可以說明磨粒流研拋技術確實可改善伺服閥閥芯噴嘴的表面質量，而且硬度較高的碳化硅磨粒較硬度較低的白剛玉磨粒的研拋效果好。
４．２．３ 閥芯噴嘴內通道表面形貌的檢測分析
采用ＪＸＡ－８４０掃描電鏡儀，分別對磨粒流研拋前后閥芯噴嘴主干通道和小孔區域的微觀表面形貌進行檢測，檢測結果如圖１６、圖１７和圖１８所示。從圖１６未經磨粒流研拋的表面形貌圖可以看出，小孔區域的表面和主干通道的表面粗糙、不光滑，表面帶有深淺不一的劃痕和一定數量的夾雜碎屑，而且小孔區域的加工質量比主干通道更差。從圖１７和圖１８經磨粒流研拋后的１＃樣件和２＃樣件表面形貌圖可以看出，不論是噴嘴主干通道表面還是噴嘴小孔區域表面都有改善，而且小孔區域的表面變得更加平整、致密，研拋效果比主干通道的研拋效果更好。
５ 結 論
本文從磨粒流研拋沖蝕磨損角度研究了磨粒流研拋機制，以伺服閥閥芯噴嘴為磨粒流研拋對象，應用計算流體力學方法對伺服閥閥芯噴嘴磨粒流研拋過程進行數值模擬及磨粒流研拋試驗，探討了磨粒硬度對磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的影響。檢測結果表明，經碳化硅磨粒和白剛玉磨粒研拋后的伺服閥閥芯噴嘴主干通道、交叉孔以及小孔區域的粗糙度分別由１．１、０．８２３、０．７４３μｍ降為０．７３５、０．７２１、０．５７１μｍ 和１、０．７４７、０．６９６μｍ，經磨粒流研拋后的伺服閥閥芯噴嘴零件的表面變得細致光滑。證實了采用固液兩相磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的可行性，且磨粒流研磨液中含有硬度高磨粒的研拋效果較硬度低的好。通過分析經磨粒流研拋前后的伺服閥閥芯噴嘴的主干通道和小孔區域微觀表面形貌圖可知，閥芯噴嘴小孔區域的研拋效果比主干通道的研拋效果要好。這是由于磨粒在小孔區域較主干通道的作用更為激烈，磨粒與通道壁面的碰撞機會更多，與數值模擬的預測結果一致。