王景坡，凌 洋，杭 偉*，韋嵐清，袁巨龍

(1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與 先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

在各工業(yè)領域中所使用的閥體、管路連接頭和過濾器等零部件中，廣泛存在著相貫孔、交叉孔，及內(nèi)部腔體形結(jié)構(gòu)。

此類零件的內(nèi)孔通常是通過鉆頭、刀具兩次加工或電火花加工[1，2]制成，因此加工后的零件孔腔存在毛刺、電坑等缺陷。雖然通過人工打磨能夠去除某些自由曲面及管道型腔等的毛刺，但受刀具尺寸、加工方式、加工空間的影響，零件二次加工效率低，產(chǎn)品一致性差。并且人工打磨對操作者的技能要求高，一旦操作失誤，將導致零件毛刺增多，孔腔粗糙度提高甚至零件報廢，進而導致零件在使用過程中通道堵塞，油液污染，對整個液壓工作系統(tǒng)造成嚴重后果。由于此類零件工作環(huán)境極其惡劣，同時還要承載極端載荷，為保證其使用壽命和疲勞壽命，必須對其零件內(nèi)表面進行光整加工，這已成為超精密加工領域迫切需要進行研究的重要課題[3]。目前，通過普通加工方法不能有效地改善管接頭零件的表面質(zhì)量，而磨粒流加工技術的出現(xiàn)，則為其提供了有效的解決途徑[4-6]。

磨粒流加工技術原理是對混有磨粒的粘彈性體軟性介質(zhì)施加一定的壓力，使得流體介質(zhì)在零件的加工表面反復流動，以實現(xiàn)對零件的修整作用[7]。目前，磨粒流加工的運用已經(jīng)日益成熟，該工藝已廣泛用于機械零部件的精加工，如進排氣管、增壓腔、氣缸頭、渦輪殼體和葉片、花鍵、齒輪、制動器等[8]。

針對液壓管路零件中連接頭的相貫孔、交叉孔等結(jié)構(gòu)，筆者選用典型的液壓管路連接件(三通管和四通管)作為實驗零件，設計磨粒流加工實驗，著重探討加工磨粒、零件材料因素對磨粒流加工效果的影響，為實際生產(chǎn)中管路零件內(nèi)表面光整工藝提供技術支持。

1 磨粒流光整加工原理

磨粒流加工技術是將磨料放置在壓力缸中，通過液壓桿的上下往復運動，使得磨料被壓入管道內(nèi)部，磨料流出后通過磨料回收槽收集，并通過回收槽底部的蝸桿將磨料再次送入壓力缸中，從而實現(xiàn)加工磨料的循環(huán)加工。

加工磨料通常由液相載體和固相磨粒混合而成。液相為具有流動性的粘彈性高分子材料，加工時緊緊包裹磨粒，為磨粒提供加工附著力。固相為硬質(zhì)磨粒，其顆粒的形狀大小在加工管道中的分布方式是隨機的[9]，與零件表面的接觸方式也是隨機存在。若把單顆磨粒看作是一把小刀具，則刀具切削部分的前角有可能是正前角、零前角或負前角，刀具的后角、主偏角、副偏角和刃傾角也呈隨機分布狀態(tài)。

磨粒流加工過程中，磨料中的磨粒在壓力與流速的作用下與通道表面互相作用。切削作用伴隨磨粒流擠壓力而產(chǎn)生，若擠壓力過小，磨粒只與通道表面相接觸，工件只產(chǎn)生彈性變形卻不能被去除；若磨粒以更大的力和刀具前角作用于通道表面，使工件表面凸起部分達到材料斷裂極限，就會把工件表面微凸起部分去除，形成的切屑隨拋光液被帶走[10]。

磨粒流光整管道內(nèi)壁加工模型如圖1所示。

圖1 磨粒流光整管道內(nèi)壁加工模型

磨粒流加工時，將黏彈性流體介質(zhì)視為硬質(zhì)磨粒的載體，硬質(zhì)磨粒與加工表面相互作用，此時的黏彈性流體介質(zhì)可看作彈簧機構(gòu)，能夠緩沖磨粒與零件表面的過度碰撞，避免產(chǎn)生微裂痕。

在加工過程中，磨粒在擠壓力的作用下，直接與通道表面產(chǎn)生相對滑移運動，使得磨粒與工件表面均勻不斷地被磨損而消耗[11]。不過，在硬質(zhì)磨粒與工件的硬度比不同的情況下，磨粒本身也會產(chǎn)生不同的磨損程度，故磨粒流加工也有不同的磨損性能，其加工是以微切削來達到微量光整加工的目的。

2 液壓管路連接頭磨粒流加工實驗

2.1 實驗零件

實驗選取3種典型的液壓管路連接頭零件進行加工試驗，分別為2種三通管和1種四通管。

實驗零件參數(shù)如表1所示。

表1 實驗零件參數(shù)表

由表1可知，由于零件材料具有高強度、耐磨損、耐腐蝕的特點，增加了其表面材料去除的困難。

實驗選用零件如圖2所示。

圖2 實驗選用零件

三通和四通管接頭的管徑小，內(nèi)部狹窄，并且管道有交叉和相貫特征，因此難以使用傳統(tǒng)的砂帶和表面研磨拋光方式[12]對其進行光整加工。

蔡智杰等[13]使用磨粒流加工對電火花制孔的共軌微小孔進行了光整加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拋光壓強、磨料濃度及加工時間對孔道表面粗糙度的影響均為負效應；磨粒粒徑大于148 μm時，對表面粗糙度的影響為正效應，粒徑小于該臨界值時，表現(xiàn)為對拋光效率的正效應影響；在最優(yōu)的參數(shù)組合條件下，孔道表面粗糙度Ra由初始的1.31 μm降至0.20 μm。

李俊燁等研究了磨粒流加工非線性管零件，實驗證明磨粒流加工確實可以明顯改善非直線管零件的表面質(zhì)量，從而提高非直線管零件的工作可靠性和使用壽命。

綜上可知，通過普通加工方法不能有效改善多通管道零件的表面質(zhì)量問題，采用磨粒流加工技術是一種行之有效的解決途徑。

2.2 實驗零件工裝

筆者設計了一套工裝，實現(xiàn)了零件加工時的固定和流道對接，實驗零件工裝如圖3所示。

圖3 實驗零件工裝

加工過程為：通過管接頭的外螺紋連接至固定盤的螺紋孔內(nèi)，固定盤反面留有磨料入口，加工時與拋光機磨料出口對接；然后在固定盤上方放置頂柱和壓板，通過液壓頭壓緊，最后設置加工參數(shù)，啟動拋光機；此時壓力缸通過上下擠壓運動，將磨料壓入管道內(nèi)，通過管道交叉口時流進各支路管道，最后磨料流出后掉入底部回收，再次循環(huán)。

2.3 主要實驗過程

首先需要根據(jù)零件材料特性，選擇試驗磨粒。由表1可知，試驗所用零件材料分別為30CrMnSiA、1Cr18Ni9Ti、1Cr11Ni2W2MoV，材料都經(jīng)過熱處理，硬度較高，故筆者選擇碳化硅、金剛石磨粒作為待測加工磨粒，兩種磨粒都具有硬度高、導熱性好、抗腐蝕等特性；結(jié)合現(xiàn)有磨粒流加工技術，設置好磨料濃度、載體粘度、磨粒粒徑號等磨料參數(shù)。

試驗時不考慮磨料體積被壓縮的情況，根據(jù)如下式：

Q=V

(1)

(2)

式中：Q—管道出口流量；V—缸內(nèi)磨料體積；r—管接頭出口半徑，mm；d—壓力缸徑，mm；v1—磨料速度，m/s；v2—壓力缸進給速度,m/s；t—加工時間，s。

由此可求出磨料速度。

實驗磨料加工參數(shù)如表2所示。

表2 實驗磨料加工參數(shù)表

3 實驗結(jié)果分析

零件加工完成后，筆者通過線切割方式將零件對半剖開，并使用超聲波清洗機對零件的內(nèi)壁進行清洗，以去除殘余磨料及油污。

零件光整后剖開圖如圖4所示。

圖4 零件光整后剖開圖

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，零件管道內(nèi)壁在磨粒流光整后其表面的凹坑、劃痕變淡，零件的轉(zhuǎn)角毛刺、尖角等均得到了一定的修整，表面平滑有金屬光澤。這是由于在加工過程中，在壓力和速度的作用下，磨粒不斷作用于管道內(nèi)壁，內(nèi)壁表面的突起、毛刺、劃痕、尖角等都被磨粒微刃切屑去除，使得通道表面輪廓變得既平緩又精細。

3.1 加工磨料對粗糙度的影響

為了定量分析加工后的零件表面質(zhì)量，筆者采用CHOTEST光學3D表面輪廓儀，對零件加工前后的同一區(qū)域的表面粗糙度進行測量，并對其微觀表面3D輪廓進行掃描。

零件表面初始粗糙度如圖5所示。

圖5 零件初始表面粗糙度

實驗所選的零件采用的是電火花機床加工制孔，表面產(chǎn)生較多的凹坑、裂紋、凸點等。初始表面粗糙度Ra為400 nm～500 nm。

在使用240#碳化硅磨粒、磨粒濃度為50%、載體粘度為300 pa·s的條件下加工4 min后，3類零件通道內(nèi)壁表面粗糙度分別下降至：三通管HB8191Ra=147.177 nm；三通管HB4-22FA6Ra=129.564 nm；四通管HB4-27Ra=127.533 nm。

在相同的加工條件下使用金剛石磨粒加工，3類零件通道內(nèi)壁表面粗糙度分別下降至：三通管HB8191Ra=212.951 nm；三通管HB4-22FA6Ra=260.837 nm；四通管HB4-27Ra=278.781 nm。

零件加工后的內(nèi)壁表面3D輪廓如圖6所示。

圖6 零件加工后內(nèi)壁表面3D輪廓

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：(1)使用碳化硅混合制成的磨料時，管道內(nèi)壁光整后的表面粗糙度Ra值更低，表面形貌優(yōu)于金剛石；(2)使用碳化硅混合磨料時，材料表面紋理清晰，制孔留下的電坑和點蝕被有效地修平，而使用金剛石作為加工磨粒，加工后表面仍然存在部分凹坑和界面凸起。

3.2 加工磨粒對表面質(zhì)量均勻性的影響

為了分析加工磨粒對整體表面質(zhì)量均勻性的影響，筆者在管道內(nèi)壁上取多個檢測樣點。

零件粗糙度檢測樣點分布如圖7所示。

圖7 零件粗糙度檢測樣點分布

筆者在每個管道中沿著流道方向選取5個點，樣點之間的間距相等，并測量樣點的粗糙度，繪制成粗糙度樣點分布曲線。

加工后管道內(nèi)壁樣點粗糙度分布如圖8所示。

圖8 加工后管道內(nèi)壁樣點粗糙度分布

由圖8可以看出：在使用碳化硅磨粒加工后，3類管接頭零件內(nèi)壁的整體粗糙度值明顯低于金剛石，且其粗糙度值上下浮動水平也低與后者，這說明碳化硅磨粒更適合用于液壓管路連接頭的磨粒流加工。

筆者取兩種加工磨粒制作樣片在顯微鏡下進行觀察，磨粒顯微放大如圖9所示。

圖9 磨粒顯微放大圖

圖9中，碳化硅磨粒形狀多為不規(guī)則多邊形，存在較多的棱邊和尖角；金剛石磨粒呈現(xiàn)球形顆粒狀。

當磨粒在與內(nèi)壁摩擦接觸時，前者的接觸多為點線接觸，局部壓力較大，形成較多微小刀刃的機率大，從而對管道內(nèi)壁的凸起、毛刺等進行塑形去除，可見碳化硅磨粒能夠在短時間內(nèi)使得內(nèi)壁表面粗糙度下降到相近水平，對零件的整體拋光更均勻；金剛石磨粒與材料接觸阻力較大，對于管接頭內(nèi)壁的凸起、毛刺、微小裂紋等加工缺陷，修整效果不如碳化硅。

3.3 加工磨料對材料去除量的影響

筆者通過實驗，對比碳化硅和金剛石兩種加工磨粒對零件材料去除的效果。

在加工4 min后，磨粒對零件材料去除量如圖10所示。

圖10 零件材料去除量

圖10中，使用碳化硅磨粒對3類零件進行加工時，材料的去除量分別為：三通管HB8191 Δm=83.4 mg；三通管HB4-22FA6 Δm=184.4 mg；四通管HB4-27 Δm=57.2 mg。

使用金剛石磨粒對3類零件加工時，材料的去除量為：三通管HB819 Δm=62.7 mg；三通管HB4-22FA6 Δm=135.2 mg；四通管HB4-27 Δm=41.2 mg。

由此可以發(fā)現(xiàn)，三通管HB4-22FA6材料去除明顯高于其他零件；而碳化硅相比金剛石對零件產(chǎn)生的材料去除量更大，并且零件材料硬度越低，兩者差值越大。這說明碳化硅磨粒相比金剛石對材料的去除效果更好，磨粒流加工光整效率更高。

這是由于碳化硅磨粒屬于不規(guī)則多邊形，棱邊和尖角的數(shù)量比金剛石磨粒更多，在相同的管道壓力下，其磨粒與零件表面的接觸面積更小，故其對內(nèi)壁產(chǎn)生的接觸力更大。

Preson方程如下式所示：

(3)

式中：kp—拋光系數(shù)；v—磨粒與工件的相對速度；p—加工壓力；t—加工時間。

由Preson方程可知：在相同的加工時間內(nèi)，材料去除量與加工壓力成正比；而碳化硅磨粒接觸壓力更大，對材料去除效果更好。

4 結(jié)束語

為了降低液壓管路連接頭內(nèi)壁的表面粗糙度，筆者對采用磨粒流光整加工液壓管路連接頭內(nèi)壁的加工機理、加工工藝進行了研究，并得出以下結(jié)論：

(1)通過分析磨粒流加工過程中磨粒的力學特性、運動學特性、材料去除原理得出，磨粒流加工是以微量切削方式達到零件表面的光整加工，以此確定了磨粒流光整加工液壓管路連接頭的可行性；

(2)通過對液壓管路連接頭應用場景分析可知，零件材料具有高強度、耐磨損、耐蝕等物理特性。因此選擇碳化硅、金剛石兩種磨粒作為加工磨料，并根據(jù)零件外形設計實驗工裝夾具，進行了磨粒流加工實驗；

(3)加工后管道內(nèi)壁的加工缺陷得到了改善，毛刺消失，表面細膩有光澤。對比兩種磨粒的加工效果，筆者發(fā)現(xiàn)，無論是在表面粗糙度還是加工整體的均勻性方面，碳化硅磨粒都要優(yōu)于金剛石磨粒，并且材料去除效率更高。

因此，在實際加工環(huán)節(jié)中，使用碳化硅作為加工磨粒對金屬管道內(nèi)的加工毛刺、倒角有更好的修整效果。