計(jì)時(shí)鳴，王嘉琦，譚大鵬

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014）

0 引 言

在模具制造過(guò)程中，為了消除模具表面所殘留的機(jī)械加工痕跡，光整加工技術(shù)成為了必要的加工環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的光整加工方法一般需要借助工具接觸進(jìn)行加工，然而基于工具接觸加工難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面［1－2］的精密加工，因此，本研究提出了“軟性”磨粒流的模具結(jié)構(gòu)化表面精密光整加工新方法［3］?！败浶浴蹦チＡ鞯哪＞呓Y(jié)構(gòu)化表面無(wú)工具精密光整加工新方法的機(jī)理是把具有良好湍流特性的“軟性”磨粒流（具有弱粘性）作為加工工具，利用磨粒流的顆粒與結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行多角度頻繁的微切削作用，消除加工壁面的粗糙表面，提高切削的均勻性，實(shí)現(xiàn)逐步光整，最終實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)化表面無(wú)工具精密加工［4－5］。從固液兩相流加工機(jī)理可以知道，磨粒與壁面的切削作用是流道壁面磨損［6］最直接的原因。

本研究以單磨粒碰撞加工表面為例，利用具有強(qiáng)大分析功能的ABAQUS有限元仿真軟件［7－8］對(duì)磨單磨粒與加工壁面的接觸作用與磨損效果進(jìn)行分析，為固液兩相流的研究提供理論依據(jù)。

1 磨粒磨損微切削理論

在磨粒磨損中，較硬材料的微凸體會(huì)穿透并切削較軟的材料。表面上的刮痕是磨粒磨損的一個(gè)標(biāo)志。Hutchings［9］認(rèn)為正是磨粒磨損造成加工表面的材料去除。磨粒流技術(shù)主要用于金屬、合金等塑性材料的表面光整加工，塑性材料的材料去除主要是由于磨粒對(duì)加工表面的微切削作用。

由于所有硬表面上的微切削都是圓錐狀的，顆粒對(duì)塑性材料切削作用的示意圖如圖1所示。

圖1 顆粒對(duì)塑性材料切削作用示意圖

圖1中，在磨料圓錐法向力的作用下［10－11］，圓錐壓入到較軟的材料中。根據(jù)較軟材料的硬度的定義σ0，有：

圓錐在垂直平面上的投影面積等于r h。對(duì)于位移dx，圓錐切掉的體積dV為：

本研究將該體積和材料磨損殘片的體積聯(lián)系起來(lái)，也就是二者相等。磨損率定義為磨損殘片的面體積除以滑動(dòng)的長(zhǎng)度，磨損率等于：

所有微粗糙體的總和產(chǎn)生的磨損殘片體積為：

式（4）經(jīng)常被寫(xiě)為Archard磨損方程，即：

其中，磨損殘片的體積與法向力和滑動(dòng)長(zhǎng)度成正比，與材料成反比。磨損系數(shù)kab r表示磨粒表面的幾何形狀。

Finnie［12］提出了剛性粒子對(duì)塑性材料的沖蝕磨損機(jī)理。單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的質(zhì)量磨損率W(單位：kg/m2?s)的完整表達(dá)式為：

式中：E—無(wú)因次量，表示磨損量；n—單位時(shí)間內(nèi)碰撞壁面的顆粒個(gè)數(shù)；A—磨損面積。

磨損量表達(dá)式為：

式中：K—隨粒子形狀改變而改變的參數(shù)（作用在粒子上的垂直分量與水平分量之比）；c—有效沖擊粒子比例；ψ—切削長(zhǎng)度與深度比；σf—材料塑性流動(dòng)應(yīng)力；v—顆粒速度；m—顆粒質(zhì)量；f(γ)—無(wú)因次函數(shù)，表示碰撞角度的作用。

無(wú)因次函數(shù)f(γ)的表達(dá)式如下：

式中：α—顆粒碰撞角度，α0—臨界入射角度，ρ—加工表面材料密度。

Hashish修正了Finnie磨損模型，改進(jìn)了其中的速度指數(shù)，加入了粒子形狀的影響。改進(jìn)后的模型為：

由于Hashish模型不需要試驗(yàn)常數(shù)，使用起來(lái)更為方便。該模型在考慮速度系數(shù)的同時(shí)包含了顆粒形狀的影響，因此，該模型同樣適用于塑性材料低沖擊角的磨損情況。

2 磨粒磨損的有限元分析

2.1 有限元分析簡(jiǎn)介

有限元分析不僅計(jì)算精度高，而且能適用于各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。而其中，將有限元用于銑削、磨削等切削過(guò)程的研究成為一種高效的數(shù)值分析方法。ABAQUS就是其中一款具有強(qiáng)大有限元分析功能的軟件，該軟件在非線性分析領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，近些年被廣泛運(yùn)用在接觸磨損問(wèn)題的處理領(lǐng)域。

2.2 有限元分析模型

本研究利用ABAQUS仿真軟件對(duì)磨粒撞擊壁面的過(guò)程進(jìn)行了建模仿真。磨粒與加工壁面分別采用顯性線性三維應(yīng)力單元C3D4和隱性線性三維縮減積分單元C3D8R，加工壁面中心撞擊部分對(duì)其進(jìn)行加密處理，確保計(jì)算結(jié)果精確可靠。

有限元單元實(shí)體網(wǎng)格劃分如圖2所示，加工壁面有23 130個(gè)有限元單元，磨粒為1 357個(gè)有限元單元。由于本次研究模型為軸對(duì)稱模型，邊界條件也是軸對(duì)稱，研究者可以取模型的一半進(jìn)行建模分析，此處取整個(gè)球體和鋼板的一半進(jìn)行建模。加工鋼板的尺寸為 500μm×250μm×60μm ，球體的半徑為50μm，對(duì)球體約束成剛體。

圖2 有限元單元的網(wǎng)格

本研究實(shí)際使用的加工表面的材料為45鋼，其材料參數(shù)如表1所示。沖擊磨粒為Si C，材料參數(shù)如表2所示。為減少計(jì)算時(shí)間，這里采用剛性模型。

表1 45材料參數(shù)

2.3 有限元分析結(jié)果

赫羅紹夫［13］認(rèn)為，磨粒磨損是由于金屬表面發(fā)生微觀切削作用，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)磨粒對(duì)表面產(chǎn)生犁刨作用，在加工表面形成磨損。在固液兩相流加工中，由湍流所產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)會(huì)使磨粒與加工表面做不同運(yùn)動(dòng)，磨粒對(duì)加工表面的撞擊會(huì)以沖蝕磨損的形式造成材料去除。

為了真實(shí)反映實(shí)際加工中顆粒對(duì)加工表面發(fā)生的微觀切削作用，本研究選擇實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)中的SiC作為磨粒對(duì)45鋼的加工表面進(jìn)行磨削仿真。在使用ABAQUS軟件過(guò)程中，需更好地顯示磨粒撞擊加工壁面的磨損效果，并且在實(shí)際加工中速度必須大于70m/s才能形成湍流，因此根據(jù)以上條件，本研究把磨粒速度選擇為平動(dòng)，速度為150m/s，磨粒與加工表面的接觸時(shí)間為4E－5 s。因?yàn)槟チ５那邢髯饔脮r(shí)間短，接觸應(yīng)力大，為了更好地反映磨粒加工表面的效果，本研究只考慮單顆粒磨粒的撞擊。

加工表面的塑性變形過(guò)程如圖3所示。從圖3中可以看出，磨粒先跟加工表面接觸，加工表面開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，隨著接觸的加深，塑性變形變得越來(lái)越明顯。當(dāng)不同速度方向的磨粒撞擊同一加工位置時(shí)，加工表面出現(xiàn)刮痕，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)工具緊密加工效果。在磨粒與加工表面接觸過(guò)程中，磨粒會(huì)對(duì)材料較軟的被加工面產(chǎn)生碾壓的作用，使得塑性變形面積不斷增大。當(dāng)磨粒離開(kāi)加工表面以后，被加工表面的接觸應(yīng)力逐漸減小，塑性變形的面積不再變化。實(shí)際固液兩相流無(wú)工具精密加工中，SiC顆粒在湍流的作用下，對(duì)加工表面進(jìn)行多角度頻繁的作用，法向載荷將磨粒壓入表面，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)顆粒對(duì)表面進(jìn)行塑性變形，水平載荷使得磨粒與加工表面產(chǎn)生切削磨損。

圖3 加工表面的塑性變形過(guò)程

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地反映出加工表面在塑性磨損和切削磨損的共同作用下，最終實(shí)現(xiàn)固液兩相流無(wú)工具精密光整加工的結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

固液兩相流精密光整加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電氣控制柜、溶液箱、計(jì)量泵、試驗(yàn)工作臺(tái)四大部分及整套管路閥門(mén)及附屬部件組成，其實(shí)物圖如圖4所示［14］。

圖4 固液兩相流精密光整加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

固液兩相流精密光整加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)有：①液固兩相磨粒流混合均勻；②磨粒流可以循環(huán)使用；③切削金屬屑回收；④壓力流量可調(diào)，可以提供液－固兩相磨粒流的模具結(jié)構(gòu)化表面精密加工所需的湍流條件；⑤可以更換不同的約束模塊。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的液固兩相磨粒流循環(huán)動(dòng)力采用隔膜泵，排出最大壓力為10 MPa，泵速為102次/分，最大流量為240 L/h。夾具的設(shè)計(jì)采用了啞鈴型流道，中部為矩形通道，可以放置尺寸為100mm×10mm×5mm的試件。

該實(shí)驗(yàn)采用試件100mm×10mm×5mm，材料為45#鋼，試驗(yàn)前將試件表面研磨加工至均勻粗糙度Ra=0.8 15μm，如圖5所示。

圖5 加工前的試件

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究啟動(dòng)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：①先開(kāi)啟攪拌器，攪拌數(shù)分鐘后基本均勻；②啟動(dòng)計(jì)量泵，泵運(yùn)行為往復(fù)性柱塞向后移動(dòng)產(chǎn)生增壓，每分鐘的往復(fù)次數(shù)由流量調(diào)節(jié)而定，同時(shí)壓力表顯示壓力也隨流量調(diào)節(jié)而變化。

每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)之后，本研究從約束模塊中取出試件進(jìn)行測(cè)試，獲得的數(shù)據(jù)后再放回約束模塊中，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上再繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間加工，條件不變，如此重復(fù)數(shù)次后，最終獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。獲得的試件粗糙度變化圖，如圖6所示。

表3 試件加工前后的粗糙度對(duì)比

固液兩相流拋光效果跟多方面因素有關(guān)，包括磨粒濃度、磨粒速度、加工時(shí)間都直接影響拋光效果。本次試驗(yàn)是在低濃度磨粒流作用下，顆粒速度通過(guò)計(jì)量泵使磨粒的平均速度控制在跟仿真結(jié)果相同，基本在150m/s左右。由于試驗(yàn)中排除了磨粒濃度與速度的影響，這里只需通過(guò)加工時(shí)間來(lái)直接反映試件的拋光效果。

圖6 試件粗糙度變化圖

比較圖5和圖7中試件加工前后的表面效果可以看到，試件進(jìn)行加工以后，隨加工時(shí)間的增加，加工表面變得光亮，表面粗糙度大大降低，表面不再出現(xiàn)明顯的紋理，由此可見(jiàn)光整加工效果明顯。

圖7 試件加工后表面效果圖

通過(guò)TR粗糙度儀對(duì)加工表面進(jìn)行粗糙度測(cè)速，本研究可以得到：隨著加工時(shí)間的增加，試件表面的粗糙度由原來(lái)的0.815μm下降到加工后的0.062 0μm，可以證明固液兩相流中，在湍流作用下隨時(shí)間變化，磨粒逐漸表現(xiàn)出均勻性和無(wú)序性，從而大大提高了拋光效果。從提高的拋光效果也可以直接證明，使用ABAQUS仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)具有可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究采用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)磨粒作用加工壁面進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS可以從微觀角度直觀地觀察到：磨粒在水平切削力和豎直方向的擠壓力作用下，造成加工面的磨損最終在多磨粒的頻繁多角度作用在同一加工位置，完成對(duì)加工表面的精加工作用。這個(gè)結(jié)果與赫羅紹夫的磨損理論是一致的。這說(shuō)明通過(guò)使用ABAQUS軟件可以精確地分析出微觀狀態(tài)下固液兩相流的加工機(jī)理，可為進(jìn)一步研究固液兩相流精密加工提供理論依據(jù)。

（2）在實(shí)際加工過(guò)程中，隨著加工時(shí)間的增加，加工壁面表面粗糙度不斷得到提高，拋光效果明顯。這說(shuō)明磨粒隨時(shí)間變化在固液兩相流中逐漸變得均勻和無(wú)序，從而可以有效提高被加工表面的加工質(zhì)量。

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）：

［1］BRINKSMEIER E.Polishing of structured molds［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2004，53（1）：247－250.

［2］BRINKSMEIER E.Finishing of structured surfaces by abrasive polishing［J］.Precision Engineering，2006，30（3）：325－336.

［3］計(jì)時(shí)鳴，唐 波，譚大鵬.結(jié)構(gòu)化表面軟性磨粒流精密光整加工方法以及其磨粒流動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（15）：178－184.

［4］KUROBE T，YAMADA Y，YAMAMOTO K.Development of high speed slurry flow finishing of the inner wall of stainless steel capillary：polishing and gas flow characteristics of the various size of the capillary［J］.Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology，2001，25（2）：100－106.

［5］JAIN V K，ADSUL S G.Experimental investigations intoabrasive flow machining（AFM）［J］.International Journal of MachineTools& Manufacture，2000，40（7）：1003－1021.

［6］馮富貴，趙恒華，蔡光起，等.高速單顆磨粒磨削機(jī)理的研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，23（5）：470－473.

［7］莊 茁，由小川.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［8］劉 展.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解［M］.北京：水利水電出版社，2008.

［9］方 慧，郭培基，余景池.液體噴射拋光技術(shù)材料去除機(jī)理的有限元分析［J］.光學(xué)精密工程，2006，14（2）：218－223.

［10］孔虎星，郭拉鳳，尹曉霞.基于ABAQUS的鈦合金切削有限元分析［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（8）：22－23.

［11］金 程，李 偉.雙面拋光機(jī)內(nèi)外齒圈比值的研究［J］.輕工機(jī)械，2011，29（5）：108－110.

［12］FINNIE I.Erosion of surface by solid particle［J］.Wear，1960，3（2）：87－103.

［13］全永昕，施高義.摩擦磨損原理［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

［14］計(jì)時(shí)鳴，章 定.軟性磨粒流精密加工的仿真及實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)電工程，2011，29（9）：245－248.