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，及內部腔體形結構。

此類零件的內孔通常是通過鉆頭、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施加一定的壓力，使得流體介質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、交叉孔等結構，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，為實際生產中管路零件內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?；旌隙?。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?？醋魇且话研〉毒?，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生，若擠壓力過小，磨粒只與通道表面相接觸，工件只產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]。

磨粒流光整管道內壁加工模型如圖1所示。

圖1 磨粒流光整管道內壁加工模型

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

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，在硬質磨粒與工件的硬度比不同的情況下，磨粒本身也會產生不同的磨損程度，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。

實驗零件參數如表1所示。

表1 實驗零件參數表

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，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，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，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。

試驗時不考慮磨料體積被壓縮的情況，根據如下式：

Q=V

(1)

(2)

式中：Q—管道出口流量；V—缸內磨料體積；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。

實驗磨料加工參數如表2所示。

表2 實驗磨料加工參數表

3 實驗結果分析

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)，零件管道內壁在磨粒流光整后其表面的凹坑、劃痕變淡，零件的轉角毛刺、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壁，內壁表面的突起、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。

零件加工后的內壁表面3D輪廓如圖6所示。

圖6 零件加工后內壁表面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 加工磨粒對表面質量均勻性的影響

為了分析加工磨粒對整體表面質量均勻性的影響，筆者在管道內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。

加工后管道內壁樣點粗糙度分布如圖8所示。

圖8 加工后管道內壁樣點粗糙度分布

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使得內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，故其對內壁產生的接觸力更大。

Preson方程如下式所示：

(3)

式中：kp—拋光系數；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，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 結束語

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

(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的加工毛刺、倒角有更好的修整效果。