高速工具约束磨料表面光整工艺

Surface finishing technology with high-speed tool restrained abrasivesZhuang Shudong · An Luling W ang Tingting Guo Guanghui( Colege of Mechanical and Electrical Engineering，N ing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)( Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)Abstract：Based on high-speed machining and hydrodynamic lubrication theories，a controlable fin-ish machining method on the surface of workpiece by using the high-speed multi-·axis machine toolsan d high-speed tool restrained abrasives is proposed.First，the mathematical model of the fluid ve-locity field and pressure field on the wedge zone between the high-speed tool and the workpiece isestablished by hydrodynamic theory.It is proved theoretically that the process Cal be put into prac-tice.Then the validity of the theoretical research is proved with experiments.Furthermore，theeffects of the factors such US the tool rotational speed，feed rate，gap between tool and workpiece，abrasive specifications，etc.on the eficiency and the effectiveness of the finishing process are stud-ied.Finaly，better process data on various finishing processes are obtained with orthogonal experi-ments.The data of rough finishing are 0.15 ITlrl in spacing and one portion of 80 polishing pastewith ten portion of 40 lubricating oil are used for mi xture.The data of fine finishing are 0.05 mill inspacing and one portion of 800 polishing paste with five portion of 40 lubricating oil are used formixture.The data of glossy finishing are 0.02 rain in spacing and W 5 fine powder abrasive with ker-osene，petroleum barium sulfonate for mi xture.The maximum speed of the machine is used as toolrotational speed and the feed rate is 1 000 mm/min.It is shown that the finishing process with high-speed the tool constrained abrasives is effective。

Key words：high-speed tool；velocity field；pressure field；consMned abrasives；finishing technology收稿 日期：2012-12-10. 作者简介：庄曙东(1970-)，男，博士生，工程师；安鲁陵(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，anlme###nua.edu.Cn。

引文格式：庄曙东，安鲁陵，王婷婷，等.高速工具约束磨料表面光整工艺[J].东南大学学报：自然科学版，2013，43(4)：782-787.[doi：103969/j.issn.1001-0505.2013.04.020]第4期 庄曙东，等：高速工具约束磨料表面光整工艺 783发动机叶片、叶轮以及模具等具有复杂形状和结构的零件的加工精度和表面质量对其工作性能有很大的影响.目前，数控加工机床和加工中心的广泛应用，使得上述零件的尺寸和形状精度得到保证.但切削加工后，不可避免地会在零件表面存在加工痕迹，需要采取措施来减小直至消除这些加工痕迹，以满足对零件表面高质量的要求.现在常用的方法是手工打磨，这种方法既耗时又费力，也难以从根本上提高产品的质量；振动光饰法也是常见方法之-，这种方法与手工打磨相比，效率高，但可控性较差，在磨去加工痕迹的同时，很可能会出现塌边等缺陷，致使产品质量受到影响.磨粒流加工 是近年来提出的-种较新的光整加工工艺，这种工艺在20世纪6O年代提出，它是以流体为载体，磨料悬浮在流体中，依靠磨料相对于工件表面的流动能量进行光整加工.由于这种工艺特别适合加工结构复杂或细微内孔零件，因此近年来成为学者研究和企业开发设备的热点.Jain等 采用有限元法建立磨粒流加工的加工模型.Kurobe等 提出了基于高速磨粒流的不锈钢毛细管内壁抛光的方法.李长河等 刮提出用砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面的方法.计时鸣等 71进行了基于软性”液-固两相的模具结构化表面光整加工工艺的研究，给出了软性”液-固两相磨粒流加工的控制方程.浙江工业大学、太原工业大学等单位进行了磨料流加工机床的研发 。

基于高速加工技术和流体动压理论，本文提出了-种利用高速多轴机床和高速工具约束磨料对零件表面可控地进行精密光整加工的方法.在完成高速精铣后，更换工具进行表面光整加工，可应用CAD/CAM软件的功能优化光整路径，调整工艺参数，解决复杂型面、内部型腔、大中型零件高效光整加工的难题。

1 Jjn-r原理所谓高速工具约束磨料可控精密光整加工方法，就是利用高速工具，将待光整的零件表面浸入磨料混合液中(磨料混合液为-定粒度的磨料充分混合于水、机油或乳化液中而形成的溶液)，使高速旋转的工具与工件保持较袖隙，以-定的规律和速度运动，工具通过磨粒与工件表面相互作用，从而达到快速消除零件表面加工痕迹的-种光整加工方法.其实质是利用流体动压润滑效应，在工具和工件间产生高压和牵曳力，约束磨料混合液中的磨粒以较高速度冲击、磨削工件表面的微凸体，即加工痕迹，从而改善工件表面质量.这是-种复合精密光整加工工艺，其原理如图1所示。

金棒浸入部分图1 高速工具约束磨料可控精密光整加工原理图由图 1可知，工具与工件间隙为 h ，由于磨料混合液的黏性作用，高速旋转的工具将带动磨粒高速通过工具与零件表面的间隙；另-方面，工具与工件之间形成楔形空间，其相对运动产生流体动压力.磨粒在流体压力嘲速度场的作用下获得足够的能量，在工具与工件接触区附近完成对工件的微去除加工.根据磨削原理可知，压力和速度越大，磨粒在加工表面演绎滑擦-耕犁-切削”这-典型的磨削过程越明显。

根据流体动力学原理，假设磨液为连续的、黏性的、不可压缩的牛顿流体，则在工具和工件间将形成楔形区.设最袖隙处作用表面宽度为 L，工具浸入磨粒流中的深度为 b，最袖隙为 h。，工具半径为 尺，常压处间隙为尺h。；根据设定，显然 为-较小值，同时忽略-些次要因素，如忽略温度和压力对流体黏度的影响；忽略膜厚方向流体压力很小的变化；且不计其流动中的惯性效应。

由于工具高速旋转，故需要先判别流体的流动是层流、湍流还是过渡流动.在本文方法中，通流截面面积A取约 0.006 m ，湿周 取约 0.1 m，流体运动黏度的取值范围为 10～60 mm /s，工具转速n的取值范围为 4 800～24 000 r/rain，工具半径的取值范 围为 1-8 mil1.根据流体力学相关知识 可知，在上述取值条件下R 最大取值也小于2000.对于非圆形管道的-般流动当 Re<2 000时，流场为层流流场，故本文方法中流体的流动为层流。

由以上的假设与层流的判定，对于动力黏度为的牛顿流体，剪切应力与速度梯度成正比 ，因此a av ，.、丁yx IX ， 丁yzNavier-Stokes方程可简化为htp：//journa1.seu.edu.cn784 东南大学学报(自然科学版) 第43卷 ( Ou) O2u (2) a ay ay，。ay/ 广v 、-蓑 (ix Ov) (3) az ay ay ay/ ，-av 、因沿膜厚方向流体压力变化很小，可忽略，即：0 (4)d)，式中，，v分别为流体在 X和 Z方向的速度；p为流体在接触区形成的动压力。

对式(2)、(3)的Y积分2次，取边界条件I y：o0， l y： ，V f y00，V l y：0可得到 -1.xY，-JI1) Uw (5)v ，- ) (6) 2 az ”式中， 为工具的线速度；h为工具外表面与工件表面间隙，即. . ，zo将式(5)和(6)代人到楔形区域流体流动的连续方程中，对Y积分，可得到w - fY(Ou，蓑) 盖蓑警篆( h-上3f)血Ox2雾)-u荠蓑 孤缸 2 。az / 2 积(7)式中，W为流体在Y方向的速度。

这样，式(5)～(7)就构成了楔形区流体速度场的数学模型。

用 Matlab7.0对速度场的数学模型进行求解，得出在 X和Z方向上速度 U，v的分布规律.由分析可得，U，v大小不受流体动力黏度的影响，但与工具的转速成正比，与工具和工件表面之间的间隙成反比.此外，由于是层流流动，沿Y方向的速度几乎保持不变。

对式(5)、(6)进行 Y方向积分，得h Op h- -12/x -f wh Opqz(8)将式(8)和(9)代入式(10)，化简可得高速旋转的工具/工件楔形接触区由磨液产生的流体动压力的数学模型，即( - h )a( 蓑)0U.1E Tz c 1 J I盖J 边界条件定义为P l ： 0 - b≤z≤ bP I ： 0 c≤ ≤出口处采用雷诺边界条件为蓑ip I～0 -告≤z≤式中，a为定解区域人 口长度；C为定解区域出口长度。

用 Matlab7.0对所建立的压力场数学模型进行求解，可得出流体动压力的分布曲线图，如图2所示。

30o200-R100幅蛙 0- 10020图2 流体动压力分布2式(11)可以化简成血 - ! --48，trnd/.tRZ～x ， Ox 。Oz -(2Rh0 ) -(2Rhnx2) lz)式中，n，d分别为工具的转速和直径.由此可以看出，除去 d，R等几何因素外，转速 n、流体动力黏度tz、工具与工件之间的最袖隙 h。是影响动压力的主要因素，所以本文选择不同的参数(n， ，h。)组合来研究对动压力的影响.由于光整加工是极微量的去除加工，因此需要重复多次执行光整路径的程序.走刀速度，对光整效率有很大的影响，故其也是影响光整加工的主要因素之-。

(9) 2 实验楔形区域流体流动的连续方程为Oqx Oy Oz0 (10) a 、式中， ，g ，鸟 分别为沿 ，Y和Z方向的单位宽度流量。

htp：//journa1.seu.edu.cn2.1 实验设备与材料主要实验设备为高速数控雕铣机 XDK6050(主轴最高转速 24 000 r/min，刀具最大直径13 mm)，主要检测设备为金相电子显微镜.实验刀具为 66 toni铣刀，工具为66 ILrn圆柱棒。

第4期 庄曙东，等：高速工具约束磨料表面光整工艺 787响光整效率与光整效果，因此应纳入正交试验的因素设计中。

通过正交实验，得到初步结果：粗光整时，工具转速选择24000 r/min，走刀速度选择 1 000mm/min，间隙量 0.15 mnl，1份 80 研磨抛光膏与 10份 40 机床润滑油混合配比的磨料混合液，光整的效率较高.精光整时，工具转速选择24 000 r/min，走刀速度选择 1 000 mm/min，间隙量 0。05 inm，1份 800研磨抛光膏与5份40 机床润滑油混合配比的磨料混合液，光整效率与效果比较合适.镜面光整时，工具转 速 选 择 24 000 r/min，走 刀 速 度 选 择1 000 mm/min，间隙量0.02 inin，微粉磨料 W5与煤油、石油磺酸钡配比的混合液，光整效果最好。

3 结论1)提出了在工件利用高速加工机床完成精加工后，可以实现高转速的工具约束磨料对零件表面进行可控精密光整加工的方法。

2)利用流体动压理论，建立了高转速的工具与工件构成的楔形区(也是本方法实现光整加工的工作区)流体速度场与压力场的数学模型，从理论上探讨工艺方法实现的可能性。

3)在实验验证工艺方法有效性的基础上，研究了影响光整加工效率与效果的主要因素--工具转速、工具走刀速度、工具与工件的间隙、磨粒型号等，得到粗光整、精光整、镜面光整的工艺数据。