李晨光蘇鐵熊，張艷崗，郭巨壽

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.北方通用動(dòng)力集團(tuán)有限公司，山西 大同 037036；晉西防務(wù)裝備研究院，太原 030027)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柴油機(jī)的加工精度越來(lái)越高，對(duì)其內(nèi)部關(guān)鍵部件單體泵柱塞孔精加工要求也相應(yīng)提高。由此，珩磨工藝逐漸發(fā)展起來(lái)。珩磨相較于其他的磨削工藝，它加工精度高、表面質(zhì)量好、應(yīng)用范圍廣、切削效率高，是一種優(yōu)秀的精加工手段。目前，很多企業(yè)與工廠都選用珩磨進(jìn)行機(jī)械表面精加工。然而，由于缺乏理論上的指導(dǎo)以及技術(shù)上的漏洞，珩磨工藝優(yōu)選在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里依然建立在以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上來(lái)研究，其結(jié)果并不科學(xué)可靠。因此，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究：張永貴等[1]對(duì)珩磨速度、換向加速度等影響珩磨加工效率的因素進(jìn)行了分析與研究；張艷崗[2]對(duì)精密孔珩磨加工工藝進(jìn)行了仿真和參數(shù)優(yōu)選；王潞杰等[3]以煤油為磨削液介質(zhì)，利用4階龍格庫(kù)塔法探究了超聲珩磨區(qū)空化泡在不同珩磨壓力、回轉(zhuǎn)往復(fù)速度等因素下的動(dòng)力學(xué)特性；樊永彬等[4]研究了不同尺寸的珩磨油石對(duì)珩磨頭效率的影響情況；許彪等[5]對(duì)珩磨力的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建進(jìn)行了研究；顧蘇怡等[6]講解了珩磨油石制備及選用的發(fā)展?fàn)顩r；德國(guó)的T Siebrecht等[7]和J C Aurich等[8]針對(duì)單顆粒金剛石磨粒的磨削進(jìn)行了分析研究。張斌[9]就自身的學(xué)科方向，對(duì)珩磨的網(wǎng)紋質(zhì)量、工藝優(yōu)選、數(shù)控仿真等進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)與研究。

綜上所述，珩磨加工工藝的研究已相對(duì)成熟，相關(guān)領(lǐng)域還有待進(jìn)一步探索。研究通過(guò)對(duì)柴油機(jī)內(nèi)關(guān)鍵部件——單體泵柱塞孔的分析，基于Abaqus軟件，對(duì)珩磨速度與壓力進(jìn)行數(shù)值模擬調(diào)控，觀察其應(yīng)力與應(yīng)變情況，優(yōu)選最佳方案。

1 柱塞孔珩磨機(jī)理與變形分析

1.1 柱塞孔珩磨機(jī)理

電控單體泵是用于產(chǎn)生噴油器(或噴射器)的噴射壓力裝置。由于內(nèi)含復(fù)雜的燃油噴射系統(tǒng)，其內(nèi)部關(guān)鍵部件——柱塞孔的加工和工作情況就非常重要。因此，采用高效高精度的珩磨是一種行之有效的加工方法。

如圖1所示，柱塞孔珩磨的機(jī)理是利用裝夾在珩磨頭周圍的數(shù)根油石條，在漲緊機(jī)構(gòu)的作用下徑向微量進(jìn)給，使油石條壓向柱塞孔孔壁。與此同時(shí)，珩磨頭開(kāi)始做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)孔表面逐步進(jìn)行低速磨削和摩擦拋光。因?yàn)橛褪瘲l每一行程都會(huì)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度，內(nèi)孔表面在油石磨粒的切削作用下會(huì)產(chǎn)生交叉且不重復(fù)的網(wǎng)紋，這有助于柱塞孔的儲(chǔ)油潤(rùn)滑和穩(wěn)定工作。

圖1 柱塞孔珩磨示意圖

1.2 珩磨變形分析

1.2.1 切削力產(chǎn)生的變形

在單體泵柱塞孔的珩磨過(guò)程中，油石刀具在徑向旋轉(zhuǎn)切削、軸向往復(fù)切削和徑向施加壓力形成加工余量時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生各種力的接觸，進(jìn)而造成工件的應(yīng)變；油石與柱塞孔內(nèi)壁之間存在摩擦，為了克服這些摩擦，內(nèi)壁也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形。而這些形變量的大小直接取決于珩磨速度與進(jìn)給壓力。

珩磨切削力的大小主要取決于切削中磨粒嵌入工件表面的深度及切除這一部分金屬所需的力。而影響嵌入量及切除難易的因素又有很多，如進(jìn)給力、油石面積、裝夾方式、被加工零件的珩前狀況及材質(zhì)、油石的磨料、硬度、組織、切削液性能和機(jī)床的工藝參數(shù)等。

1.2.2 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的變形

殘余應(yīng)力是指當(dāng)工件沒(méi)有承受外載荷時(shí)，工件在自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用力的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力。產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因有很多，大致分為三種：不均勻塑性變形、殘余熱應(yīng)力、材料性能改變。這在珩磨過(guò)程中是經(jīng)常存在的，因此殘余應(yīng)力不可避免。

珩磨加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，會(huì)使工件表面產(chǎn)生形變。孟龍暉等[10]通過(guò)用X射線衍射的測(cè)量方式，結(jié)合有限元方法(FEM)，得出了內(nèi)孔殘余應(yīng)力的應(yīng)變與壓力影響曲線。該研究表明，當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，殘余應(yīng)力和外界載荷會(huì)交叉作用；如果存在疊加效應(yīng)且疊加后應(yīng)力達(dá)到極限水平，工件將產(chǎn)生塑性變形。一旦形成塑性變形，工件在使用中的有效截面積減小，工件的硬度、耐腐蝕性等會(huì)受到較大影響。綜上，必須采用合理的珩磨速度與壓力，以限制外載荷過(guò)載，減少殘余應(yīng)力的間接作用。

1.2.3 其他因素產(chǎn)生的變形

此外，珩磨裝夾方式、油石、結(jié)合劑等等的選取也會(huì)對(duì)工件的變形產(chǎn)生一定的影響，它們必須結(jié)合相應(yīng)的珩磨速度和壓力值才能有效控制形變量，保證加工精度。

綜上所述，珩磨速度與壓力的優(yōu)化在限制工件變形上起到了至關(guān)重要的作用。從理論上分析，珩磨速度值應(yīng)該在合理的范圍內(nèi)，不應(yīng)該過(guò)大或過(guò)?。荤衲サ倪M(jìn)給壓力應(yīng)選取較小值以防止過(guò)載和珩磨質(zhì)量降低；選取速度和壓力后，確定總加工余量，進(jìn)而采取先粗珩后精珩的方法，每步的加工余量從多到少；另外，為了確保殘余應(yīng)力的降低和卸載，應(yīng)選取適當(dāng)摩擦系數(shù)的油石刀具和與之相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的有排屑功能的夾具。只有這樣，單體泵泵體的加工工藝質(zhì)量才能得到保證。

2 柱塞孔珩磨模型建立

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，在單體泵內(nèi)部，柱塞孔與高壓油道連接，且有特定夾角。首先，實(shí)驗(yàn)利用三維建模軟件，建立了圖2所示的單體泵模型。

圖2 單體泵模型

然后，將柱塞孔單獨(dú)提取出來(lái)，建立相關(guān)的裝夾模型，進(jìn)行仿真分析，如圖3所示。

圖3 裝夾方式示意圖

最后，采用有限元分析方法模擬珩磨速度與壓力。由于實(shí)際生產(chǎn)條件中珩磨的進(jìn)給頻率為定值110/min，因此研究以珩磨轉(zhuǎn)速為主變量；且研究表明，壓力數(shù)值可以以珩磨余量代替[2]。因此，根據(jù)工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件，選取了6種珩磨工藝方案，如表1所示。

表1 不同工藝方案的詳細(xì)參數(shù)

3 珩磨有限元仿真分析

研究選用Abaqus軟件，構(gòu)建了如圖4所示的有限元仿真模型。然后添加入表1的邊界條件進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于計(jì)算的結(jié)果，首先，將各個(gè)方案的應(yīng)力云圖提取出來(lái)，找到應(yīng)力云圖中薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行觀察，然后檢查最大應(yīng)力的部位對(duì)柱塞孔的影響程度；其次，提取夾具支反力，借此考察殘余應(yīng)力的大小及變化情況；然后，提取各個(gè)截面的直線度、圓度以及圓柱度，觀察其內(nèi)壁變形情況；最后，綜合選擇哪種珩磨速度壓力的搭配方案更優(yōu)秀。

在后處理可視化中將模型沿軸線方向截開(kāi)，觀察柱塞內(nèi)孔狀態(tài)，如表2所示。

表2顯明柱塞孔內(nèi)壁加工后的應(yīng)力應(yīng)變情況。由圖可知，當(dāng)珩磨速度或珩磨壓力增大時(shí)，裝夾端的應(yīng)力和內(nèi)壁應(yīng)變都會(huì)隨之增大。其中，右端未珩掉的部分顯示了油石的軌跡。觀察可知，方案5的灰色部分較不穩(wěn)定，有突變情況；方案4左側(cè)端面應(yīng)力較小，應(yīng)變情況也更平穩(wěn)，應(yīng)為優(yōu)選方案。

繪制反作用力如圖5所示。

方案1 方案2

方案3 方案4

方案5 方案6

圖5表示柱塞孔在珩磨過(guò)程當(dāng)中受到的反作用力在X、Y、Z三個(gè)方向上隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。由圖可知，開(kāi)始加工時(shí)，油石對(duì)材料的沖擊效果使得X方向上受力均較大，速度或壓力越大越明顯；且隨著時(shí)間推移，反作用力均可趨于穩(wěn)定；當(dāng)壓力增大后，穩(wěn)定度更高，力的變化更小。這其中尤以方案4最為突出，穩(wěn)定時(shí)受力僅約為3.8kN。

其次，采點(diǎn)取軌跡，測(cè)量模型的直線度與圓度：選取模型外圓最上端節(jié)點(diǎn)測(cè)量以代表直線度；選取外孔最外端邊上節(jié)點(diǎn)測(cè)量以代表圓度。由于選取的是外圓端口路徑測(cè)量，除孔口外，各截面的圓度相對(duì)保持較好，所以圓柱度主要是受到孔口圓度的影響[2]。因此，只要保證柱塞孔孔口的圓度即可保證其圓柱度?；诖耍緦?shí)驗(yàn)就以圓度代表圓柱度。采點(diǎn)軌跡如圖6所示。

直線度、圓度的測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8所示。

(a) 直線度 (b) 圓度圖6 path方法采點(diǎn)軌跡

圖7 直線度

圖8 圓度

由圖7可得，在直線度上，收斂度很高；由于路徑選取經(jīng)過(guò)了其中兩個(gè)夾具的固定位置，所以曲線呈“雙凹形”。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，方案4的直線度最好，約為φ0.00378。

由圖8可得，在圓度和圓柱度上，整體呈“波浪狀”，不規(guī)則度大，這是由于珩磨端口未裝夾、自由度較大導(dǎo)致。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，方案4的圓度最好，約為0.0027。

最后，對(duì)以上仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做了提取及匯總，如表3所示。對(duì)比仿真分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)方案4為最優(yōu)加工工藝方案。本方案優(yōu)選的結(jié)果可為后續(xù)的珩磨加工試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)可通過(guò)試驗(yàn)加工來(lái)驗(yàn)證理論研究的可靠性和有效性。

表3 仿真結(jié)果

從以上曲線圖的變化和提取的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論采取何種裝夾方案，珩磨工藝在精度高的同時(shí)又有好的穩(wěn)定性，是一種優(yōu)秀的機(jī)械精加工方法，有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)論

內(nèi)孔珩磨加工技術(shù)有效率高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。研究以電控單體泵柱塞孔為對(duì)象，對(duì)珩磨加工的速度和進(jìn)給壓力進(jìn)行了理論變形分析和工藝仿真優(yōu)選，主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)單體泵柱塞孔加工環(huán)境和工作條件的不同，文中分析了其特定的珩磨加工機(jī)理及變形方式，這可以為柱塞孔珩磨工藝試驗(yàn)驗(yàn)證提供理論指導(dǎo)；

(2)由于材料屬性設(shè)置困難、動(dòng)力顯式求解后處理復(fù)雜、材料去除迭代計(jì)算量龐大等，珩磨加工的仿真過(guò)程一直是有限元分析的難題。文中研究所變相施加的壓力邊界條件以及參考點(diǎn)耦合的簡(jiǎn)化裝夾方式等都可以為相關(guān)的珩磨加工仿真提供參考；

(3)利用有限元后處理中的path方法可以準(zhǔn)確提取出珩磨加工后的直線度、圓度以及圓柱度。文中以直線度、圓度以及圓柱度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)6種不同的珩磨工藝方案進(jìn)行了優(yōu)選。研究表明，在單體泵柱塞孔珩磨加工中，當(dāng)珩磨速度為320r/min、珩磨壓力控制余量為0.02mm時(shí)，珩磨更加穩(wěn)定和可靠，變化幅度更小。因此，試驗(yàn)應(yīng)優(yōu)選方案4進(jìn)行加工生產(chǎn)。這與之前的變形理論分析一致，也為下一步量產(chǎn)加工的開(kāi)展提供了理論指導(dǎo)。