李曉波，魏武，才冬濤，許磊

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 046000

1 序言

在液壓、氣動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)中，為了達(dá)到精密的控制功能要求，具有微小孔道結(jié)構(gòu)的零件被廣泛應(yīng)用。這些零件在加工時(shí)，對(duì)孔道內(nèi)部的毛刺等多余物控制及孔道的表面質(zhì)量都有較為嚴(yán)苛的要求。

磨粒流加工技術(shù)（Abrasive Flow Machining，AFM）又稱為擠壓珩磨技術(shù)，起源于20世紀(jì)60年代，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工的光整加工方法。利用具有一定黏性的流動(dòng)磨料介質(zhì)，在一定壓力的作用下，通過(guò)引導(dǎo)流過(guò)工件的待加工表面，磨料對(duì)材料形成擠壓并進(jìn)行微量去除，從而達(dá)到去除毛刺、孔口倒圓等加工效果，重要的是可以降低待加工表面的表面粗糙度值，實(shí)現(xiàn)光整加工的目的。得益于塑性極強(qiáng)的磨料，這種加工技術(shù)幾乎可以對(duì)任意形狀的表面進(jìn)行光整加工，尤其是針對(duì)難以加工的復(fù)雜內(nèi)腔表面，能取得較好的光整加工效果。近年來(lái)這種技術(shù)在航空、航天、汽車和模具等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

2 磨粒流加工原理及特點(diǎn)

用于磨粒流加工的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，主要由機(jī)床基體、夾具組件、液壓泵體和電氣控制系統(tǒng)等組成。磨粒流加工原理如圖1所示。不同于其他使用剛性刀具的加工方式，磨粒流加工使用具有流動(dòng)性的磨料來(lái)進(jìn)行微量切削加工，相當(dāng)于使用一個(gè)柔軟的流體砂條作為刀具來(lái)進(jìn)行加工，由于它具有極強(qiáng)的塑形能力，所以能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，比如相貫、交叉和直徑變化等形式的內(nèi)孔道的光整加工［1］。

圖1 磨粒流加工原理

由于磨粒流加工方式的特殊性，所以相較其他加工方式，它具有一些不同的特點(diǎn)。

1）具有很強(qiáng)的加工兼容性。由于磨粒流加工使用具有流動(dòng)性的磨料作為“刀具”，它可以根據(jù)所加工表面結(jié)構(gòu)而改變自身的形狀，尤其對(duì)于一些復(fù)雜內(nèi)腔和孔道，使用傳統(tǒng)手段難以加工，但使用磨粒流技術(shù)便能使問(wèn)題迎刃而解。采用不同種類的磨料，磨粒流幾乎能加工所有的金屬材料，也能加工陶瓷、硬塑料等，所以它的適用范圍很廣。

2）加工效果好，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。因?yàn)槟チ系目闪鲃?dòng)性，作用在加工表面各方向的切削力基本一致，所以磨粒流對(duì)所加工表面的切削均勻性可保持在被切削量的10%以內(nèi)。加工效果取決于被加工表面的原始表面粗糙度及磨料的粒度，通?？墒贡砻娲植诙戎到档偷皆瓉?lái)的1/10左右。同時(shí)，由于磨粒流加工屬于微量切削加工，因此不會(huì)破壞零件原有的形狀精度。

3）加工效率高。磨粒流加工屬于光整加工，材料去除量通常為0.01～0.1mm，對(duì)于φ10mm左右的孔道，加工1～5min便可取得較好效果，與手工作業(yè)相比，加工效率可提高60%以上。對(duì)于一些批量加工零件，可以設(shè)計(jì)專用的多工位夾具，同時(shí)加工多個(gè)工件，加工效率還可以進(jìn)一步提高。另外，在精密零件大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，磨粒流加工技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)其拋光工序自動(dòng)化，進(jìn)一步提高加工效率。

3 閥塊內(nèi)孔道磨粒流光整加工方案

圖2所示液壓控制閥塊的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，內(nèi)部具有多條相貫孔道。內(nèi)孔道加工完成后，不同方向的孔道相交處會(huì)產(chǎn)生較大的毛刺，如圖3所示。這些閥塊內(nèi)孔道的毛刺清理及光整加工，原先是采取手工操作的方式，使用電磨夾持不同直徑的金剛石磨頭（見(jiàn)圖4）伸入孔道內(nèi)進(jìn)行打磨，再配合內(nèi)窺鏡進(jìn)行打磨效果的檢查。這種加工方式效率較低，光整效果參差不齊，通常打磨一條孔道需要10～20min，清理一個(gè)閥塊需要1～2h。較低的效率致使閥塊內(nèi)孔道光整加工成為后續(xù)工作順利進(jìn)行的瓶頸。同時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的加工時(shí)間還會(huì)增大操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 液壓控制閥塊

圖3 閥塊內(nèi)孔道中的毛刺

圖4 用于孔道清理的金剛石磨頭

磨粒流技術(shù)用于閥塊內(nèi)孔道的光整加工，主要應(yīng)考慮夾具的設(shè)計(jì)、磨料的選擇、加工壓力及時(shí)間等因素。

3.1 夾具設(shè)計(jì)原則

作為磨粒流加工中比較關(guān)鍵的組成部分，夾具的作用首先是固定工件，使工件保持在正確的加工位置，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形式和體積大小等，可將夾具設(shè)計(jì)為單件或者多件同時(shí)進(jìn)行安裝固定的形式。其次是引導(dǎo)磨料的流向，使磨料在需要研磨的部位形成磨粒流束，通過(guò)控制磨粒流的速度、壓力等，實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域加工質(zhì)量的調(diào)控，達(dá)到最終的光整加工效果。因?yàn)槟チＡ鞯哪チ铣柿鲃?dòng)性，且需要在一定的壓力下才可以正常工作，夾具作為磨粒流道的一部分，應(yīng)該具有良好的密封性能，保證加工過(guò)程中磨料具有足夠的工作壓力。對(duì)于某些黏性較低而流動(dòng)性較大的磨料來(lái)說(shuō)，夾具的密封性對(duì)于零件的拋光效果是否穩(wěn)定至關(guān)重要。

磨粒流加工過(guò)程中，為了得到穩(wěn)定的磨粒流束，以達(dá)到穩(wěn)定的加工效果，其夾具在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則［2］。

1）能夠保證被加工工件在機(jī)床上的位置正確，并且使工件在機(jī)床上安裝牢靠。

2）夾具設(shè)計(jì)有密封結(jié)構(gòu)，且密封性能能夠承受加工過(guò)程中的壓力和溫度變化。

3）夾具流道孔要與被加工工件孔道位置相匹配，避免過(guò)多的交錯(cuò)銜接，以減少不必要的壓力損失。

4）因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，磨料同樣要作用于夾具，所以?shī)A具有必要使用耐磨性能較好的材料，同時(shí)，為了避免某些具有腐蝕性磨料的影響，制造夾具的材料還應(yīng)具有一定的耐蝕性。

5）夾具應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。

6）對(duì)于某些結(jié)構(gòu)相似的零件，可以設(shè)計(jì)為具有一定互換性的通用夾具。

用于閥塊內(nèi)孔道磨粒流加工的通用夾具的安裝如圖5所示。

圖5 用于閥塊內(nèi)孔道磨粒流加工的通用夾具的安裝

3.2 磨料的組成及性能

磨料是磨粒流光整加工中必不可少的部分，相當(dāng)于磨粒流加工的“刀具”，由載體、磨粒及添加劑按一定的比例混合而成。

1）載體是磨料“刀具”的基體，它決定著磨料的加工特性。載體的黏度和彈性要適度，既要均勻、分散地包裹住磨粒，又不至于出現(xiàn)磨粒沉淀或局部聚集的現(xiàn)象。載體還要具備較好的流動(dòng)性及可塑性，工作過(guò)程中能夠適應(yīng)加工表面的結(jié)構(gòu)變化。天然橡膠、丁基橡膠、液體硅橡膠及充油丁苯橡膠是幾種常用的載體材料。其中，液體硅橡膠具有優(yōu)良的綜合性能，成為磨料載體的首選材料。

2）添加劑包括軟化劑、潤(rùn)滑劑、增稠劑和防黏劑等。添加劑的作用是調(diào)整磨料的某項(xiàng)性能，如需降低流體的黏度以增加載體的塑性，可適當(dāng)添加軟化劑；如需增強(qiáng)磨料的潤(rùn)滑性能，可添加潤(rùn)滑劑等。根據(jù)加工要求正確選擇添加劑，以得到具有不同特性的磨料，可以達(dá)到節(jié)約成本、提高加工效率的目的。

3）磨料流加工之所以能夠以柔克剛，使用流體磨料對(duì)剛性材料進(jìn)行加工，主要依靠磨料中的磨粒。磨粒是流體磨料的主要成分，相當(dāng)于刀具的“刀齒”，磨粒應(yīng)具有較高的硬度，并且與載體、添加劑之間具有一定的親和力，能夠均勻地拌和在一起。由于磨粒是被包裹在黏性的載體中，相較于固體的砂輪等，其具有更高的自由度。磨損的磨粒很容易被未磨損的磨粒替代，具有很好的自銳性。為了保證加工效果，磨粒在磨料中的占比應(yīng)為20%～40%。表1為幾種典型的磨粒材料及其性能。

表1 幾種典型的磨粒材料及其性能

為了得到良好的加工性能，保證磨粒流加工的表面質(zhì)量，用于磨粒流光整加工的磨料應(yīng)具有以下特性。

1）為了適應(yīng)復(fù)雜的內(nèi)孔道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，磨料應(yīng)具有較好的塑形能力，在工作壓力作用下，根據(jù)所加工的結(jié)構(gòu)改變自身形狀。

2）載體應(yīng)具有較強(qiáng)的內(nèi)驅(qū)力，在工作壓力下，能夠驅(qū)動(dòng)磨粒與被加工表面之間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以進(jìn)行切削。

3）磨料的黏度及切削能力應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。磨料和待加工表面相對(duì)滑動(dòng)摩擦，不可避免要產(chǎn)生切削熱，應(yīng)盡量降低磨料對(duì)切削熱的敏感度。

4）組成磨料的成分應(yīng)無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，不會(huì)輕易粘連工件，且容易清理，以保證加工后工件不會(huì)受損。

3.3 磨料選用原則

在其他加工條件相同的情況下，磨粒流加工時(shí)，使用性能不同的磨料可以達(dá)到不同的加工目的。其中對(duì)加工效果影響較大的因素是磨粒的粒度和磨料的黏度，在磨料選用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

磨粒粒度通常為0.005～1.5mm，在選用時(shí)需考慮以下因素［3］。

1）被加工件的通道截面的最小間隙。一般所選顆粒尺寸應(yīng)小于截面縫隙的1/5。

2）研磨效率。粒度大則效率高。

3）待加工表面的表面粗糙度要求。顆粒越粗，則研磨面的表面粗糙度值越大。

應(yīng)針對(duì)工件不同的加工要求，對(duì)以上因素進(jìn)行綜合考慮，合理選用磨粒的粒度。

圖6為磨料在壓力作用下通過(guò)孔道的情況。黏度較低的磨料在壓力作用下通過(guò)孔道時(shí)，同一橫截面上會(huì)形成不同的流動(dòng)速度，如圖6a所示，在工件棱邊流動(dòng)方向轉(zhuǎn)換的部分磨料流速加快，磨料對(duì)其流經(jīng)的部分會(huì)形成急劇的磨削作用，能夠使棱邊的毛刺較快去除；而黏度較高的磨料，由于流動(dòng)性不好，其性能接近固體，在通過(guò)棱角時(shí)，會(huì)形成剪切狀態(tài)，如圖6b所示，致使其對(duì)加工表面產(chǎn)生較強(qiáng)的滑動(dòng)磨削作用，故而能以較快速度使加工表面的表面粗糙度值降低。

圖6 磨料在壓力作用下通過(guò)孔道的情況

綜上所述，如果需要對(duì)孔道內(nèi)壁表面進(jìn)行精研，使其表面粗糙度值降低，則使用高黏度磨料，可以提高加工效率；對(duì)于需要清理毛刺的零件，則選用低黏度磨料，可以取得較好效果。如果需要提高加工效率，應(yīng)盡可能在允許范圍內(nèi)使用粒度較大的磨粒；若需要得到較高的表面質(zhì)量，則應(yīng)選用粒度較小的磨粒。

3.4 加工壓力及時(shí)間的選用

磨粒流加工中，對(duì)磨料施加的加工壓力及磨料對(duì)工件的磨削時(shí)間也會(huì)對(duì)最終加工效果產(chǎn)生直接的影響。加工壓力、加工時(shí)間與表面粗糙度之間的關(guān)系分別如圖7、圖8所示，可以看出，加工壓力越大、加工時(shí)間越長(zhǎng)，磨料對(duì)加工表面的切削作用越充分，可以得到較低的表面粗糙度值。若被加工表面的原始表面粗糙度值較大，需要達(dá)到較小的表面粗糙度值，就應(yīng)該適當(dāng)增大磨料的壓力以及延長(zhǎng)加工時(shí)間。

圖7 加工壓力與表面粗糙度之間的關(guān)系

圖8 加工時(shí)間與表面粗糙度之間的關(guān)系

4 加工方案實(shí)施效果

磨粒流加工閥塊內(nèi)孔道的過(guò)程中，為了達(dá)到精研表面、清理毛刺等不同目的，可以對(duì)機(jī)床壓力、磨料黏度及磨料的磨粒粒度等參數(shù)進(jìn)行合理選擇。

圖2所示的閥塊主要用于液壓控制系統(tǒng)中，其孔道內(nèi)部表面粗糙度值Ra為1.6～3.2μm，但是由于液壓系統(tǒng)中對(duì)于毛刺、切屑等多余物的控制非常嚴(yán)格，所以閥塊內(nèi)孔道的光整加工主要以去除毛刺、孔口倒圓為主，同時(shí)，通過(guò)磨粒流將過(guò)高的表面粗糙度值降低到符合要求的范圍內(nèi)。

針對(duì)閥塊內(nèi)孔道加工要求，采用0.2～0.5mm半粗碳化硅磨粒的低黏度磨料，在中等加工壓力（5～6MPa）下進(jìn)行磨粒流加工。對(duì)于較長(zhǎng)的孔道，加工時(shí)間為5～6min；對(duì)于稍短的孔道，加工時(shí)間為3.5min左右，取得了較好效果。磨粒流加工前后的效果對(duì)比如圖9所示。

圖9 磨粒流加工前后的效果對(duì)比

采用磨粒流對(duì)閥塊內(nèi)孔道進(jìn)行加工后，孔道內(nèi)部的毛刺、切屑等多余物去除取得了較好效果，同時(shí)，孔壁的表面粗糙度值Ra從原來(lái)的3.8～5.5μm降低到2.1μm左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用磨粒流加工工藝進(jìn)行閥塊內(nèi)孔道的光整加工，不論是從去毛刺的效果，還是從降低孔壁的表面粗糙度值等方面，相較于傳統(tǒng)的手工操作，都取得了較好的效果。加工效率比手工操作時(shí)提高一倍以上，并且大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。如果針對(duì)不同閥塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用夾具，加工效率還將進(jìn)一步提高。針對(duì)各種需要拋研的大批量零件，采用磨粒流技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)模式，加工的經(jīng)濟(jì)性將大幅提高。