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基于以砂轮约束的磨料射流加工进行表面粗糙度工艺参数的预测
基于以砂轮为约束的磨料射流抛光进行表面粗糙度工艺参数的预测
摘要:基于磨料射流抛光过程表面粗糙度的建模和实验结果,对指定磨削砂轮,研究了磨料尺寸、磨料流浓度、加工次数、砂轮速度和加工表面上的液体载体对被加工表面质量的影响机制。采用平面磨床KP-36进行W18Cr4V和40铬实验材料的加工,表面形貌剂TALYSURF用来评估加工后的微观几何参数,并采用扫描电镜(SEM)观察表面的微观形态。实验结果表明,采用质量分数为10%W7氧化铝粉末和防锈润滑液体使用在喷射加工达到20-30个周期,不仅可以获得高表面形状精度,而且还可以高效率获得粗糙度为Ra0.15-1.6μm的无缺陷加工表面,这种新的表面处理方法,能很好地整合磨削和抛光,可以去除过多的磨削塑性变形、减少污染和磨削燃烧,并实现高效率、高精度和低表面粗糙度的价值观念。实验观察和实验结果证明,该实验结果与基于基本原理建模的加工过程模拟相一致。
关键词:磨料射流、抛光、粗糙度、微观形态、预测
1. 介绍
由于工件表面中高磨削温度和重复磨削,使工件表面缺陷层出现过量的塑性变形、微裂缝、残余应力和表面污染等;与此同时,表面粗糙度和波度是值得注意的,可能影响疲劳强度,腐蚀抵抗和接触不自然的零件,使它无法满足重要部分的实际运行要求。因此, 对研磨后的重要组成部件进行去除表面缺陷层和降低表面粗糙度和波度是必要的。
以砂轮为约束的磨料射流抛光方法,在工件磨削和喷射混有粉末磨料的液体介质进入磨削区域后砂轮停止径向进给,如图1中所示。由于高速旋转磨削砂轮,这一现象与流体动压力相似,当磨料流注入砂轮和工件之间形成的楔形间隙,然后立体的速度场和压力场就形成了。在砂轮转动、离心力量、流体压力场和速度场的帮助下获得能量并共同作用下,磨料流完成工件在磨轮(或在砂轮约束边界下的工件)接触区域附近进行微小的移动。磨料射流抛光属于微移动表面处理进程,所以表面粗糙度是一个重要的评估加工效果参数。调查研究机械加工表面粗糙度和相应的影响因素,理解、掌握并应用这种新的加工是很有意义的。
图 1 磨料射流加工安装图
2. 表面粗糙度的理论模型
假设在磨料射流抛光前有相同的几何形态工件表面,表面粗糙度是,磨料沿着长度方向滑动摩擦;在工件表面,微小的粗糙差异为Rz,在标准算术平均偏差下,Ra是一个常数;假设工件表面粗糙度的加工周期是。
如图 2 ,认为有:
Li是球面磨料和工件表面之间的距离;Lw是磨料在工件表面上滑动摩擦方向上的距离
理论模型对材料去除量为:
把公式(1)代入公式(2)得:
在每一个周期,材料去除量=实际接触长度×工件宽度×材料去除高度。
材料去除的高度大约等于Rz/Ra的机械加工面,对于磨削表面,Rt/Ra 等于 5;对于搪磨表面,Rt/Ra 等于 10;对于磨料射流加工,Rt/Ra 等于 8。因此,在每一个周期的材料去除量可以表达为:
由公式(3)和公式(4)整理得:
和分别代表工件表面在i和i-1周期的粗糙度;b是轮宽度,dg是磨料直径,dp是在磨料加工中的切削深度。
图 2 一个球形颗粒去除表面工件材料原理图
3.实验设备和条件
以砂轮作为约束的磨料射流抛光,在工件磨削和喷射混有粉末磨料的液体介质进入磨削区域后砂轮停止径向进给。这个实验是在M7120的平面磨床上执行的,磨料混合箱(在没有挡板的冷却箱里利用马达叶轮旋转使粉末磨料和液体充分混合均匀)与机械冷却供水管相连接,均匀混合磨料液通过控制阀门和流量计的后被泵压缩,然后通过喷嘴进入磨削区。通过液体收集池和流程挡板来收集加工后的磨料液。如图3所示的实验设备
作为运载磨料的液体介质应具有一定的粘度,磨料能够均匀的混合在液体中并且不能引起工件表面的腐蚀。磨料和液体介质是根据一定的质量分数进行均匀混合。工件的材料是采用W18Cr4V和40Cr,在开始喷射加工时工件表面粗糙度为Ra,也就是说,磨料加工后是0.6μm,并且测量的方向是垂直于加工纹理,微小的表面形状参数是通过轮廓测度仪TALSURF5来进行测量的,并采用扫描电(SEM)观察微观形态表面。测量之前, 用丙酮清洗工件,在平均三个不同点进行测量。
1-来自泵的磨料 2-控制阀 3-流量计 4-工件 5-工作台
6-砂轮外壳 7-滑动槽 8-流动挡板 9-收集箱
图 3 磨料射流抛光过程原理图
射流抛光实验是在磨床M7120上执行的,工件的每一次往复运动就是一个加工周期;磨料和液体介质的质量分数可以是5%,10%和15%;10、15、20、25、30 和 40加工周期在不同磨料和浓度条件下进行;砂轮的类型为WA60J8V,直径分别有180mm、220mm和26
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