微小孔磨粒流抛光机设计说明书论文Word下载.docx
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2.2磨粒的力学特性13
2.2.1磨粒切削的必要条件14
2.2.2磨粒在加工中的受力分析14
2.2.3加工压力对磨粒切削稳定性的影响16
2.2.4磨料流加工材料表面性能的影响17
第三章电动推杆部分18
3.1简述18
3.2主要结构18
3.3工作原理18
3.4行程控制装置18
总结21
参考文献22
致谢23
第一章绪论
1.1引言
精密零件制造中的最终精加工是一种劳动强度大而不易控制的过程,它在全部制造成本中所占的比重有时可高达15%。
磨料流加工技术是一种能够保证精度、效率、经济的自动化光整加工方法,是解决精密零件最终精加工的一种有效方法。
它是以一定的压力强迫含磨料的粘弹性物质（半流动状态的蠕变体或粘弹性体,称其为柔性磨料或粘弹性磨料通过被加工表面,）利用其中磨粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料而达到对工件表面光整加工的目的。
磨料流加工技术是国外20世纪70年代以来开始推广应用的一种先进的光整加工技术。
宇航用的液压阀体孔道多,孔道相互交叉,台阶孔、交叉孔内的毛刺很难去除,柔性磨体加工技术就是为解决宇航用液压阀体孔道内的毛刺去除问题从美国发展起来的。
这项技术出现后很快在液压、模具、航空、纺织机械、汽轮机、齿轮等机械行业中获得应用。
后来,日本、西欧和前苏联都引进和采用了磨料流加工技术。
国内曾将磨料流加工技术列为“七五”攻关技术项目之一进行了研究,取得了一定的实验研究成果,在20世纪80年代初成功地研究开发出了磨料流加工机床、加工所用的柔性磨料及加工技术,成果推广应用于多个企业。
为了对磨料流加工技术进行进一步的研究,有必要对磨料流加工技术进行回顾和总结。
1.2目的意义
为满足高性能飞机发展的需要,航空零部件日趋复杂化、精细化。
精密零件制造的最终精整加工诸如抛光、倒圆、去毛刺等则是一种劳动强度大且不易控制的生产过程。
复杂零部件的精加工尤为困难。
精加工在全部制造成本中所占的比重高达。
由此,一种全新概念的经济有效的自动化光整加工技术—磨粒流加工技术又称挤压琦磨技术应运而生。
磨粒流工艺的发明,可以说创立了内外表面边角处理的新概念,使得金属表面处理更具特色。
其更大优势在于,随着现代制造技术微型化、密集化,越来越多的零件结构呈现出封闭的、无规则的同时又要求高质量表面的各种型腔、通道等,磨粒流工艺在这些部位的微量加工和抛光方面可谓独树一帜。
不但如此,磨粒流工艺还可以成功地对各种材料进行微量研磨加工,包括较软的有色金属直至坚韧的镍合金、陶瓷、硬质合金等制作的零件,非常适应现代制造材料和制造技术的发展。
磨粒流工艺的发明，可以说创立了内外表面边角处理的新概念，使得金属表面处理更具特色，其更大优势在于，随着现代制造技术微型化，密集化，越来越多的零件结构呈现出封闭的无规则的同时有要求高质量表面的各种型腔、通道等，磨粒流工艺在这些部位的微量加工和抛光方面可谓独树一帜。
不但如此，磨粒流工艺还可以成功地对各种材料进行微量磨加工，包括较软的有色金属直至坚韧的镍合金、陶瓷和硬质合金等制作的零件，非常适应现代制造材料和制造技术的发展。
1.3磨料流加工技术研究现状
我国早在年代就引进了磨粒流光整技术,并用于铝型材模具的抛光。
引进的铝型材生产线上一般都配有磨粒流设备通称挤压琦磨设备。
由于使用单位对该工艺缺乏了解,多数设备没有很好地利用,模具抛光没能达到应有效果。
国内有几家研究单位已将该工艺用于不同类型零件的光整加工,在夹具设计及加工控制方面积累了一些经验。
已在航空、航天、汽车、纺机、模具等领域取得了可观的经济效益。
但由于对这项光整新技术的宣传不够,很多人至今还不了解,在一些领域里处于空白状态。
另外,由于该技术在国内应用尚不广泛,经验也不足,工艺上又不甚成熟,自动化程度不高,未能达到一定的生产规模,磨粒流加工的优势尚未充分发挥出来,因而加工成本较高,反过来又制约了该工艺的推广应用。
令人欣慰的是,北京航空工艺研究所经过几年的探索和研究,现已取得了可喜的进展。
自行开发研制的磨粒流介质,性能达到了国际先进水平,可以替代进口产品。
近年来,Fletcher等研究了磨料流加工中应用的高分子聚合物的热特性和流变性,认为介质的流变性对磨料流加工的成败具有重要的作用。
Davies和Fletcher研究了几种配料的流变性与其相应的加工参数之间的关系,结果表明黏度和磨料的比例都会影响温度和介质通过工件时的压力下降,在磨料流加工过程中温度是影响介质黏度的一个重要因素。
Williams和Rajurkar的研究表明,介质的黏度和挤压力主要决定着表面的粗糙度和材料去除率,表面粗糙度精度的改善主要发生在磨料介质的前几个挤压往复行程中,并提出了估算动态有效切削磨粒数目的方法和每个行程中磨粒磨损量的计算方法。
他们还提出了多孔抛光中金属去除分布的实验方法与定量分析方法,发现用磨料流加工一个具有中心孔和四个外围孔的工件时,中心孔的金属去除率比外围孔的金属去除率高30%。
Williams和Rajurkar[4]研究探讨了磨料流加工过程特性的一些方面和表面的特征化以及过程建模,研究了工艺输入参数（如介质黏度、挤压力和磨料介质挤压往复周期次数）对工艺性能参数（如金属去除率和表面粗糙度）的影响,利用DDS（DataDependentSystem）随机建模与分析技术研究了磨料流加工表面;
磨料流加工表面轮廓模型的格林（Green）函数揭示了其特征形状是双指数的叠加。
Williams等还研究提出了基于监控策略和磨料流加工的声发射特征的磨料流加工声发射在线监控和自适应控制系统,但是这些研究工作仅仅考虑了一部分过程参数而忽略了其它一些关键参数。
由于目前尚缺乏对传统以及特种加工过的工件表面进行磨料流加工的合理工艺数据,Williams等还开展了对车、铣、磨和电火花加工表面的磨料流加工研究,研究内容包括加工表面的材料去除和表面粗糙度的改善。
研究表明,初始的表面状况对材料去除量有很大影响,而且能够满足对表面粗糙度改善的要求,特别是磨料流加工可以大大改善所有电火花加工表面的状况,磨料介质的黏度对表面状况的改善影响显著;
用扫描电子显微镜对磨料流加工表面的研究表明,磨料流加工去除了传统以及特种加工对工件表面的影响,使表面更加均匀一致;
磨料流加工与磨削加工之间有许多的相似之处。
磨料流加工至今尚未广泛应用的一个重要原因就是依然缺乏对磨料流加工工艺复杂性的理论认识与理论支持,目前这一工艺只能由工程技术人员主观地人为地进行控制,而不适于大批量生产。
为此,Petri等利用严格的实验技术,考虑了所有的关键参数,对磨料流加工过程提出了一种可预测的过程建模系统,即神经网络,该系统致力于各种产品和各种材料的磨料流加工过程建模。
Lam和Smith[6]基于BP神经网络或串联相关神经网络,针对一种特殊产品——汽车发动机进气管道,考虑了很多工艺参数,提出了磨料流加工建模方法,它能够满足严格技术规范的精确控制要求,其根本的目的在于:
一是改善美国汽车发动机的性能,减少耗油量;
二是通过获取磨料流加工介质与发动机管道的技术规范之间的非线性关系,实现磨料流加工过程的预调控制。
由于磨料在介质中分布的内在随机性和变量的多样性,磨料流加工工艺的理论和实验研究遇到了很大的阻碍。
同时由于人们缺乏对磨料介质性能以及材料去除的复杂性和随机性的认识了解,磨料流加工工艺的建模也是很复杂的。
Davies和Flecture实验研究发现磨料介质的黏度受温度的影响最大,高黏度的磨料介质甚至因温度的很小升高（2℃～10℃）也会急剧下降。
这些结果表明,黏度从低往高上升,基体介质的温升会发生变化。
因此,研究磨料流加工过程中的温升具有十分重要的实际和理论意义。
RajendraKJain和VKJain提出了一种确定磨料流加工过程中每单位体积材料去除所消耗的能量——比能和切向力的模型,它考虑了磨料流加工工艺参数（如磨粒大小——粒度、挤压力、工件材料硬度、挤压的往复周期数和主动磨粒的数目）,分析了磨料流加工中工件和磨料介质的热传导,探讨了工件温度与磨料流加工工艺参数之间的关系,并将理论分析计算结果与实验结果进行了比较。
V1K1Jain和S1G1Adsul实验研究了磨料流加工工艺参数（如磨料介质的挤压往复行程次数、磨料浓度、磨料粒度、介质流速）对材料去除和表面粗糙度的影响,其影响从大到小的顺序为:
磨料浓度、磨料粒度、挤压往复行程次数和介质流速。
并对两种不同材料铜和铝进行了实验研究比较。
在国内王纯、杨建明和王洁针对传统的磨料流加工技术在磨料介质流速增大的情况下容易出现“剪切变稀”现象从而易失效的不足,研究开发出了磨料流振动抛光机床和相应的加工技术,从而有利于较大幅度提高抛光效率,并提出了磨料流加工流动新的边界条件假设,用简易实验验证了这种假设。
汤勇等对磨料流加工存在的壁面滑动现象进行了实验研究,结果表明:
磨料平均速度存在着临界值,在于平均速度时存在壁面滑动现象，同时壁滑速度随磨料平均速度增加而增大;
磨料黏度升高,会使平均速度临界值减小,而壁滑速度增加的程度却增大,存在壁滑是实现磨料流加工的前提条件。
1.4磨料流加工技术研究展望
尽管磨料流加工技术已有50余年的研究和应用历史,而且国内外的一些研究工作者从20世纪70年代以来就一直在不懈地从事着该项技术的研究工作,但
该项技术的研究和应用基本上还是停留于实验研究方面,或者说仍处于研究和应用的初级阶段,由于其加工过程只能由工程技术人员主观地进行控制,所以目前主要还是适于单件加工生产,很难推广应用于大规模生产。
这主要是因为目前还缺乏对磨料流加工过程的综合复杂特性的理论支持。
而磨料流加工所用夹具的设计是决定磨料流加工效果甚至是决定磨料流加工成败的一个关键因素。
如夹具上磨料流的进出口位置、大小、方向、数量等的设计确定,对于磨料流在工件型腔或夹具型腔内的压力与流速分布具有重要影响,从而影响其加工的质量和效率。
这样的一些设计问题目前基本上完全依赖于设计人员个人的实践经验,其结构设计是否合理甚至是否达到最优设计,尚不能在设计阶段做出可靠的分析评价,而只能通过实际加工,根据加工的结果对其结构设计进行可行性评价。
实际中大多数的设计尤其是复杂的设计很难保证其一次设计的成功率,往往要经过多次的实验与反复修改,这不仅严重影响了加工生产周期的缩短,而且在无法进行结构设计修改的情况下容易造成夹具或模具的报废,从而造成很大的浪费,增加生产成本,延误市场竞争的战机。
从现代市场竞争的观点来看,也就是制约着企业对市场需求反应的敏捷性,即从硬技术方面制约着先进制造技术的理念在一个企业的实施。
实际中需要用磨料流进行表面抛光加工的工件的表面形状和尺寸各异,且差异很大,如何根据其材料、形状和尺寸大小以及表面质量初始状态等来合理地选
用磨料流中磨料类型、粒度及其与粘结剂、润滑剂等的合理配比以及磨料流加工的合理压力、流速、往复行程次数等目前尚不能从理论上给出一个合理的答案,主要还是根据经验和实验来决定。
这些问题正是磨料流加工技术目前难以应用于大批量生产以及大量推广应用的主要困难和技术障碍,可以相信这些问题如能较好地予以研究解决,一定能够大大推动磨料流加工技术的实际应用,从而产生巨大的经济和社会效益。
要深入理解和控制磨料流加工过程,就必须更多地了解金属去除与表面生成的机理、过程模型、加工能力和控制方法,而要做到这些并解决上述存在的主
要问题,就必须一方面借助于磨料流加工的传统实验研究方法,大量从事于磨料流加工机理和工艺规律的实验研究和数据积累,同时在此基础上充分利用现代数值计算和计算机虚拟仿真技术,开展磨料流加工虚拟技术的研究,从理论上对磨料流加工的过程进行虚拟仿真,实现虚拟制造。
利用磨料流加工虚拟技术可在设计阶段实现对磨料流加工夹具设计方案的可行性评价以至实现其结构优化设计和磨料流加工过程的优化与监控。
第二章原理和方案设计
2.1磨粒流抛光原理
磨料流加工是一种光整加工工艺,它是利用一种具有粘弹性的流体磨料,在一定压力作用下,往复流过被加工表面,达到抛光去毛刺的目的。
其中,（流体磨料是一种具有粘弹性的高分子化合物载体与磨粒组成的混合物。
流体磨料的粘弹性是进行磨料流加工的必要条件。
原理:
在磨粒流加工过程中，夹具配合工件形成加工通道，两个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来挤动（如图1）。
磨料均匀而渐进地对通道表面或边角进行研磨，产生抛光、倒角作用。
机床、磨料和夹具是磨粒流加工的三个要素：
挤压研磨机床：
其作用是固定工件和夹具，控制挤出压力。
在一定的压力作用下，使磨料研磨被加工表面，得到去毛刺、倒角的效果。
机床压力范围从7～224kg/cm2；
磨料：
是由一种具有粘弹性、柔软性和切割性的半固态载体和一定量磨砂拌和而成。
不同载体的粘度、磨砂种类、磨粒大小，可以产生不同的效果。
常用磨料类型有：
碳化硅、立方氮化硼、氧化铝和金钢砂。
砂粒尺寸在0.005～1.5mm。
高粘度磨料可用于对零件的壁面和大通道进行均匀研磨；
低粘度磨料用于对零部件边角倒圆和小通道进行研磨；
夹具：
使零件定位，并引导磨料到达被加工部位，堵住不需要加工的部位。
要顺利完成零件的磨粒流加工，得到最佳加工效果，影响因素很多，除设备以外，还包括磨料的选择、挤压力的大小、循环次数、夹具的合理设计等。
优点:
挤压研磨是对金属材料进行微量去除，对零件内腔交叉部位去毛刺并倒圆，达到精细加工的目的。
磨粒流加工具有精确性、稳定性和灵活性。
广泛用于汽车业和各种生产制造业。
它最根本的优点是：
可以通达零件复杂而难以进入的部位；
抛光表面均匀、完整；
批量零件的加工效果重复一致。
这些加工特点使零件性能得到改善，寿命延长，同时减免繁杂的手工劳动，大大降低劳动强度。
如汽车进气管，手工抛光其内表面时，只能先切割开，抛光后再焊接起来。
而用磨粒流加工方法，不需要切割打开就可以完成内表面抛光。
除了作为一种抛光手段，磨粒流工艺还可以对一些表面形状公差、质量要求极其严格的零件进行微量磨削加工。
应用：
磨料流加工适用于加工不同的零件和尺寸。
小至0.2mm的小孔或1.5mm直径的齿轮，大至50mm直径的花键通道，甚至1.2m的透平叶轮。
加工大型零件的机床可以装置回旋臂或输送轨道。
该工艺已广泛用于汽车零部件的精加工：
进排气管、进气门、增压腔、喷油器、喷油嘴、气缸头、涡轮壳体和叶片、花键、齿轮、制动器等。
如：
粗糙的气缸头铸造件在专门的二工位磨粒流生产线上，每小时生产量可达到30件，粗糙度从Ra4µ
m或Ra5µ
m达到Ra0.4µ
m,可使废气排放量减少7%，发动机功率增加6%，行驶里程数增加5%。
近年来研制开发出的微孔磨粒流机床，在加工喷油嘴方面独树一帜。
它根据挤出压力、磨料温度和粘度之间的关系，进行复杂的程序运算。
加工过程中，当喷油嘴的设定流量到达时，加工即自动停止。
加工时间在10秒左右，流量散差可控制在±
1%。
与此加工设备配套的还有流量测试仪以及高压清洗设备。
这些设备可根据用户需要，提供单工位或多工位的。
也可以是带机械手连接，包括加工、测量、清洗的全套系统。
2.1.1模型建立
磨料流加工是利用压力作用下流动的磨料介质挤擦工件表面实现切削加工的,挤擦过程极为重要,直接影响到加工质量。
如果磨料介质在工件中的流动过程能事先得知,则加工质量就可以设法控制。
为此根据磨料介质的流动过程来建立分析模型。
如前所述,推料缸筒内的活塞上下运动一次,磨料介质就在挤压作用下往复流过工件通道一个循环。
因此磨料流加工类似于一种往复泵的强制输送系统,磨料介质在泵的强制输送下连续流过工件通道。
为便于分析,我们截取工件通道内的一段磨料介质,如图3所示。
显然,此时的磨料介质流动类似于一个固体塞的运动。
在分析之前,先对某些因素作一些简化和假设:
1磨料介质具有连续介质特性,它与工件通道表面紧密接触,密度变化不计。
摩擦系数在确定的表面上是常数。
2磨料介质是假塑性流体,因此流动是粘性不可压缩的等温定常非牛顿流
3所研究的磨料介质为一圆柱体形状,流动具有轴对称性。
圆体塞内的流动可简化为一维层流流动。
4压力
5不计质量力包括重力和惯性力的影响,不考虑弹性效应、边界效应。
2.1.2工艺特点
磨粒流加工方法最大特点是它使用“强制流”原理产生加工作用。
所以，在被加工表面上的材料去除、尺寸精度和表面粗糙度获得不是依靠精密机械运动那样传统方式来保证，而是依据强迫流的流度特性和流的成分来确定。
由于粘弹性强制流的作用原理，使磨料流能充满复杂型腔；
在被加工表面上受力均匀；
磨料在被加工表面上作用时处于弹性状态；
使用细粒度磨料，对材料进行数量切除；
在加工过程中，整个被加工表面自始自终受磨料作用；
加工设备，机构运动简单，重复误差小。
所以在加工设备保持高精度控制和可靠性条件下，它能提供最大工艺灵活性，它的优点是：
（1）能得到高的表面粗糙度；
（2）能获得较大材料去除量，接近磨削;
（3）运用流变特性和夹具设计作用，使精密尺寸差容易得到；
（4）生产效率很高，在保证同样公差条件下，可从原来几个小时手工工作量减少到几分钟；
（5）被加工零件形状不受限制，对内表面加工不仅方便且经济性好。
对外表面加工是困难些，但只要夹具设计得巧妙，任何型面均可加工。
（6）被加工零件大小不受限制（机床规格大小限制除外），从小到
孔，大至
m盘形件均可加工；
（7）对磨料进行不同配制和采用不同压力，可满足各种不同的需要；
（8）被加工零件材料种类十分广泛：
有铜类、铅合金、钢类、硬质合金、陶瓷、聚合物；
（9）是一种理想的去除加工变形层的工艺方法；
（10）能替代过去只能用手工抛光的工序；
（11）加工设备简单；
（12）操作简单，自动化程度高；
（13）工作环境好。
2.1.3表面粗糙度
在目前应用中，被加工表面粗糙度Ra值从0.8~7.6
可降低到0.08~0.7
，大致说，Ra值可降低十分之一或更多一些。
根据我们的实验：
（试件为
钢，型孔表面经线切割后再进行挤压磨料流加工），Ra值从2.3
降至0.12
，相当于从
提高至
，如图3所示。
磨粒为
，采用压力为7.8Mpa和9.8Mpa，经两次循环加工后去除材料厚度为0.02mm和0.04mm，加工时间分别为70和45秒，从上述实验结果看，该方法在加工质量和加工效率方面均有明显优点。
在其它条件不变情况下，采用压力5.88Mpa，得到的Ra=0.46
这说明参数选择必须考虑加工前原来表面粗糙度。
目前已可得到
的表面。
该方法降低表面粗糙度有几个特点：
（1）与一般工艺方法不同，该方法没有个恒定范围，而是根据加工前原有粗糙度为基础相对降低2~3级，甚至4级。
所以，该方法适应性好、应用范围广、加工效果好，关键是选择恰当的加工参数，如图3、4、5所示。
（2）从上述特点可以导致另一特点，即表面粗糙度可以分阶段多次降低。
只要改变挤压压力和磨料即行，其它条件均可不变。
（3）从加工原理上来看，该方法将能获得的最小粗糙度现在还无法确定，
只是目前综合技术水平上成果，我认为磨粒的最小粒度将是它的间接限度。
为了向更高水平进展，应选择低压力、细磨粒、软载体、甚至选用较软磨粒，如
和C等。
按这样原则去选择参数，则其加工机理已接近超精液体动力研抛了。
（4）在试验中得出：
同一组加工参数它能降低的Ra值是一定的。
继续增加加工循环次数也不会进一步降低粗糙度，在初始1~3循环时达到最佳状态，第10循环前后会有下降，再往后稍有变化而稳定到一定值。
（5）表面粗糙度与各参数大有关系，在挤压力为1.67Mpa时，粗糙度取得最小值。
在低压下加工可得到最光滑表面；
在高压下则要差些。
2.1.4材料去除量与公差
磨粒流加工用于光整加工，着重表面粗糙度降低，选用低压和低粘度参数。
材料去除量甚微，一般在5
左右，所以它不会影响原来尺寸和形状精度，实践已证明了这点。
即使如硬质合金模具在电火花加工后进行挤压磨粒流加工，得Ra=0.1
，而模具材料去除厚为0.05mm，不圆度保持在0.0013mm之内。
有试验表明，即使直径扩大量为0.13mm也不造成显著几何形状歪曲。
可见该方法能达到的尺寸精度是相当高的，不过上述实例是在材料去除量甚小情况下取得的。
但是从该方法流变特性来看，它不仅仅是一种光整加工方法，随着挤压压力提高，磨料速度加快，介质粘度交稠，循环次数加以及磨粒与介质比例变化等对材料去除量均有很大影响，如图6、7、8、9、10所示。
由此可见，应把挤压磨粒流加工方法开发成一种光精加工方法，在一定程度上替代磨削。
（1）材料去除量
根据我们试验，一次加工循环便去除Cr12MeV（淬火）钢厚0.02mm，其Ra=0.12
，费时2分钟。
从这些数据说明它已远远离开光整加工范畴。
影响材料去除量的因素有：
挤压压力和加工时间；
粘度越大则材料去除量也越大。
如用60#sic磨粒含量为介质80%，挤压力为2.9Mpa，因粘度变化而使去除量相差有几十倍，接近100倍或者更多；
磨粒材质也有一定关系，
最佳；
和SiC次之，这顺序与对表面粗糙度的影
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