CN108115543B - 交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法，所述模具包括多个流道控制单元和密封装置；所述流道控制单元包括过渡段、引流段和模芯，所述流道控制单元的数量与交叉孔工件的孔口数量相同；每个流道控制单元对应一个交叉孔工件的孔口；将所述流道控制单元分为两组，两组流道控制单元分别与磨粒流抛光设备中的料缸A和料缸B连接；本发明在交叉孔工件的孔口处设置过渡段，有效避免了“入口效应”对交叉孔工件的影响，解决了交叉孔工件的孔口处“过抛”难题。本发明针对交叉孔工件，通过改变截面流道间隙，设计了可实现其内壁等余量均匀抛光的模芯，解决了交叉孔工件时抛光不均匀的难题，可有效保证抛光质量和提高抛光效率。

Description

交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及一种应用于交叉孔工件内壁的磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法。

背景技术

交叉孔工件在航空、航天等领域应用越来越广泛，该类零件通常由横截面为圆形的变直径或等直径管道相贯而成，整体结构呈“X”、“Y”、“T”、“十”字形等结构(图2-4所示的是一个“T”字形交叉孔工件示意图)。为了满足该类零件在使用期间不允许其内壁有毛刺等易脱落颗粒物的要求，通常在最后一道工序对该类零件内壁进行抛光加工。因抛光磨具与该类交叉孔工件有几何干涉且抛光磨具轨迹复杂等原因，带有刚性抛光磨头的传统抛光设备无法较好地抛光到交叉孔工件内壁隐蔽部位，因此很难实现该类零件的高质、高效抛光工作。目前采用的方法主要依靠油石或手工砂带抛光，手工抛光不仅劳动强度大、效率低，而且加工可达性差、材料去除不均匀，因此手工抛光难以保证零件的表面质量。

采用磨粒流加工(AFM)方法对交叉孔工件内壁抛光是一种新的研究思路。磨粒流加工是一种新型抛光工艺技术，其加工原理是利用具有流动性的粘弹性磨料介质(由高分子聚合物载体和磨料颗粒组成)进行抛光，抛光时，磨粒流抛光设备两个相对的柱塞使位于料缸中的磨料介质以一定压力下循环往复流过被加工表面，从而对工件表面进行抛光和去毛刺。磨粒流加工能够高效、经济地加工传统方法难以完成的几何形状复杂的表面，如窄缝、交叉孔道、异形曲面等。相比传统抛光方法，磨粒流加工方法对交叉孔工件内壁的抛光具有材料适用性强、加工可达性好、加工效率高等优点。由于在磨料介质的流道入口处存在压力损失，这会导致高分子聚合物出现混乱的弹性湍流，使得磨粒随着介质进行翻滚，这种情况下，就会出现磨粒在翻滚过程中用尖角或者棱边对工件表面进行微切削，同时流道间隙的突变使得磨粒对工件表面的压力增加，磨削效果进一步增强，因此会在入口端出现倒圆或者是喇叭孔的“过抛”现象，也被称为“入口效应”；交叉孔工件内壁的磨粒流抛光中流道较长，沿程的压力损失大，使得出口处压力小于入口，因此出口处的材料去除量通常小于入口处，就出现了“欠抛”现象。而磨粒流加工过程中，工件固定在模具中，模具由磨粒流抛光设备夹紧，工件和模具之间形成的型腔就是磨料介质所通过的流道，磨料介质在磨粒流抛光设备的作用下以一定压力循环往复经过流道，所以最终呈现交叉孔的两端去除量大，而中间区域去除量相对较小的抛光结果

为解决上述问题，中国专利CN101457387A公开了《一种去除交叉孔毛刺的方法》，该方法采用电解方法去除交叉孔毛刺，具体过程包括：先清除工件交叉孔部位的铁屑，使用电解抛光工具电极，工件接电解电源正极，工具电极接电解电源负极，在电解液存在下进行电解清除去毛刺，电解结束后排除电解液并清洗，得到清除毛刺的工件。该方法的缺点是零件毛刺的附近也受到电解作用，且被抛光表面将失去材料原有的光泽，甚至影响到零件的尺寸精度。

作者张克华等发表的《异形内孔曲面的磨料流均匀加工方法研究》，提出了通过设置相似模芯结构以改善剪切应力分布的状态，从而实现均匀化加工异形曲面的方法，该方法增加相似模芯结构仅仅是使得零件相同截面的材料去除几乎均匀，但在零件的入口和出口处存在“过抛”问题，从零件整体上来看并未实现等余量均匀化抛光，这对某些表面质量一致性要求较高的零件来说不满足其使用要求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能使零件相同截面的材料去除率均匀，又能解决在零件的入口和出口处存在“过抛”问题的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯的计算方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，包括多个流道控制单元和密封装置；所述的流道控制单元包括过渡段、引流段和模芯，所述的流道控制单元的数量与交叉孔工件的孔口数量相同；每个流道控制单元对应一个交叉孔工件的孔口；将所述的流道控制单元分为两组，两组流道控制单元分别与磨粒流抛光设备中的料缸A和料缸B连接；

所述的引流段的一端与料缸连接、另一端与过渡段的一端连接；所述的过渡段的另一端与交叉孔工件的一个孔的孔口连接；所述的模芯的一端固定在引流段或过渡段上，另一端穿过过渡段经交叉孔工件的对应孔口伸入交叉孔工件中；所述的过渡段、模芯和对应孔的孔口轴线共线；所述的引流段与料缸之间设置密封装置，所述的过渡段与交叉孔工件的对应孔口之间设置密封装置。

进一步地，所述过渡段的内径等于交叉孔工件的对应孔口的内径，过渡段长度取5-20mm。

进一步地，所述的流道控制单元按交叉孔工件孔口相邻就近的原则分为两组，且其中一组流道控制单元的交叉孔工件的孔口流道横截面积之和与另一组流道控制单元的交叉孔工件孔口面积之和相近。

进一步地，所述的密封装置包括O形密封圈、平面密封垫或止口密封。

进一步地，所述的交叉孔工件和流道控制单元通过模具固定。

交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具的模芯的计算方法，包括以下步骤：

A、确定模芯初始形状和大小

假定模具中的模芯横截面形状与交叉孔工件孔的内壁横截面形状相同，且每个流道控制单元的模芯与各自交叉孔内壁之间的间隙沿流道相等，初始流道间隙取4-8mm。

B、建立流场控制方程

针对引流段、过渡段、交叉孔和模芯构成的物理模型，建立不可压缩粘弹性流体恒温定常流动质量方程、动量方程，分别如式(1)和式(2)所示；

式中：ρ是磨料介质的密度，kg/m³；u、v、w分别表示流场中任意一点的速度在笛卡尔坐标系中的x、y、z方向的分量，m/s；p任意一点的流场压力，Pa；g重力加速度，m/s²；τ_ij为应力，Pa，i＝x、y、z，j＝x、y、z；

C、选择磨料介质本构方程

为简化计算，假设磨料介质的本构方程遵循式(3)所示的Cross方程：

式中：η为表观粘度，N·s/㎡；为剪切速率，s^-1；λ材料的特征时间，s；η₀为零剪切粘度，N·s/㎡；n称为非牛顿指数，且0<n<1；

D、流场模拟仿真分析与材料去除率求解

依据公式(1)-(3)，利用流场分析软件FLUENT进行流场模拟仿真分析可得到流场的速度压力分布，然后计算磨料介质对工件壁面每一点的材料去除率，由于磨粒流加工过程中，流场稳定，采用式(4)所示Preston方程表示磨粒流加工对工件中某一点(x，y，z)的材料去除率与各种工艺参数以及磨料介质特性的关系；

MRR＝kpv (4)

式中：MRR为单位时间的材料去除率，m/s；k是一个与磨粒自身特性、磨粒与工件的相互作用、工件的硬度和表面形貌有关的比例常数，通过实验测量不同点的去除量分别计算系数求取平均值来确定，m²/N；v为磨料介质在近壁面区域的相对速度，m/s；p为磨粒在近壁面区域的相对压力，Pa；

E、判断材料去除率是否满足加工要求

计算材料去除率的最大值与材料去除率最小值之差，判定该差值是否满足式(5)：

MRR_max-MRR_min≤e (5)

式中：MRR_max和MRR_min分别表示工件壁面材料去除率的最大值和最小值，e表示工件加工要求允许的最大材料去除率和最小材料去除率之差的最大值；

如果满足则转步骤H；

F、建立材料去除率与流道间隙关系

依据Preston方程得到交叉孔内壁的材料去除规律与流道间隙的关系式：

式中，(x，y，z)表示交叉孔内壁一点在坐标系中的坐标值，Ω为交叉孔内壁所在的边界函数；H为交叉孔内壁材料去除率与流道间隙的关系函数；

G、优化模芯轮廓方程

为了保证所求的模芯外表面所在方程向着使得交叉孔工件壁面流场更加均匀的方向进行，流道间隙的调整必须满足间隙优化准则式(7)：

式中，m是大于等于1的自然数，δ^(m+1)(x₁,y₁,z₁)表示交叉管内壁一点(x₁,y₁,z₁)处经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₁,y₁,z₁)表示利用第m次流场分析求得的点(x₁,y₁,z₁)的材料去除率，δ^(m+1)(x₂,y₂,z₂)表示交叉管内壁另一点(x₂,y₂,z₂)经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₂,y₂,z₂)表示利用第m次流场分析求得的点(x₂,y₂,z₂)的材料去除率；

依据上述间隙优化准则，等间距确定流道间隙δ，采用样条插值方式反求出使得材料去除率更加均匀的模芯外轮廓所在的方程B^(m+1)，如式(8)所示：

式中，B^(m+1)表示经过第m次模芯优化得到的第m+1个模芯外轮廓样条插值所得的方程；

返回至步骤D进行迭代，即将B^(m+1)作为新的模芯轮廓方程，进行流场模拟仿真分析与材料去除率求解；

H、结束。

本发明的有益效果是：

1、本发明在交叉孔工件的孔口处设置过渡段，有效避免了“入口效应”对交叉孔工件的影响，解决了交叉孔工件的孔口处“过抛”难题。

2、本发明针对交叉孔工件，通过改变截面流道间隙，设计了可实现其内壁等余量均匀抛光的模芯，解决了磨粒流抛光方法应用于该类交叉孔工件时抛光不均匀的难题，可有效保证抛光质量和提高抛光效率。

附图说明

图1是交叉孔磨粒流等余量均匀抛光模具的结构及磨料介质流动示意图。

图2是一种“T”形交叉孔工件结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是图2的B-B剖视图。

图5是“T”形交叉孔工件磨粒流等余量均匀抛光用模具主视剖面图及磨料介质流动示意图。

图6是图5的左视剖面图。

图7是左弯头结构示意图。

图8是右弯头结构示意图。

图9是下固定板结构示意图。

图10是下过渡板结构示意图。

图11是模芯A与工件之间的流道间隙示意图。

图12是模芯B与工件之间的流道间隙示意图。

图13是模芯C与工件之间的流道间隙示意图。

图14是模芯设计方法流程图。

图15是往复式磨粒流抛光加工原理示意图。

图中：1、料缸A，2、流道控制单元A，21、引流段A，22、过渡段A，23模芯A，3、流道控制单元B，31、引流段B，32、过渡段B，33、模芯B，4、流道控制单元C，41、引流段C，42、过渡段C，43、模芯C，5、交叉孔工件，51、工件水平中心线，52、工件竖直中心线，6、料缸B，7、上过渡板，71、过渡孔，72、密封止口，73、锥形孔，81、O形密封圈A，82、O形密封圈B，83、O形密封圈C，84、O形密封圈D，9、左弯头，91、圆形截面孔A，92、矩形截面孔A，10、右弯头，101、圆形截面孔B，102、矩形截面孔B，11、下固定板，111、矩形截面孔C，112、矩形截面孔D，12、下过渡板，121、矩形截面槽A，122、矩形截面槽B，123、中心通孔，13、柱塞A，14、磨料介质，15、模具，16、柱塞B。

具体实施方式

下面结合技术方案、具体实施例以及附图对本发明的具体实施方式作进一步地描述。

如图1所示为形交叉孔工件磨粒流等余量均匀抛光模具的结构及磨料介质流动示意图，本实施例以一种“T”字形交叉孔零件作为交叉孔工件5，其结构如图2-4所示。设计了如图5-13所示的一种“T”形交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，包括流道控制单元A2、流道控制单元B3、流道控制单元C4和密封装置；

所述的流道控制单元的数量与交叉孔工件5的孔口数量相同，即三个；每个流道控制单元对应一个交叉孔工件5的孔口；所述的流道控制单元A2包括引流段A21、过渡段A22和模芯A23，所述的流道控制单元B3包括引流段B31、过渡段B32和模芯B33，所述的流道控制单元C4包括引流段C41、过渡段C42和模芯C43，将所述的流道控制单元A2、流道控制单元B3和流道控制单元C4按交叉孔工件5孔口相邻就近的原则分为两组，流道控制单元A2单独为一组，流道控制单元B3和流道控制单元C4为一组；流道控制单元A2与磨粒流抛光设备中的料缸A1连接，流道控制单元B3和流道控制单元C4与磨粒流抛光设备中的料缸B6连接；

所述过渡段A22位于上过渡板7上的过渡孔71处，所述过渡段B32位于模具左弯头9的圆形截面孔A91处，所述过渡段C42位于模具右弯头10的圆形截面孔B101处；

所述引流段A21位于上过渡板7上的锥形孔73处，所述引流段B31由左弯头9的矩形截面孔A92、下固定板11的矩形截面孔C111、过渡板12的矩形截面槽A121以及中心通孔123组成，所述引流段C41由右弯头10的矩形截面孔B102、下固定板11的矩形截面孔D112、过渡板12的矩形截面槽B122以及中心通孔123组成；

所述的引流段A21一端与料缸A1连接、另一端分别与对应的过渡段A22的一端连接；所述的引流段B31和引流段C41的一端与料缸B6连接，另一端分别与对应的过渡段B32和过渡段C42的一端连接；所述的过渡段A22、过渡段B32和过渡段C42的另一端分别与交叉孔工件5的一个孔的孔口连接；所述的模芯A23一端固定在过渡段A22上，所述模芯B33和模芯C43一端分别固定在引流段B31和引流段C41上，所述模芯A23、模芯B33和模芯C43另一端分别穿过过渡段A22、过渡段B32和过渡段C42经交叉孔工件5的对应孔口伸入交叉孔工件5中；所述的过渡段A22、过渡段B32、过渡段C42以及模芯A23、模芯B33、模芯C43和对应孔的孔口轴线共线；所述的引流段A21、引流段B31和引流段C41与料缸之间设置密封装置，所述的过渡段A22、过渡段B32、过渡段C42与交叉孔工件5的对应孔口之间设置密封装置。

进一步地，所述过渡段A22、过渡段B32、过渡段C42的内径等于交叉孔工件5的对应孔口的内径，过渡段长度取5-20mm。

进一步地，所述的流道控制单元A2的交叉孔工件5的孔口流道横截面积与流道控制单元B3和流道控制单元C4的交叉孔工件5孔口面积之和近似相等，即满足下式：

π[d₁ ²-(d₁-δ₁)²]≈π[d₂ ²-(d₂-δ₂)²]+π[d₃ ²-(d₃-δ₃)²]

也就是：

π(2d₁δ₁-δ₁ ²)≈π(2d₂δ₂-δ₂ ²+2d₃δ₃-δ₃ ²)

式中，d₁为“T”型交叉孔上端孔口内径，d₂为“T”型交叉孔左端孔口内径，d₃为“T”型交叉孔右端孔口内径，δ₁为“T”型交叉孔上端孔口与模芯A23之间的间隙，δ₂为“T”型交叉孔左端孔口与模芯B33之间的间隙，δ₃为“T”型交叉孔右端孔口与模芯C43之间的间隙。

进一步地，所述密封装置主要包括O形密封圈和止口密封；上过渡板7上端面设置有密封圈槽，所述密封圈槽内安装O形密封圈A81，实现整个模具与磨粒流抛光设备料缸A1的端面密封；所述上过渡板7下端面有与交叉孔工件5上端面形状大小相同的密封止口72，实现过渡段A22与交叉孔工件5上端面的密封；O形密封圈D84安装于下过渡板12的凹槽中，以实现磨粒流抛光设备料缸B6与模具的端面密封，O形密封圈C83沿竖直方向安装于交叉孔工件5的右端凹槽中，实现交叉孔工件5右端面与过渡段C42的密封，O形密封圈B82沿竖直方向安装于交叉孔工件5左端凹槽中，实现交叉孔工件5左端面与过渡段B32的密封。

本发明模芯A23、模芯B33和模芯C43尺寸的设计按照发明内容中的相关步骤及图14进行。

本发明的工作原理如下：

如图1-15所示，一种T形交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具及其模芯设计方法，基于往复式磨粒流抛光加工的原理，即在料缸B6中加入流体磨料介质14高分子聚合材料与磨粒混合而成的半固态的粘弹性体，待加工交叉孔工件5和模具15被料缸A1、料缸B6夹紧固定，利用液压系统推动柱塞B16向上运动，将磨料介质14以一定压力从待加工交叉孔工件5表面滑过，当柱塞B16运动到极限位置时，柱塞A13开始运动，驱动磨料介质14反向滑过交叉孔工件5表面，如此循环往复；该模具通过合理的结构设计实现往复式磨粒流机床作为抛光设备的情况下，交叉孔内磨料介质的循环往复流动。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：包括多个流道控制单元和密封装置；所述的流道控制单元包括过渡段、引流段和模芯，所述的流道控制单元的数量与交叉孔工件(5)的孔口数量相同；每个流道控制单元对应一个交叉孔工件(5)的孔口；将所述的流道控制单元分为两组，两组流道控制单元分别与磨粒流抛光设备中的料缸A(1)和料缸B(6)连接；

所述的引流段的一端与料缸连接、另一端与过渡段的一端连接；所述的过渡段的另一端与交叉孔工件(5)的一个孔的孔口连接；所述的模芯的一端固定在引流段或过渡段上，另一端穿过过渡段经交叉孔工件(5)的对应孔口伸入交叉孔工件(5)中；所述的过渡段、模芯和对应孔的孔口轴线共线；所述的引流段与料缸之间设置密封装置，所述的过渡段与交叉孔工件(5)的对应孔口之间设置密封装置。

2.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述过渡段的内径等于交叉孔工件(5)的对应孔口的内径，过渡段长度取5-20mm。

3.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的流道控制单元按交叉孔工件(5)孔口相邻就近的原则分为两组，且其中一组流道控制单元的交叉孔工件(5)的孔口流道横截面积之和与另一组流道控制单元的交叉孔工件(5)孔口面积之和相近。

4.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的密封装置包括O形密封圈、平面密封垫或止口密封。

5.根据权利要求1所述的交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具，其特征在于：所述的交叉孔工件(5)和流道控制单元通过模具固定。

6.交叉孔工件内壁磨粒流均匀抛光模具的模芯的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、确定模芯初始形状和大小

假定模具中的模芯横截面形状与交叉孔工件(5)孔的内壁横截面形状相同，且每个流道控制单元的模芯与各自交叉孔内壁之间的间隙沿流道相等，初始流道间隙取4-8mm；

B、建立流场控制方程

针对引流段、过渡段、交叉孔和模芯构成的物理模型，建立不可压缩粘弹性流体恒温定常流动质量方程、动量方程，分别如式(1)和式(2)所示；

式中：ρ是磨料介质的密度，kg/m³；u、v、w分别表示流场中任意一点的速度在笛卡尔坐标系中的x、y、z方向的分量，m/s；p任意一点的流场压力，Pa；g重力加速度，m/s²；τ_ij为应力，Pa，i＝x、y、z，j＝x、y、z；

C、选择磨料介质本构方程

为简化计算，假设磨料介质的本构方程遵循式(3)所示的Cross方程：

式中：η为表观粘度，N·s/㎡；为剪切速率，s^-1；λ材料的特征时间，s；η₀为零剪切粘度，N·s/㎡；n称为非牛顿指数，且0<n<1；

D、流场模拟仿真分析与材料去除率求解

依据公式(1)-(3)，利用流场分析软件FLUENT进行流场模拟仿真分析可得到流场的速度压力分布，然后计算磨料介质对工件壁面每一点的材料去除率，由于磨粒流加工过程中，流场稳定，采用式(4)所示Preston方程表示磨粒流加工对工件中某一点(x，y，z)的材料去除率与各种工艺参数以及磨料介质特性的关系；

MRR＝kpv (4)

式中：MRR为单位时间的材料去除率，m/s；k是一个与磨粒自身特性、磨粒与工件的相互作用、工件的硬度和表面形貌有关的比例常数，通过实验测量不同点的去除量分别计算系数求取平均值来确定，m²/N；v为磨料介质在近壁面区域的相对速度，m/s；p为磨粒在近壁面区域的相对压力，Pa；

E、判断材料去除率是否满足加工要求

计算材料去除率的最大值与材料去除率最小值之差，判定该差值是否满足式(5)：

MRR_max-MRR_min≤e (5)

式中：MRR_max和MRR_min分别表示工件壁面材料去除率的最大值和最小值，e表示工件加工要求允许的最大材料去除率和最小材料去除率之差的最大值；

如果满足则转步骤H；

F、建立材料去除率与流道间隙关系

依据Preston方程得到交叉孔内壁的材料去除规律与流道间隙的关系式：

式中，(x，y，z)表示交叉孔内壁一点在坐标系中的坐标值，Ω为交叉孔内壁所在的边界函数；H为交叉孔内壁材料去除率与流道间隙的关系函数；

G、优化模芯轮廓方程

为了保证所求的模芯外表面所在方程向着使得交叉孔工件(5)壁面流场更加均匀的方向进行，流道间隙的调整必须满足间隙优化准则式(7)：

式中，m是大于等于1的自然数，δ^(m+1)(x₁,y₁,z₁)表示交叉管内壁一点(x₁,y₁,z₁)处经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₁,y₁,z₁)表示利用第m次流场分析求得的点(x₁,y₁,z₁)的材料去除率，δ^(m+1)(x₂,y₂,z₂)表示交叉管内壁另一点(x₂,y₂,z₂)经过第m次优化得到的该处的流道间隙，MRR^(m)(x₂,y₂,z₂)表示利用第m次流场分析求得的点(x₂,y₂,z₂)的材料去除率；

依据上述间隙优化准则，等间距确定流道间隙δ，采用样条插值方式反求出使得材料去除率更加均匀的模芯外轮廓所在的方程B^(m+1)，如式(8)所示：

式中，B^(m+1)表示经过第m次模芯优化得到的第m+1个模芯外轮廓样条插值所得的方程；

返回至步骤D进行迭代，即将B^(m+1)作为新的模芯轮廓方程，进行流场模拟仿真分析与材料去除率求解；

H、结束。