CN115256238A - 一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，在磨粒流光整加工前，获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布，根据材料去除率分布将内腔沿轴向方向划分为多段待加工区域，并制定梯次加工顺序，再针对每段待加工区域设计专用仿形空芯模芯。采用磨粒流光整加工某段加工区域时，将其他加工区域与对应空芯模芯进行无间隙或者小间隙装配以形成加工盲区，通过单独控制每段加工区域的加工时间以控制其材料去除量，从而实现整个变截面深窄内腔的高均匀性磨粒流光整加工。本发明能够利用磨粒流光整加工技术实现变截面深窄内腔的准定域加工，提高其材料去除率可控性，从而保证其磨粒流光整加工均匀性。

Description

一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工 方法

技术领域

本发明属于磨粒流光整加工技术领域，具体涉及一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法。

背景技术

磨粒流光整加工是一种通过挤压黏弹性流体磨料对工件表面产生珩磨作用从而提高加工表面质量的特种加工技术。虽然磨粒流光整加工可达性好、表面质量高，但其用于变截面内腔加工时具有加工不均匀的固有特性，制约了该技术在变截面内腔中的应用。

为了提高变截面内腔的磨粒流光整加工均匀性，现有技术是在内腔加装仿形实芯模芯，模芯外表面和内腔之间构建等间隙流道，流体磨料在等间隙流道中流动的速度接近，从而能够提高整个内腔的加工均匀性。但是，上述方法并不适用于深窄内腔，其原因如下：当内腔存在狭窄区域时，为了在内腔构建等间隙流道，加装实芯模芯后内腔和模芯外表面之间的间隙通常很小，流体磨料的流动阻力极大，导致内腔加工效率低下甚至根本没有加工效果。

因此，面向变截面深窄内腔均匀性的磨粒流光整加工方法是亟需突破的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者预试验获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布，根据材料去除率分布将内腔沿轴向方向划分为多段待加工区域，并按照“材料去除率低的待加工区域先加工”原则制定梯次加工顺序，再针对每段待加工区域设计专用仿形空芯模芯。按照上述加工顺序采用磨粒流光整加工某段加工区域时，将其他加工区域与对应空芯模芯进行无间隙或者小间隙装配以形成加工盲区，通过单独控制每段加工区域的加工时间以控制其材料去除量，从而实现整个变截面深窄内腔的高均匀性磨粒流光整加工。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，包括以下步骤：

步骤1、在磨粒流光整加工前，获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布；

步骤2、按照所述材料去除率分布，将所述内腔沿轴向方向划分为多段待加工区域，并制定梯次加工顺序；

步骤3、针对每段待加工区域，设计专用空芯模芯，该模芯在轴向方向开设通孔，为磨粒流光整加工中的流体磨料提供流动通道，该模芯外表面与对应加工区域仿形，且尺寸与对应加工区域相比具有设定偏移量；

步骤4、按照梯次加工顺序，依次选择一段待加工区域作为当前加工区域，而其他加工区域与对应空芯模芯进行无间隙或者间隙装配以形成加工盲区；

步骤5、磨粒流光整加工当前加工区域，通过控制当前加工区域的加工时间以控制其材料去除量，直到完成所有待加工区域磨粒流光整加工。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1中，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布；

所述变截面深窄内腔最大长径比大于5，最窄处的横截面直径不大于10mm；

所述内腔采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造。

上述的步骤1所述材料去除率分布采用如下方法获得：

内腔表面同一横截面上的点在磨粒流光整加工中的材料去除率相同，且任意点的材料去除率与该点所在的横截面面积成反比，且该反比的比例系数为常数。

上述的步骤2所述待加工区域采用如下方法划分：

不断减小每段待加工区域的轴向尺寸并增加其划分数量，直到所有待加工区域的材料去除率最大值与最小值的商都不大于给定数值时，完成待加工区域划分；

且步骤2按照平均材料去除率低的待加工区域先加工原则制定梯次加工顺序。

上述的步骤3所述空芯模芯可采用实体结构、蜂窝状结构或者弹簧状螺旋结构，当其采用实体结构或者蜂窝状结构时，壁厚不小于1.0mm；

所述空芯模芯的材质为不锈钢、碳钢、硬质合金、复合材料或陶瓷。

上述的空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行无间隙装配使用，则空芯模芯在其轴向方向开缝，且其外表面尺寸比对应加工区域大一个不为零的偏移量；

所述空芯模芯与对应加工区域的装配需要借助预紧力操作，完成装配的空芯模芯外表面与对应加工区域完全贴合以实现定位，此时模芯上的轴向开缝在预紧力作用下产生一定弹性压缩而处于胀紧状态，依靠其弹性回复力夹紧配合面。

上述的空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行间隙装配使用时，空芯模芯采用无缝结构，其外表面尺寸比对应加工区域小一个偏移量，该偏移量与空芯模芯的最小内孔直径比为0～0.2，且不大于磨粒流光整加工所用流体磨料中的磨粒平均粒径。

上述的步骤3中，当所述变截面深窄内腔为渐变截面时，采用轴向开缝型实体结构空芯模芯，且空芯模芯与对应加工区域进行无间隙装配。

上述的步骤5采用单向或者双向磨粒流光整加工当前加工区域；

所述磨粒流光整加工采用黏弹性流体磨料作为柔性磨具，流体磨料中的磨粒平均粒径与变截面深窄内腔的最窄处横截面直径的比值不大于0.1。

上述的步骤5中，磨粒流光整加工的时间通过下式确定：

式中，T_i为第i段待加工区域的磨粒流光整加工时间，MRR_i为第i段待加工区域的平均材料去除率，A为磨粒流光整加工允许的最大加工余量。

本发明具有以下有益效果：

当空芯模芯与对应加工区域进行无间隙或者小间隙装配时，磨料流经加工区域时会优先通过空芯模芯内孔流出，加工区域由于无磨料流过，因而没有材料去除，从而形成了加工盲区，而未装配区域则发生材料去除。本发明在加工的不同阶段通过有选择性地构建加工盲区，能够在指定加工区域控制材料去除量，从而协调整个内腔的加工均匀性。

本发明能够利用磨粒流光整加工技术实现变截面深窄内腔的“准定域加工”，提高其材料去除率可控性，从而保证其磨粒流光整加工均匀性，解决磨粒流光整加工变截面深窄内腔时存在的加工不均匀共性难题。

附图说明

图1是本发明的分区梯次磨粒流光整加工方法加工步骤示意图。

图2是本发明实施例中的变截面深窄内腔结构示意图。

图3是本发明实施例中的变截面深窄内腔加工区域划分示意图。

图4是本发明实施例中的开缝空芯模芯示意图。

图5是本发明实施例中的加工区域与空芯模芯无间隙装配示意图。

图6是本发明实施例中的变截面深窄内腔双向磨粒流光整加工示意图。

附图标记为：1-变截面深窄内腔零件、2-内腔、3-第一加工区域、4-第二加工区域、5-第三加工区域、6-第一空芯模芯、7-第二空芯模芯、8-第三空芯模芯、9-空芯模芯轴向开缝、10-无间隙装配下的第一空芯模芯、11-无间隙装配下的第三空芯模芯、12-无间隙装配下的第二空芯模芯、13-入口、14-出口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，包括以下步骤：

步骤1、在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布；

所述变截面深窄内腔最大长径比大于5，最窄处的横截面直径(或者横截面内切圆直径)不大于10mm；

所述内腔采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造。

所述材料去除率分布采用如下方法获得：

内腔表面同一横截面上的点在磨粒流光整加工中的材料去除率相同，且任意点的材料去除率与该点所在的横截面面积成反比，且该反比的比例系数为常数，并采用磨粒流光整加工预试验确定。

磨粒流光整加工预试验是采用磨粒流光整加工对不做任何处理的内腔直接进行加工的试验方法。

步骤2、按照所述材料去除率分布，将所述内腔沿轴向方向划分为多段待加工区域，并按照平均材料去除率低的待加工区域先加工原则制定梯次加工顺序；

所述待加工区域采用如下方法划分：

不断减小每段待加工区域的轴向尺寸并增加其划分数量，直到所有待加工区域的材料去除率最大值与最小值的商都不大于给定数值时，完成待加工区域划分。

所述平均材料去除率是某段待加工区域的材料去除率最大值和最小值的算数平均值。

步骤3、针对每段待加工区域，设计专用空芯模芯，该模芯在轴向方向开设通孔，为磨粒流光整加工中的流体磨料提供流动通道，该模芯外表面与对应加工区域仿形，且尺寸与对应加工区域相比具有设定偏移量；

所述空芯模芯可采用实体结构、蜂窝状结构或者弹簧状螺旋结构，当其采用实体结构或者蜂窝状结构时，壁厚不小于1.0mm；

所述空芯模芯的材质需要满足耐磨高强度要求，包括但不限于不锈钢、碳钢、硬质合金、复合材料、陶瓷等。

空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行无间隙装配使用，则空芯模芯在其轴向方向开缝，且其外表面尺寸比对应加工区域大一个不为零的偏移量；

所述空芯模芯与对应加工区域的装配需要借助预紧力操作，完成装配的空芯模芯外表面与对应加工区域完全贴合以实现定位，此时模芯上的轴向开缝在预紧力作用下产生一定弹性压缩而处于胀紧状态，依靠其弹性回复力夹紧配合面；

拆卸模芯时，先将内腔中的流体磨料清理干净，再通过给模芯施加轴向推力将其缓慢取下。

空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行间隙装配使用时，空芯模芯采用无缝结构，其外表面尺寸比对应加工区域小一个偏移量，该偏移量与空芯模芯的最小内孔(或者空芯模芯最小内孔截面的内切圆)直径比为0～0.2，且不大于磨粒流光整加工所用流体磨料中的磨粒平均粒径。

当所述变截面深窄内腔为渐变截面时，优先采用轴向开缝型实体结构空芯模芯，且空芯模芯与对应加工区域进行无间隙装配。

步骤4、按照梯次加工顺序，依次选择一段待加工区域作为当前加工区域，而其他加工区域与对应空芯模芯进行无间隙或者小间隙装配以形成加工盲区；

步骤5、采用单向或者双向磨粒流光整加工当前加工区域，通过控制当前加工区域的加工时间以控制其材料去除量，直到完成所有待加工区域磨粒流光整加工。

所述磨粒流光整加工采用黏弹性流体磨料作为柔性磨具；

流体磨料种类根据工件材料和加工目标选择，可以采用金刚石、碳化硅、氧化铝、二氧化硅等，流体磨料中的磨粒平均粒径与变截面深窄内腔的最窄处横截面(或最窄处横截面外接圆)直径的比值不大于0.1。

磨粒流光整加工的时间通过下式确定：

式中，T_i为第i段待加工区域的磨粒流光整加工时间，MRR_i为第i段待加工区域的平均材料去除率，A为磨粒流光整加工允许的最大加工余量。

实施例1

如图1～6所示。本实施例1中，变截面深窄内腔零件1为304不锈钢材质，其内腔2入口横截面边长7.65mm，经过长为30mm的渐缩段减小到横截面边长4.50mm的窄口，窄口长度20mm，然后经过长为40mm的渐扩段增大到横截面边长8mm的出口，整个内腔圆角0.5mm。内腔为采用电火花线切割加工的变截面正方形，内腔表面线粗糙度Ra3.0μm，要求磨粒流光整加工后整个内腔表面线粗糙度μm 0.6<Ra<0.8μm。

划分加工区域。采用双向磨粒流光整加工变截面深窄内腔2时，由于内腔截面积在轴向方向差异较大，无法满足整个内腔表面线粗糙度μm 0.6<Ra<0.8μm的均匀性要求。因此，首先对内腔进行加工区域划分，根据试验确定的材料去除率分布情况，将整个内腔划分为第一加工区域3、第二加工区域4和第三加工区域5三段加工区域。

设计空芯模芯。考虑到该结构加装模芯的定位和装夹便利性，采用空芯模芯与加工区域无间隙装配的方案。每段空芯模芯由对应加工区域向外偏移0.5mm获得，且每段空芯模芯在轴向开缝，得到空芯模芯轴向开缝9，厚度为0.5mm。第一加工区域3对应的第一空芯模芯6，长度28mm；第三加工区域5对应的第三空芯模芯8，长度16mm；第二加工区域4对应的第二空芯模芯7，长度38mm。模芯全部采用淬火钢和电火花线切割加工，表面粗糙度Ra<1.0μm，尺寸公差±0.05mm。

制定加工顺序。选择双向磨粒流光整加工，磨料浓度52％，磨粒为黑色碳化硅磨粒，磨粒目数60目，工作压力1500psi，实施磨粒流光整加工预试验。试验结果表明，第三加工区域5平均表面粗糙度Ra达到0.8μm需要1.0h。测量加工后的零件内腔材料去除量，并计算其材料去除率，得到三段加工区域的平均材料去除率比例为：

T_{第三加工区域}：T_{第一加工区域}：T_{第二加工区域}≈1:1.1:1.9

在三段加工区域中，平均材料去除率排序为：第三加工区域5<第一加工区域3<第二加工区域4，由于第三加工区域5和第一加工区域3的平均材料去除率近似，因此，三段加工区域的梯次加工顺序确定为：首先加工第三加工区域5和第一加工区域3，最后加工第二加工区域4。

计算加工时间。根据式(1)和上述平均材料去除率比例，计算可知，三段加工区域的加工时间分别为：T_{第三加工区域}＝1.0h，T_{第二加工区域}＝1.9h。

磨粒流光整加工。在双向磨粒流光整加工中，磨料从入口13流入，流经当前加工区域后从出口14流出。

首先，将第三加工区域5和第一加工区域3作为当前加工区域，将第二空芯模芯7与第二加工区域4进行无间隙装配，第二空芯模芯7的轴向开缝被预紧力夹紧并与对应加工区域可靠贴合。采用双向磨粒流光整加工当前第三加工区域5和第一加工区域3，加工时间控制为1.0h；

然后，清理内腔中的流体磨料，取下第二空芯模芯7；

最后，将第二加工区域4作为当前加工区域，将第一空芯模芯6与第一加工区域3进行无间隙装配，将第三空芯模芯8与第三加工区域5进行无间隙装配，第一空芯模芯6和第三空芯模芯8的轴向开缝被预紧力夹紧并与对应加工区域可靠贴合。采用双向磨粒流光整加工当前第二加工区域4，加工时间控制为1.9h。无间隙装配下的第一空芯模芯10、无间隙装配下的第三空芯模芯11、无间隙装配下的第二空芯模芯12如图5所示。至此，完成整个内腔的磨粒流光整加工。

加工后内腔的表面粗糙度和材料去除量检测结果表明，加工均匀性符合设计要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在磨粒流光整加工前，获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布；

步骤2、按照所述材料去除率分布，将所述内腔沿轴向方向划分为多段待加工区域，并制定梯次加工顺序；

步骤3、针对每段待加工区域，设计专用空芯模芯，该模芯在轴向方向开设通孔，为磨粒流光整加工中的流体磨料提供流动通道，该模芯外表面与对应加工区域仿形，且尺寸与对应加工区域相比具有设定偏移量；

步骤4、按照梯次加工顺序，依次选择一段待加工区域作为当前加工区域，而其他加工区域与对应空芯模芯进行无间隙或者间隙装配以形成加工盲区；

步骤5、磨粒流光整加工当前加工区域，通过控制当前加工区域的加工时间以控制其材料去除量，直到完成所有待加工区域磨粒流光整加工。

2.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤1中，在磨粒流光整加工前，通过理论分析或者磨粒流光整加工预试验获得变截面深窄内腔在磨粒流光整加工中的材料去除率分布；

所述变截面深窄内腔最大长径比大于5，最窄处的横截面直径不大于10mm；

所述内腔采用电火花加工、电火花线切割加工、增材制造或者铸造。

3.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤1所述材料去除率分布采用如下方法获得：

内腔表面同一横截面上的点在磨粒流光整加工中的材料去除率相同，且任意点的材料去除率与该点所在的横截面面积成反比，且该反比的比例系数为常数。

4.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤2所述待加工区域采用如下方法划分：

不断减小每段待加工区域的轴向尺寸并增加其划分数量，直到所有待加工区域的材料去除率最大值与最小值的商都不大于给定数值时，完成待加工区域划分；

且步骤2按照平均材料去除率低的待加工区域先加工原则制定梯次加工顺序。

5.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，步骤3所述空芯模芯可采用实体结构、蜂窝状结构或者弹簧状螺旋结构，当其采用实体结构或者蜂窝状结构时，壁厚不小于1.0mm；

所述空芯模芯的材质为不锈钢、碳钢、硬质合金、复合材料或陶瓷。

6.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行无间隙装配使用，则空芯模芯在其轴向方向开缝，且其外表面尺寸比对应加工区域大一个不为零的偏移量；

所述空芯模芯与对应加工区域的装配需要借助预紧力操作，完成装配的空芯模芯外表面与对应加工区域完全贴合以实现定位，此时模芯上的轴向开缝在预紧力作用下产生一定弹性压缩而处于胀紧状态，依靠其弹性回复力夹紧配合面。

7.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，空芯模芯采用实体结构或者蜂窝状结构时，若其与对应加工区域进行间隙装配使用时，空芯模芯采用无缝结构，其外表面尺寸比对应加工区域小一个偏移量，该偏移量与空芯模芯的最小内孔直径比为0～0.2，且不大于磨粒流光整加工所用流体磨料中的磨粒平均粒径。

8.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤3中，当所述变截面深窄内腔为渐变截面时，采用轴向开缝型实体结构空芯模芯，且空芯模芯与对应加工区域进行无间隙装配。

9.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤5采用单向或者双向磨粒流光整加工当前加工区域；

所述磨粒流光整加工采用黏弹性流体磨料作为柔性磨具，流体磨料中的磨粒平均粒径与变截面深窄内腔的最窄处横截面直径的比值不大于0.1。

10.根据权利要求1所述的一种面向变截面深窄内腔均匀性的分区梯次磨粒流光整加工方法，其特征在于，所述步骤5中，磨粒流光整加工的时间通过下式确定：

式中，T_i为第i段待加工区域的磨粒流光整加工时间，MRR_i为第i段待加工区域的平均材料去除率，A为磨粒流光整加工允许的最大加工余量。

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