流体抛光技术研究-文献综述

流体抛光技术研究

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[1]。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。磨料流加工是20世纪60 年代由美国两公司独立发展起来的，最初应用于航空、航天领域的复杂几何形状合金工件的去毛刺加工。随着科学技术的飞跃发展，在宇航、导弹、电子、计算机等精密机械零件的工艺性能要求不断提高的情况下，以前用手工、机械、化学等方法对零件表面进行抛光、倒角、去毛刺均有其局限性，特别是对零件内小孔径、相互交叉的孔径及边棱进行抛光、倒角、去毛刺更是无能为力；而磨料流加工技术由于具有对零件隐蔽部位的孔、型腔研磨、抛光、倒圆角的作用，又有对外表面各种复杂型面研磨、抛光的能力，因而具有其它方法无法比拟的优越性。目前，这项技术已应用在宇航和兵器工业，同时也扩展到了纺织、医疗、缝纫、精密齿轮、轴承、模具制造等其它机械行业。

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%。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［2］。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。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。在国内王纯、杨建明和王沽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，在高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。

综上所述，有关磨料流加工的研究工作可以归纳为两个方面：一是磨料流加工工艺

及加工机理的实验研究；二是磨料流加工工艺的建模技术与加工过程的监控研究。

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。

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以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。

磁流变抛光技术，是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光[3]。在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面的材料被去除。和传统光学精密抛光方法相比较，磁流变抛光具有能够获得质量很高的光学表面、易于实现计算机控制，能够得到比较复杂的面形、去除效率高、不会存在刀具磨损、堵塞现象。

目前已经进行了磁流变抛光光学玻璃的初步研究工作。配置了适合于光学玻璃研抛的磁流变液，测定了不同加工参数对抛光效率、表面质量的影响。研究表明，磁流变抛光中工件材料的去除率与抛光盘的转速成正比，并在一定范围内随着外加磁场强度的增强而增大，工件材料的去除量与抛光时间成正比，符合光学玻璃抛光的Preston 方程。用原子力显微镜对工件进行检测，抛光后的光学玻璃表面粗糙度可以达到1nm左右。同时，还进行了MRF应用于微晶玻璃抛光的可行性研究，抛光后的微晶玻璃表面粗糙度达到0.684 nm。

磁流变抛光技术的优越性已经逐渐得到行业内的认同。产品表面质量好，加工效率高，可以有效去除亚表面破坏层，抛光强度可以通过磁场强度等多项参数控制。磁流变液在磁场作用下形成的“小磨头” 对工件表面进行加工，有利于实现非球面光学原件的加工。目前，国内对磁流变抛光机理及其他材料的加工研究还不够深入，对大尺寸光学元件的加工更是很少涉及。根据我国对磁流变抛光技术的研究及其应用现状，应着重研究以下 3 个方面：

(1) 磁流变液基础理论的研究，配置出适合抛光加工的性能优良的磁流变液。

(2) 磁流变抛光理论模型的建立，实现非球面光学元件的加工。

(3) 设计出性能优良、经济适用的磁流变抛光机床。

磨料水射流是自19世纪80年代迅速发展起来的一种新技术，和传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响，反作用力小、加工柔性高等优点，目前已被广泛应用到多种加工行业，用于加工陶瓷、石英、复合材料等多种材料[8]。