流体磨料光整加工理论与技术的发展_高航
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) n (r 0) K (r
(1)
r
dV (r ) dr
为半径为 r 处的剪切速率，材料特性参数 式中， r
n,k 分别为黏度及流动指数(n=1 时为牛顿流体)。
随后汤勇等 采用反光粒子 - 纹影照相法跟踪 了流体磨料运动轨迹，提出了壁滑速度与切向力的 关系及不同黏度及流动指数下对加工效果的影响。 并采用流变学的幂律方程，进一步给出了黏弹性流 体磨料流过圆孔形通道的工件表面时，壁滑速度的 径向分布规律为
运动方式等方面进行了大量的基于流体力学及流变 学的理论研究。 在 20 世纪 80 年代该技术引入我国初期，汪文 [5] 友等 通过试验及自制的测定磨料黏度及观察磨粒 在模拟加工过程中流动规律的装置，观察流体磨料 运动时的情况，得出流体磨料在加工过程中不仅仅 有滑动平移，还有滚动和游动，并验证了黏弹性流 体磨料符合假塑性流体特性，将黏弹性流体磨料作 为“柔性动态微刃切削”的加工刀具，其磨粒产生 切削力主要为黏弹体在加工表面层中的剪切应力和 法向应力，并由流体力学中剪切应力与剪切速率关 [6] 系式，流层间的剪切应力 σ 表示为
Development of Theory and Technology in Fluid Abrasive Finishing Technology
GAO Hang WU Mingyu FU Youzhi GUO Dongming
(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024)
月 2015 年 4 月
高
航等：流体磨料光整加工理论与技术的发展
175
和数学模型的流体磨料光整加工方法，单独归为一 类进行研究。并可将该工艺方法重新定义为：使用 松散低黏度的或聚合黏弹性高分子材料包裹超细磨 粒作为工作介质，在开式或闭式的腔体内，通过该 流体磨粒在流动过程中所产生的能量，单独或附加 辅助控制场的方式，挤压、喷射、冲刷静止或运动 工件的被加工表面的流体磨料光整加工技术。 国外自 20 世纪 60 年代随着这项技术应用到工 业领域，持续进行着相关方面的研究，我国自 20 世纪 80 年代初期， 将挤压磨料流技术引入后， 也随 即开展了大量的研究，特别是近几年来，我国关于 流体磨料光整加工的理论方法和技术的研究不断增 多，内容也不断深入。而且其凭借特有的流动性、 易成形性的工艺特点，在对异型孔、薄壁件、复杂 型腔、大尺寸复杂曲面零件的磨削抛光中越来越突 [3-4] 显其优势 ， 特别是通过近年来对其加工机理方面 一系列的深入研究，发现该方法在高效、低损伤、 减少应力集中、提高表面压应力等“控性”加工方 面，有着更加广阔的应用前景。按照流体磨料加工 过程中流动特性及材料去除机理、加工参数对性能 优化的影响、应用中存在的均匀性问题及辅助控制 技术三个方面对流体磨料光整加工进行总结， 并对该 领域的研究进行展望， 以期对未来科研人员在流体磨 料光整加工领域的研究工作， 起到参考和借鉴的作用。
摘要：20 世纪 60 年代发明的挤压磨料流技术在机械零件去毛刺、抛光等光整加工领域产生了重要的影响，特别是自 20 世 纪 80 年代引入我国之后，国内的科研人员进行了大量的理论研究与应用实践，不断涌现出新的以流体磨料为工具的光整加 工技术。从流体磨料的材料去除机理、加工参数对性能优化的影响及应用中存在的均匀性问题及辅助控制技术三个方面综述 流体磨料加工过程中的流动特性、去除机理及加工仿真等理论成果，总结近 50 年来传统黏弹性挤压磨料流技术及近年来针 对于松散低黏度流体磨料的光整加工新技术，分析流体磨料加工的研究手段与方法，为今后进行深入的流体磨料光整加工研 究，探索在诸如航空叶轮和叶盘等高性能复杂曲面零件高质量抛光中的应用提供了借鉴的方向。 关键词：流体磨料；光整加工 中图分类号：TH161
[8-9]
n 1 n n 1 r 1 n V (2) R R 1
[7]
1
1.1
流动特性及材料去除机理分析
黏弹性流体磨料加工机理
Δp n n Vz (r ) R 2kL n 1
基于流体力学及流变学的黏弹性流体磨料 加工机理 最初的流体磨料加工技术为 20 世纪 70 年代出 [5] 现的黏弹性挤压磨料流加工，如图 1 所示 ，使用 含有磨料颗粒的黏弹性“挤压块”快速往复通过固 定在夹具上的被加工表面，实现被加工表面材料去 除的光整加工工艺。
除受流量、压力影响外，还与载体与通道间的摩擦 因数与第一法向应力差有关。并应用第一法向应力 差概念，进一步推导了载体壁面挤压压力的数学模 型为
pw p0
2S exp ( Z 0 Z ) (4) (1 S K N 1 ) (1 S K N 1 ) R 1
由以上流体磨料的流动特性分析可知：在磨料 流加工中，实现其加工的前提条件首先要有磨料与 [9] 工件壁面间的滑动速度，即滑现象 ，其次要有使 磨料产生切削作用的力，即黏弹性磨料体在工件表 [6] 面中的剪切应力和法向应力 。当采用挤压磨料流 抛光时，磨料的颗粒粒度属于黏弹性微粉颗粒，如 图 2 所示，主要受到由供料系统和弹性磨料在弹性 挤压变形过程中综合所产生的法向应力 Pn 以及磨 料流动过程中所产生的剪切应力 Pt。同时受到工件 作用的阻力 Ft、Fn 及阻止磨料转动的阻力矩 M。此 类微粉磨料在随着有机载体的流动下，不断挤压工 件表面，当流过平滑表面时，因所受阻力较小，所 以微粉磨粒的运动形式为滑动平移、 滚动甚至游动， 产生很小的切削作用。而当流过工件表面较粗糙处 的波峰与波谷间时，因受到阻力较大，则工件表面 滚动和游动的磨粒在压力的作用下压入工件表面， 进而产生划擦、耕犁，产生较好的切削效果。但随 着表面趋于光滑，则表面粗糙度变化不大。若进一 步加大压力、速度等加工参数，则使光滑表面进一 步产生切削作用，而使表面粗糙度进一步提高。
第 51 卷第 7 期 2015 年 4 月
机
械
工 程
学
报
Vo l . 5 1 Apr.
No.7 2015
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2015.07.174
流体磨料光整加工理论与技术的发展*
高 航 吴鸣宇 付有志 郭东明
大连 116024) (大连理工大学精密与超精密教育部重点实验室
1
[10-12]
n nR S p0 Q uw 2 R (1 S K N 1 ) K 3n 1
2S exp (Z0 Z ) (1 S K N 1 ) R
(3)
式中，uw 为壁面滑动速度；Q 为流体磨料流量；p0 为入口压力；n 为流动指数；μS 为摩擦因数；K 为
磨料流技术在流体磨料的类型和形态、 压力的供给、 工件辅助运动、辅助场的增加等方面的已经有了新 的进展，而且随着抗疲劳制造、大数据技术、多相 流控制技术的发展，为这种以流体磨料为工作介质 的磨削抛光方法赋予了新的科学内涵，如以均匀化 磨抛为基础的难加工航空零件表面的可控磨抛，利 用神经网络技术及统计学原理的材料去除机理的建 模与预测， 利用湍流模型进行流体磨料仿真及压力、 流量参数分析的多相流理论。 所以应将这种虽然加工时流体磨料的压力和 速度不同，但却有着相类似的流动特性及物理定律
1.1.1
式中，Vz(r)为通道内沿径向流速分布；Δp 为通道 出入口压力差； VR 为壁面滑动速度； n 为流动指 数；k 为黏稠系数；R 为圆孔通道半径；L 为通道 长度。 宋桂珍等 结合流体磨料的流变特性按照 动量守恒的 Navier-Stokes 方程，在流体磨料的考虑 黏性并推导流体磨料速度分布规律的基础上，得出 流体磨料在圆管中壁滑速度数学模型为
了针对于磨料流去毛刺技术的数学模型。王时英 [18] 等 也分析了磨料流加工的力学特性，并提出了稳 定性与材料硬度的关系及通过磨料流加工可以去除 [19] 残余应力及提高工件强度。杨俭安 假设温度不变 的条件下通过非牛顿流体分析了流体磨料圆管中的 [20-21] 流动特性。杨建明等 也分析了流动特性，提出 了磨料流加工的边界条件假设并用流体力学推导了 边界流速的大小。 1.1.2 基于信息技术的黏弹性流体磨料加工机理 由以上流体磨料流动特性中的压力、速度模型 可以看出，其材料去除机理具有强烈的非线性性， 而且其运动方式带有很大的不确定性及随机性。所 以除流体力学和流变学研究手段外，国外在挤压磨 料流加工的材料去除理论上还用到了信息领域的研 究方法。 [22] 如 JAIN 等 结合人工神经网络技术(Artificial neural network, ANN)所特有的的非线性、并行性、 自学习自适应特点。将流体磨料流动速度 v、磨粒 浓度 c、磨粒大小 d 及循环次数 n 作为输入参数， 将 工 件 表 面 粗 糙 度 Ra 、 材 料 移 除 率 (Material removal rates, MRR)作为输出参数建立 BP 神经网络 结构，如图 3 所示。
图1 黏弹性挤压磨料流加工原理
KN1 为第一方向应力差系数； R 为圆孔通 黏度系数；
道半径；ZZ0 为流体磨料流动方向的长度。通过上 式，进一步证明了壁面滑移速度的存在，其值大小
依照此工艺方法，我国学者在挤压磨料流流动 速度、对被加工表面间的法向力、切向力、磨料的
176
机
械
工
程
学
报
第 51 卷第 7 期期
Abstract： Since the 20th century 60’s extrusion abrasive flow technology appearance, it produced the important influence in the field of finishing processing, particularly following the introduction in our country since the 20th century 80’s, the domestic researchers study a large number of theoretical, it has appeared a serials of new tools for fluid abrasive finishing machining technology in recent years. From three aspects including mechanism of material removal, optimum of parameter and uniform problem in application reviews the fluid flow characteristics in the process of abrasive machining, removal mechanism and machining simulation, summarizes the nearly 50 years of traditional viscoelastic extrusion abrasive flow technology and in recent years of loose low viscosity fluid abrasive finishing machining technology, analyzes the fluid abrasive machining research means and methods, provides a reference direction for the future in-depth fluid abrasive finishing machining research and explore polishing application of high quality work-piece, such as turbine, blisk and high performance complex curved surface. Key words：fluid abrasive；finishing machine
0
前言
Βιβλιοθήκη Baidu
1
20 世纪 60 年代由美国最早提出了采用半固态 流体磨料，在高压下反复挤压固定于专用夹具上工 [1] 件表面的挤压磨料流技术 ，其产生之初主要是针 对于航空领域中交叉孔、阀体、模具等表面的去毛 [2] 刺加工 。而经过近半个世纪的发展，传统的挤压
* 国家重点基础研究发展计划(973 计划，2011CB706800)、国家自然科 学基金(51475074)、 创新研究群体科学基金(51321004)和辽宁省教育厅 科学研究(L2013282)资助项目。20140426 收到初稿，20141121 收到修 改稿
(1)
r
dV (r ) dr
为半径为 r 处的剪切速率，材料特性参数 式中， r
n,k 分别为黏度及流动指数(n=1 时为牛顿流体)。
随后汤勇等 采用反光粒子 - 纹影照相法跟踪 了流体磨料运动轨迹，提出了壁滑速度与切向力的 关系及不同黏度及流动指数下对加工效果的影响。 并采用流变学的幂律方程，进一步给出了黏弹性流 体磨料流过圆孔形通道的工件表面时，壁滑速度的 径向分布规律为
运动方式等方面进行了大量的基于流体力学及流变 学的理论研究。 在 20 世纪 80 年代该技术引入我国初期，汪文 [5] 友等 通过试验及自制的测定磨料黏度及观察磨粒 在模拟加工过程中流动规律的装置，观察流体磨料 运动时的情况，得出流体磨料在加工过程中不仅仅 有滑动平移，还有滚动和游动，并验证了黏弹性流 体磨料符合假塑性流体特性，将黏弹性流体磨料作 为“柔性动态微刃切削”的加工刀具，其磨粒产生 切削力主要为黏弹体在加工表面层中的剪切应力和 法向应力，并由流体力学中剪切应力与剪切速率关 [6] 系式，流层间的剪切应力 σ 表示为
Development of Theory and Technology in Fluid Abrasive Finishing Technology
GAO Hang WU Mingyu FU Youzhi GUO Dongming
(Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024)
月 2015 年 4 月
高
航等：流体磨料光整加工理论与技术的发展
175
和数学模型的流体磨料光整加工方法，单独归为一 类进行研究。并可将该工艺方法重新定义为：使用 松散低黏度的或聚合黏弹性高分子材料包裹超细磨 粒作为工作介质，在开式或闭式的腔体内，通过该 流体磨粒在流动过程中所产生的能量，单独或附加 辅助控制场的方式，挤压、喷射、冲刷静止或运动 工件的被加工表面的流体磨料光整加工技术。 国外自 20 世纪 60 年代随着这项技术应用到工 业领域，持续进行着相关方面的研究，我国自 20 世纪 80 年代初期， 将挤压磨料流技术引入后， 也随 即开展了大量的研究，特别是近几年来，我国关于 流体磨料光整加工的理论方法和技术的研究不断增 多，内容也不断深入。而且其凭借特有的流动性、 易成形性的工艺特点，在对异型孔、薄壁件、复杂 型腔、大尺寸复杂曲面零件的磨削抛光中越来越突 [3-4] 显其优势 ， 特别是通过近年来对其加工机理方面 一系列的深入研究，发现该方法在高效、低损伤、 减少应力集中、提高表面压应力等“控性”加工方 面，有着更加广阔的应用前景。按照流体磨料加工 过程中流动特性及材料去除机理、加工参数对性能 优化的影响、应用中存在的均匀性问题及辅助控制 技术三个方面对流体磨料光整加工进行总结， 并对该 领域的研究进行展望， 以期对未来科研人员在流体磨 料光整加工领域的研究工作， 起到参考和借鉴的作用。
摘要：20 世纪 60 年代发明的挤压磨料流技术在机械零件去毛刺、抛光等光整加工领域产生了重要的影响，特别是自 20 世 纪 80 年代引入我国之后，国内的科研人员进行了大量的理论研究与应用实践，不断涌现出新的以流体磨料为工具的光整加 工技术。从流体磨料的材料去除机理、加工参数对性能优化的影响及应用中存在的均匀性问题及辅助控制技术三个方面综述 流体磨料加工过程中的流动特性、去除机理及加工仿真等理论成果，总结近 50 年来传统黏弹性挤压磨料流技术及近年来针 对于松散低黏度流体磨料的光整加工新技术，分析流体磨料加工的研究手段与方法，为今后进行深入的流体磨料光整加工研 究，探索在诸如航空叶轮和叶盘等高性能复杂曲面零件高质量抛光中的应用提供了借鉴的方向。 关键词：流体磨料；光整加工 中图分类号：TH161
[8-9]
n 1 n n 1 r 1 n V (2) R R 1
[7]
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1.1
流动特性及材料去除机理分析
黏弹性流体磨料加工机理
Δp n n Vz (r ) R 2kL n 1
基于流体力学及流变学的黏弹性流体磨料 加工机理 最初的流体磨料加工技术为 20 世纪 70 年代出 [5] 现的黏弹性挤压磨料流加工，如图 1 所示 ，使用 含有磨料颗粒的黏弹性“挤压块”快速往复通过固 定在夹具上的被加工表面，实现被加工表面材料去 除的光整加工工艺。
除受流量、压力影响外，还与载体与通道间的摩擦 因数与第一法向应力差有关。并应用第一法向应力 差概念，进一步推导了载体壁面挤压压力的数学模 型为
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2S exp ( Z 0 Z ) (4) (1 S K N 1 ) (1 S K N 1 ) R 1
由以上流体磨料的流动特性分析可知：在磨料 流加工中，实现其加工的前提条件首先要有磨料与 [9] 工件壁面间的滑动速度，即滑现象 ，其次要有使 磨料产生切削作用的力，即黏弹性磨料体在工件表 [6] 面中的剪切应力和法向应力 。当采用挤压磨料流 抛光时，磨料的颗粒粒度属于黏弹性微粉颗粒，如 图 2 所示，主要受到由供料系统和弹性磨料在弹性 挤压变形过程中综合所产生的法向应力 Pn 以及磨 料流动过程中所产生的剪切应力 Pt。同时受到工件 作用的阻力 Ft、Fn 及阻止磨料转动的阻力矩 M。此 类微粉磨料在随着有机载体的流动下，不断挤压工 件表面，当流过平滑表面时，因所受阻力较小，所 以微粉磨粒的运动形式为滑动平移、 滚动甚至游动， 产生很小的切削作用。而当流过工件表面较粗糙处 的波峰与波谷间时，因受到阻力较大，则工件表面 滚动和游动的磨粒在压力的作用下压入工件表面， 进而产生划擦、耕犁，产生较好的切削效果。但随 着表面趋于光滑，则表面粗糙度变化不大。若进一 步加大压力、速度等加工参数，则使光滑表面进一 步产生切削作用，而使表面粗糙度进一步提高。
第 51 卷第 7 期 2015 年 4 月
机
械
工 程
学
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Vo l . 5 1 Apr.
No.7 2015
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2015.07.174
流体磨料光整加工理论与技术的发展*
高 航 吴鸣宇 付有志 郭东明
大连 116024) (大连理工大学精密与超精密教育部重点实验室
1
[10-12]
n nR S p0 Q uw 2 R (1 S K N 1 ) K 3n 1
2S exp (Z0 Z ) (1 S K N 1 ) R
(3)
式中，uw 为壁面滑动速度；Q 为流体磨料流量；p0 为入口压力；n 为流动指数；μS 为摩擦因数；K 为
磨料流技术在流体磨料的类型和形态、 压力的供给、 工件辅助运动、辅助场的增加等方面的已经有了新 的进展，而且随着抗疲劳制造、大数据技术、多相 流控制技术的发展，为这种以流体磨料为工作介质 的磨削抛光方法赋予了新的科学内涵，如以均匀化 磨抛为基础的难加工航空零件表面的可控磨抛，利 用神经网络技术及统计学原理的材料去除机理的建 模与预测， 利用湍流模型进行流体磨料仿真及压力、 流量参数分析的多相流理论。 所以应将这种虽然加工时流体磨料的压力和 速度不同，但却有着相类似的流动特性及物理定律
1.1.1
式中，Vz(r)为通道内沿径向流速分布；Δp 为通道 出入口压力差； VR 为壁面滑动速度； n 为流动指 数；k 为黏稠系数；R 为圆孔通道半径；L 为通道 长度。 宋桂珍等 结合流体磨料的流变特性按照 动量守恒的 Navier-Stokes 方程，在流体磨料的考虑 黏性并推导流体磨料速度分布规律的基础上，得出 流体磨料在圆管中壁滑速度数学模型为
了针对于磨料流去毛刺技术的数学模型。王时英 [18] 等 也分析了磨料流加工的力学特性，并提出了稳 定性与材料硬度的关系及通过磨料流加工可以去除 [19] 残余应力及提高工件强度。杨俭安 假设温度不变 的条件下通过非牛顿流体分析了流体磨料圆管中的 [20-21] 流动特性。杨建明等 也分析了流动特性，提出 了磨料流加工的边界条件假设并用流体力学推导了 边界流速的大小。 1.1.2 基于信息技术的黏弹性流体磨料加工机理 由以上流体磨料流动特性中的压力、速度模型 可以看出，其材料去除机理具有强烈的非线性性， 而且其运动方式带有很大的不确定性及随机性。所 以除流体力学和流变学研究手段外，国外在挤压磨 料流加工的材料去除理论上还用到了信息领域的研 究方法。 [22] 如 JAIN 等 结合人工神经网络技术(Artificial neural network, ANN)所特有的的非线性、并行性、 自学习自适应特点。将流体磨料流动速度 v、磨粒 浓度 c、磨粒大小 d 及循环次数 n 作为输入参数， 将 工 件 表 面 粗 糙 度 Ra 、 材 料 移 除 率 (Material removal rates, MRR)作为输出参数建立 BP 神经网络 结构，如图 3 所示。
图1 黏弹性挤压磨料流加工原理
KN1 为第一方向应力差系数； R 为圆孔通 黏度系数；
道半径；ZZ0 为流体磨料流动方向的长度。通过上 式，进一步证明了壁面滑移速度的存在，其值大小
依照此工艺方法，我国学者在挤压磨料流流动 速度、对被加工表面间的法向力、切向力、磨料的
176
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工
程
学
报
第 51 卷第 7 期期
Abstract： Since the 20th century 60’s extrusion abrasive flow technology appearance, it produced the important influence in the field of finishing processing, particularly following the introduction in our country since the 20th century 80’s, the domestic researchers study a large number of theoretical, it has appeared a serials of new tools for fluid abrasive finishing machining technology in recent years. From three aspects including mechanism of material removal, optimum of parameter and uniform problem in application reviews the fluid flow characteristics in the process of abrasive machining, removal mechanism and machining simulation, summarizes the nearly 50 years of traditional viscoelastic extrusion abrasive flow technology and in recent years of loose low viscosity fluid abrasive finishing machining technology, analyzes the fluid abrasive machining research means and methods, provides a reference direction for the future in-depth fluid abrasive finishing machining research and explore polishing application of high quality work-piece, such as turbine, blisk and high performance complex curved surface. Key words：fluid abrasive；finishing machine
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前言
Βιβλιοθήκη Baidu
1
20 世纪 60 年代由美国最早提出了采用半固态 流体磨料，在高压下反复挤压固定于专用夹具上工 [1] 件表面的挤压磨料流技术 ，其产生之初主要是针 对于航空领域中交叉孔、阀体、模具等表面的去毛 [2] 刺加工 。而经过近半个世纪的发展，传统的挤压
* 国家重点基础研究发展计划(973 计划，2011CB706800)、国家自然科 学基金(51475074)、 创新研究群体科学基金(51321004)和辽宁省教育厅 科学研究(L2013282)资助项目。20140426 收到初稿，20141121 收到修 改稿