机械工程硕士论文
摘 要
磨料流加工是利用改性高分子材料在稳定粘弹态下和磨粒混合成为半固体的流体磨料被挤压通过待加工表面达到抛光、去毛刺和倒角等目的，是光整加工技术中的新兴工艺。该工艺对窄缝、微孔、异形孔腔的抛光极具优势。由于磨料流加工技术的诸多优点，关于磨料流技术的研究不断增多，但是由于影响磨料流加工效果的因素很多，如磨粒粒度、磨料粘度、加工温度、工件材料硬度等，使得对其加工机理的研究非常困难，取得的进展有限。
本文在应用研究和试验过程中发现磨料的粒度对磨料流加工效果影响很大，在加工过程中使用不同粒度的磨料工件表面质量会呈现出不同的加工极限，而且加工效率也会随磨料粒度发生变化。而以往其他学者对磨料流技术加工机理的研究过程中只建立一种加工模型，忽视磨粒粒度带来的影响，本文通过对比不同粒度的磨粒和工件初始表面形貌的尺寸关系，建立不同粒度磨粒的加工模型；其中大粒度磨粒在建立加工模型和分析加工机理时需要将工件表面视为平面，而小粒度磨粒在建立加工模型和分析加工机理时需要将工件表面视为有一定角度的斜面，在此分析基础上，研究磨料粒度对磨料流技术加工过程中加工极限和加工效率的影响规律，以及设计不同粒度磨料交替使用的实验方案来突破传统实验方案的限制，达到更好的加工效果，为磨料流加工工艺的理论分析和实际生产中磨料粒度的选择提供新的思路。主要工作和结论归纳如下：
（1）研究影响磨料流技术加工效果的因素，分析流体磨料的流动特性。总结磨粒压痕深度、磨粒粒径对工件表面材料去除方式的影响规律，并分析磨粒对工件进行材料去除的条件。对表面粗糙度 Ra=1.97μm 的不锈钢毛细管内壁表面进行测量，得到其微观形貌的实测图，做表面形貌曲线，通过其与不同粒度的磨粒进行基于实际尺寸的接触关系进行对比，将加工模型分为介观尺度下大粒度磨粒加工模型和微观尺度下小粒度磨粒加工模型，并分别对其进行受力分析，其中在分析大粒度磨粒的加工机理时将工件表面视为平面，分析小粒度磨粒的加工机理时将工件表面视为一定角度的斜面。
（2）在对不同粒度磨粒加工机理的理论分析基础上，安排不同粒度磨料的加工实验。对不同粒度磨料达到加工极限的实验情况进行总结，分析不同粒度磨料在加工过程中加工极限产生的原因，同时对不同粒度磨料在加工过程中的加工效率进行对比分析。
得出结论：大粒度磨料在每次加工过程中的材料去除量较大，加工效率高，但是有效加工次数较少，容易达到加工极限，出现加工过量的现象；小粒度磨料在每次加工过程中的材料去除量较小，加工效率较低，但是达到加工极限前的有效加工次数更多，能够获得更好的加工质量。
（3）为了获得更好的加工效果，在分析不同粒度磨料在磨料流技术加工过程中加工极限和加工效率变化规律的基础上，提出并安排了大粒度磨料和小粒度磨料交替使用的实验方案。经过实验结果的对比，发现新的实验方案可以获得更好的加工质量，同时能够提高加工效率，这也为实际生产中提高磨料流技术的加工效果提供了新的思路。
关键词 ： 磨料流加工；磨粒粒度；加工模型；加工机理；加工极限；加工效率。
ABSTRACT
Abrasive Flow Machining is a new technology in finishing technology, which usesmodified polymer materials in stable viscoelastic state to mix with abrasive particles andbecomes semi-solid fluid abrasive, which is extruded through workpiece surfaces to achievethe purpose of polishing, deburring and chamfering. This process has great advantages forpolishing narrow slit, micro hole and irregular hole cavity. Due to the advantages of AbrasiveFlow Machining technology, the research on abrasive flow technology is increasing, but ,there are many factors that affect the effect of abrasive flow machining, such as abrasiveparticle size, abrasive viscosity, processing temperature, workpiece material hardness, so thatthe research on its processing mechanism is very difficult and the progress is limited.
In the process of application research and test, it is found that the abrasive particle sizehas a great influence on the Abrasive Flow Machining effect. In the process of processing, thesurface quality of the abrasive workpiece with different particle size will show differentprocessing limit, and the processing efficiency will also change with the abrasive particle size.
However, other scholars in the previous research on the processing mechanism of abrasiveflow clamp technology only established a processing model, ignoring the impact of abrasiveparticle size, by comparing the size relationship between different particle size and the initialsurface topography of the workpiece, it was found that different particle size of the abrasiveparticles to establish different processing models. The workpiece surface needs to be regardedas a plan when establishing the machining model and analyzing the machining mechanism oflarge-size abrasive particles, and the surface of the workpiece should be regarded as a planewith a certain inclination Angle when establishing the machining model and analyzing themachining mechanism of small particle size, on the basis of this analysis, the influence law ofabrasive particle size on processing limit and processing efficiency in Abrasive FlowMachining process is studied, and design a experiment scheme of different particle sizeabrasive alternating use to break through the limitation of the traditional experiment scheme,to achieve better processing effect, to provide a new idea for the theoretical analysis ofAbrasive Flow Machining processing technology and the choice of abrasive particle size inthe actual production. The main work and conclusions are summarized as follows:
（1）The factors influencing the machining effect of abrasive flow technology arestudied, and the flow characteristics of fluid abrasive are analyzed. The influence rules ofabrasive indentation depth and abrasive particle size on the workpiece surface material removal methods were summarized, and the conditions of abrasive material removal on theworkpiece were analyzed. The inner surface of stainless steel capillary with a surfaceroughness of Ra=1.97μm was measured, and the measured microtopography was obtained,and the machining models were divided into large particle size machining model atmesoscopic scale and small particle size machining model at microscopic scale by comparingthe contact relationship with the abrasive particles of different sizes, and analyze the force onthem respectively, the workpiece surface is regarded as a plane when analyzing the processingmechanism of large-size abrasive particles, and the workpiece surface is regarded as ainclined plane with certain Angle when analyzing the processing mechanism of small-sizeabrasive particles.
（2）On the basis of theoretical analysis of processing mechanism of abrasive particleswith different particle sizes, processing experiments of abrasive materials with differentparticle sizes were arranged. The experiment of different grain-size abrasives to reach theprocessing limit is summarized and the causes of processing limit for different grain-sizeabrasives in the processing process are analyzed, while the processing efficiency of differentparticle size abrasives in the processing process is compared and analyzed. It is concluded thatthe material removal amount of large-size abrasive in each processing process is large and theprocessing efficiency is high, but the effective processing times are less, and it is easy to reachthe processing limit, and the phenomenon of excessive processing appears. The materialremoval amount of small-size abrasive in each processing process is small, and the processingefficiency is low, but the effective processing times before reaching the processing limit aremore, which can obtain better processing quality.
（3）In order to obtain better processing effect, based on the analysis of the change ruleof processing limit and processing efficiency of different grain-size abrasives in the process ofAbrasive Flow Machining technology, an experimental scheme of using large grain-sizeabrasives and small grain-size abrasives alternatively was proposed and arranged. Throughthe comparison of the experimental results, it is found that the new experimental scheme canobtain better processing quality and improve the processing efficiency, which also provides anew idea for improving the processing effect of Abrasive Flow Machining technology in theactual production.
Keywords : Abrasive Flow Machining; grinding grain size; machining model; processingmechanism; processing limit; processing efficiency。
第 1 章 绪论
1.1、研究背景和意义。
磨料流加工技术所用的流体磨料既能够对工件进行微量切削，又具有流体的性质，能够适应复杂形状的孔道、型腔等工件，并且能够加工的材料种类十分宽广，是一种适应领域越来越广泛的新兴光整加工技术。但是由于影响磨料流技术加工效果的因素较多，如加工时间、磨粒浓度、加工压力、流道形状、磨料粒度等，使得磨料流技术加工机理的研究进展相对缓慢，难以有效利用磨料流加工技术的加工精度，制约了磨料流加工技术的发展。
在对以往磨料流技术加工机理的文献进行研究和实验过程中发现，之前学者在研究磨料流加工机理时，一般只建立一种加工模型，忽略了磨粒粒度带来的影响。实际上不同粒度磨粒的粒径差别非常大，如常用较大粒度的150目粒度的磨粒的粒径在80-100μm之间，180目粒度的磨粒的粒径在63-80μm之间，而较小粒度的微粉W5粒度的磨粒的粒径一般在5μm左右，差距很大，而一般使用磨料流加工技术进行精加工的工件表面粗糙度一般较小，实际上工件表面形貌微观不平的尺寸相对于大粒度磨粒和小粒度磨粒的粒径的差距区别较大，因此，忽略磨粒粒度的影响，只从一种加工模型对磨料流加工技术进行机理分析，有一定的局限性。同时，在实验和生产过程中对磨料粒度的选择具有随意性和经验化，使用单一粒度磨料或“先粗后细”的加工工序，这种现象较为常见，难以有效地发挥磨料流加工的优势。
本文以磨粒粒度对磨料流技术的加工模型及其受力分析的影响规律为出发点，建立大粒度磨粒和小粒度磨粒两种加工模型，并深入研究磨粒粒度对磨料流加工效果的影响，特别是对磨料流技术加工极限和加工效率的影响，进而提出不同粒度磨料交替使用的优化实验方案，并进行实验验证，这为磨料流技术的理论分析和实验的进一步深入研究奠定了基础，也为实际生产过程中磨料粒度的选择提供依据。
【由于本篇文章为硕士论文，如需全文请点击底部下载全文链接】
1.2、磨料流加工技术概述.
1.2.1、磨料流加工技术
1.2.2、影响磨料 流加工效果的因素.
1.3、磨料流技术加工机理的研究现状.
1.3.1、国外的研 究进展.
1.3.2、国内 的研究进展
1.4、主要研究内容
1.5、本章
第2章 不同粒度磨 粒加工机理的研究
2.1、 流体磨料在孔道内的流动状态分析.
2.1.1、 入口区速度压力变化情况
2.1.2、出口区速度压力变化情况
2.1.3、全展流区 速度压力变化情况
2.2、磨粒粒度对磨料流加工模型的影响.
2.2.1、 工件表面形貌图
2.2.2 、不同粒度磨粒的加工模型
2.3、磨粒粒度对磨料流加工机理的影响
2.3.1、 材料去除方式
2.3.2 、不同粒度磨粒的受力分析
2.4、本章总结.
第3章 磨料粒度对加工 极限的影响规律研究.
3.1、不同粒度磨料的实验准备.
3.2 、小粒度磨料对工件表面质量加工极限的影响规律
3.2.1、 小粒度磨料加工极限实验
3.3、大粒度磨料对工件表面质量加工极限的影响规律
3.3.1、 大粒度磨料加工极限实验
3.4、本章小结
第4章 磨料粒度对加工效率的影响规律研究
4.1、小粒度磨料对加工效率的影响规律研究
4.2、大粒度磨料对加工效率的影响规律研究.
4.2、相同条件下不同粒度磨料加工效率对比分析
4.3、本章小结
第5章 不同粒度磨料交 替使用的加工效果研究
5.1、交替使用不同粒度磨料的实验方案设计
5.2、不同实验方案加工效果对比分析
5.3、 本章小结
第6章 结论
由于磨料流加工技术在加工过程中使用的流体磨料既具有流体的特性，又能够利用磨粒进行微量切削，使得磨料流加工技术在加工传统精密加工方法难以发挥的微孔、复杂孔道、孔腔等结构时具有独特的优势，其应用范围越来越广泛，是一种越来越重要的新型光整加工技术。但是因为影响磨料流加工效果的因素有很多，如加工压力、加工温度、夹具形状、加工次数、磨料粒度等，所以关于磨料流加工技术的加工机理研究虽然一直在进行，取得了一定的成果，但进展有限。在实验分析和文献研究过程中，发现磨粒粒度对磨料流加工技术的加工效果有很大的影响，因此本文以磨料粒度为出发点，分析了磨粒粒度对磨粒加工模型、磨粒受力分析的影响；在此基础上，对不同粒度磨料在加工过程中的加工极限以及加工效率等进行分析和实验验证，进而设计新的加工方案以获得更好的加工效果并为实际生产中磨粒粒度的选择提供指导，本文主要工作和结论总结如下：
（1）在磨料流加工研究过程中，需要考虑磨粒粒度和工件微观形貌的尺寸对比关系，在建立加工模型时不再如以往只建立一种加工模型而忽略实际加工情况，建立大粒度磨粒和小粒度磨粒两种加工模型更接近实际加工情形，也为磨料流技术加工机理的分析提供了新的思路。
（2）在对不同粒度磨粒进行加工机理分析的基础上，研究磨料粒度对磨料流加工效果的影响，特别是对加工过程中加工极限和加工效率的影响，可以得到：大粒度磨粒会优先以一定切削深度去除工件表面微观不平的“山峰”，大粒度磨料去除量大，有更高的加工效率，但是由于工件表面微观不平尺寸较小，使得大粒度磨料在有效加工次数较少时就会达到其加工极限。小粒度磨粒会沿着工件表面轮廓对工件进行切削作用，其切削深度和受的正压力较小，每次对工件表面的切削量较少，加工效率也就相对较小，出现加工极限时需要的加工次数更多，特别是在相同初始表面粗糙度的情况下，对比大粒度磨料和小粒度磨料的加工效率可以发现，大粒度磨料的加工效率会更高。
（3）基于大粒度磨料和小粒度磨料在加工过程中的优缺点，提出交替使用大粒度磨料和小粒度磨料对工件进行加工的实验方案，结果表明交替使用不同粒度磨料对工件进行加工能够突破原有实验方案加工过程中的加工极限，提高加工效率，得到更好的加工效果；也可以减少磨料的使用次数，既能节省加工时间也能减少磨料的损耗。
参考文献
[1] David E. Siwert. Edge and Surface Finishing with Abrasive Flow[J]. Manufacturing Enginccring.December 1975 (75)6: 37-40. .
[2] Flowing abrasive deburr parts[J ]. American Machinist. March 18, 1974: 53-55.
[3] Larry Rhoades. Abrasive Flow Machining with Not -So Silly Putty[J]. Mctal Finishing. July 1987:27-29.
[4] L. J. Rhoades. Abrasive flow m achining[J]. Manuf acturing Enginccring. Nov.1988: 75-78.
[5] Larry Rhoades. Abrasive flow machining: a casc study[J]. Joumal of Materi als Proces sing Technology.1991 (28): 107-1 16.
[6] 熊英.磨料流加工技术的发展[P].航空科学技术，19952): 16-18.
[7] 武利生,李元宗.磨料流加工研究进展[D].金刚石与磨料磨具工程, 2005(1): 69-74.
[8] 高航，吴鸣宇,付有志，等流体磨粒光整加工理论与技术的发展[J]. 机械工程学报, 2015, 51(7) : 174 187.
[9] 施凯博,孙玉利，余泽,等.钛合金磨料流光整加工表面完整性研究[D].表面技术, 2019, 48( I0):80-85, 138.
[10] Cherian J, Issac M. Effect of proccess paramcters on wear performance in Abrasive FlowMachining[J]. Appliad Mcchanics and Materials, 2015, 766-767: 66 1-667.
[11] Chcrian J, Issac J M. Fatiguc performance in Abrasive Flow Machining[J]. Applicd Mcchanics andMaterials,20 14,592 -594:354 362.
[12]陈云，耿子瑜，李代刚，等磨料流研磨处理对硬质合金刀具基体表面和涂层结合性能的影响[].工具技术,2018.,52(4): 92-95.
[13]赵嘉，方亮，孙琨，等.磨料流研抛过程中介质黏温特性对金属磨损性能的影响[J].摩擦学学报2008,282):173-177.
[14] Uhlmann E, Mihotovic V, Cocncn A. Modelling the abrasive flow machining process on advancad ceramic maten als[J]. Joumal of Mateni als Procssing Tech, 2009 , 209(20): 6062 -6066.
[15]薛吉.空分压缩机组增压机叶轮流道加工抛光工艺研究[J].科技创新与应用,2017,(9):23-24.
[16] D. Sudhakara; S. Surcsh, B. Vinod .E xperimental. Study on Abrasive Flow Machining (AFM): New Approach for Investigation on Nano-SiC in the Improverment of Matcrial Removal and Surface Fini shing[J ].Jourmal of Bio- and TriboCorrosion,2020,Vol.6(1).
[17] 闫波，张方东，黄铁军,等.基于磨料流加工技术叶片泵转子去毛刺试验研究[]机床与液压,2020, 48(4): 67-70.
[18] 宋桂珍,程建明，董志国，等.磨料流加工在塑料成型模具制造中的应用[J].模具制造, 2009(10) : 19-22.
[19]辛固,郑清平，田晔,等.柴油机喷油器结构参数与磨料流加工效果关联的研究[J]柴油机,2020, 42(1):41-45, 49. .
[20] 王鹏里,董志国,轧刚，等软性磨料流对喷油嘴微孔锥度的加工成形研究[J]. 工具技术，2018,52(4): 36-40.
[21] 刘薇娜,王尹琛,张英芝，等.磨料体积分数对喷油嘴喷孔加工影响分析[].重庆理工大学学报(自然科学), 2018,(1):81-85.
[22] T R. Loveless, R. E. Williams, K. P. Rajurkar. A study of the efect of abrasive-flow finishing on variou smachincd surfaccs[J]. Jourmal of Materials Processing Tcchnology, 1994 (47): 133-151.
[23] Qiuyan Wang; Moiz Sabbir Vohra; Shuowei Bai; ct al. ultrasonic -as sisted abrasive flow finishing and its fundamental performance in A16061 machining[J].The Intcrnational Joumal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 113: 473-481.
[24] 赵轩达,祝锡晶，庞吴斐.超声辅助磨料流加工的材料去除机理及参数研究[J]. 热加工工艺，2017, 46(6): 163-167.
[25]胡敬磊、基于离散元法的磨料流抛光及材料去除机理研究[D].长春:长春理工大学,2018.
[26]周曾炜.磨料流研抛微小孔壁面磨损机理离散元数值分析[D].长春:长春理工大学2018.
[27]刘慧,宋桂珍,李金羽基于有限元分析的微型磨料流机床研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018, (1): 122- 124, 128.
[28] 赵培锋.基于有限元方法的磨料流加工数值模拟研究[D]. 太原:太原理工大学, 2011.
[29] Davics P. J, Fletcher A. J. The asscssment of the rhcological characteristics of various polyborosiloxanc/ grit mixtures as utilized in the abrasive flow machining proccss[J]. Proeedings of the In sitution of Mcchanical Engineers, Part C: Journal of Mcchanical Engineering Sciencc, 1995,209(6): 409-418.
[30] A. J. Fletcher, A. Fiorav anti. Polishing and honing process: an investigetion of the thermalpropertics of the mixtrucs of polyborosilox anc and silicon carbide abrasive[J]. Proccedings of the Institution of Mechanical Engincers, 1996(2 10): 254265.
[31] R. E. Williams, Acoustic K. P. Rajurkar. Stochastic Modeling and Analysis of Abrasive Flow machining[]. Tran sactionsof the ASME, 1992(114): 74-81.
[32] Rajcndra Kumar Jain, Vijay Kumar Jain. Simulation of surf ace generated in abrasive flow machining process[]. Robotics and Computer Integrated Manufactuning, 1999(1 ): 403-412.
[33] Schijpal Singh, H. s. Shan. Development of magncto abrasive flow machining process [J]. Internation al Journal of M achinc Tools & M anufacture, 2002(42 ): 953-959.
[34] Schijpal sing, H. S. Shan, EKumar. Wear bchavior of matcni als in magnctically assi sted abrasive flow machining[J]. Joumal of Mateni als processing Technology, 2002(128): 155-161 .
[35] Rajcndra V. K. Jain. Spccific cncrgy and tempcrature dctcrminnation in abrasive flow machining process[]. Intcrm ation al Joum al of Maachinc Tools& Manufacturc, 2001(41): 1689-1704.
[36] Rajcndra K. Jain, vijay K. Jain, P. M. Dixit. Modeling of matcrial removal and surfacc roughness in abrasive flow machi ng process. International Joumal of M achine Tools& Manufacture. 39(1 999 ): .242-248.
[37] R. K. Jain, P. K. Kal ar. Moldelling of abrasive flow machining process: a ncural nctwork approach[J ].Wear, 231(1999): 242- -248.