流体磨料光整加工理论与技术的发展_高航
环己酮_甲醛树脂的合成与应用
*工程师,太原市高新技术创业服务中心,030002太原收稿日期:1998-03-16环己酮—甲醛树脂的合成与应用 张小东*摘 要 简要介绍了环己酮—甲醛树脂的合成工艺及用途开发状况,并对其经济效益进行了预测。
关键词 环己酮 甲醛树脂 合成 应用 环己酮—甲醛树脂是酮醛树脂中的一种,它是在以碱金属氢氧化物为催化剂条件下由环己酮与甲醛水溶液缩聚而成的。
不同条件下制备的酮醛树脂,其性能和用途有所不同。
根据用途的需要,环己酮—甲醛树脂的存在形式也有所不同,主要有软树脂、透明树脂和固体粉末树脂,其软化点为75℃～120℃。
它主要被用在印刷油墨中改善油墨的流动性及快干性,还被用于涂料中,以提高涂料的干性、硬度、光泽、附着力以及固体份含量。
环己酮—甲醛树脂的突出优点是它具有广泛的相容性和良好的溶解性,从而适用于绝大多数涂料体系。
环己酮—甲醛树脂的合成技术,50年代由德国巴斯夫公司首先开发成功。
由于它与醇酸树脂、马来树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂等能很好地混溶,且与许多有机溶剂的相溶性优良,从而使它的应用很快得到了推广,应用范围也越来越广。
目前,国外年生产能力已达20000t 左右,国内上海新华树脂厂90年代投产,年产500t ,产品主要用于制造圆珠笔芯油,由于产量有限,远远满足不了市场的需求。
随着我国涂料工业的发展,对于各种改性树脂与助剂的需求越来越迫切,开发新品种及其应用技术已成当务之急。
环己酮—甲醛树脂正是这样一种产品。
目前,国内用于硝基漆、醇酸漆的增光和硬度改性剂的环己酮—甲醛树脂主要依赖进口,由广州汇采化工新材料公司经销的德国赫斯公司的环己酮—甲醛树脂产品——CA 树脂,市场销路很好。
山西省太原化学工业公司有丰富的制备这种产品的原料资源,开发此项产品,有着很便利的条件。
此外,从产品的后加工、向精细化方向发展来看,其增值、增效的前景令人鼓舞。
1 工艺路线环己酮与甲醛水溶液,在碱金属氢氧化物作催化剂条件下进行缩聚反应,它的生产工艺有间歇式及连续式两种。
流体抛光原理
流体抛光原理流体抛光原理是一种基于流体处理的表面抛光技术，广泛应用于精密光学材料、半导体材料、陶瓷材料等行业，以提高材料表面的光洁度和平整度。
其工作原理主要包括流体润湿性、颗粒集散、切削和溶解等过程。
首先，流体抛光需要一种流体介质作为基础材料。
该流体介质通常是一种粘性较小的溶液，可以提供必要的腐蚀和切削作用。
同时，流体介质还需要具备良好的流动性，能够在磨料颗粒与工件表面之间形成充分的接触和摩擦，以实现表面的抛光效果。
其次，颗粒集散是流体抛光的重要过程之一。
在流体介质中加入一定大小和形状的磨料颗粒，颗粒的大小和分布会直接影响抛光效果。
当流体介质在使用过程中与工件接触时，颗粒颗粒会通过流动性和表面张力的作用从流体溶液中散落出来，形成一定的颗粒浓度，并与工件表面发生磨擦作用。
颗粒在磨擦作用下会削除工件表面的不均匀性，进而达到抛光的效果。
流体抛光过程中的切削作用是另一个关键因素。
当流体介质中的磨料颗粒与工件表面接触时，通过流体的流动性和颗粒的硬度，颗粒会产生一定的切削力，将工件表面的不平整部分和微小颗粒削除。
在切削过程中，颗粒表面也会受到工件表面的磨擦作用，使颗粒表面变得更加平整，从而进一步提高表面的光洁度和平整度。
此外，流体抛光过程中还包括一定的溶解作用。
流体介质通常是一种可溶解或微溶解的液体，当与工件表面发生接触时，流体介质中的活性物质会与工件表面的材料发生化学反应。
这种化学反应会使工件表面的部分材料溶解或发生一定的变化，从而改善工件表面的质量。
综上所述，流体抛光技术通过流体润湿性、颗粒集散、切削和溶解等过程，利用流体介质中的磨料颗粒与工件表面的磨擦作用，削除工件表面的不均匀性和微小颗粒，进而提高表面的光洁度和平整度。
这种处理方法简单易行，可以应用于各种材料的表面抛光，是一种非常有效的抛光技术。
液体磁性磨具光整加工机理的研究
液体 磁性磨具是指 在配制好 的液态载体 中加入一
定 比例 和粒度 的磨料 ，经过充分 的搅 拌 ，使 磨料能均
的可 能性 显著降低 目前 ，液体磁性磨具 常用 的表面
活性 剂有油酸 、ＯＰ乳化剂 、酯类 以及聚醚 基等 。
匀地分 布其 中，而形 成 的一种 流体状 物质 。在没有外
部磁场 的情况下 ，它 和一般 牛顿流体一样具 有 良好 的 流动性 ；而在磁场作用 下可 以在 短时间 内由流动 良好 的牛顿 流体变为宾汉姆 体 ， 实现 了由液 态到 “ 固态 ” 的 转变 ； 当去掉外部磁 场时又迅 速恢复为流体状 态 。液 体磁性 磨具所具有 的连续 、可 逆 、迅速 、易于控制 的
氧 体及稀土合金 等 固体颗 粒 。因为这些材料属于饱 和
在科学技术迅猛 发展 的今天 ，对零件表 面的质 量
要求越来越高 ，开拓新 的加 工方法来适应 当前 的形 势 已是光整加工 的一个 迫切 问题 液体磁性 磨具是我 们
磁 感应强度 高的软磁材料 ，去掉 磁场后不会剩磁 。 液体磁性 磨具 中载 液 的选取 应立足于满足低 蒸发 率 、低 黏度 和高度化 学稳定性 的要求 。 液体磁性磨 具 的活性 剂也 叫分散剂、稳定剂或 表 面涂层 。表 面活性剂是 一些长链 的两亲分子 ，其分 子
此 时就 可 以清楚 地看 到液 体磁 性磨 具 发生 相 变 ，开始
对 工件 被加 工 区进行 表面 光整 加 工 。 ４ ４ 实验 的结 果及 简单 分析 ．
液体磁性磨具光整加工机理 的研 究
茹秋 生 ，杨世 春 ，孙 恒 五 ，何根 旺 ，金 建 交
（ 太原 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 山西 太原 ００２） ３０ ４
流体抛光简介
流体抛光，磨粒流工艺简介工件加工过程中，孔内会出现机加工残留，刀纹等加工痕迹，孔口也会有翻边产生，这就是常说的毛刺，毛刺的大小，多少，关系着产品的质量。
去毛刺的工艺有很多，机械研磨，化学灼烧，热处理，低温处理都可以去除机加工的毛刺。
今天主要针对磨粒流工艺进行一个全面的介绍。
工艺概述：磨粒流工艺应用于抛光去毛刺已经是非常常见的加工方式了，磨粒流去毛刺又称挤压衍磨加工，它是70年代初发展起来的一种新的光整加工工艺。
发展至今，在航天，军事，医疗，汽车零部件，模具等行业都有了很普遍的应用。
磨粒流工艺磨粒流：又称流体抛光，是指一种抛光去毛刺工艺，又称为流体抛光，或挤压研磨抛光，主要针对内孔、微细孔、不规则形状、球面曲面、齿轮等，磨料流加工技术是将磨粒包裹在高分子材料中作为磨料，施加压力使其流经工件表面并对表面进行挤压、刮削等微量去除材料的表面光整加工技术，具有流动性好、自适应性强等工艺特点使用磨粒流抛光去毛刺工艺，冶具夹持工件后，以上下往复挤压方式使磨料流经加工件表面、交叉孔或端角依需求进行去毛边、抛光或倒角加工，可依时间及流量计算机控制，达到全自动、经济高效率抛光，其抛光痕迹和工件使用的方向一致，因此具有同方向性加工特点。
磨粒流工艺抛光去毛刺设备三要素（1）磨粒流机床，为磨料的流动提供动力（2）研磨料，根据工件的加工要求可以分为两种，一种是半固态高分子磨料，一种是液态悬浮磨料，磨料是磨粒流工艺的核心技术，可以根据工件的材质，加工要求来定制粘度，粒度，磨料比重。
（3）夹具，常规夹具用于固定工件，磨粒流的夹具不仅要保障工件定位，还要考虑到对工件进行限流，制造磨粒流动的通道，还不能夹伤工件，对于不同材质的工件，也要使用相应的材质，是磨粒流工艺加工的核心工艺之一。
磨粒流工艺抛光去毛刺的工艺特点：1.去毛刺均匀，统一性好2.磨粒流机床操作简单，性能稳定。
3.磨粒流加工屑光整加工，一般仅去除微量金属，不仅加工均匀，具有较高的重复精度，而且由于磨粒流介质的弹性，磨粒在产生切削作用的同时，还对加工表面产生挤压作用，从而可以获得高的表面质量，均匀地去除前工序留下的表面缺陷层。
液体磁性磨具光整加工机理研究
或 型腔 。这是 因 为施加 磁 场之 前液 体磁 性磨 具是 有 良
好 流动性 的液 体 ， 与Ｔ件 的 表面 或型 腔充 分接 触 ； 能 施
【 关键词】 光整加工
液体磁性磨具
流 变性
【 中图分类号】 Ｔ ５ ０ ９ Ｇ ８． ９ ６
引 言
【 文献标识码】 Ｂ
【 文章编号】 １ ３７ ３ （０７０—０ ３０ ０ —７Ｘ ２０ ）１００－２ ０
１ 液体 磁 性磨 具在 磁 场 中的微 观 结构
液体 磁 性磨具 光 整加 丁法 基 于液体 磁性 磨具 的流
体 磁性磨 具 光整 加 工机 理时 ，不再 区分 导 磁性 材料 和
因 。 （）采 用 液 体 磁 性 磨 ２
具进 行 表 面光 整 加工 时 ， 料 去 除率 高 、 度 好 ， 以 材 精 可 作 为精密 表 面光 整加 工 方法 。 （ ）液体 磁 性磨 具 光 整 ３
加工 方法 是 柔性 加 工 ， 工件 不会 承载 过大 的外 力 ， 工 加 后 的有害 残余应 力 小 ，＿ 表 面层 不会 改变 其金 相组 Ｔ件
内随着外加磁场强度的增加而增大 ，表现出类似 固体
的特性 ． 强度 由剪切 屈 服应 力表 征 ： 且液 体磁 性磨 其 而 具粘 度 变化 是可 逆 的 。若 去掉 磁 场它又 立刻 恢 复液 体
磁偶极子之间的相互作用 ，为了达到能量最小要求而
特 性 。这 种 特性 称为 液体 磁性 磨具 的流 变性 。
件 ：１ 磨具须与工件有相对运动 ；２ 工件与磨具之 （） （）
螺旋面磨料流光整加工仿真与试验
螺旋面磨料流光整加工仿真与试验高航;付有志;王宣平;彭灿【摘要】针对难加工复杂螺旋面光整加工成本高及质量难保证等问题,提出基于磨料流加工技术的螺旋面光整加工方法.通过建立有无螺旋引流段的“夹具-螺杆”仿真模型,对比分析2种模型中螺旋面磨料介质流场分布规律,优选出适用于螺旋面均匀化光整加工的夹具结构,在此基础上开展挤压螺杆的磨料流加工与砂带磨削对比试验.结果表明:磨料介质静压力沿流动方向逐渐减小,且等值线近似沿螺旋槽宽度方向分布;增加螺旋引流段后螺旋面进出口回流区被消除,提高流场均匀性;磨料流加工后螺旋表面粗糙度由10.5 μm降为0.45 μm,螺旋槽最小直径一致性好,且加工质量和效率优于人工砂带磨削.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2016(050)005【总页数】7页(P920-926)【关键词】螺旋面;挤压螺杆;磨料流加工(AFM);数值模拟;表面质量【作者】高航;付有志;王宣平;彭灿【作者单位】大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TG580螺杆压缩机和单/双螺杆造粒机是以螺杆螺旋面为物质输运功能表面的影响国民经济生产的重要装备[1-2]. 螺杆运转时物料与螺杆螺旋面发生强烈的剪切作用,对螺旋面产生侵蚀,导致螺旋表面质量恶化. 在实际应用中,螺杆常采用高强度、耐磨损和耐腐蚀材料,如38CrMoAlA、40Cr、34CrAINi7和CrMoV9等,且要求螺旋面具有较高的加工质量. Lawal等[3-5]研究发现：黏弹性物料挤压通过流道时,挤压面的表面粗糙度影响了物料的滑移特性. 为此,螺杆螺旋面在表面硬化处理后表面粗糙度需小于0.8 μm,提高挤出效率,有利于提高螺杆的使用寿命. 因此,提高复杂难加工螺杆螺旋面加工质量是提高挤出效率和螺杆寿命的关键．国内外多采用车削、滚削和铣削等加工螺杆螺旋面[6-8],但成形后螺旋表面质量难于满足螺杆使役要求,光整加工成为后续不可缺少的工序. Wei 等[9]利用立方氮化硼(Cubic Boron nitride, CBN)砂轮磨削螺旋面,建立了砂轮型面方程和修正模型,实现了螺旋面的磨削,表面粗糙度为0.5～0.65 μm. 若采用螺纹磨床、专用数控砂带抛光机和多轴数控机床等对螺杆螺旋面进行磨削,能够有效提高加工效率和质量,但设备昂贵,且对尺寸变化范围大的螺杆适应性较差[10],国内常用手动砂带磨削螺杆螺旋面,加工质量难保证,且生产环境恶劣. 因此,根据螺杆结构和服役要求,本文提出将磨料流加工技术应用于螺杆螺旋面的光整加工．磨料流加工(abrasive flow machining, AFM)是以黏弹性磨料介质为抛光工具的柔性光整加工技术,在夹具约束下具有高加工可达性,易实现复杂螺旋表面的无死角光整加工. 国内外学者研究了磨料流加工工艺参数[11]、磨料介质配方[12]和磨料介质滑移特性[13]等,掌握了磨料流加工材料去除机理及工艺参数对加工特性的影响规律. 计时鸣等[14-15]提出软性磨粒流加工技术,分析了弱黏性磨粒流流场分布及材料去除机理. Wang等[16]用CFD-ACE+软件研究螺旋约束流道内磨料介质流动特性发现增加螺旋约束后流道内磨料介质径向剪切力增大,提高了粗糙度均匀性.然而,尚无关于螺杆螺旋面磨料流加工可行性及均匀性的文献报道．本文以造粒机挤压螺杆为研究对象,基于计算流体力学理论,建立了“夹具-螺杆”磨料介质流动仿真模型,分析了磨料介质在螺旋表面的动力学特性,设计了提高螺旋面加工均匀性的磨料流专用夹具；开展了挤压螺杆磨料流加工试验,对比分析了砂带磨削和磨料流加工的螺旋表面质量和加工效率. 这些研究成果将为复杂难加工高质量螺旋面的磨料流光整加工提供理论基础与试验支撑．1.1 磨料介质控制方程磨料流加工过程中磨料介质在上下活塞的挤推下往复通过待加工表面(如图1(a)～(c)所示). 磨料介质是高分子聚合物与磨粒的混合物,黏弹性聚合物基体驱动磨粒滑擦或滚压待加工表面,实现待加工表面材料微量去除,如图1(d)所示．磨料介质被挤推通过“夹具-螺杆”流道时表现出良好的流动性,且压缩性小,因此,可将磨料介质视为不可压缩连续流体介质,满足式(1)和(2)所示的质量守恒方程和动量守恒方程[17]：磨料介质流动时内部小尺度高频脉动使得直接仿真时需要采用足够小的时间步长和空间步长,对计算机性能要求很高,为此,对式(1)、(2)进行时均化处理以消除小尺度脉动的影响. 时均化处理后引入雷诺应力,对于不可压缩流体满足[18]：为使时均化后的控制方程封闭,需获得式(3)中涡团黏度的湍动能k和湍流耗散率ε,标准k-ε湍流模型是一种常用的封闭方程,其数学描述如下[19]：1.2 仿真几何模型及边界条件如图2所示为常用螺杆结构实物图,如图3(a)所示为双头螺旋面挤压螺杆示意图,图中虚线为需光整加工的螺旋面. 挤压螺杆工作时物料是沿螺旋槽方向运动,若磨料流加工痕迹与物料输运路径一致,则有利于降低物料运行阻力,提高设备挤出效率. 因此,设计的用于挤压螺杆磨料流加工夹具如图3(b)所示,挤压螺杆放入外套筒内,两端通过压板固定,压板上加工出磨料介质流动通道,图中阴影区为磨料介质进入“夹具-螺杆”流道的进出口,磨料介质在螺旋面流动如图3(a)中箭头所示. 构建“夹具-螺杆”流道仿真几何模型并利用四面体/混合网格进行网格划分,如图4所示,网格大小为1．仿真采用压力入口和压力出口,选择标准壁面无滑移函数,利用Simple压力-速度耦合求解器对时间和空间离散化后的挤压螺杆仿真模型流场进行求解. 由于上下推料过程参数一致,两过程中磨料介质在螺旋表面的流场分布相同,故本文仅对上推料流场特性进行仿真分析. 仿真参数如表1所示,其中pin、pout、DH、I、μ和ρ分别为挤推压力、背压、水力直径、湍流强度、介质动力黏度和密度．1.3 仿真结果与分析如图5(a)所示为磨料介质由下往上流动时螺旋面上的静压力ps分布规律,磨料介质在流道入口处压力最大,沿流动方向逐渐减小,由于无背压,在挤压螺杆出口处静压力为0；静压力等值线近似沿螺旋槽宽度方向,如图5(b)所示为螺旋槽宽度方向监测线(图5(a)所示)的静压力变化,最大静压力差Δps | max=0.058 MPa,此静压力差不会导致明显的加工差异性,利于保证螺旋槽宽度方向材料去除均匀性．如图6(a)所示为挤压螺杆单个螺旋面上磨料介质流线分布,磨料介质流线沿螺旋槽方向均匀分布,且与螺旋槽方向一致,可产生利于减阻的微观表面；沿螺旋槽宽度方向流线密度一致性较好. 当磨料介质由上往下运动时,螺旋面静压力分布与磨料介质由下往上运动时对称分布,将两过程静压力叠加后螺旋面静压力将呈现均匀化分布,因此,磨料流加工挤压螺杆表面时螺旋面加工质量均匀性较好．由图6(a)可见,磨料介质在螺旋面入口和出口区存在磨料介质回流现象,回流区磨料介质流动特性减弱,削弱加工效果,回流区螺旋面表面纹理图6(b)所示,图中条状成形刀痕尚未完全去除,而此时螺旋面中心区域的刀痕已经完全去除. 另外,磨料介质对“夹具-螺杆”流腔入口的直接冲击易导致螺杆端面边缘的过量磨损,产生边缘过抛,如图7(a1)、(a2)所示. 为此,作者提出一种适用于挤压螺杆磨料流加工专用夹具改进方案：增加螺旋引流段,该引流段螺纹参数与所加工的挤压螺杆相同,如图7(c)所示,目的在于将回流区转移至螺旋引流段,并减少磨料介质对挤压螺杆上下端面的直接冲击．如图8、9所示为增加螺旋引流段后螺旋表面静压力和流线分布图,由图可知,增加螺旋引流段后试验件螺旋面静压力相比之前有所降低,但静压力等值线分布形式未改变,且磨料介质流线分布与未设置螺旋引流段相同,所以增加螺旋引流段不会影响螺旋面中间区域的加工均匀性. 然而,未增加螺旋引流段出现在进出口处的回流区已全部转移至引流段,且消除了磨料介质对挤压螺杆端面的直接冲击,提高了挤压螺杆螺旋面的加工质量一致性．2.1 试验系统与工艺参数基于数值模拟结果,设计了具有螺旋引流段的挤压螺杆磨料流加工专用夹具,利用课题组研制的磨料流加工设备和磨料介质开展了磨料流加工试验. 试验设备如图10所示,该设备包括液压系统、电气控制系统和机械系统. 机械系统完成夹具的夹持和上下料缸的推料过程；液压系统则为夹紧缸、推料缸提供所需的液压力；电气控制系统则主要为上下料缸提供换向信号,并记录循环次数和加工压力．挤压螺杆所用材料为：W6Mo5Cr4V2高速钢,成形加工后进行调质处理,硬度HB 为250-280,表面粗糙度Ra为10.5 μm. 利用磨料流加工技术对此挤压螺杆进行光整加工时,由于螺旋面初始表面质量差,加工痕迹明显,需要使用较大挤推压力和粗磨粒才能够去除原始加工痕迹,详细的磨料流加工工艺参数如表2所示,加工时间t=40 min．2.2 试验结果与分析为了解磨料流加工的螺旋面质量和加工效率,本文将磨料流加工挤压螺杆和企业人工砂带磨削挤压螺杆的螺旋面光整加工质量和加工效率进行对比. 用于对比的砂带磨削挤压螺杆是由某企业熟练工人利用其成熟砂带磨削工艺完成,所用的砂带表面磨粒代号为P60 (粒径约250 μm)．如图11所示为挤压螺杆初始表面以及砂带磨削和磨料流加工后螺旋面的表面粗糙度Ra及标准差σ变化规律(其中σ反映了螺旋面表面粗糙度的离散程度,即加工后螺旋面表面粗糙度的均匀性). 挤压螺杆成形加工后螺旋面平均粗糙度Ra约10.5 μm,且整个表面粗糙度值分布比较分散；经过砂带磨削之后,表面粗糙度Ra降为1 μm左右,均匀性大幅度提高；经过磨料流加工后螺旋面粗糙度Ra降为0.45 μm 左右,且相比于砂带磨削,表面粗糙度均匀性进一步提高．如图12所示为初始表面、砂带磨削和磨料流加工后螺旋面表面粗糙度轮廓变化,其中L为取样长度,Am为表面粗糙度轮廓振幅. 如图13所示为不同加工方法获得的挤压螺杆整体效果和表面微观形貌. 经成形加工后的螺旋表面凹凸不平,波纹状刀痕尺度大,严重影响物料在螺旋面的输运和挤压螺杆的使用寿命；砂带磨削的螺旋表面初始刀痕被完全去除,表面粗糙度轮廓大幅下降,但螺旋表面出现明显的砂带磨削痕迹(如图13(b)所示),表面质量仍需进一步提高；磨料流加工后的螺旋表面粗糙度轮廓比砂带磨削表面更平滑,表面微观凸起尺度显著小于砂带磨削表面(如图13(c)所示),且滑擦痕迹均匀,利于物料的顺畅输运．如图14所示为磨料流抛光前后挤压螺杆螺旋面最小直径Dmin变化,抛光前后最小直径均匀变化,并且沿挤压螺杆长度方向Dmin无明显差异性,说明磨料流加工过程中磨料介质是均匀作用于螺旋面,从而产生较为一致的材料去除．本文所讨论的挤压螺杆砂带磨削效率为6对/h,并且工人工作环境恶劣. 在实际应用中,可将两只挤压螺杆通过中心轴拼接成一对,并在两端增设螺旋引流段,构成一个试验组. 依据上述挤压螺杆磨料流加工专用夹具,结合实验室现有磨料流加工设备加工能力,设计一盘形夹具,该盘形夹具具有7个装夹孔,则一次可装夹7个试验组,在螺旋引流段的保护下可实现每个挤压螺杆高质高效光整加工,此时加工效率为10.5对/h. 因此,若将磨料流加工技术应用于挤压螺杆的光整加工,能够有效地提高挤压螺杆螺旋面加工质量和加工效率,显著改善工作环境．为提高挤压螺杆螺旋面光整加工质量和加工效率,本文提出将磨料流加工技术应用于挤压螺杆螺旋面的光整加工,并开展了仿真与试验研究,得到以下结论：(1)建立了挤压螺杆螺旋面磨料介质流动仿真模型,分析螺旋面磨料介质动力学特性发现：磨料介质静压力沿介质流动方向逐渐降低,其等值线近似沿螺旋槽宽度方向；磨料介质流线密度沿螺旋槽方向均匀性较好. 因此,磨料流加工能够实现螺旋面的均匀化光整加工．(2)为避免螺旋面进出口欠抛和因磨料介质直接冲击导致的挤压螺杆端面边缘过抛,提出利用螺旋引流段对挤压螺杆进行保护,仿真结果表明螺旋引流段不影响螺旋面磨料介质动力学特性分布的均匀性,且能将进出口回流转移至引流段,并减少磨料介质对挤压螺杆端面的直接冲击,利于挤压螺杆螺旋面的均匀性加工．(3)基于课题组研制的磨料流加工设备和磨料介质,开展了磨料流加工试验研究：经磨料流加工后螺旋面表面粗糙度Ra在0.45 μm左右,均匀性和微观形貌显著优于企业人工砂带磨削的挤压螺杆螺旋表面；根据现有设备加工能力,提出了具有螺旋引流段且可实现挤压螺杆磨料流批量加工的夹具方案,可实现高于企业砂带磨削挤压螺杆的加工效率,改善工作环境．仿真与试验结果表明磨料流加工技术能适用于挤压螺杆螺旋面的均匀化光整加工,研究结果也将为以螺旋面为功能表面的高性能复杂零件磨料流光整加工提供理论与试验基础．参考文献(References)：。
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。
航空发动机整体叶轮光整加工现状及方法研究
航空发动机整体叶轮光整加工现状及方法研究张宏友;吴鸣宇【摘要】The paper expounds finishing technology current status of aeroengine blisks at home and abroad and the position in the mechanical manufacturing industry, brings for ward a kind of extruding abrasive flowing method which is used to form the roughness surface gradually and has a preliminary discussion on the abrasive flowing machine of the blisk.%论述了国内外航空发动机整体叶轮的光整加工技术研究现状,以其在机械制造业中的地位,提出了挤压磨料流的加工方法来形成渐变粗糙度表面的方法,并对整体叶轮的磨料流设备做了初步的探讨.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】3页(P68-69,72)【关键词】整体飞机叶轮;粗糙度;光整加工;磨料流【作者】张宏友;吴鸣宇【作者单位】大连海洋大学职业技术学院辽宁大连116300;大连海洋大学职业技术学院辽宁大连116300【正文语种】中文【中图分类】TH1620 引言发动机的整体叶轮的光整加工，国内处于刚刚起步的阶段。
在国内飞机航空发动机的摇篮——沈阳黎明发动机公司调研过程中发现，目前国家最高水平的航空发动机的抛光还处于手工抛光阶段。
所以对于整体发动机叶轮的光整加工，是一个急于开拓的新课题。
航空发动机整体叶轮的光整加工，存在的问题主要包括:1）由于整体飞机叶轮较大，而且表面粗糙度要求高，所以没有专用的光整加工设备来加工整体叶轮表面。
流体抛光原理
流体抛光原理
流体抛光原理是一种利用流体动力学原理进行表面抛光加工的方法。
该技术主要通过将流体（如水）与硬质颗粒混合形成糊状物，通过喷射或涂抹到待抛光物体的表面，并施加一定的力量，从而实现对表面的加工和抛光。
在流体抛光过程中，流体中的颗粒能够产生剪切力和摩擦力。
当流体与被加工材料接触时，颗粒会随着流体的运动在表面上磨擦，从而消除材料表面的粗糙度和不平整处。
通过适当调整流体的流速、颗粒粒径和加工时间，可以控制加工的精度和表面光洁度。
流体抛光的作用机理受到很多因素的影响，例如颗粒粒径、浓度、流体速度、压力、液体的黏度等等。
这些因素之间的相互作用会导致不同的抛光效果。
此外，不同材料的表面性质也会对流体抛光的效果产生影响。
因此，流体抛光技术需要根据具体材料和要求进行调整和优化，以达到最佳的加工效果。
流体抛光技术具有高加工效率、加工力均匀、能够处理复杂表面形状等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、光学仪器、电子器件等领域。
通过整合不同流体抛光参数和颗粒材料，可以实现不同材料和工件的精密加工和光洁度要求。
而且流体抛光还能够避免传统抛光所带来的机械损伤和残留应力，提高加工质量和性能。
液体喷射抛光技术
稳定性与寿命
确保抛光液的稳定性和使 用寿命，避免在抛光过程 中产生沉淀或变质。
喷射压力与流量控制
喷射压力
根据被抛光材料的硬度和 表面粗糙度，调整喷射压 力以获得理想的抛光效果。
流量控制
通过调整喷嘴直径和液体 泵送速度，控制抛光液的 流量，确保抛光过程的均 匀性和稳定性。
压力与流量的匹配
合理匹配喷射压力和流量， 以获得最佳的抛光效率和 表面质量。
液体喷射抛光技术
目录
• 液体喷射抛光技术概述 • 液体喷射抛光系统组成 • 液体喷射抛光工艺参数 • 液体喷射抛光技术优点与挑战 • 液体喷射抛光技术应用案例 • 液体喷射抛光技术前沿研究动态
01
液体喷射抛光技术概述
定义与原理
定义
液体喷射抛光技术是一种利用高速喷 射的液体或混合液体对工件表面进行 冲击、切削和抛光的方法。
抛光时间与温度控制
抛光时间
01
根据被抛光材料的性质和抛光要求，确定合适的抛光时间，避
免过度或不足抛光。
温度控制
02
保持抛光液的温度稳定，避免过高或过低的温度对抛光效果产
生不良影响。
时间与温度的协同作用
03
合理控制抛光时间和温度，使二者协同作用，以获得最佳的抛
光效果。
04
液体喷射抛光技术优点与挑战
航空座椅抛光
航空座椅是飞机客舱中的重要部 件，其表面质量直接影响乘客的 舒适度和飞机的整体美观度。液 体喷射抛光技术可以对座椅表面 进行高效、均匀的抛光，提高座 椅的光泽度和耐磨性。
06
液体喷射抛光技术前沿研究动 态
新型抛光液的开发与应用
纳米级抛光液
利用纳米技术制备的抛光液，具有更高的抛光精度和效率，能够 实现对复杂形状表面的高精度抛光。
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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
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机
械
工
程
学
报
第 51 卷第 7 期期
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
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
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
[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
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
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
) 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
月 2015 年 4 月
高
航等：流体磨料光整加工理论与技术的发展
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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。
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。
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)
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