磨粒流加工技术的发展

磨料流加工中有效磨粒工况对加工结果影响的仿真分析发布时间：2023-02-17T02:37:42.150Z 来源：《教育学文摘》2022年第9月19期作者：张志斌[导读] 利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

张志斌（安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥 230000）摘要：利用Abaqus软件构建磨料流加工仿真模型，对加工过程中近壁粒子运动状态进行仿真分析。

通过比较可知，有效磨粒所受的压强对Mises应力有显著影响，磨料流速有明显但非线性的影响。

结果为后续磨料流加工仿真研究提供理论依据与模型支持。

构建磨料流加工模型研究加工机理提供理论依据与模型支持。

关键词：磨料流加工；Abaqus；数值模拟引言磨料流加工（Abrasive Flow Machining, AFM）是1960年后开发的新型加工工艺，McCarty[1]称其为挤压珩磨法。

随着有限元算法的完善与CAE技术的发展，学者尝试通过仿真手段进行研究。

Junye Li[2]等人研究磨粒流加工工艺中的微孔磨粒流加工技术，通过控制磨粒筒活塞的运动速度来控制工件与磨粒流的相对运动，提高加工精度和效率。

Jain[3]等人采用有限元法分析磨料流加工外表面过程，他们发现当工件所受剪切应力低于屈服应力时，粘塑性物质可视为刚性物质。

超过屈服应力，粘塑性物质可视为牛顿流体。

Bo Tang[4]等人基于液固两相流耦合理论和连续介质理论，建立了面向模具结构面精密加工的软性磨料黏结流动力学模型。

1 磨料流加工仿真研究1.1 基本假设（1）磨料流动为稳定流动；（2）固相、液相均无相变；（3）将磨料中的载体简化为粘弹性边界条件；（4）忽略惯性力作用；（5）满足摩擦条件且摩擦系数保持常数；（6）不考虑热力耦合。

（7）磨粒简化为圆形颗粒。

1.2 模型的建立当使用中低浓度磨料进行抛光时，磨料中的磨粒分布稀疏而均匀，很难形成稳定的力链结构。

陶瓷材料磨削加工的技术讨论与进呈现状工程陶瓷具有很多优良的性能，比如较高的硬度和强度，很强的耐腐蚀、耐磨损、耐高温本领和良好的化学惰性等，因此在航空航天、化工、军事、机械、电子电器以及精密制造领域的应用日益广泛。

目前各发达国家如德、日、美、英等国特别重视工程陶瓷的开发及应用。

80时代以来，各国竞相投人大量的资金及人力，在工程陶瓷加工理论和技术、产品开发和应用等方面取得了很大的进展。

由于陶瓷材料的高硬度和高脆性，被加工陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面损伤，这会导致陶瓷元件强度的降低，进而限制了大材料去除率的采纳。

对陶瓷高效磨削加工而言，根本目标就是在保持材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除率。

目前陶瓷的加工成本己达到整个陶瓷元件成本的80%～90%，高加工成本以及难以测控的加工表面损伤层限制了陶瓷元件更广泛的应用。

陶瓷材料广阔的应用前景和多而杂的加工特性，都要求对陶瓷的磨削加工过程进行全面而深入的了解。

从上世纪90时代开始，国内外学者进行了大量的讨论，在陶瓷磨削的新型方式、陶瓷磨削的材料去除机理、磨削烧伤、磨削表面完整性等的影响因素、不同磨削条件的最佳磨削参数等多方面都取得了积极的讨论成果。

本文重要就陶瓷磨削的讨论现状及进展情形进行了归纳和总结。

1陶瓷材料磨削机理的进展1）磨削机理的讨论由于砂轮的磨粒尺寸、形状和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律的多而杂性，给磨削机理的讨论带来了很大的困难。

在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多数讨论都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来貌似处理。

20世纪80时代初，Frank和Lawn 首先建立了钝压痕器、尖锐压痕器和接触滑动三种机理分析讨论模型，提出了应力强度因子公式K=aEP/C2/3，依据脆性断裂力学条件KKC，导出了脆性断裂的临界载荷PBC＝CbK，他又依据材料的屈服条件ssY，导出了塑性变形模式下临界载荷PYYC=s3/g3（或PYYC=H3Y/g3）。

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。

磨料流加工班级：1022011学号：1022011姓名：贺成双・磨料流加工在我国又称挤压玷磨，是20世纪70年代发展起来的一项表面光整加工技术，最初主要用于除去零件内部通道或隐蔽部分的毛刺而显岀就越柱，随后扩大应用到零祚表宙的抛光。

一是磨料流加工机床，它给磨料施加压力。

二是流体磨料，它由高分子材料和磨粒组成。

这种高分子材料与金属不粘连而与磨粒粘结好，不挥发,起保证磨粒流动作用。

磨粒可采用氧化铝、刚玉.碳化硅、碳化硼、立方氮化硼和金刚石等。

三是夹具，夹具使工件定位，并与工件待加工表面构成流体磨料通道，并起导引流体磨料流动作用。

AFM的基本原理：介质速度最大时，磨光的能力也最大。

这里，夹具的结构起着重要作用，它决定着介质速度在何处最大。

夹具用于使工件定位和建立介质流动轨迹，是精加工所选择部位而不触及相邻部位的关键所在。

威利玛磨粒流的工作演示回程运动1 -活塞上耐缸M—膺料：•I - r 件山一夹具出一下料咅.图1磨料涼加工原理・1适用范围由于挤压壬行磨介质是一种半流动状态的粘弹性材料，它可以适应各种复杂表面的抛光和去毛刺，如各种型孔、型面，像齿轮、叶轮、交叉孔、喷嘴小孔、液压部件、各种磨具等，所以它的适用范围很广，而且几乎能加工所有的金属材料，同时也能加工陶瓷、硬塑料等。

・2抛光效果加工后的表面粗糙度与原始状态和磨料粒度有关，一般可降到加工前表面粗糙度的十分之一。

・3材料的去除速度挤压玷磨的材料去除量一般为0.01-0.1mm,加工时间通常为1~5min,最多十几分钟，与手工作业相比，加工时间可减少90%以上，对一些小型零件，可以多件同时加工■ ■效家可大夭提高。

・第一挤压研磨机床： 其作用是固定工件和夹 具，控制挤岀压力。

在一定的压力作用下，使磨 科研磨被加工表面，得到去毛刺、倒角的效果。

机床压力范围从7〜224 kg/cm2；・第二磨料： 是由一种具有粘弹性、柔软性 和切割性的半固态载体和一定量磨砂拌和而成。

什么是流体抛光，磨粒流技术的应用什么是流体抛光流体抛光（Fluid Polishing）是利用流体和磨料的摩擦力，对工件表面进行抛光处理的方法。

流体抛光相对于传统机械抛光可以获得更高的光泽度和更加均匀的表面处理效果，且不会对工件的形状造成影响，因此得到了广泛的应用。

流体抛光的原理是将磨料加入到流体中，通过流体在被处理的工件表面的运动，来产生摩擦力，从而达到抛光的目的。

因为流体本身可以减少磨料颗粒的直接接触，从而对工件表面减少了磨损和划伤，因此流体抛光常常被用于处理高精度的工件表面。

磨粒流技术的应用磨粒流（Abrasive Flow Machining 简称 AFM）技术又称为流体抛光加工技术，是一种通过液体循环下的磨料粒子对工件表面加工的一种特殊方法。

AFM的工作原理是，将磨料颗粒混合于流体之中，将混合后的磨料颗粒和流体加压注入到所需加工的部位，进行循环下的磨料加工。

磨料颗粒在液体循环下形成一道有效的流体流动，从而可以有效地清除内部的不均匀凸起以及造成的局部损坏，进而将加工表面的粗糙度精度提高到更高的水平。

磨粒流技术的应用非常广泛，如内圆柱、内锥面、阀门孔、冲模中心通道、汽轮机叶轮孔等高精密度管、孔、洞的加工和抛光。

其主要应用领域包括航空航天、汽车制造、电力能源等行业。

结论流体抛光和磨粒流技术虽然都是抛光加工的方法，但是其原理和应用范围都有所不同。

区别在于流体抛光是利用流体和磨料的摩擦作用来实现抛光的目的，而磨粒流技术则是利用磨料颗粒与流体循环下的摩擦力来实现高精度的加工和抛光。

无论是流体抛光还是磨粒流技术，都能提高工件表面的光洁度和精确度，从而提升工件的质量和可靠性。

这两种技术在各行各业中得到了广泛的应用，对于提高生产效率和加工效果都具有重要的意义。

表面技术第53卷第6期小孔内表面磁力研磨加工技术研究进展张博，李富柱，郭玉琴*，王匀，申坤伦，狄智成（江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000）摘要：磁力研磨加工是提高小孔内表面质量的一种重要光整技术，利用该技术能高效提升小孔类零部件在极端环境下的使役性能。

针对小孔内表面的磁力研磨光整加工，按其发展历程对磁力研磨加工技术进行总结，归纳了磁性磨粒研磨、磁针磁力研磨、液体磁性磨具研磨、超声辅助磁力研磨和电解磁力复合研磨等加工方法的技术特点，并分析评述了其局限性。

对磁力研磨加工过程中材料去除机理进行了研究，材料主要以微量切削与挤压、塑性变形磨损、腐蚀磨损、电化学磨损等方式去除，材料种类不同，去除机理也不同。

其中，硬脆性材料主要以脆性断裂、塑性变形和粉末化的形式去除；塑性材料在经历滑擦阶段、耕犁阶段和材料去除阶段后主要以切屑的形式去除。

此外，还对磁力研磨加工过程中的材料去除模型进行了研究，对单颗磁性磨粒材料去除模型和“磁力刷”材料去除模型进行了分析讨论。

最后，对磁力研磨加工技术今后的研究发展给出了建议并进行了展望。

关键词：小孔内表面；磁力研磨加工；材料去除机理；材料去除模型中图分类号：TG356.28 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)06-0028-17DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.06.003Advances in Magnetic Abrasive Machining Techniquefor the Inner Surface of the Small HolesZHANG Bo, LI Fuzhu, GUO Yuqin*, WANG Yun, SHEN Kunlun, DI Zhicheng(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212000, China)ABSTRACT: Inner surface finishing of the small holes has become an enormous technical problem in the field of advanced manufacturing. Magnetic abrasive machining (MAM) as an important finishing technique can improve the surface quality of the small holes due to its significant advantages of flexible contact, good adaptability, and no temperature compensation. In this work, the basic principle, material removal mechanism, and material removal model of MAM are summarized. MAM can be divided into traditional magnetic abrasive machining techniques and composite magnetic abrasive machining techniques according to the development process. Traditional magnetic abrasive machining techniques mainly include magnetic abrasive grinding (MAG) technique, magnetic needle abrasive grinding (MNAG) technique, and fluid magnetic abrasive (FMA) technique. Composite magnetic grinding techniques include ultrasonic-assisted magnetic grinding (UAMG) technique and electrolytic magnetic composite grinding (EMCG) technique. MAG is the most basic technique for finishing the inner surface of the small holes. It uses the interaction between the magnetic field and magnetic abrasive particles to achieve the finishing of the收稿日期：2023-03-24；修订日期：2023-08-30Received：2023-03-24；Revised：2023-08-30基金项目：装备预先研究领域基金（8092301201）Fund：Fund Project of Equipment Pre-research Field (8092301201)引文格式：张博, 李富柱, 郭玉琴, 等. 小孔内表面磁力研磨加工技术研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(6): 28-44.ZHANG Bo, LI Fuzhu, GUO Yuqin, et al. Advances in Magnetic Abrasive Machining Technique for the Inner Surface of the Small Holes[J]. Surface Technology, 2024, 53(6): 28-44.*通信作者（Corresponding author）第53卷第6期张博，等：小孔内表面磁力研磨加工技术研究进展·29·workpiece surface. Due to the different positions of magnetic poles, MAG has two forms of external magnetic pole grinding (EMPG) and built-in magnetic pole grinding (BMPG). In the process of MAG, processing efficiency can be improved by increasing the grinding pressure. MNAG drives the magnetic needle to collide, scratch, and roll to remove the edges, burrs, and recast layers on the inner surface of the small holes. However, due to the effect of the magnetic needle shape, there will be a processing blind area. FMA is a novel type of precision finishing technique based on the theory of magnetic phase transition.Under the action of the magnetic field, the liquid abrasive composed of magnetic particles and abrasive particles changes from free-flowing Newtonian liquid to consolidated Bingham body. As the liquid abrasive contacts with the workpiece and generates relative motion, the finishing of the workpiece surface is realized. UAMG has high processing efficiency, but it has the limitation of being impossible to predict the motion trajectory and grinding path of abrasive particles. EMCG has the advantage of not being limited by the hardness of the material, low abrasive wear, high controllability, and high machining efficiency.However, it is only used for conductive materials. When MAM is used to finish the inner surface of the small holes, the material types are different, so the removal mechanism is also different. The removal mechanism of hard and brittle materials can be divided into brittle fracture removal, plastic deformation removal, and powdered removal. The removal mechanism of plastic materials can be divided into three stages: sliding friction stage, ploughing stage, and material removal stage. The material removal model in MAM can be divided into single magnetic abrasive material removal model and 'magnetic brush' material removal model. However, these models have certain limitations. A perfect material removal model should be further constructed and the mechanism of MAM should be further studied. Finally, suggestions and prospects for future research and development of MAM are given.KEY WORDS: inner surface of the small holes; magnetic abrasive machining; material removal mechanism; material removal model光整加工作为降低工件表面粗糙度、获得高形状精度和表面精度的重要手段，是加工制造领域的研究热点和前沿方向[1]。

磨粒流加工技术研究作者：罗隽来源：《中国科技博览》2019年第10期[摘要]针对壳体及类似零件相贯孔去毛刺、抛光、倒圆、提高表面质量难的问题，研究磨粒流加工技术。

重点从磨粒流加工原理、流动通道的设计、夹具设计、磨粒流加工及流程、清洗方法、检测方法等方面进行分析研究，阐述磨粒流加工技术及推广应用。

[关键词]壳体磨粒流磨料中图分类号：TP931 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0029-011引言随着高科技的发展，在航空、航天、船舶、汽车发动机等领域，壳体及类似零件的加工越来越多，结构复杂，孔系多，产生的毛刺靠手工去除，工作量大，大部分较深的小孔相贯处毛刺采用普通工具去除，毛刺去除不干净，而且小孔的表面质量无法提高，给产品的正常工作带来很大的质量隐患。

针对这些问题，以壳体为例，研究磨粒流加工技术，解决无法去除深小孔毛刺和提高零件表面质量难的问题，积累了一些经验，也形成了一些观点，现在此作一些简要阐述。

2磨粒流加工特点及范围2.1磨粒流加工特点磨粒流加工是一种较新的表面光整加工方法，可用来提高表面质量，去毛刺，抛光，倒圆角，还可用来去除电火花、激光加工后的变质层。

磨粒流加工可取代手工去毛刺、抛光，倒圆角，可大幅度减轻劳动强度，提高生产效率，缩短生产周期，并可保证产品加工的一致性。

对壳体而言，主要作用是能彻底去除壳体孔系深小孔毛刺，提高孔内表面质量。

2.2磨粒流加工范围磨粒流加工，不仅能加工几乎所有的金属材料，并可对玻璃、陶瓷等硬脆性材料进行加工。

还可以同时加工一个或多个工件的单一或多个表面，能够高效、经济地加工传统方法难以加工的几何形状复杂的表面，如齿轮、汽车发动机叶轮、喷嘴、窄缝、交叉孔道、异形曲面、液压部件、各种模具等去毛刺和抛光，因此，它的适用范围很广。

孔的性质可以是通孔、交叉相贯深小孔、盲孔等。

3磨粒流加工技术分析3.1磨粒流加工原理分析磨粒流加工的三要素为磨粒流加工机床、流体磨料和夹具。

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斯曼克磨粒流原理
斯曼克磨粒流原理是一种常用的表面加工技术。

它利用了磨料颗粒在高速涡流中的碰撞和摩擦，使其产生强烈的磨损作用，以达到去除表面异物和改善表面质量的目的。

斯曼克磨粒流原理主要是通过喷射高速气流，将磨料颗粒混入其中，然后使用高速涡流器将气流和颗粒加速并喷射到需要表面加工的材料表面。

在此过程中，磨料颗粒会与材料表面发生碰撞和摩擦作用，从而去除表面的氧化层、污染物、毛刺等异物，并在表面形成一定深度的微小凹槽。

斯曼克磨粒流的优点在于可以处理各种材料，包括金属、陶瓷、塑料、玻璃等，而且处理后的表面质量较高、精度较高、表面粗糙度较小，并且可以控制处理深度和处理形状。

此外，斯曼克磨粒流还可以充分利用磨料颗粒的自锐性和自动磨损，无需使用任何添加剂，对环境无污染。

总之，斯曼克磨粒流原理是一种高效、环保、多功能的表面加工技术，在工业生产和科学研究中有着广泛的应用前景。

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