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磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的沖蝕磨損分析
１ 引 言
伺服閥的閥芯噴嘴是伺服閥的關(guān)鍵零件，而閥芯噴嘴處小孔的表面質(zhì)量會(huì)直接影響伺服閥的使用性能，當(dāng)噴嘴體小孔的內(nèi)壁存在毛刺、不夠光滑或是有污染物殘留時(shí)，就容易造成閥芯噴嘴射流時(shí)發(fā)生散射和螺旋，或?qū)е聡娮祗w堵塞，從而對(duì)整個(gè)伺服閥控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。為了提高閥芯噴嘴體小孔的表面質(zhì)量，進(jìn)行噴嘴體小孔精密光整加工具有非常重要的意義。磨粒流研拋技術(shù)具有很好的研磨能力，尤其適用于對(duì)復(fù)雜零件內(nèi)表面以及零件內(nèi)部隱蔽部位的孔及型腔、模具等復(fù)雜曲面的光整加工
［１］是一種經(jīng)濟(jì)有效的新型精密光整加工工藝。因此可以采用磨粒流研拋技術(shù)改善伺服閥閥芯噴嘴的流道表面質(zhì)量。磨粒流研拋技術(shù)機(jī)理是把磨粒流加工介質(zhì)內(nèi)的磨?？醋鳠o數(shù)的切削刀具，利用磨粒的不規(guī)則堅(jiān)硬棱角反復(fù)磨削零件的待加工表面，從而實(shí)現(xiàn)零件表面的精加工
［２］磨粒流研拋技術(shù)的加工實(shí)質(zhì)就是，利用磨料顆粒與研拋表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)零件表面產(chǎn)生一定的微量磨削、刻劃、碰撞作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)研拋表面的光整加工
［３］其加工機(jī)理與采礦、管道運(yùn)輸、冶金領(lǐng)域存在的沖蝕磨損相似。因此可以借助沖蝕磨損的相關(guān)理論思想來對(duì)磨粒流研拋技術(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)沖蝕磨損的相關(guān)研究可知，影響材料沖蝕磨損結(jié)果的因素主要分為三個(gè)方面，一是沖蝕流體的特性，主要包括沖蝕的速度、溫度、角度以及流體的腐蝕性等特性；二是沖蝕顆粒的屬性，主要包括顆粒的粒徑、形狀、硬度等特性；三是靶材的特性，主要包括靶材的結(jié)構(gòu)形狀、材料性能等特性
［４］故對(duì)磨粒流研拋性能的研究也可以從這三方面入手，本課題組之前研究了磨粒粒徑、磨料濃度、擠壓力、加工時(shí)間４種工藝參數(shù)對(duì)磨粒流研拋非直線管類零件效果的影響
［５］李琛等對(duì)結(jié)構(gòu)化表面中磨粒在流體中的受力進(jìn)行了分析，并研究了磨粒對(duì)壁面的微切削機(jī)理
［６］計(jì)時(shí)鳴等學(xué)者提出了一種在約束流場(chǎng)內(nèi)引入微尺度氣泡來增強(qiáng)流體動(dòng)能的方式，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)引入微納米氣泡后流體的拋光效率有所提高
［７］Ｍ．ＲａｖｉＳａｎｋａｒ等學(xué)者探討了磨粒流旋轉(zhuǎn)加工方式對(duì)工件材料表面形貌的影響
［８］目前國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從磨粒粒徑、磨料濃度、溫度、擠壓壓力、加工時(shí)間等方面對(duì)磨粒流的研拋性能進(jìn)行了相關(guān)研究，本文將從固液兩相磨粒流沖蝕磨損特性和磨粒硬度角度方面探討磨粒流研拋機(jī)制。
２ 沖蝕磨損模型
沖蝕磨損主要是指粒徑小于１?。埃埃唉蹋?的松散小顆粒以一定的速度以及角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊并造成其表里材料流失的現(xiàn)象［９］。研究沖蝕磨損主要是為了弄清材料流失的影響因素以及材料流失的本質(zhì)［１０］，而研究磨粒流研拋技術(shù)主要是為了弄清在何種工藝參數(shù)下能夠獲得更好的工件表面質(zhì)量。這使得磨粒流研拋技術(shù)的研究與沖蝕磨損的研究具有很多的相似之處。Ｆｉｎｎｉｅ［１１］基于剛性粒子對(duì)塑性金屬的沖蝕磨損提出了微切削理論，較準(zhǔn)確地描述了在低角度沖蝕下顆粒對(duì)塑性材料的磨損規(guī)律。
其中ν為體積沖蝕率，Ｋ 是修正系數(shù)，ｍｐ為沖蝕顆粒的質(zhì)量，ｖｐ
為顆粒時(shí)沖擊速度，ｎ 為速度指數(shù)，α為沖擊角度，Ｐｔ為材料的流動(dòng)應(yīng)力。在磨粒流研拋技術(shù)的數(shù)值求解過程中，顆粒相可被視為擬流體相也可被視為離散相。
３ 沖蝕磨損數(shù)值模擬
利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)磨粒流研拋閥芯噴嘴的沖蝕磨損過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用κ－ε湍流模型、混合模型以及離散相模型進(jìn)行分析，求解方法采用壓力－速度耦合求解方式，并選取經(jīng)典ＳＩＭＰＬＥＣ算法和一階迎風(fēng)格式，選用速度進(jìn)口和自由出口邊界條件。
在噴嘴小孔區(qū)域及交叉孔區(qū)域處的沖蝕磨損效果比較明顯。這主要是由于磨粒流流經(jīng)噴嘴的交叉孔區(qū)域時(shí)加工通道的尺寸發(fā)生了改變，磨粒流速度瞬時(shí)增加湍流加劇導(dǎo)致此處磨粒的無序運(yùn)動(dòng)加劇，從而使磨粒與壁面的碰撞更加激烈，導(dǎo)致此處磨粒的微磨削作用更加明顯，加工質(zhì)量更好。
４ 試驗(yàn)分析
為證實(shí)磨粒流研拋技術(shù)對(duì)伺服閥閥芯噴嘴表面質(zhì)量改善的效果，以及不同磨粒硬度對(duì)加工效果的影響，選用碳化硅和白剛玉兩種磨粒對(duì)伺服閥閥芯噴嘴零件進(jìn)行磨粒流光整加工試驗(yàn)。通過比較不同磨粒種類下工件研拋前后的表面粗糙度和表面形貌，檢測(cè)零件的表面質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)［１２］中關(guān)于不同磨粒粒徑對(duì)噴嘴小孔表面粗糙度的影響試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)磨粒粒徑為１０μｍ時(shí)能夠獲得較低的表面粗糙度數(shù)值，因此本試驗(yàn)主要選用粒徑為１０μｍ的磨粒對(duì)磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的可行性和有效性進(jìn)
行試驗(yàn)分析。
４．１ 試驗(yàn)準(zhǔn)備
試驗(yàn)所采用的閥芯噴嘴總長(zhǎng)度為１０ｍｍ，外圓尺寸為３．５ｍｍ，內(nèi)孔尺寸為１．５ｍｍ，射流小孔直徑為０．１ｍｍ，試驗(yàn)所用液體相為液壓油，所用磨粒材料的參數(shù)如表１所示。將采用碳化硅研拋后的工件命名為１＃樣件，采用白鋼玉研拋后的工件命名為２＃樣件。
４．２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論
由于伺服閥閥芯噴嘴的內(nèi)部流道狹小細(xì)長(zhǎng)，尤其是噴嘴小孔區(qū)域，現(xiàn)有的檢測(cè)手段無法進(jìn)行有效測(cè)量，因此試驗(yàn)結(jié)束后需要采用線切割機(jī)床對(duì)零件進(jìn)行切割剖面，零件清洗之后才能進(jìn)行內(nèi)表面檢測(cè)。線切割后的噴嘴零件局部放大圖如圖３和圖４所示。
通過對(duì)比觀察圖３圖４可發(fā)現(xiàn)，研拋前的閥芯噴嘴零件尤其是噴嘴小孔區(qū)域內(nèi)表面較粗糙，而研拋后的閥芯噴嘴零件內(nèi)表面比較光滑。
４．２．１ 閥芯噴嘴噴孔形貌分析
通過對(duì)比觀察小孔區(qū)域的表面形貌來判斷磨粒流研拋技術(shù)的加工效果，采用Ｎｉｋｏｎ?。樱停冢罚矗担噪娮语@微鏡對(duì)閥芯噴嘴原件、１＃樣件和２＃樣件的噴孔表面進(jìn)行觀察，檢測(cè)結(jié)果如圖５和圖６所示。
從圖５和圖６磨粒流研拋前后的閥芯噴嘴孔示意圖可以看出，未經(jīng)磨粒流研拋的噴嘴孔型及環(huán)帶粗糙、不光潔、存在毛刺現(xiàn)象，而經(jīng)磨粒流研拋后的噴嘴孔型及環(huán)帶則變得平整光潔。
４．２．２ 閥芯噴嘴內(nèi)通道表面粗糙度的檢測(cè)分析
為了能夠更加直觀地分析磨粒流的研拋效果，利用ＮＴ１１００光柵表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)研拋表面進(jìn)行多位置點(diǎn)測(cè)量，分別選取了伺服閥閥芯噴嘴零件的主干通道、交叉孔以及小孔區(qū)域進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，獲得了零件表面粗糙度的表面形貌圖。磨粒流研拋前后噴嘴零件的主干通道測(cè)量結(jié)果分別如圖７～９（彩圖見期刊電子版）所示。從圖７～９可以看出，初始原件主干通道的表面粗糙數(shù)值為１．１μｍ，經(jīng)磨粒流研拋后的１＃樣件主干通道表面粗糙度為０．７３５μｍ，２＃樣件主干通道的表面粗糙度為１μｍ。
表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果可以看出，初始原件交叉孔處的表面粗糙數(shù)值為０．８２３μｍ，經(jīng)磨粒流研拋后的１＃樣件交叉孔處的表面粗糙度為０．７２１μｍ，２＃樣件交叉孔的表面粗糙度為０．７４７μｍ。磨粒流研拋前后噴嘴零件的小孔區(qū)域的測(cè)量結(jié)果如圖１３～１５（彩圖見期刊電子版）所示。從圖１３、圖１４和圖１５可以看出，原件小孔處的表面粗糙數(shù)值為０．７４３μｍ，經(jīng)磨粒流研拋后的１＃樣件小孔處表面粗糙度為０．５７１μｍ，２＃樣件小孔處表面粗糙度為０．６９６μｍ。從伺服閥閥芯噴嘴經(jīng)磨粒流研拋前后的表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果可知，未經(jīng)磨粒流研拋的噴嘴零件的表面質(zhì)量較差，經(jīng)過磨粒流研拋后的噴嘴零件表面的表面粗糙度數(shù)值變小，并且１＃樣件噴嘴的整體粗糙度值要低于２＃樣件噴嘴的粗糙度值，可以說明磨粒流研拋技術(shù)確實(shí)可改善伺服閥閥芯噴嘴的表面質(zhì)量，而且硬度較高的碳化硅磨粒較硬度較低的白剛玉磨粒的研拋效果好。
４．２．３ 閥芯噴嘴內(nèi)通道表面形貌的檢測(cè)分析
采用ＪＸＡ－８４０掃描電鏡儀，分別對(duì)磨粒流研拋前后閥芯噴嘴主干通道和小孔區(qū)域的微觀表面形貌進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖１６、圖１７和圖１８所示。從圖１６未經(jīng)磨粒流研拋的表面形貌圖可以看出，小孔區(qū)域的表面和主干通道的表面粗糙、不光滑，表面帶有深淺不一的劃痕和一定數(shù)量的夾雜碎屑，而且小孔區(qū)域的加工質(zhì)量比主干通道更差。從圖１７和圖１８經(jīng)磨粒流研拋后的１＃樣件和２＃樣件表面形貌圖可以看出，不論是噴嘴主干通道表面還是噴嘴小孔區(qū)域表面都有改善，而且小孔區(qū)域的表面變得更加平整、致密，研拋效果比主干通道的研拋效果更好。
５ 結(jié) 論
本文從磨粒流研拋沖蝕磨損角度研究了磨粒流研拋機(jī)制，以伺服閥閥芯噴嘴為磨粒流研拋對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)伺服閥閥芯噴嘴磨粒流研拋過程進(jìn)行數(shù)值模擬及磨粒流研拋試驗(yàn)，探討了磨粒硬度對(duì)磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的影響。檢測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)碳化硅磨粒和白剛玉磨粒研拋后的伺服閥閥芯噴嘴主干通道、交叉孔以及小孔區(qū)域的粗糙度分別由１．１、０．８２３、０．７４３μｍ降為０．７３５、０．７２１、０．５７１μｍ 和１、０．７４７、０．６９６μｍ，經(jīng)磨粒流研拋后的伺服閥閥芯噴嘴零件的表面變得細(xì)致光滑。證實(shí)了采用固液兩相磨粒流研拋伺服閥閥芯噴嘴的可行性，且磨粒流研磨液中含有硬度高磨粒的研拋效果較硬度低的好。通過分析經(jīng)磨粒流研拋前后的伺服閥閥芯噴嘴的主干通道和小孔區(qū)域微觀表面形貌圖可知，閥芯噴嘴小孔區(qū)域的研拋效果比主干通道的研拋效果要好。這是由于磨粒在小孔區(qū)域較主干通道的作用更為激烈，磨粒與通道壁面的碰撞機(jī)會(huì)更多，與數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果一致。