摘要: 高性能零件往往具有结构复杂、加工难度大以及表面完整性好等特点，而此类零件制造的优劣对高端装备的精度有直接影响。磨料流加工具有柔性、高效、操作简单等特点，在复杂曲面结构、难加工材料的光整抛光加工中表现出独特的技术优势，被广泛应用于高... 展开 高性能零件往往具有结构复杂、加工难度大以及表面完整性好等特点，而此类零件制造的优劣对高端装备的精度有直接影响。磨料流加工具有柔性、高效、操作简单等特点，在复杂曲面结构、难加工材料的光整抛光加工中表现出独特的技术优势，被广泛应用于高性能零件的抛光加工，但传统磨料流加工存在显著的壁面效应，即工件表面粗糙度和表面形貌的不均匀分布，以及入口处的过抛现象，导致已加工表面质量一致性较差。本文以某航天零件上的圆柱孔内表面为研究对象，揭示了磨料流加工壁面效应的内涵，剖析了不同参数对壁面效应的影响规律。以此为基础，提出了壁面效应的背压法调控策略，进一步实现流场的均匀化，弱化了壁面效应对加工表面的负面影响。主要研究内容如下： （1）基于流体动力学方程和磨粒对壁面的微切削机制，确立了磨料流加工中的两大抛光作用力：压力和剪切力，简化推导出抛光作用力方程；结合Preston方程，分析抛光作用力与材料去除之间的关系，建立材料去除模型，以此探究磨料流加工中材料去除率和均匀性的关键问题；通过仿真阐明磨料流加工中壁面效应的内涵及其成因。基于此，设计了磨料流加工实验所需的夹具和工件，通过Solidworks建立流场模型用于数值模拟研究；在Fluent中选取Mixture模型和SST k-w模型进行数值模拟研究，以阐述不同参数对壁面效应的作用规律。研究发现：减小初始表面粗糙度与入口流速、增大圆孔直径能有效提升流场压力的均匀性，从而减弱壁面效应；减小入口流速和圆孔直径、增大初始表面粗糙度能减弱入口处的剪切力，从而减弱壁面效应。 （2）利用LabView软件、量程0MPa~10MPa的CJBP-1型高频动态压力传感器、NI USB-6001型数据采集卡、开关电源在Easy Flow200挤压珩磨机上搭建了一套磨料流壁面压力测试系统，用于测量不同参数下沿圆孔轴线方向上压力的实际值，实验验证初始表面粗糙度的减小和圆孔直径的增大，有利于提高压力分布均匀性，且圆孔直径对压力分布的均匀性影响较为显著，这与数值模拟结果相吻合。 （3）在Easy Flow200挤压珩磨机上开展了磨料流加工实验，工件材料为42CrMo合金钢，在上面加工出圆柱孔作为加工对象，以理论分析和数值模拟结果为参考，选取合理的实验参数水平验证其对壁面效应的作用规律，实验表明：加工后圆孔壁面的表面形貌和粗糙度的均匀性随初始表面粗糙度的减小和圆孔直径的增大而提高，且最佳循环次数T=45次；圆孔直径D0=20mm时，表面粗糙度由Ra=0.183μm降至Ra=0.043μm。依据磨料流加工壁面效应的分布规律，提出了壁面效应的背压法调控策略，通过数值模拟和实验研究验证此策略的可行性。结果表明：随着背压的增大，入口处的剪切力和压差随着减小，磨料流加工的壁面效应随之减弱，实测背压增至Pout=1898.3kPa，圆孔壁面的表面形貌和粗糙度值均匀性最好，表面粗糙度由Ra=0.043μm进一步降至Ra=0.013μm。 收起