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1、新工艺新技术新设备磨粒流加工在航空发动机制造中的应用北京航空工艺研究所高级工程师郭应 竹提要本文较来统地介绍 了磨拉 流 加工 的特点、影响加 工效果的诸多因素及其在航空发动机 制造 中的应用实例。A BsTRACTThepropertiseofabrasiveflowmaehiningraseystematiaellydesreibed,variousfa ctorsinflueneingthema ehiningandthee xamplesbyusingthismethod ina er oenginema nufa eturinga r eintrodue ed.主题词:磨粒流加工特点
2、应用一、前言磨粒流加工(AFM)是一种用 于去毛刺、倒圆、抛光、去除再铸层或者产 生表面残余压应力的非传统的 工艺方法。在AFM加工中,工件是靠液压夹紧在垂直对立的二个介质缸之间。金属的去除是靠含有磨料 的半固态聚合物(磨流介质)挤压通过欲加工表面而完成的。磨粒流加工的技术特点和加工能力见表1、2。AFM早期用于航空阀体和滑阀的去毛刺。目前的应用已扩展 到宇航、自动化、半导体和医疗机械工业等部门。表1磨拉流技米特点续表1序序号号技术特征征工艺特点点6 6 6 6 6中、小零件可设计多多提高生产效率,批量量通通通道夹具,多件同时加加生产可实现自动化化工工工工工7 7 7 7 7磨流介质必须在封闭
3、闭浅的型腔、不通孔以以通通通道内往复流动,对夹夹及很复杂的 内腔通道加加具具具限制器的设计和密封封工受限。介质的清理比比要要要求比较高高较困难难序序号号技术特征征工艺特点点l l l l l切削工具(磨流介质) ) )易与被加工 表面 吻吻具具具有柔软性、流动性性合,因此特 别适合内腔腔难难难难于触及部位的加工工2 2 2 2 2切削力、切削温度很很加工表面不产生残余余小小小小拉应力和热变形及其他他加加加加工变质层层3 3 3 3 3介质具有粘弹性,磨磨作为去毛刺工序,不不粒粒粒单体在流动中进行少少少少少少少少少少少少少少量量量切削削公 卢生_伏七卑叮l刊题。 。只只只只要工艺参数合理并确确认
4、认认认介质全部通过,则可可保保保保证去毛刺的可靠性和和均均均均匀性性4 4 4 4 4可配制不同粘度的基基能加工的材料范围围体体体和混人各 种不同 材材宽,从铝、铜到镍基合金金质质质、不同粒度、不同含量量以及陶瓷、硬塑料等等 磨磨磨料的介质质质5 5 5 5 5可集去毛刺、倒圆和和磨削纹路可与某些零零抛抛抛光于一体,且可调整整件(如喷嘴、液压件、挤挤工工工艺参数,侧重其中的的压模)通过流体的方向向一一一个方面面一致。在降低表面粗糙糙度度度度值的同时去毛刺、倒倒 回回回回,大大减小流体阻力力表2磨拉 流工艺的加 工能力项项目目加工能力力重重复精度度可达到 总加工余量的十分之一一表表面粗糙度度最高
5、可达到Ra o.2拜m,一般可比原表面面粗粗粗糙度值降低至原值的1 /4 4 4去去毛刺尺寸寸最大0.3mm。大的毛刺先用手工方法去去除除除除倒倒圆半径径0.0251.sm m m m加加工孔径径最小孔径0.Z sm m m m加加工效率率比手工方法提高几倍甚至几十倍,不便便用用用其他常规方法的情况,效果更明显显AFM加工过程是复杂的而且带有一定的随机性。我国8 0 年代 中期引进了AFM技术,并且着重用在一些零件如铝型材挤压模的抛光方面。由于对AFM的加工性能掌握不够,总的说来,使用效果还不尽人意,盲目性大,遇到形状较复杂或加工要求较高的零件,效果差,因此影响了该工艺的推广应用。特别是在航空
6、制造技术中,磨粒流技术尚未进入生产实用阶段。为此应 当加强磨粒流工艺的基础试验工作,在进一步了解其加工 机理基础上,更熟练地把握和调整加工参数,以便199 3年第5期新工艺新技术新设备取得更好的加工效果,逐步扩大AFM的应用范围。二、影响磨粒流加工效果的因素如图1所示,影响磨粒流加工精度、金属去除率和表面粗糙 度的因素比较 复杂,而且往往一些因素之间互相影响。其加工参数最终还是要由试验确定。在这些因素中,影响比较大的是磨流介质 的特性和工作挤压力。粗糙度的影响。随着磨料含量的增加,介质粘度会有一 定变化。介质在孔内的流动速度减小,循环时间增加约70%。如果在增加磨料的同时调整基体粘度不变,那么
7、从 材料去除率来看,磨料配比1 00%的大约是磨料配比1 0 %的60倍。介质 中磨料的含量,一般可根据基体的粘度按表3选择。3字日3尸氏E叫2 72 4刀曰曰曰咚咚区j材料去除率率 皿】最大粗糙度等级级曰曰曰尽尽-一- - - 子布卜rZ倒圆半径径卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜1.p, ,曰曰曰冈冈冈困困困 曰曰曰阅阅阅日日 附附! ! !日日口口 日日日卜卜卜日日 附附附团团口口 口口口尽尽尽日日日阁阁 溯溯 肛肛词词 叼叼 口口 日日日尽尽认认狡狡狡习习 服服 l l l翻翻创创口口 曰曰曰日日1 1 1 1 1阅阅以以习习 透透比比因因l l l叨叨 圈圈口口 口口口囚囚l 口口口口 ! 叼叼
8、日日叼叼园园l l l朋朋 圈圈口口、815姗1 5 7 0蒯 2 5 0飞泛的J一。一刘叶笠五目赛瞬世提派只唱 1 296 3 01 0 04 01 66 3幼0之、 、心哥淡梢葵花磨磨磨磨磨磨磨流介质质材材料料料粘度度硬硬度度度容量量成成分等等等靡 料等等机机床与工具具具具具具具具具具具工件几何形状状 夹夹具设计计计可调整的参数数数挤压通道形状状介介质缸径径径压jJ J J J J长径比等等夹夹紧I玉力力力循环次数等等等等等等等等等等 自自适应控制制制制吹卜f黑185080 024 001lf l o介质粘度w叽N黑图2介质枯度对材料去 除率、倒圃半径和表面粗糙 度的 影响l 1 图1磨耘
9、 流 加工 的影响因素任子。 一坐共困逐一行jl曳担理奔目粥只喝 ,叼卜沁沁_ _ _Z Z Z Z Z 习习一一一一一之之之之一一 宁宁宁宁才才, ,/ / /沪J户一一邵邵邵 白r一一丫尸尸尸尸(曰已若刃月甚妓翱丈挺工.磨流介质的特性与参数选择磨流介质是由载流体(基体)和磨料组成,是一种在一定压力下可流动的混合物。而基体则是 由一种具有粘弹性的半固态 的高分子聚合 物加 上凝胶(软化剂)、润滑剂等配制而成。基体的粘度是介质的主要特性。标准粘度代号有noso(Hv)、n 一00(MHV)、DZoo(MV )、D3o o(LMV )、Dso o(LV)5种。聚合物与凝胶的比例不同,基体的粘度也
10、不同。可以把高、低二种标准粘度(代号)的基体均匀混合制成 中间粘度的基体。介质的规格是按基体的粘度、磨料材质、粒度和含量加以确定。图2是粘度对材料去除率、倒圆半径和表面粗糙度影响 的一组试验 数据川。试验条件 是:介质基 体10 0%;SIC磨料60#,80%;充填磨料S IC 800#,20%。试件材料C 15(碳钢),介质压力P 二3Ma P,试验孔径d。=4m m,孔长L。于Zomm;加工循环次数n二=2。由图可见,介质基体的粘度对加工效果有较明显的影 响。试验表明,在其他条件相同情况下,最低粘度基体介质的材 料 去除率与最高粘 度 基体的介质相比约差30 0倍。倒 圆半径的变化则与此相
11、反。图3是磨料含量对材料去除率、倒圆半径和表面巨空工艺技术i sC6 0#的百分含量(% ).一A叭.一心,、一乓图3磨抖含量的影响l 表3磨抖含量的选择基基体粘度度基体重量为 1 00时的的介质中磨料的的磨磨磨料百分含量量百分比(%) ) )D D D05 0 0 01003 00 0 05075 5 5D D D 100 0 01020 0 0 04 06 6 6 6D D D 20 0 0 050100 0 03 555 5 5D D D3 00D500 0 03 37 0 0 02 540靳工艺新技术断设备介质流量对材料去除量 的影响见表4。表4流 速与去除1 试验试试验验介质质压力力
12、试前沮度度试后温度度流速速去除 t t t号号号号(MPa) ) )( ) ) )() ) )(C.C/s) ) )(m m) ) )1 1 1 1 1MHV一70 0 07 7 72 2 2 233 3 36。3 3 30.023 3 32 2 2 2 2MHV一70 0 07 7 74l l l47 7 71 3.0 0 00023 3 33 3 3 3 3MHV一70 0 07 7 75 5 5 543 3 31 13 3 30.0 23 3 34 4 4 4 4NH V一7 0 0 0? ? ?63 3 35 4 4 41 2.0 0 0nn90 0 0磨料 含 t基体枯度磨料位 度挤
13、压力t和孔长 (乙妇孔径心)1 0 %一1的%高中一低枯20招一t朋二1.4一3Ma Pol一5m 0m4一l阮mo / o )姗缀姗o o 5嘿从表4可见,压力和循环次数不变时,流速改变对于金属去除量的影响是不显著的。2.挤压力的影响 图4是挤压力对材 料去 除率和表面粗糙度的影响2。试件材料40 CrMnMo,孔径15.875m m,孔长5 0sm m。介质流量l148升/行程。磨料. S IC7o“,含量 6 0%。进行正交试验的粘度水平为LV、MV、MHV;三个压力水平为3.5、7、1 0.SMPa。图4是三次试验结果的平均值。从图可见,在低压力和中压力(或 中高压力)二者之间材料去除
14、率有较大差别,而在较高压力时,这种差别不明显。对于表面粗糙度 的影响也有类似情况。年年年年年年年年年年年年年哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥日日日日日日日日日日。 。 。p切切切切目目” ” ” ”l l l l l目因因因因因日日日目目眨泛】炸。孔中介质流速!乙二A叭材料 去除率图5各种影响因素的综 合 比 较挤压力 (MPa)挤压力对材料去 除率和表面粗糙 度的影响3.各种影响因素的综合比较图5分别就磨料配比、基体粘度、磨料粒度、挤压力、工件材料、孔长和孔径等对介质流速和材料去除率的影响进行了综合比较。由图可见,磨料配比、磨料粒度和介质基体的粘度对于材料去除率和介质在孔内的流速均有重要影响.
15、在给定条件下,其他 因素的影响相 对较小。图中以第一个参数的影响为 1 00%作 为比较点。4.值得注意的几个问顺(”对于窄小通道的磨粒流加工应选用低粘度基体和细磨料。磨料粒度的选择除了考虑加工要求之外,还要防止磨料因“架桥”而堵塞。一般磨料 的粒度尺寸应 小于最小通道直径的15 /。而且正式加工前应将介质用不锈钢滤网过滤和均匀化处理。(2 )在介质类型和挤压力选定以后,严格控制通过欲加工表面的介质量是很重要的。在加工试验中,如果循环次数一定而且每一行程的介质量不变,那么尽管介质的温度随着多次循环加工会升高并引起介质流速的变化,但并不影响金属的去 除量。在其他条件相同情况下,材料去除量仅与参加
16、工作的磨粒数有关,只要次数相同,材料的去除量应该一致。同一种介质在不同温度下的粘 度变化,并不意味着基体的组成配比即有机硅聚合物的含量有什么变化,而影响介质粘弹性(影响去除率)的主要因素是聚合物的含量。介质温度的变化不影响去 除量但影 响去除效率(介质流速和循环时间)。在磨粒流加工中首先应该考虑去 除量要一致,因此要严格控制工作介质的数量即循环次数及每一行程的介质量,以及夹具的密封等来最终保证工件尺寸的一致性。至于去除率,主要应通过限制器的设计和改变介质类型以及工艺参数来调整。( 3)设计夹具(限制器)时,工件在夹具中应定位牢靠,夹紧面和定位面要干净、封严。否则易造成工件错位,通道 变化 产生去除量不均匀,局部表面压坑 或介质局部泄漏及工件或者夹具局部破坏。总之,流动通道的变化将难于保证加工的稳 定性和工件的加工精 度。在实际加工中这也是造成废品白饭主要原因。( 4)加工 中介质的温度会逐渐升高,当升高到一
