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单向磨料流加工的改进过程控制和轴向力模型
马丁·斯瓦特(Martin Swat)，霍斯特·布鲁内特(Horst Bruuml;nnet),娜塔莉亚（Natalyiya Lyubenovaa），约阿希姆·施密特（Joachim Schmittb），斯蒂芬·迪伯斯伯（Stefan Diebelsb），德克·巴赫(Dirk Bauml;hre)
生产工程学院，校园A4.2，德国萨尔布吕肯66123 b
德国萨尔布吕肯66123校区应用力学系主任
摘要
磨料流加工(AFM)是一种以去毛刺和高性能加工表面为目的的磨料加工工艺。硅酸盐介质是由液压缸通过工件的内部几何结构而形成的.介质中含有一定量的碳化物或金刚石等磨料颗粒，影响去除率和表面质量。例如，燃油喷射系统的部件被处理的过程，以承受更高的内部压力。一个目标是改善表面质量，另一个目标是降低由于磨料去毛刺和确定圆角而引起的孔口应力集中。本文提出了一种将一次加工过程中活塞压力的不同水平相结合的优化过程控制方法。这可以与常规加工中的粗加工和精加工相比较，并被认为是为了在尽可能低的表面粗糙度的同时减少提前期。调查使用了一种常用的AISI 4140汽车用钢。此外，还将建立一个基于过程中轴向力测量的力模型.力模型研究了活塞压力对AFM介质摩擦条件的影响。
关键词：精加工；去毛刺；磨料流加工
1.导言
液压元件经常受到脉动压力载荷的作用。因此，这些部件的表面完整性对其抗疲劳性起着关键作用。对于内部几何形状复杂的部件，例如孔口，尤其如此。为避免裂纹萌生，需要改善此类失效临界区的表面质量。这可以通过适当的抛光工艺来实现，从而有效地降低表面粗糙度[1]。磨料流加工(AFM)是一种非常规的磨料切削过程，在这种过程中，含有磨料颗粒的聚合物基柔韧载体介质通过难以到达的内部几何图形强制进行加工。在此情况下，表面粗糙度Ralt;1mu;m和定义的边缘四舍五入是可以实现的[2，3]。AFM介质常被称为“液体砂纸”或“珩磨石”，用来描述介质的粘弹性行为。一方面，当压力缓慢地加载时，介质往往会流动。另一方面，当它被快速加载压力时，它就像石头一样坚硬。本文对活塞压力对表面光洁度和直径加宽的影响进行了参数研究。在文献[4，5]的基础上，将粗加工和精加工相结合的两种加工策略与高、低压加工策略进行了比较。从加工时间和加工公差两个方面对结果进行了讨论。并给出了轴向力的过程测量结果。活塞压力和通道长度的影响。对轴向力和体积流量进行了测量。在研究中，改进了[4，5]轴向力测量的布局，扩大了轴向力测量的范围。研究参数。本文介绍的结果可用作数字逆拟合的输入模拟模型。
- 最新情况
AFM是一种磨料切割工艺，可用于加工复杂的内部几何形状。 改善表面光洁度减少零件应力并降低孔内的应力集中定义的边圆角相交。 切割AFM工艺中的工具是硅酸盐基弹性介质装有大小不等的磨料颗粒浓度。 工艺参数可分为工件，介质和机器的参数参数[6]。
机器最重要的两个参数影响加工表面的质量和加工时间是AFM循环数和施加的活塞压力的大小。 范围现有调查中使用的循环数非常多。进行了多达15个AFM循环的一些实验[4，9-11]，而对于其他调查，周期数大约是100 [7]。 在现有文献中，大多数研究中使用了范围为5至80 bar [8、12、13]。
PRZYKLENK [3]研究了AFM加工零件的表面质量，使用的压力范围为14 bar至30 bar，并观察到更高的机加工压力导致更快地降低表面粗糙度。BAuml;HRE等。 [4]施加的活塞压力为40至70 bar并观察到相同的行为。 因此，BRUuml;NNET等。[5]提出了一种结合了不同的工艺优化一个加工操作中的压力水平以获得一个在表面粗糙度和机械加工之间进行适当的权衡时间。 拟议的优化策略在此应用
原子力显微镜中的轴向力受AFM介质的行为。 AFM的流动模式介质取决于加工参数，应用介质的特性以及工件和工具的配置[2]。GORANA等。调查了轴向和径向力使用自行设计的两分量圆盘测功机进行原子力显微镜[13]。他们发现施加的挤压压力具有对测得的轴向力影响最大。主动晶粒密度和磨粒浓度显示在他们的实验中影响很小。在另一个出版物，GORANA等。与测得的力有关在AFM期间计数到有效切割的数量原子力显微镜糊中的颗粒[14]。载体的影响介质和磨粒对测得的力为仅用托架通过力测量来区分介质和载有磨料颗粒的载体介质。力的差异归因于切割晶粒，每个活性晶粒的平均切削力为派生。实验结果已与单一晶粒与金属之间相互作用的理论模型工件。发现摩擦和耕作机构存在并有助于轴向力。轴向力还取决于AFM的粘度糊。 SZULCZYNSKI显示该浆料是非牛顿流体。工作之间的相关性压力和糊剂速度是非线性的，具体取决于糊的温度[15]。 UHLMANN等。提出了数值模型和过程模型以加速用户定义的AFM应用程序设计[16]。米奥维奇开发了用于切削机理的数值模型陶瓷材料[17]。他应用了计算流体动态（CFD）模拟来描述流AFM中的条件。施密特最近提出了开发类似流变学研究的仿真模型原子力显微镜糊的性质和轴向测量的方法[18]。
- 实验装置
提出的调查是使用ExtrudeHone Vector AFM机器，如图1所示。配备两个垂直相对的圆柱体，因此允许单向和双向AFM。 在这里，只有下缸被认为是单向原子力显微镜。 活塞压力可以在28至105 bar的范围内调节。
图1：应用挤压向量的AFM机[4]
设计了一个灵活的夹紧块，以允许不同工件的加工[4]。夹紧是使用中心销固定在下部介质缸上方。一种可移动的盖板关闭了夹紧块，并且夹在液压夹紧缸之间。通过删除盖板可以重新装满夹紧块在每个AFM周期后使用培养基。的出口可以通过使用不同的适配器件来调整治具为了确保一定的灵活性。夹紧是用来容纳不同的工件组合适配器。夹具通过一个固定在夹具上螺丝配件。
现成的高粘度EM24640培养基已经被应用。 它由聚合物载体和添加剂和磨粒。 介质的密度为1.9 g / cm3，磨料的材料为氧化铝。 晶粒尺寸为300 – 600mu;m用数字显微镜测量。 其他流变学性能和有关使用过的添加剂的信息均没有供应商可以提供。
4.AFM参数调查的布局
4.1.工件和材料
对于提出的研究，圆柱形工件使用图2所示的几何形状。 他们内径为6毫米，通道长度为60毫米 工件由高强度制成AISI 4140钢，极限强度为1,073 MPa，杨氏模量为211,000 MP
图2：用于参数研究的工件几何形状[4]
4.2.评估流程链
首先，使用单向AFM加工工件。加工循环后，零件被清洗并测量粗糙度和直径。 工件在超声波浴中清洗。 他们沉浸在与清洁剂一起在40°C的水中浸泡10分钟Tickopur R33。 一台Zeiss Prismo 3D计量机器用于测量直径。 五个的平均值测量位置用于评估直径扩大。为了进行粗糙度评估，对工件进行了测量Mahr MarSurf XR20表面计量系统。 的设备在测量范围内的分辨率为0.076mu;m /- 25微米 在这里，应用了五种测量长度它们中的每一个旋转0和180度时的长度均为5.6毫米。10次测量的平均值用于评估粗糙度。 根据DIN EN ISO 4287，参数Ra和Rz由测得的粗糙度轮廓得出。
5.过程中轴向力测量的布置
5.1.工件和材料
利用三种适配器件对轴向力进行了研究。适配器的通道长度(Lp)不同。从50毫米到100毫米和150毫米，如图3所示。适配器的入口包括一个30度的锥。外径设计为适合夹紧块。
表示轴向力测量的布局为了研究更广泛的所有三个长度的适配器的活塞压力水平。 在在本文中，适配器的直径减小到6毫米。所有三个适配器均由高强度钢制成AISI 4140。
图3：用于研究轴向力的工件几何形状[4]
5.2.测量技术与评价
为了获得足够快、准确的力信号，采用HBM Gen5i高速数据采集系统。它将工业PC、数据采集和瞬态记录系统集成在一个便携式系统中。采样采用1 KS/s，分辨率为16位，采用插入式隔离桥放大器卡进行采样。在进行调查之前，已经做出了一些努力来确定一个苏。可在过程中建立测量装置。商业上的选择可用的单组分力传感器，根据不同的参数，测量轴向力分量及其灵敏度。Futek LTH350传感器的测量范围为 /-2，224 N，最大非线性偏差为 /-0.5%。这导致了一个最大约11 N的非线性误差，传感器没有接触到介质，这是一个比现有的设置相对来说很大的优势的设置。直接加工后，测量了介质的温度。一个CONATEX特斯托925温度计被一直放置在介质中，记录并测量的平均温度。
6.结果和讨论
6.1.基础单向AFM调查
在所提出的粗糙度研究中，使用了八个部分。他们暴露在不同的压力下。提出了四种策略，每种策略采用两部分。在策略1中，工件在压力为70 bar的情况下处理5次，40次处理40次，40次处理40 bar。在策略2中，工件被加工10个周期，70 bar，其余35个循环，40 bar。其余部分分别暴露于70 bar或40 bar，共42次。后两种战略以前都是执行和提出的[5]。一个加工周期对应于下介质缸的全挤压，相当于4.5kg的介质。必须考虑的是，虽然所有工件都暴露在相同数量的AFM循环中，但由于施加的活塞压力，总的加工时间有很大差异。70 bar的一个周期大约需要20秒，而40 bar的治疗持续时间约为100秒。在图4中，四种不同策略的粗糙度由参数R描述。每个部分的标准差显示在图的较低部分。
图4：Ra循环次数和活塞压力
在用AFM加工零件之前，先对它们进行镗加工。可见，预加工导致初始粗糙度Ra为3至4mu;m。一个例外是用40 bar处理的两个工件，其粗糙度较高且变化很大。 这个可以归因于预加工条件。 离开除了初始表面粗糙度的差异外假设策略1，策略2和40 bar的产量为可比较的最终粗糙度约为0.5mu;m。
考虑到70 bar的加工是比使用40 bar加工快得指出与40 bar策略1和2相比，减少加工时间。与此相反，加工仅70 bar的压力可确保最短的治疗时间，但是24个循环后的表面改善仍保持在大约1mu;m，甚至最终稍微劣化。图4下部所示的标准偏差显示所有工件的初始粗糙度不均匀。即使以40 bar加工的零件显示出最高的粗糙度的初始标准偏差，随着AFM数量的增加，粗糙度显着降低周期。加工后，表面偏差这些零件的粗糙度几乎可以忽略不计。与之相反对此，以70巴加工的工件显示出初始粗糙度的标准偏差，仅在以后通过AFM加工略有减少。可能是一样的在策略1和2中观察到，在前5和10个周期中，分别。在这些循环中，70 bar的压力为使用粗糙度的初始标准偏差为仅略有下降。之后，用进行40 bar，标准偏差为显着降低并且均匀的表面粗糙度实现。由此得出结论，用40 bar可确保更高的处理表面质量。绝对值以及标准偏差。使用这个策略，绝对粗糙度Ra为0.5mu;m甚至更低已实现。 70 bar处理可缩短加工时间长，而且表面粗糙度较高。在这里Ra约为1.0mu;m，标准偏差约为42个AFM循环后为0.8mu;m。
在图5中，描述了粗糙度的减小。 它可以可以看到最低的粗糙度降低显示出件用70 bar处理。 确保40巴的策略粗糙度降低最高，这也归因于最低的初始表面质量。 第二粗糙度本研究中的参数为Rz。 最初，它在17至26mu;m的范围内。 加工后，减小到1.5至4.0mu;m。
图5：Ra相对于循环次数和活塞压力的降低
图6显示了不同的AFM策略。每条曲线均表示平均值两个工件的直径，以五个测量单位测量点。直径最大且最陡可以观察到所处理工件的曲线斜率70巴。直径的加宽对于用40 bar处理过的工件。这可以用一个解释更高的活塞可以更深地切削磨料压力。因此，对于在加工时必须考虑AFM工艺更高的活塞压力。当加工公差低时不仅需要AFM加工公差，还需要必须考虑那些由预加工引起的问题。如策略1和策略2将加工周期与40 bar和70 bar，直径加宽可以预期介于策略40条和策略之间70bar但是，策略1和策略2的最低直径加宽。这种影响可能是由于AFM介质。结果，介质的磨损将在以后的调查中考虑。
图6：直径与循环次数和活塞压力的关系
6.2.轴向力研究
用于过程中测量的实验装置轴向力如图7所示。用于固定适配器工件。 为了保证适配器在X轴上的自由运动，夹紧块和适配器之间的间隙配合。此外，适配器和外壳之间的接触面夹紧块保持尽可能小并清洁每次实验后，避免适配器被卡住由于泄漏的AFM介质和磨料。 由于适配器上的轴向力在加工过程中，力传感器被推向夹紧并记录轴向力分量。 测得的轴向力（FAX）与摩擦力相结合分力（FF）和作用在入口的分力圆锥（FC）。
图7：力传感器实验装置
为了调查AFM介质的行为，活塞压力从40 bar逐步变化到70 bar10巴的压力和适配器的通过长度从50毫米到100毫米和150毫米。请注意70 bar的压力水平不适用于最短的压力适配器，因为机器无法保持此压力恒定在加工过程中。对于所有实验，轴向力和测量了处理时间。为了避免随机效果，每次测量重复五次，如检验前对降低发现在测量的轴向力上的表面粗糙度。所有显示的结果是重复测量的平均值。与平均值的最小和最大偏差轴向力的最大值如图9所示。介质温度的影响，介质是通过加热保持在约2度的温度范围内在实验之前先冷却，然后在试验期间冷却实验。温度窗口取决于活塞压力与加工表面之间的距离介于29和31摄氏度。
在图8中，测力的典型信号是显示。曲线显示轴向力在媒体开始时AFM流程的开始进入工件。此阶段仅持续约1或2秒。然后，随后出现力信号的短暂超调在信号达到稳定状态之前。内稳状态，力信号仅实现了轻微的上升最大且在过程结束时略有倾斜。在流程结束时，当整个介质通过时通过工
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