基于有限元分析的微型磨料流机床研究*

刘 慧，宋桂珍，李金羽

(太原理工大学 机械工程学院，太原 030024)

0 引言

上世纪八十年代，磨料流加工机床随着铝型材成型设备被一同引进到国内，引起国内学者和技术人员的广泛关注[1-2]，开展相关研究并取得了一批理论成果[3-6]，同时在模具﹑结构零件﹑液压元件﹑齿轮等的加工中获得成功应用[7-10]。磨料流加工的关键因素在于粘弹性流体磨料，它具有流动性，在窄缝﹑微孔﹑曲面及异形孔腔等的加工中具有独特的优势。粘弹性磨料属于高粘度的两相流体，针对其在窄缝﹑微孔道中的流动研究多为流场分布和工艺参数影响的研究，关于其流动特性至今尚未被业内透彻掌握[11-12]。国外的相关研究也一直在不断深入之中[13-14]。

为了深入研究磨料流加工中的流动特性﹑材料去除机理，同时从经济适用的角度考虑，研发微型磨料流加工机床，以便开展充分的实验和微小零件的应用研究。高粘度流体磨料被挤压流过窄缝﹑微孔时的阻力很大，所以机床的负载很大，但是工件上被加工孔道或利用夹具构造的孔道越窄小，加工效率越高，效果越好。因此，磨料流机床无论规格多大，都必须承受很大的工作载荷。为了预测微型磨料流加工机床结构设计方案的合理性，以及在加载条件下床身的变形情况和应力分布情况,进行了有限元分析和结构优化,使得机床满足使用要求[15-16]。

1 磨料流加工原理

图1所示为磨料流加工原理，加工之前将粘弹性流体磨料装入下料缸，用夹具夹持固定工件，然后置于上、下料缸之间，启动机床使得上下料缸将夹具锁紧，上下料缸及工件、夹具就构成密闭通道。然后，通过外力驱动下料缸活塞挤压流体磨料，流经密闭通道进入上料缸。

粘弹性载体带动磨粒流经工件加工表面的过程中与工件表面存在挤压摩擦作用，所以，经过数次循环加工以后，工件的被加工表面质量有所提高。

图1 磨料流加工原理

2 微型磨料流加工机床设计方案

在分析磨料流加工机床的工作特点和受力状况的基础上，根据磨料流加工原理做了如图2所示的设计方案。微型磨料流机床的推料力和夹紧力均由液压力提供。为了使液压能得到充分利用，将定梁设置在上，动梁设置在下，而且夹紧缸活塞杆在工作过程中受压，无杆腔能够提供更大的工作载荷。

图2 磨料流机床原理图

3 整机力学分析

3.1 结构模型

微型磨料流机床的三维装配模型在UG软件中用拉伸、旋转等命令完成建模和装配，螺栓﹑螺母等标准件从标准件库中调取。

微型磨料流机床的主要技术参数：

微型料缸直径：63mm；

推料行程：100mm；

推料缸直径：100mm；

锁紧缸直径：80mm；

动梁行程：280mm；

系统工作压力：16MPa。

3.2 静力学分析

3.2.1 模型导入

微型磨料流机床的三维模型如图3所示，用UG8.0软件导出微型磨料流机床的三维模型，然后导入ANSYS WORKBENCH软件中进行有限元分析。为了减小计算量，对三维模型做了简化，有限元模型中将圆角、销轴、螺纹以及非重要受力部件省略。

图3 磨料流机床三维模型微型

3.2.2 定义材料属性

有限元分析时活塞用HT350，导套用锡青铜，其余部件用45钢，需要在WORKBENCH中定义这几种材料。材料属性如表1所示。

表1 材料属性

3.2.3 划分网格

微型磨料流机床的网格由软件自动划分，划分完成以后网格单元数量为188024，节点数为382885。

3.2.4 设置边界条件

考虑到磨料流加工的实际情况，对机床的底座下底面施加固定约束。

重要位置的螺栓施加预紧力，查手册得M8螺栓的预紧力为7750N，按照50%施加。

根据薄壁圆筒的计算公式求得磨料的最大工作压力为38MPa,锁紧液压缸活塞最大压力为11.5MPa,推料液压缸活塞最大压力为15.5MPa。上﹑下料缸工作载荷为115552N。

3.2.5 结果分析

有限元分析整体变形量云图如图4所示,当上、下推料缸推料时静梁和动梁均会发生沿Z轴方向的挠曲变形，导致上、下推料缸和料缸发生沿Z轴方向的位移。当下推料缸活塞向上推料时，上料缸和上推料缸的位移量较大。动、静梁的变形均不利于对夹具的夹持和磨料流通道的密封。微型磨料流机床的导柱在Z轴方向所受拉力较大，导柱的变形会导致动梁导向精度下降和运动不稳定。图5所示为有限元分析等效应力云图，最大应力234.7MPa出现在导柱一端的锁紧螺母上,超出了许用应力，工作过程中属于危险部分。

图4 磨料流机床位移分布云图(m)

图5 磨料流机床应力分布云图(MPa)

3.3 结构优化

为了使微型磨料流机床在工作时对于磨料通道的密封效果更好﹑对夹具的夹持效果更好﹑动梁的运动更稳定，进行了结构优化。动梁沿Z轴方向运动时，用如图6所示的直线导轨导向代替导柱导向，导轨一部分固定在机架一侧，另一部分固定于动梁一侧。优化后的位移云图如图7所示，等效应力云图如图8所示，总体位移有微量减小，最大应力由234.7MPa降到220MPa。优化后最大应力220MPa出现在料缸的拉杆头部位置，其余位置应力都小于许用应力，所以需要选择性能等级为5.6级、最小直径为12mm的拉杆即可避免工作中拉杆被破坏。

1.导轨 2.滑块 3.反向器 4.防尘密封端盖 5.油杯图6 直线导轨

图7 优化后磨料流机床位移分布云图(m)

图8 优化后磨料流机床应力分布云图(MPa)

3.4 承载极限评估分析

为了预测微型磨料流机床在工作过程中的承载范围，以磨料流抛光毛细管的压力分布模拟结果为例进行加载，得到如图9所示的压力-最大变形量曲线图和压力最大等效应力曲线图。从图中可以看出当压力低于35MPa时，微型磨料流机床均可以正常工作。

图9 微型磨料流机床压力-最大应力和压力-最大变形量曲线图

4 结论

围绕微小零件的光整和实验，以小型、高效、节能等为目标开展了微型磨料流加工机床的研究开发。通过应用有限元分析对整机结构的合理性及优化做到了预测、预评。研究结果表明：电液联合控制的微型磨料流机床料缸直径63mm,液压驱动系统的压力16MPa，流体磨料压力可达35MPa,机床的最大变形仅0.4mm。动梁的运动导向用直线导轨比导柱更稳定，料缸两端端盖的拉杆性能等级为5.6级，最小直径需要12mm。

[1] 李元宗，阎慕良，杨树国.磨料流加工技术 [J].电子工艺技术,1987(7)：10-12.

[2] 武利生,李元宗.磨料流加工研究进展磨料流加工研究进展 [J].金刚石与磨料磨具工程,2005，2(1):70-74.

[3] 汤勇，周德明，夏伟,等.磨料流加工壁面滑动特性的研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2001,29(1): 34-37.

[4] 宋桂珍，李元宗，王绪柱.磨料流加工中流体磨料粘度的模糊分级[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2009,30(5):485-488.

[5] 赵嘉，方亮，孙琨. 磨料流加工过程中介质黏温特性对金属磨损性能的影响[J]. 摩擦学学报,2008,28(2):173-177.

[6] 赵轩达，祝锡晶，庞昊斐. 超声辅助磨料流加工的材料去除机理及参数研究[J].热加工工艺, 2017,46(6):163-167.

[7] 宋桂珍，程建明，董志国. 磨料流加工在塑料成型模具制造中的应用[J].模具制造, 2009, 9(10):19-22.

[8] 宋桂珍，程建明，李元宗. 磨料流加工技术在热流道模具制造中的应用[J].模具制造, 2009 ,9(2):91-93.

[9] 闰慕良，李元宗. 磨料流加工齿轮的试验研究[J]. 现代制造工程,1985(1):37-39.

[10] Fu Youzhi,Wang Xuanping,Gao Hang. Blade surface uniformity of blisk finished by abrasive flowmachining[J]. The

International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 84(5-8): 1725-1735.

[11] 刘薇娜，蔡智杰，李云峰. 喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验[J]. 中国机械工程, 2017, 28(1):13-19.

[12] Tina Bremersteina， Annegret Potthoffa， Alexander Michaelisa，et al. Wear of abrasive media and its effect on abrasive flow machining results[J]. Wear, 2015, 342-343: 44-51.

[13] E Uhlmannab, C Schmiedela,J Wendlera. CFD Simulation of the Abrasive Flow Machining Process [J]. Procedia CIRP, 2015, 31: 209-214.

[14] E Uhlmanna,V Mihotovicb,S Roβkampa,et al. A Pragmatic Modeling Approach in Abrasive Flow Machining for Complex-Shaped Automotive Components [J]. Procedia CIRP, 2016, 46: 51-54.

[15] 曹力，钟建琳 .基于ANSYS Workbench的床身材质对机床动力学特性影响的分析[J].组合机床与自动化加工技术,2015(2):61-64.

[16] 茅启园，沈建明. 基于ANSYS Workbench的加工中心横梁有限元分析与优化[J].组合机床与自动化加工技术, 2016(6):78-80.