作者：Mejar Singh, Sushil Mittal
　　摘要：磨料流加工（AFM）是以磨料介質(zhì)在壓力下流過工件所需加工的表面，進(jìn)行材料去除以改善工件表面粗糙度。AFM對復(fù)雜的內(nèi)表面和難以加工表面是最為有效的可加工方法。本文利用田口分析法在6061鋁合金工件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以此來研究不同輸入?yún)?shù)對材料去除率（MRR）的影響，磨料粒度、載體性能、循環(huán)次數(shù)和磨料濃度是影響AFM性能的重要參數(shù)。工藝變量對MRR的影響是本文的研究目的。
　　關(guān)鍵詞：磨料, 加工, 精磨, 田口法

　　1、引言
　　磨料流加工（AFM）是以磨料為介質(zhì)在壓力下流過工件所需加工的表面，進(jìn)行材料去除以改善工件表面粗糙度的一種新型機(jī)械加工方法。AFM工藝通常有三種類型：單向、雙向、軌道AFM。在雙向AFM工藝中有兩個汽缸存料，一個來自下汽缸泵的磨料裝載介質(zhì)，一個來自上汽缸構(gòu)成一個磨料加工。對于復(fù)雜非對稱形狀或輪廓的零部件、孔洞和底切，就需要進(jìn)一步的精加工以獲得更好的工件質(zhì)量性能和生產(chǎn)力。載體磨料在壓力下流經(jīng)工件，AFM工藝中的載體性能十分重要，必須具備良好的粘彈性和非粘性。所用聚合物磨料介質(zhì)要有良好的流動性，自我可變形型以及研磨性能。工藝所用載體通常為硅聚合物的粘性液體；所用磨料通常為碳化硅、氧化鋁、碳化硼和金剛石等。夾具設(shè)計(jì)是影響輸出反映的重要因素。研磨類型和研磨位置取決于機(jī)床和夾具類型。

　　2、文獻(xiàn)綜述
　　T.R. Loveless等人利用車削、銑削、磨削和走絲電火花加工研究AFM工藝對工件表面的影響。所研究加工特性包括材料去除率和表面精加工改善。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)加工工藝類型既影響金屬去除又影響表面精磨。工件初始表面狀況對金屬去除影響顯著。AFM工藝對走絲電火花加工的改善特別明顯。介質(zhì)粘性對表面質(zhì)量影響特別明顯，擠壓力的影響則不大。
　　V.K. Jain等人研究發(fā)現(xiàn)AFM工藝能為諸多工業(yè)零部件加工出表面生成率經(jīng)濟(jì)可行的高質(zhì)量工件表面和精密容差。該研究利用有限元素法（FEM）對外表面精加工中的AFM工藝進(jìn)行研究。為研究AFM的材料去除機(jī)制，實(shí)驗(yàn)建立了單個磨料上作用力的有限元素模型。利用響應(yīng)曲面法（RSM）分析研究擠壓力和循環(huán)次數(shù)對材料去除和表面精加工的影響。最后，將有限元素模型求得的材料去除數(shù)據(jù)和AFM工藝的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比。Jain提出了一種反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和一種并行于拉格朗日乘子算法的二次網(wǎng)絡(luò)。該模型將性能指標(biāo)最小化至適宜的加工條件，從而求得最佳精加工參數(shù)。
　　Ramandeep Singh等人研究發(fā)現(xiàn)利用半固態(tài)粘彈性或粘塑性磨料裝載介質(zhì)在工件表面流動可以實(shí)現(xiàn)材料去除。實(shí)驗(yàn)對磨料裝載粘彈性介質(zhì)的不同外流通路或出口對工件表面性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，對介質(zhì)外流有單通路或單出口的工件表面的材料去除較高，表面粗糙度改善程度較好；工件性能隨介質(zhì)外流出口數(shù)目的增多而降低。
　　Liang Fang等人研究發(fā)現(xiàn)溫度對加工效率的影響至關(guān)重要。介質(zhì)溫度隨循環(huán)次數(shù)增多而增高，也即介質(zhì)粘度隨循環(huán)次數(shù)增多而下降。AFM試驗(yàn)表明循環(huán)次數(shù)的增大會顯著降低材料去除并降低表面粗糙度的改善程度。使用不同粘度的介質(zhì)時，高粘度介質(zhì)的材料去除率更高，表面粗糙度改善程度在最初循環(huán)次數(shù)階段也比低粘度介質(zhì)的表面粗糙度改善程度要好；但隨著循環(huán)次數(shù)的增多，不同粘度介質(zhì)的表面粗糙度改善程度的差別逐漸降低。根據(jù)介質(zhì)的穆尼粘度和溫度之間的關(guān)聯(lián)可以得知，溫度升高直接導(dǎo)致介質(zhì)粘度的下降。當(dāng)加工循環(huán)增多時，介質(zhì)溫度迅速升高，介質(zhì)粘度隨之下降。為研究材料去除率隨溫度的下降機(jī)制，實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）預(yù)測磨料的運(yùn)動趨勢，并構(gòu)建了一個AFM二維模型。模擬結(jié)果表明，介質(zhì)溫度增高會引起磨料顆粒的旋轉(zhuǎn)趨勢增大，進(jìn)而導(dǎo)致材料去除率下降。
　　Jose Cherain等人的研究中，不同工藝參數(shù)包括磨料粒度、加工時間、磨料硬度和磨料速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加工效率和加工時間以及加工材料的機(jī)械性能關(guān)系密切。AFM工藝可以實(shí)現(xiàn)良好的表面精加工且不會影響工件的幾何公差。
　　R.S. Walia等人將AFM工藝和磁力相結(jié)合以此來研究材料去除率的改善。通過對螺線管施以直流電流，在圓柱形工件標(biāo)準(zhǔn)長度的周圍產(chǎn)生垂直于工件軸的磁力。實(shí)驗(yàn)對影響工藝的不同參數(shù)進(jìn)行討論并研究了其中的關(guān)鍵參數(shù)。
　　M. Ravi Sankar等人研究表明AFM工藝在二十世紀(jì)六十年代主要用于去毛刺、拋光和復(fù)雜形狀難加工表面的處理，利用磨料粘彈性聚合物進(jìn)行加工。采用兩個垂直對立的液壓缸反復(fù)擠壓工件和工具之間的磨料；介質(zhì)所到之處即發(fā)生研磨作用。AFM工藝的關(guān)鍵因素是機(jī)床、工具和磨料介質(zhì)。
　　工藝輸入?yún)?shù)如擠壓力、循環(huán)次數(shù)、磨粒組份和類型、工具和固定裝置對AFM輸出響應(yīng)（材料去除和表面精整）都有影響。AFM工藝加工得到的表面粗糙度可達(dá)0.05μm；去毛刺孔可達(dá)0.2mm。AFM在航空航天、醫(yī)學(xué)、電子、汽車、精密模具等諸多工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。為克服AFM工藝中的一些缺陷，如較低的精磨率和修整幾何精度等，研究者提出了多種方法，如M-AFM、DBGAFF、CFAAFM、螺旋拋光和R-AFF等。

　　3、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
　　圖1為AFM工藝的桌面裝置的裝配圖。兩個汽缸：液壓缸和介質(zhì)缸。沿工件的加工表面或狹窄通道以液壓或機(jī)械方式將介質(zhì)從填料室擠出至空室。介質(zhì)以一定循環(huán)次數(shù)在填料室之間反復(fù)擠壓。柱形工件固定在夾具上。利用活塞對介質(zhì)施以擠壓力時產(chǎn)生了兩種力：徑向力和軸向力。實(shí)驗(yàn)所用介質(zhì)為硅聚合物?；钊某跏嘉恢糜绊懡橘|(zhì)容積。連接控制單元的液壓缸控制著介質(zhì)的運(yùn)動。利用法蘭將介質(zhì)缸之間的固定裝置夾緊，如圖1所示。 　　3.1 實(shí)驗(yàn)步驟
　　利用AFM工藝在圓柱形工件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。先將介質(zhì)在試驗(yàn)工件上試加工20-25個循環(huán)使其混合均勻。由預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果可知，三個顯著變量為循環(huán)次數(shù)、磨料粒度和磨料濃度。實(shí)驗(yàn)中改變其中一個變量，保持其他為常量。每次加工都計(jì)算材料去除率輸出響應(yīng)以此作為性能指標(biāo)。
　　3.2 實(shí)驗(yàn)材料
　　工件材料為6061鋁合金，工件上待加工的孔洞經(jīng)過鉆削加工和鏜削加工以達(dá)到要求尺寸，如內(nèi)直徑7mm、外直徑12mm、長度50mm。利用AFM工藝對內(nèi)圓表面進(jìn)行加工。所用介質(zhì)為硅聚合物、液壓油和磨料（碳化硅）。每個工件加工若干循環(huán)然后進(jìn)行丙酮清洗。
　　3.3 固定裝置
　　固定裝置有尼龍材質(zhì)制備而成，用于夾持工件，如圖2所示。 　　4、工藝參數(shù)
　　所選參數(shù)及其范圍值如表1所示。 　　5、實(shí)驗(yàn)觀察 　　6、實(shí)驗(yàn)分析
　　采用L9正交陣列使用田口法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。輸入?yún)?shù)為磨料濃度（A）、磨料粒度（B）、循環(huán)次數(shù)（C）；輸出響應(yīng)為MRR。 （詳細(xì)內(nèi)容敬請點(diǎn)擊這里）