摘要　　針對H12V190Z柴油機連桿大頭孔表面的磨料流(liu)(liu)加(jia)(jia)工(gong)(gong)方法進(jin)行了(le)(le)研究，利用CFD軟件對(dui)其加(jia)(jia)工(gong)(gong)流(liu)(liu)場(chang)進(jin)行了(le)(le)模擬仿(fang)真，得(de)到了(le)(le)流(liu)(liu)體(ti)磨料(liao)在流(liu)(liu)場(chang)中(zhong)的(de)壓力和速(su)度分布(bu)。結(jie)合工(gong)(gong)藝實驗驗證了(le)(le)經(jing)磨料(liao)流(liu)(liu)加(jia)(jia)工(gong)(gong)后連桿大頭(tou)孔加(jia)(jia)工(gong)(gong)表面(mian)的(de)粗(cu)糙度值有(you)明顯的(de)減小，提高了(le)(le)連桿表面(mian)的(de)質(zhi)量，大大縮短(duan)了(le)(le)加(jia)(jia)工(gong)(gong)時間，提高了(le)(le)加(jia)(jia)工(gong)(gong)效率。

關鍵詞　連桿加工；磨料磨具加工；表面粗糙度值

　　磨料流加工技術作為一種新型的光整加工技術，由于其獨特的加工機理，特別適用于窄縫、小孔、交叉孔和復雜型腔等零件的加工，而且經磨料流加工后零件表面的粗糙度值有明顯減小，零件的表面質量顯著提高，還能大大降低工人的勞動強度，提高加工效率^[1]。因(yin)此(ci)，擴(kuo)大磨料流加(jia)工技術有應用(yong)范圍，使其(qi)適合(he)于不同零件表面的精加(jia)工成為(wei)人(ren)們研究(jiu)的重要課題。

　　連桿作為H12V190Z柴油機的關鍵部件之一（圖1），其加工質量的優劣直接影響發動機的可靠性和壽命^[2]。H12V190Z柴油機連桿的材料為42CrMoA，連桿大頭孔在加工中心上精鏜完成后，要求大孔精度0.02mm，表面粗糙度R_a0.4μm及圓(yuan)柱度0.008mm。由于表面粗糙度值(zhi)達不(bu)到(dao)要求，采用磨料流(liu)加(jia)工(gong)技術(shu)對其孔的表面進(jin)行光(guang)整加(jia)工(gong)。

 連桿大頭孔磨料流(liu)加(jia)工的理論(lun)探討及實(shi)驗研究 style="BORDER-RIGHT: medium none; BORDER-TOP: medium none; BORDER-LEFT: medium none; WIDTH: 232px; BORDER-BOTTOM: medium none; HEIGHT: 225px" height=249 alt=H12V190Z柴油機(ji)發動(dong)機(ji)連桿 src="//zglyh.cn/attachments/images/201202/201206/1.jpg" width=280 longDesc="" />

圖(tu)1　H12V190Z柴油機發動機連桿(gan)

1         連(lian)桿(gan)大(da)頭孔磨(mo)料流加工時(shi)流體磨(mo)料流場的有(you)限元模型建立

　　連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)磨(mo)料流(liu)(liu)(liu)原理及(ji)(ji)實際加(jia)工(gong)(gong)過程如(ru)圖(tu)2所(suo)示(shi)。圖(tu)2a顯示(shi)，加(jia)工(gong)(gong)時連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)被壓(ya)緊在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)上(shang)、下(xia)磨(mo)料缸之(zhi)間，因孔(kong)的(de)(de)(de)直徑較(jiao)(jiao)大，在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)其內(nei)(nei)部放置了一個與孔(kong)同心(xin)的(de)(de)(de)圓柱形(xing)(xing)導流(liu)(liu)(liu)芯(xin)，使連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)與導流(liu)(liu)(liu)芯(xin)之(zhi)間形(xing)(xing)成一較(jiao)(jiao)窄的(de)(de)(de)環(huan)(huan)形(xing)(xing)通道。當(dang)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)活塞擠壓(ya)力的(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)流(liu)(liu)(liu)經(jing)環(huan)(huan)形(xing)(xing)通道。當(dang)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)活塞擠壓(ya)力的(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)流(liu)(liu)(liu)經(jing)環(huan)(huan)形(xing)(xing)通道時，流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料內(nei)(nei)部的(de)(de)(de)磨(mo)粒就會在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)產生刮削作用(yong)，進而對連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)表(biao)(biao)面(mian)進行光整加(jia)工(gong)(gong)。圖(tu)2b為(wei)連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)磨(mo)料流(liu)(liu)(liu)機床上(shang)的(de)(de)(de)安裝(zhuang)及(ji)(ji)加(jia)工(gong)(gong)過程。在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)連(lian)(lian)桿大頭孔(kong)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)磨(mo)料流(liu)(liu)(liu)加(jia)工(gong)(gong)中，光整加(jia)工(gong)(gong)的(de)(de)(de)效果(guo)與流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)環(huan)(huan)形(xing)(xing)通道內(nei)(nei)的(de)(de)(de)流(liu)(liu)(liu)動(dong)狀態(tai)有關(guan)，主(zhu)要的(de)(de)(de)影響因素有環(huan)(huan)形(xing)(xing)通道的(de)(de)(de)寬度(du)、流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料的(de)(de)(de)黏度(du)混合(he)率、推料壓(ya)力等。由(you)于流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)磨(mo)料屬(shu)非牛(niu)頓流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)，加(jia)工(gong)(gong)效果(guo)與多種因素有關(guan)，分析中采用(yong)Fluent軟件模擬(ni)流(liu)(liu)(liu)動(dong)狀態(tai)，確定加(jia)工(gong)(gong)參數。

圖2　連桿大頭孔(kong)內表面磨(mo)料(liao)流加工過程

　　在建(jian)立流(liu)體磨料流(liu)場的(de)有限元模(mo)型時，考慮到三(san)維(wei)模(mo)擬時對(dui)計(ji)算機(ji)的(de)要求(qiu)較(jiao)高，求(qiu)解速度太慢(man)，因(yin)此(ci)將流(liu)體磨料的(de)流(liu)場簡化為如圖3所示的(de)二維(wei)模(mo)型，并對(dui)其各個區(qu)域采用了結構化網格劃分(fen)。

圖3　磨(mo)料流(liu)(liu)(liu)加工連(lian)桿大(da)頭孔時流(liu)(liu)(liu)體磨(mo)料流(liu)(liu)(liu)場的有(you)限元模型

2         邊界(jie)條件與物性參(can)數的設(she)置

　　模擬時，進口邊界與出口邊界具體位置如圖3所示，進口邊界設置為壓力進口條件，其壓力大小為10Mpa；出口邊界設置為壓力出口條件，其壓力大小為標準大氣壓，即101325pa；其余邊界條件均為壁面^[3]。

　　流體磨料選用太原理工大學研制的流體磨料，經實驗測定該種磨料屬于假塑性流體。因此，模擬時采用了non-newtonian-power-law的材料模型，具體參數為：流動指數n=0.5026，黏度系數k=2.0989×10⁴Pa﹒sⁿ。

　　加(jia)工時發動機連桿大頭孔工件尺寸為：孔的(de)長度為50mm，孔的(de)直(zhi)徑(jing)為200mm。

3         模擬結(jie)果(guo)

　　圖4、圖5是連桿大頭(tou)孔(kong)磨(mo)(mo)料加工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)，環形孔(kong)道的寬度Ｂ=4mm時，流體磨(mo)(mo)料在孔(kong)道內的壓力和速(su)度分布的模擬結果。

圖(tu)4　環形孔(kong)道內壁面上沿流(liu)體磨(mo)料流(liu)動(dong)方(fang)向的壓力分(fen)布(bu)

　　由圖4可知(zhi)，在(zai)環形孔道(dao)內流(liu)體磨(mo)料的壓(ya)力在(zai)工件進(jin)、出口較短的長(chang)度上(shang)壓(ya)降(jiang)(jiang)較大，中間部分壓(ya)力呈線性(xing)下降(jiang)(jiang)。

圖5　環形孔道進口、1/2長度、出口位置處流體磨(mo)料的向速(su)度分布(bu) 

　　由圖(tu)5可(ke)知，流(liu)體磨(mo)料在環形孔道(dao)(dao)內的速(su)(su)度(du)(du)(du)沿(yan)孔道(dao)(dao)寬度(du)(du)(du)對稱分布。在進口處由于流(liu)場截面的變(bian)化，流(liu)體磨(mo)料的速(su)(su)度(du)(du)(du)沿(yan)流(liu)動方(fang)向(xiang)逐漸增大，隨后達到穩態，其速(su)(su)度(du)(du)(du)沿(yan)流(liu)動方(fang)向(xiang)不(bu)再(zai)變(bian)化，在環形孔道(dao)(dao)內呈柱塞狀分布；在出口處又由于流(liu)場截面的變(bian)化，其速(su)(su)度(du)(du)(du)沿(yan)流(liu)動方(fang)向(xiang)逐漸減小。4　連桿(gan)大頭孔磨(mo)料流(liu)加工(gong)的實驗研究

　　由磨料(liao)流(liu)(liu)加(jia)工技術的(de)(de)理論研(yan)究可(ke)知：流(liu)(liu)體磨料(liao)在(zai)孔(kong)道內的(de)(de)壓(ya)力差(cha)(cha)與流(liu)(liu)體磨料(liao)邊界層(ceng)和壁(bi)面(mian)間(jian)流(liu)(liu)速差(cha)(cha)的(de)(de)增(zeng)大(da)，都有助于工件表面(mian)材(cai)料(liao)去除量的(de)(de)增(zeng)加(jia)，但壓(ya)力差(cha)(cha)的(de)(de)影(ying)響(xiang)較大(da)[4]。而由模擬結果可(ke)知：隨(sui)著(zhu)環(huan)形孔(kong)道寬度(du)的(de)(de)減小，壓(ya)力差(cha)(cha)與流(liu)(liu)速差(cha)(cha)卻有著(zhu)相(xiang)反的(de)(de)變化趨勢。因此，在(zai)連(lian)桿(gan)大(da)頭孔(kong)磨料(liao)流(liu)(liu)的(de)(de)實(shi)際(ji)加(jia)工中，最終選擇了連(lian)桿(gan)大(da)頭孔(kong)內表面(mian)與導流(liu)(liu)芯(xin)之間(jian)的(de)(de)環(huan)形孔(kong)道寬度(du)B=4mm來(lai)進行(xing)實(shi)驗(yan)。

　　為了觀察連(lian)桿(gan)大(da)頭孔經磨料流(liu)加工(gong)后其表面(mian)粗糙(cao)度值的變化情況，選用了3個連(lian)桿(gan)進(jin)行(xing)實(shi)驗(yan)，并對磨料流(liu)加工(gong)前后連(lian)桿(gan)大(da)頭孔內幾個不同位置(zhi)的表面(mian)粗糙(cao)度值進(jin)行(xing)測量，實(shi)驗(yan)結果如圖(tu)6及表1所(suo)示。

　　從實驗(yan)結果可以看出：經磨料流加工后(hou)，連(lian)桿(gan)大(da)頭(tou)(tou)孔(kong)內表(biao)面(mian)的(de)(de)度(du)值有明(ming)顯的(de)(de)減(jian)小，表(biao)明(ming)在連(lian)桿(gan)大(da)頭(tou)(tou)孔(kong)精鏜工序之后(hou)，增(zeng)加磨料流加工工序可在保證工件直徑及圓柱的(de)(de)條件下(xia)，使(shi)連(lian)桿(gan)大(da)頭(tou)(tou)孔(kong)的(de)(de)表(biao)面(mian)粗糙度(du)值達(da)到設計(ji)要求。

5　結論

　　用有(you)限元理論對(dui)流體磨料在壓(ya)(ya)力(li)作(zuo)用下流過環形(xing)通(tong)道時壓(ya)(ya)力(li)和(he)速(su)度分(fen)布的研究，表明(ming)圓(yuan)環間隙是(shi)影響壓(ya)(ya)力(li)和(he)速(su)度分(fen)布的主要原因。最理想的加工間隙為4mm。

　　實驗研究表明(ming)，磨料流加工(gong)的(de)確能(neng)(neng)使連桿(gan)大(da)頭孔的(de)表面粗糙度(du)值明(ming)顯減小，這有(you)利(li)于保持連桿(gan)與軸瓦(wa)的(de)良好配(pei)合(he)，提高發(fa)動機(ji)(ji)的(de)工(gong)作性能(neng)(neng)，保證發(fa)動機(ji)(ji)運轉(zhuan)平穩。

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作者簡介

第一作者：邵立(li)新，1967生，男，工程(cheng)師，濟南(nan)柴油機(ji)股(gu)份(fen)有限(xian)公(gong)司大件二分廠，主要從事發動機(ji)械技(ji)術的(de)研究。

通訊(xun)作者：軋剛，1958，男，太(tai)原理(li)工大學(xue)機械工程學(xue)院教授，主要從事磨(mo)料(liao)流(liu)加(jia)工技術(shu)的(de)研究。