摘要　　針對(duì)H12V190Z柴油機(jī)連桿大頭孔表面的磨料流加工方法進(jìn)行了研究，利用CFD軟件對(duì)其加工流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，得到了流體磨料在流場(chǎng)中的壓力和速度分布。結(jié)合工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了經(jīng)磨料流加工后連桿大頭孔加工表面的粗糙度值有明顯的減小，提高了連桿表面的質(zhì)量，大大縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率。

關(guān)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(shù)作為一種新型的光整加工技術(shù)，由于其獨(dú)特的加工機(jī)理，特別適用于窄縫、小孔、交叉孔和復(fù)雜型腔等零件的加工，而且經(jīng)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(zhì)量顯著提高，還能大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工效率^[1]。因此，擴(kuò)大磨料流加工技術(shù)有應(yīng)用范圍，使其適合于不同零件表面的精加工成為人們研究的重要課題。

　　連桿作為H12V190Z柴油機(jī)的關(guān)鍵部件之一（圖1），其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命^[2]。H12V190Z柴油機(jī)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及圓柱度0.008mm。由于表面粗糙度值達(dá)不到要求，采用磨料流加工技術(shù)對(duì)其孔的表面進(jìn)行光整加工。

 連桿大頭孔磨料流加工的理論探討及實(shí)驗(yàn)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿 src="http://m.lksmqw.cn/attachments/images/201202/201206/1.jpg" width=280 longDesc="" />

圖1　H12V190Z柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿

1         連桿大頭孔磨料流加工時(shí)流體磨料流場(chǎng)的有限元模型建立

　　連桿大頭孔內(nèi)表面磨料流原理及實(shí)際加工過(guò)程如圖2所示。圖2a顯示，加工時(shí)連桿大頭孔被壓緊在上、下磨料缸之間，因孔的直徑較大，在其內(nèi)部放置了一個(gè)與孔同心的圓柱形導(dǎo)流芯，使連桿大頭孔內(nèi)表面與導(dǎo)流芯之間形成一較窄的環(huán)形通道。當(dāng)流體磨料在活塞擠壓力的作用下流經(jīng)環(huán)形通道。當(dāng)流體磨料在活塞擠壓力的作用下流經(jīng)環(huán)形通道時(shí)，流體磨料內(nèi)部的磨粒就會(huì)在連桿大頭孔的表面產(chǎn)生刮削作用，進(jìn)而對(duì)連桿大頭孔表面進(jìn)行光整加工。圖2b為連桿大頭孔在磨料流機(jī)床上的安裝及加工過(guò)程。在連桿大頭孔在磨料流加工中，光整加工的效果與流體磨料在環(huán)形通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，主要的影響因素有環(huán)形通道的寬度、流體磨料的黏度混合率、推料壓力等。由于流體磨料屬非牛頓流體，加工效果與多種因素有關(guān)，分析中采用Fluent軟件模擬流動(dòng)狀態(tài)，確定加工參數(shù)。

圖2　連桿大頭孔內(nèi)表面磨料流加工過(guò)程

　　在建立流體磨料流場(chǎng)的有限元模型時(shí)，考慮到三維模擬時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，求解速度太慢，因此將流體磨料的流場(chǎng)簡(jiǎn)化為如圖3所示的二維模型，并對(duì)其各個(gè)區(qū)域采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

圖3　磨料流加工連桿大頭孔時(shí)流體磨料流場(chǎng)的有限元模型

2         邊界條件與物性參數(shù)的設(shè)置

　　模擬時(shí)，進(jìn)口邊界與出口邊界具體位置如圖3所示，進(jìn)口邊界設(shè)置為壓力進(jìn)口條件，其壓力大小為10Mpa；出口邊界設(shè)置為壓力出口條件，其壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)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(xué)研制的流體磨料，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定該種磨料屬于假塑性流體。因此，模擬時(shí)采用了non-newtonian-power-law的材料模型，具體參數(shù)為：流動(dòng)指數(shù)n=0.5026，黏度系數(shù)k=2.0989×10⁴Pa﹒sⁿ。

　　加工時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔工件尺寸為：孔的長(zhǎng)度為50mm，孔的直徑為200mm。

3         模擬結(jié)果

　　圖4、圖5是連桿大頭孔磨料加工過(guò)程中，環(huán)形孔道的寬度Ｂ=4mm時(shí)，流體磨料在孔道內(nèi)的壓力和速度分布的模擬結(jié)果。

圖4　環(huán)形孔道內(nèi)壁面上沿流體磨料流動(dòng)方向的壓力分布

　　由圖4可知，在環(huán)形孔道內(nèi)流體磨料的壓力在工件進(jìn)、出口較短的長(zhǎng)度上壓降較大，中間部分壓力呈線性下降。

圖5　環(huán)形孔道進(jìn)口、1/2長(zhǎng)度、出口位置處流體磨料的向速度分布 

　　由圖5可知，流體磨料在環(huán)形孔道內(nèi)的速度沿孔道寬度對(duì)稱(chēng)分布。在進(jìn)口處由于流場(chǎng)截面的變化，流體磨料的速度沿流動(dòng)方向逐漸增大，隨后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其速度沿流動(dòng)方向不再變化，在環(huán)形孔道內(nèi)呈柱塞狀分布；在出口處又由于流場(chǎng)截面的變化，其速度沿流動(dòng)方向逐漸減小。4　連桿大頭孔磨料流加工的實(shí)驗(yàn)研究

　　由磨料流加工技術(shù)的理論研究可知：流體磨料在孔道內(nèi)的壓力差與流體磨料邊界層和壁面間流速差的增大，都有助于工件表面材料去除量的增加，但壓力差的影響較大[4]。而由模擬結(jié)果可知：隨著環(huán)形孔道寬度的減小，壓力差與流速差卻有著相反的變化趨勢(shì)。因此，在連桿大頭孔磨料流的實(shí)際加工中，最終選擇了連桿大頭孔內(nèi)表面與導(dǎo)流芯之間的環(huán)形孔道寬度B=4mm來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　為了觀察連桿大頭孔經(jīng)磨料流加工后其表面粗糙度值的變化情況，選用了3個(gè)連桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)磨料流加工前后連桿大頭孔內(nèi)幾個(gè)不同位置的表面粗糙度值進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6及表1所示。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：經(jīng)磨料流加工后，連桿大頭孔內(nèi)表面的度值有明顯的減小，表明在連桿大頭孔精鏜工序之后，增加磨料流加工工序可在保證工件直徑及圓柱的條件下，使連桿大頭孔的表面粗糙度值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

　　用有限元理論對(duì)流體磨料在壓力作用下流過(guò)環(huán)形通道時(shí)壓力和速度分布的研究，表明圓環(huán)間隙是影響壓力和速度分布的主要原因。最理想的加工間隙為4mm。

　　實(shí)驗(yàn)研究表明，磨料流加工的確能使連桿大頭孔的表面粗糙度值明顯減小，這有利于保持連桿與軸瓦的良好配合，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

第一作者：邵立新，1967生，男，工程師，濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司大件二分廠，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)械技術(shù)的研究。

通訊作者：軋剛，1958，男，太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，主要從事磨料流加工技術(shù)的研究。