楊淑珍

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

針閥體在線擠壓研磨參數(shù)優(yōu)化

楊淑珍

(上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209)

具有微小孔特征的零件在許多關(guān)鍵機(jī)械裝置或產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用,微小孔的表面糙度和毛刺會(huì)大大增加微小孔的流動(dòng)阻力,降低流量系數(shù)值。微小孔去除毛刺后可有效提高流量系數(shù)值,微小內(nèi)孔去毛刺技術(shù)一直是業(yè)界難題。介紹了一種微小孔擠壓研磨技術(shù),采用正交實(shí)驗(yàn)法探索了工藝參數(shù)與加工質(zhì)量的邏輯關(guān)系。通過對(duì)不同加工參數(shù)集的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析,給出了各參數(shù)重要性次序,推薦了較優(yōu)的加工參數(shù)集,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)選參數(shù)的有效性進(jìn)行說明。

擠壓研磨;參數(shù)優(yōu)化;正交實(shí)驗(yàn);微小孔

0 引言

孔是機(jī)械零件常見特征之一,在分類上,通常將直徑在0.5～3 mm范圍內(nèi)的稱為小孔,直徑在0.01～0.5 mm范圍內(nèi)的稱為微孔。本文討論的微小孔特征涵蓋了微孔和小孔,故本文統(tǒng)稱為微小孔。

具有微小孔特征的零件在許多機(jī)械裝置或產(chǎn)品中發(fā)揮著重要的作用。如紡織行業(yè)的關(guān)鍵部件——噴絲板[1],柴油機(jī)的核心部件——噴油嘴,具有冷卻孔特征的航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[2],具有小孔特征的醫(yī)療器械,以及打印機(jī)噴頭等。

目前,微小孔的加工方式基本是先采用三軸鉆床、電解或激光等鉆孔技術(shù)進(jìn)行鉆孔,小孔打好之后,孔與孔的相貫線呈較尖銳棱角,孔壁上也可能會(huì)有些毛刺。這些棱角和毛刺會(huì)給液體的流動(dòng)造成很大的阻力,引起壓力損失,導(dǎo)致流量系數(shù)較低。

為了減小孔內(nèi)的阻力,人們研究了很多去毛刺技術(shù),如超聲波、酸洗法、電解法、激光法等[3-5]。這些方法都可以在一定程度上減少微小孔壁上的毛刺,甚至可以在相貫線處形成圓角。但對(duì)于具有多個(gè)微小孔的零件,往往要求各噴孔的流量具有很高的一致性,通過上述方法很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)流量一致性的要求。

磨料漿體射流(Abrasive Suspension Jet,ASJ)技術(shù)是一種新興的特種加工技術(shù)。該技術(shù)預(yù)先通過相關(guān)工藝使溶劑和磨料顆粒充分混合形成懸浮液,這種懸浮液稱為磨料漿體[6-7]。然后通過壓力發(fā)生裝置對(duì)磨料漿體進(jìn)行加速后可形成非?？捎^的加工能力。當(dāng)這種高速射流以一定角度與材料表面碰撞時(shí),可以對(duì)材料外表面進(jìn)行拋光處理,所以ASJ技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)材料的表面進(jìn)行光整加工。Leong[8]研究了ASJ對(duì)珠寶表面的拋光技術(shù),Balasubramaniam[9]研究了ASJ采用不同參數(shù)與材料邊緣倒角大小的關(guān)系。但是對(duì)于內(nèi)孔的去毛刺,ASJ則無(wú)能為力。磨料漿體流(Abrasive Suspension Flow,ASF)是在ASJ技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種特種加工技術(shù),主要可用于內(nèi)孔加工,例如噴嘴上的微小孔加工。當(dāng)ASF在較高壓力的擠壓下流經(jīng)噴嘴上的微小孔時(shí),具有較高速度的磨料顆粒會(huì)對(duì)孔的內(nèi)壁進(jìn)行研磨從而去除孔壁的毛刺,在相貫線處形成流線型的圓角。由于其流動(dòng)情形與噴嘴實(shí)際工作時(shí)相似,故可以最大程度地降低液體的流動(dòng)阻力,有效地提高流量系數(shù)。本文通過技術(shù)手段,在對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行研磨的同時(shí),對(duì)流經(jīng)的液體進(jìn)行流量檢測(cè),達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)后立即停機(jī)。這就可以保證噴孔的流量具有較高的一致性。為研究加工參數(shù)與流量一致性之間的關(guān)系,本文以最具代表性的微小孔零件——針閥體的擠壓研磨為例,采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以期尋找較優(yōu)的參數(shù)組合。

1 噴孔質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

為了對(duì)噴孔的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判,國(guó)標(biāo)[10]對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了說明和規(guī)定。本文主要討論流量散差和噴霧質(zhì)量。

流量散差定義為

式中:Qmax為樣本集的最大流量值;Qmin為樣本集的最小流量值;Qm為樣本集的平均流量,單位為mL/min。

國(guó)標(biāo)[4]中關(guān)于霧化質(zhì)量的要求為噴油嘴偶件噴出的燃油應(yīng)呈霧狀,不應(yīng)有明顯的肉眼可見的霧狀偏斜和飛濺油粒、連續(xù)的油柱,以及極易判別的局部濃、稀不均勻現(xiàn)象。由此可見,標(biāo)準(zhǔn)中只對(duì)流量的許可范圍作了定量的規(guī)定,而霧化質(zhì)量指標(biāo)比較主觀,難以量化,主要由檢驗(yàn)員主觀經(jīng)驗(yàn)判斷。

因此,本文定義另外的變量來(lái)評(píng)估噴孔的加工質(zhì)量。

流量散差能夠在一定程度上反映流量的一致性,對(duì)于一批零件,如果流量散差較大,則安裝在同一個(gè)柴油機(jī)上,可能造成柴油機(jī)多缸之間扭矩不一致,內(nèi)應(yīng)力增大,降低柴油機(jī)壽命。然而根據(jù)流量散差的定義,只能在一定程度上反映一批零件的流量誤差范圍,不能反映一批零件的集中程度,因此,流量系數(shù)一致性能更準(zhǔn)確地反映一批零件的加工質(zhì)量。

而霧化質(zhì)量差易引起燃燒不充分、排放顆粒增多、積碳現(xiàn)象嚴(yán)重。因此,選擇流量系數(shù)一致性和霧化質(zhì)量作為噴油嘴質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。詳細(xì)定義如下:

(1)流量系數(shù)一致性。該參數(shù)通過工件流量系數(shù)的方差來(lái)表達(dá)。定義

式中:Qi為針閥體的實(shí)際流量;Qm為針閥體的平均流量,單位為mL/min。

(2)霧化質(zhì)量。為了對(duì)霧化質(zhì)量進(jìn)行量化,本文將霧化質(zhì)量分成“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”4個(gè)等級(jí),對(duì)每一批次加工一定數(shù)量的針閥體,檢測(cè)后求平均值,從概率上保證評(píng)價(jià)的客觀性,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 霧化效果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation standard of atomization effect

本文將原先僅僅判斷合格與不合格的評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定程度上進(jìn)行量化,對(duì)加工過程具有一定的指導(dǎo)作用。

2 研磨過程中的影響參數(shù)

當(dāng)研磨發(fā)生時(shí),噴孔的研磨質(zhì)量受到眾多因素的共同作用,在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,認(rèn)為下述7個(gè)參數(shù)對(duì)加工效果影響最大。

(1)研磨介質(zhì)的研磨能力:磨料種類、磨料粒徑大小、配制工藝不同,所得的研磨介質(zhì)的性能往往會(huì)大相徑庭。如果將磨料的各個(gè)分類屬性分別拿出來(lái)討論,設(shè)計(jì)的參數(shù)組別將成千上萬(wàn),互相干擾。為此,本文將不針對(duì)單獨(dú)各參數(shù)進(jìn)行分析,而是以配制完成后的研磨介質(zhì)的研磨能力作為加工參數(shù)之一。

(2)磨料的粒徑:研磨能力對(duì)加工效率有較明顯影響,但不能體現(xiàn)表面質(zhì)量的關(guān)系,因此,磨料粒徑必須作為考察參數(shù)之一。

(3)研磨介質(zhì)黏度:有時(shí),粘度對(duì)流動(dòng)阻力會(huì)產(chǎn)生一定的影響,從而影響流量。

(4)系統(tǒng)壓力:系統(tǒng)壓力在研磨過程中可以產(chǎn)生一定的變化。

(5)系統(tǒng)溫度:系統(tǒng)溫度是系統(tǒng)的基本參數(shù)之一,在相同加工條件下,不同的溫度會(huì)導(dǎo)致不同的流量。

(6)加工余量:加工余量定義為

式中:Qt為期望流量值;Qs為加工前的初始流量值,單位為mL/min。

(7)加工時(shí)間:加工時(shí)間反應(yīng)加工效率。

這些參數(shù)中,如果研磨能力強(qiáng)、系統(tǒng)壓力大,則流量值可以快速增長(zhǎng),但流量一致性和霧化質(zhì)量可能會(huì)變差。磨料粒徑不影響研磨速率,但磨料粒徑越大,流量一致性和霧化質(zhì)量會(huì)變差。而若磨料粒徑過小,又很難達(dá)到需要的研磨效率。黏度和溫度則可能導(dǎo)致流量系數(shù)的改變。

由于被加工件的孔徑、硬度和表面粗糙度是不同的,研磨能力很難通過加工過程的加工效率來(lái)計(jì)算,故在實(shí)驗(yàn)前,預(yù)先集中配制研磨介質(zhì)。在20 MPa壓力下,利用這些介質(zhì)對(duì)12 mm厚的瓷磚進(jìn)行切割,切割時(shí),所用噴嘴直徑為0.7 mm,靶距為5 mm,噴嘴移動(dòng)速度為10 mm/min。研磨介質(zhì)采用NDJ-8S數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,所選轉(zhuǎn)子為S1,轉(zhuǎn)速為60 r/min。

分別選擇磨料粒徑為7、14、18、25μm這幾種粒徑的磨料進(jìn)行磨料配制,所配置的4種磨料的磨料粒徑D、加工能力(即研磨能力λ)和黏度η如表2所示。

表2 磨料介質(zhì)的因素和水平表Tab.2 Factors and levels of abrasive media

表2中,將量化后的加工能力視為無(wú)量綱量,而用切深值表述加工能力,即上述4個(gè)等級(jí)的加工能力分別為10.5、16.5、24和31。

加入系統(tǒng)壓力p和加工余量Δ以及溫度因素t后的正交實(shí)驗(yàn)因素如表3所示。

表3 研磨參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)因素表Tab.3 Table of orthogonal experiment factors of grinding parameters

3 實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)采用基于ASF技術(shù)而自主研發(fā)的微孔擠壓研磨設(shè)備,如圖1所示,取型號(hào)為ZCK155S428的針閥體作為加工對(duì)象,系統(tǒng)溫度統(tǒng)一恒定在為(25±2)°C,每組取20個(gè)工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)和分析的目的是進(jìn)行系統(tǒng)加工參數(shù)的優(yōu)化?？紤]到實(shí)際情況時(shí)多個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)加工效果有影響,故實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。為了以盡量少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)得到充分的信息,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過程,節(jié)省人力、物力和時(shí)間,顯著提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,迅速為尋求參數(shù)的優(yōu)化值和選擇最佳工藝方案指明方向,本文采用正交實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行分析。

圖1擠壓研磨設(shè)備Fig.1 Grinding Machine on Micro-orifices

3.2 實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)分析

正交實(shí)驗(yàn)法是以方差分析為基礎(chǔ),利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與正交原理從大量的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)里面挑取具有代表性和典型性的點(diǎn),應(yīng)用正交表合理安排實(shí)驗(yàn)的一種實(shí)驗(yàn)分析方法。

正交實(shí)驗(yàn)試圖通過設(shè)計(jì)好的一系列實(shí)驗(yàn)表格,用最少的實(shí)驗(yàn)數(shù)量去尋找一組最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。其實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo);

(2)確定實(shí)驗(yàn)影響因素和參數(shù)水平;

(3)根據(jù)影響因素和參數(shù)水平選擇正確的正交表;

(4)進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃編制。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方法[11],本文采用混合正交表L16(44×23)去研究針閥體各研磨參數(shù)對(duì)研磨結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。表4中,σ為流量一致性,S為霧化質(zhì)量。

根據(jù)表4和式(2),可以得到流量一致性的極差圖,如圖2所示。由圖可見,參數(shù)B(磨料粒徑)對(duì)流量一致性的影響最大,參數(shù)A(研磨能力)次之,接下來(lái)是參數(shù)D(系統(tǒng)壓力),參數(shù)E(加工余量),參數(shù)F(系統(tǒng)溫度)和參數(shù)C(介質(zhì)黏度)。順次關(guān)系如下:

表4正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiment

圖2流量一致性的極差圖Fig.2 Range map of flow consistency

對(duì)于流量一致性,數(shù)值越小,說明流量一致性越好。因此,在僅考慮流量一致性的情況下,最優(yōu)的參數(shù)集應(yīng)為:A2B3C4D1E1F1。

霧化質(zhì)量極差圖如圖3所示,研磨參數(shù)對(duì)霧化質(zhì)量的影響主次關(guān)系為:

圖3霧化質(zhì)量極差圖Fig.3 Range map of atomization quality

對(duì)于霧化質(zhì)量,數(shù)值越高,說明霧化質(zhì)量越好。因此,在僅僅考慮霧化質(zhì)量的情況下,理想的加工參數(shù)集應(yīng)為:A2B3C4D2E1F1。

從上述分析結(jié)果來(lái)看,如果流量一致性是唯一的評(píng)價(jià)指標(biāo),則最佳加工參數(shù)集為A2B3C4D1E1F1。若霧化質(zhì)量為唯一評(píng)價(jià)指標(biāo),則最佳加工參數(shù)為A2B3C4D2E1F1。若兩者同時(shí)考慮,又出于加工效率的考慮,加工壓力越大,所用加工時(shí)間T越短,加工效率越高,故可選擇A2B3C4D2E1F1作為加工參數(shù)集?，F(xiàn)采用該參數(shù)集另外加工20個(gè)針閥體,測(cè)得的加工后的實(shí)時(shí)流量和噴射質(zhì)量數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 采用優(yōu)化的參數(shù)加工后針閥體的加工結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5Measured data of injector with optimized parameters

根據(jù)表5計(jì)算出加工結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)值即流量系數(shù)一致性和霧化質(zhì)量,如表6所示。由表6可見,流量分布比國(guó)標(biāo)[10]明顯要高,霧化質(zhì)量也好于正交實(shí)驗(yàn)中的大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說明選擇此參數(shù)集對(duì)針閥體進(jìn)行加工可以有效提高加工質(zhì)量。

表6 采用優(yōu)化的參數(shù)加工后針閥體的加工結(jié)果Tab.6 Machining result of injector with optimized parameters

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種新的微小孔去毛刺技術(shù)——磨料漿體流技術(shù)。探討了加工參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系,通過正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)的初步優(yōu)化,最終選擇A2B3C4D2E1F1作為優(yōu)選參數(shù)集,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)選的參數(shù)集進(jìn)行了驗(yàn)證。

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Study of Parameter Optimizing on Online Grinding Process on Micro-Orifices of Injector

YANG Shuzhen
(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Workpieces with micro-orifices play great roles in many key mechanical devices and products.But the resistance from burr of orifices will reduce the flux.The flow coefficient can be improved effectively after deburring is removed.But acturally microorfices’deburring is always a hard problem.A grinding method was introduced to deburr and orthogonal experiments which are used to study the relation between result after processing and the grinding parameters.After analysis of the evaluation of diffferent processing parameters,the importance of parameters were concluded to each evaluation target and selects the parameter set.At last,experiments under the parameter set show that the grinding parameter set is useful for quality of micro-orifices.

grinding process;parameter optimizing;orthogonal experiment;micro-orifice

TP273

A

1001-4543(2016)04-0314-06

2016-05-04

楊淑珍(1978–),女,江西玉山人,副教授,博士(在讀),主要研究方向?yàn)闄C(jī)電測(cè)控技術(shù)、磨料流加工技術(shù)。

電子郵箱szyang@sspu.edu.cn。

上海市科委科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.15111102202)、上海第二工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科機(jī)械工程項(xiàng)目(No.XXKZD1603)資助