背压对磨粒流精密加工伺服阀壳体的数值模拟研究

李肖，张俊，姜萍萍，孙立伟，李俊烨

（1.中国航发长春控制科技有限公司，长春 130022；
2.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

伺服阀是一个高度集成的液压系统，为了控制伺服阀的体积（特别是航天运载用伺服阀）一般伺服阀是多孔隙的集成体，多余物的控制防范是伺服阀生产过程控制的关键点[1]。伺服阀壳体部分结构的好坏是影响伺服阀性能的重要因素[2]。磨粒流加工方法主要用于提高零件表面质量[3]和复杂结构零件内部多余物的去除[4]，具有加工精度高、加工去除量较小（最大去除量≤0.1 mm）、加工均匀性与重复性好等特点[5-7]。尹洪超[8]采用磨粒流加工工艺对多角度弯曲管内表面抛光过程进行数值模拟研究，对压力和速度的整体作用效果进行了分析，得出了磨粒流抛光细长管类零件内表面的适宜工况。李俊烨[9]采用磨料流精密加工技术对多边形螺旋曲面管的加工机理进行了研究，研究结果表明：磨料流精密加工技术可以获得理想的表面质量，提高加工工件的表面精度。于泽[10]提出了放电加工（EDM）工艺与磨粒流加工工艺相结合的方法，提高了钛合金四边形组小孔零件的表面质量和加工效率。SINGH P[11]采用磁性磨粒流加工方法对铝圆柱形管状工件试样的微孔进行了精加工，获得了最佳工艺参数，加工后的表面质量有明显的改善。采用磨粒流加工方法加工伺服阀壳体时，由于工件内部结构复杂，导致加工后的表面质量不均匀，因此采用以出口背压的方式来改善工件表面，使得加工后的表面质量更加均匀。背压的变化将直接影响到出口的压力[12-13]，为了探究背压对磨粒流精密加工伺服阀壳体表面质量的影响规律，本文通过改变背压出口直径的大小来控制出口压力的大小，背压出口直径的控制效果将直接影响到被加工表面的质量。

伺服阀壳体的三维模型以及内部流道如图1所示。在图1（b）中，序号1～4指示部位为磨料进口，序号5～13指示部位为磨料出口。

图1 三维模型与内部流道

2.1 不同背压出口直径下的动态压强分析

在保证其他条件不变的情况下，背压出口直径分别设置为1.3 mm、2.3 mm、3.3 mm三种情况进行模拟分析，讨论背压出口直径对伺服阀壳体表面抛光效果的影响，得到了不同背压出口直径条件下的动态压强云图如图2所示。

图2 不同背压出口直径下的动态压强云图

由于动态压强越大，加工后的表面质量越好，从图2中可以看出，没有背压时，伺服阀壳体表面的动态压强分布不均匀，导致加工后工件的表面质量较差。当有背压时，动态压强分布较为均匀，加工后表面质量的均匀性有所提高。然而，当背压出口直径为1.3 mm时，动态压强的值略小于无背压时动态压强的值，此时加工效率较低，表面质量适中，均匀性较好。当背压出口直径为2.3 mm时，动态压强的值明显小于无背压时的动态压强的值，此时加工效率较低，表面质量较差。当背压出口直径为3.3 mm时，动态压强的值明显大于无背压时的动态压强的值，此时加工效率较高，表面质量较好，均匀性最好。因此，选择用背压出口直径为3.3 mm加工，可以获得较高的表面质量。

2.2 不同背压出口直径下的壁面剪切力分析

在保证其他条件不变的情况下，背压出口直径分别设置为1.3 mm、2.3 mm、3.3 mm三种情况进行模拟分析，讨论背压出口直径对伺服阀壳体表面抛光效果的影响，得到不同背压出口直径条件下的壁面剪切力云图，如图3所示。

图3 不同背压出口直径下的壁面剪切力云图

壁面剪切力越大，加工后的表面质量越好。从图3中可以看出，没有背压时，伺服阀壳体表面的壁面剪切力分布不均匀，导致加工后工件的表面质量均匀性较差。当有背压时，壁面剪切力分布较为均匀，加工后表面质量的均匀性有所提高。然而，当背压出口直径为1.3 mm时，壁面剪切力的值略小于无背压时壁面剪切力的值，此时加工效率较低，表面质量适中，均匀性较好。当背压出口直径为2.3 mm时，壁面剪切力的值明显小于无背压时的壁面剪切力的值，此时加工效率最低，表面质量较差。当背压出口直径为3.3 mm时，壁面剪切力的值明显大于无背压时的壁面剪切力的值，此时加工效率较高，表面质量最好，均匀性较好。因此，选择用背压出口直径为3.3 mm加工时可以获得较高的表面质量。

通过分析不同背压出口直径条件下的动态压强和壁面剪切力分布情况发现，无背压时，动态压强和壁面剪切力分布不均匀，导致加工后的表面均匀性较差。有背压时，加工后的表面均匀性有所提高。但是不同背压出口直径条件下，动态压强和壁面剪切力的数值有明显的不同，背压出口直径为2.3 mm时，动态压强和壁面剪切力的数值最小，此时得到的表面质量较差，加工效率较低，不适用于伺服阀壳体的加工。当背压出口直径为3.3 mm时，动态压强和壁面剪切力的数值明显高于无背压时的动态压强和壁面剪切力的数值，此时加工效率最高，表面质量最好，适用于伺服阀壳体的精密加工。