随着我国航空航天、交通运输等行业研究的深入,出现了更多难加工材料和极端服役工况的复杂曲面零件,使得面向综合性能提升为制造目的服役表面抛光成为了研究重点。高端装备中的高性能复杂曲面零件,如航空发动机整体叶盘、压缩机三元涡轮、高性能水泵涡轮等,其表面抛光多采用手动抛光、砂带磨抛等工艺方法,多存在加工效率低、加工可达性差等不足,是此类复杂曲面零件表面实现高质高效抛光面临的技术短板。磨粒流抛光是一种通过将含有坚硬磨粒的半流动粘弹性介质以挤压方式作用到被加工零件表面,达到微量去除表面毛边、粗糙纹理等缺陷,并提高表面质量的特种加工方法,简称:磨粒流抛光。该工艺方法具有抛光效率高、对强几何干涉结构不敏感和高可达性等优点,可以方便地实现复杂曲面零件和内腔表面的高效率抛光。在影响磨粒流抛光效果的诸多工艺因素中,抛光介质的性能是决定抛光效果的核心关键因素。如何针对不同复杂曲面零件特征和抛光目标对磨粒流抛光介质进行性能调控,是目前业内航空整体叶盘、水泵涡轮等复杂曲面零件的磨粒流抛光面临的亟待解决的难题。然而,国外对磨粒流抛光介质的配方绝对保密,输入国内的抛光介质产品价格昂贵,且不提供具体的针对零件特性的抛光介质性能调控方法,国内也鲜有对该技术开展系统深入研究的报道。为此,本文在相关国家自然科学基金面上项目、相关GF基础科研项目等的支持下,以提高磨粒流抛光介质在复杂曲面零件磨粒流抛光过程中的使用性能为目标,开展了磨粒流抛光介质性能表征与调控策略的研究,主要研究内容和取得的成果包括以下几点:(1)磨粒流抛光介质的本构表征是磨粒流抛光介质性能调控的理论基础,为建立磨粒流抛光介质的本构方程,基于磨粒流抛光介质的动态频率扫描测试、应力松弛测试和蠕变测试,对现有的磨粒流抛光介质进行了幂律和Maxwell本构表征。基于所建立的本构方程,对磨粒流抛光过程进行了粘性和粘弹性流场数值仿真,并与试验结果进行对比分析。结果显示,粘性和粘弹性本构在磨粒流抛光介质流动的数值仿真中均有较好的适用性,粘弹性本构方程在流道入口和流道突变处比粘性本构方程具有更好的适应性,能够较好的得到流道内流场分布;(2)基于流变特性表征和数值仿真结果,建立复杂曲面零件表面材料去除模型,得出不同流变特性下磨粒流抛光介质在复杂曲面零件表面的材料去除分布规律,并给出了针对不同零件特性实现最优材料去除效果的抛光介质性能调控方法。为验证建立的材料去除模型适应性,选用两种具有不同性能的磨粒流抛光介质,进行抛光试验。基于所得到的磨粒流抛光介质本构方程,对磨粒流抛光介质在约束流道内进行数值仿真,得到了工件表面流动速度和压力的分布,并得到了材料去除模型参数。结果表明,所建的模型能够较好地预测材料去除量轮廓高度变化△H的分布和质量变化量△M的变化趋势,证明了所建模型的适用性,据此分析阐明了复杂曲面零件表面磨粒流抛光材料去除量的分布规律;(3)针对现有丁苯橡胶基磨粒流抛光介质在复杂曲面零件抛光过程中存在壁面粘黏、耐热稳定性低、长时间使用性能易衰变等亟待解决的问题,研制出新型聚硅硼氧烷基磨粒流抛光介质,试验结果表明,所研制的聚硅硼氧烷基磨粒流抛光介质不仅壁面粘黏难题得到了有效解决,介质加工后流道极易清理,无表面残留,而且具有更高的耐热稳定性,即高温条件下仍能保证较好的流变特性,此外,研制的抛光介质长时间使用衰变慢,仍能保持流变特性不改变。通过不同比例改性添加剂的调配和不同粒度磨粒比例的添加,可以方便地实现所研制的磨粒流抛光介质性能的调控,以满足不同结构特征和抛光质量要求的复杂曲面零件的表面抛光;(4)应用本文研制的聚硅硼氧烷基抛光介质和提出的磨粒流抛光介质性能调控方法,对某闭式涡轮内腔表面进行了抛光试验研究。首先,结合闭式涡轮的结构特征、表面几何特性和零件材料性能,以及不同磨粒流抛光介质本构流场数值仿真结果,获得可实现闭式涡轮内腔均匀性、高效去除目的的最优介质性能选择范围。基于该优选结果,调配出符合该结果的磨粒流抛光介质,对闭式涡轮内腔进行抛光试验。试验结果表明,按照理论分析获得的磨粒流抛光介质本构参数制备的抛光介质,可以实现闭式涡轮内腔高效率抛光,内腔表面粗糙度从25μm-50μm之间下降到3μm左右,内腔表面铸造层基本去除,加工后表面平整,完全达到了零件产品的设计要求。由此验证了理论分析方法的正确性和研制的抛光介质的实用性。本文的研究工作所取得的理论成果和研制的磨粒流抛光介质等成果,对于提高我国磨粒流抛光技术水平,发展国产化高性能磨粒流抛光介质,实现其在高性能复杂曲面零件表面抛光中的工程化应用具有重要的学术意义和工程应用价值。