單顆磨粒鉸珩毛刺截面的仿真與驗(yàn)證*

黃建中， 楊長(zhǎng)勇， 高紹武， 徐九華

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的核心部件之一，多個(gè)噴嘴孔高度的一致性是保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作的重要先決條件。現(xiàn)有的噴嘴孔加工工藝是在鉆、鉸的底孔上，通過(guò)手工研磨等方法來(lái)進(jìn)行精加工，存在加工一致性差的問(wèn)題，如何對(duì)其精密加工已成為困擾航空制造業(yè)的主要難題之一[1]。

鉸珩又稱單行程珩磨，是在珩磨的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。加工中只進(jìn)行一次進(jìn)給[2]，通過(guò)微刃摩擦拋光作用來(lái)降低孔的粗糙度，加工出高度一致性的精密孔，是一種低速磨粒加工技術(shù)。相比于研磨，鉸珩效率更高，加工質(zhì)量一致性好，有望解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴孔加工的難題。但是，在前期研究中也發(fā)現(xiàn)，鉸珩加工后孔口處會(huì)形成微量毛刺。毛刺會(huì)嚴(yán)重影響噴嘴的燃油流量及霧錐角度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，在一定程度上影響整個(gè)動(dòng)力裝置的性能。這些毛刺尺寸較小，只有微米級(jí)，通?？渴止ご蚰?、磨粒流[3]、激光等方法來(lái)去除，去除時(shí)易造成塌邊等二次損傷。針對(duì)此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種在加工中抑制或減小毛刺產(chǎn)生的思路和方法。

研究毛刺的類型及其影響因素是實(shí)現(xiàn)毛刺控制的基礎(chǔ)。GILLESPIE[4]根據(jù)毛刺形成機(jī)理將其分為4類，即泊松毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺、撕裂毛刺和切斷毛刺。AURICH等[5]根據(jù)毛刺形成位置將其分為3類，為入口毛刺、側(cè)邊毛刺和出口毛刺，其中出口毛刺尺寸最大，其形成原因可歸納為材料的塑性變形和堆積。WANG[6]提出了切削運(yùn)動(dòng)-刀具切削刃分類體系，開(kāi)展了側(cè)向、進(jìn)給方向等多個(gè)方向上毛刺的形成機(jī)理及控制研究，系統(tǒng)研究了毛刺形成及變化的基本規(guī)律。

LAUDERBAUGH[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，針對(duì)鋁合金材料研究了進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、刃口圓弧半徑和鉆削直徑等參數(shù)對(duì)其毛刺尺寸的影響。 AZIZ等[8]采用一種鉆磨結(jié)合的新型刀具對(duì)不銹鋼材料孔進(jìn)行加工，研究了入口與出口、鉆削直徑、鉆削厚度等對(duì)加工毛刺的影響。張志陽(yáng)等[9]以鋁合金為研究對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)法，研究了主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和進(jìn)給速度對(duì)頂部毛刺尺寸的影響。上述研究在一定程度上都為毛刺的抑制提供了理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

目前，針對(duì)鉸珩加工技術(shù)的研究不夠系統(tǒng)，而關(guān)于鉸珩加工毛刺的相關(guān)研究更少，且加工參數(shù)對(duì)毛刺形貌及尺寸的影響規(guī)律尚不明確。由鉸珩加工工藝特征可知，鉸珩加工時(shí)工具表面磨粒在工件表面進(jìn)行負(fù)前角連續(xù)微切削。因此，為了研究加工參數(shù)對(duì)毛刺的影響，通過(guò)Deform三維有限元軟件建立單顆磨粒微切削模型，分析切削深度、切削寬度和磨粒刃傾角對(duì)毛刺形成的影響規(guī)律，并通過(guò)單顆磨粒劃擦試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，為鉸珩加工毛刺的研究及應(yīng)用提供參考。

1 仿真模型

1.1 仿真模型建立

鉸珩是在一定錐度的刀桿上電鍍磨料形成鉸珩裝置，通過(guò)負(fù)前角微切削的方式來(lái)去除工件材料。鉸珩刀具由前后導(dǎo)向部分、切削錐部分、光整部分、倒錐部分等構(gòu)成，如圖1所示。

將鉸珩的內(nèi)孔展開(kāi)成平面后，其示意圖如圖2所示。圖2中：對(duì)一顆磨粒而言，在鉸珩孔的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一條沿孔壁的螺旋線；將磨粒的旋轉(zhuǎn)切削轉(zhuǎn)化為平面切削后，其軌跡可以簡(jiǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向可以看成是砂輪速度vs方向和進(jìn)給速度vw方向的合成方向。取其合成方向上的一小段微元進(jìn)行分析，觀測(cè)單顆磨粒對(duì)毛刺的影響，進(jìn)而簡(jiǎn)化模型、提高運(yùn)算效率，并從數(shù)值上進(jìn)行表征。

圖1 鉸珩裝置示意圖

圖2 內(nèi)孔展開(kāi)成平面的示意圖

前期的研究發(fā)現(xiàn)：分布于工件出入口特殊位置的磨粒會(huì)影響毛刺的形成；而相對(duì)于入口，出口處的毛刺尺寸更大，更難去除，對(duì)工件的影響更大。因此仿真中針對(duì)工件出口，建立了單顆磨粒微切削模型和四棱臺(tái)磨刃模型，如圖3所示。

圖3 出口單顆磨粒微切削模型和四棱臺(tái)磨刃模型

磨粒對(duì)工件邊緣進(jìn)行微切削，在出口端形成毛刺(圖3a)。利用三維視頻顯微鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)加工中切深僅為微米量級(jí)，且只有磨粒前端的磨刃部分參與了切削，因此仿真中僅針對(duì)實(shí)際參與切削的磨粒建立四棱臺(tái)磨刃模型(圖3b)。圖3b中：磨刃前角為45°，后角為5°，鈍圓半徑為1 μm。

1.2 仿真條件及參數(shù)設(shè)定

仿真中選用形狀規(guī)則的四棱臺(tái)金剛石磨粒。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，忽略金剛石的磨損，設(shè)置其為剛體；工件材料選淬火態(tài)1Cr13馬氏體不銹鋼，用Johnson-Cook(J-C)材料本構(gòu)模型[10]描述其特性。Deform自帶網(wǎng)格自適應(yīng)劃分技術(shù)，隨著磨粒的運(yùn)動(dòng)對(duì)工件被加工區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，可保證其求解精度，節(jié)省時(shí)間和內(nèi)存[11]。

前期的研究還發(fā)現(xiàn)：砂輪線速度為5 m/s和0.5 m/s時(shí)，毛刺的形貌差異不大，因而可以認(rèn)為速度不是影響毛刺形貌的主要因素，仿真中將砂輪速度固定為0.5 m/s，其他具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)表

1.3 毛刺評(píng)價(jià)指標(biāo)

常用的毛刺評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖4所示：第1類包括毛刺高度、毛刺厚度、毛刺根部曲率半徑、毛刺根部厚度等，如圖4a所示；第2類使用隨機(jī)橫截面來(lái)描述毛刺的基本參數(shù)，即毛刺的特征可以通過(guò)側(cè)向和橫向截面的形貌進(jìn)行描述，如圖4b所示。

(a) 毛刺特征示意圖(b) 毛刺截面示意圖圖4 毛刺評(píng)價(jià)示意圖[12]

前期的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：鉸珩形成的側(cè)邊毛刺形貌不同于一般切削毛刺的，有三角形、類四邊形等多種形貌，且毛刺厚度不均勻，毛刺高度不恒定。綜合考慮，本研究采用側(cè)向毛刺截面積S作為毛刺的評(píng)價(jià)指標(biāo)。取穩(wěn)定狀態(tài)下的側(cè)向毛刺橫截面，將其毛刺形貌數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，計(jì)算出該狀態(tài)下的面積值S，如圖5所示。

圖5 側(cè)向毛刺形狀及截面積S示意圖

2 仿真結(jié)果討論與分析

2.1 切削深度的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)bp=5 μm,λs=0°,vs=0.5 m/s，vw=80 mm/min時(shí)，切削深度ap對(duì)側(cè)向毛刺截面積S的影響如圖6所示。圖6中還給出了ap為1 μm和9 μm時(shí)的仿真毛刺形貌圖；累計(jì)切削深度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響如圖7所示。由圖6、圖7可知：切深對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響明顯。由圖6可以看出：切深ap為1 μm時(shí)的S值僅有3.99 μm2，毛刺末端較平，形貌類似四邊形；其他參數(shù)不變，切深5 μm時(shí)的S值增大了7倍；切深增大到9 μm時(shí)的S值為78.15 μm2，增幅非常明顯，毛刺的形貌也有較大的差異。由圖7可以看出：累計(jì)切深從1 μm增加到9 μm時(shí)，毛刺截面積均勻增大；相對(duì)于單次切深9 μm，累計(jì)切深9 μm時(shí)S值明顯變小，僅為33.99 μm2。

圖6 切削深度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響

圖7 累計(jì)切削深度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響

仿真過(guò)程中進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：磨粒鉸珩時(shí)發(fā)生塑性變形的區(qū)域可分為a、b、c、d 4個(gè)區(qū)，如圖8和9圖所示。

圖 8 塑性變形圖(ap=5 μm)

圖 9 塑性變形圖(ap=1 μm)

圖8、圖9表明：區(qū)域a中，切深ap為5 μm時(shí)，黏附在前刀面上的材料的接觸長(zhǎng)度為14.3 μm，而ap為1 μm時(shí)其接觸長(zhǎng)度僅為4.5 μm；區(qū)域d中，切深不同時(shí)，由于劃擦作用形成的材料內(nèi)側(cè)隆起變形量差異較??；區(qū)域b中，當(dāng)ap為5 μm時(shí)，更多的材料在工件邊緣處堆積，形成較高的毛刺，高度達(dá)7.1 μm，而ap為1 μm時(shí)毛刺高度僅為2.4 μm；區(qū)域c中，ap為5 μm時(shí)，毛刺的厚度為5.0 μm(工件厚度15.0 μm減去剩余高度10.0 μm) ，也明顯大于ap為1 μm時(shí)毛刺厚度1.0 μm(工件厚度15.0 μm減去剩余高度14.0 μm) 。這是由于大切深時(shí)接觸區(qū)域大，磨粒實(shí)際參與磨削的面積增加，造成的塑性變形大?？傊啾扔赼p=1 μm，ap=5 μm時(shí)總的塑性變形量大。

進(jìn)行累計(jì)切深仿真時(shí)，在前一顆磨粒劃痕的基礎(chǔ)上，下一顆磨粒采用相同的運(yùn)動(dòng)軌跡切削，但切深有所增加。由于磨粒前刀面與工件接觸面積小，單次切深較小，磨粒運(yùn)動(dòng)造成的塑性變形量較小，形成的毛刺尺寸也相對(duì)較小。這樣經(jīng)過(guò)多顆磨粒劃擦后，累計(jì)切深與一次切深同為9 μm(圖6、圖7)時(shí)，毛刺的厚度和長(zhǎng)度均有較大差異，累計(jì)切深的S值大幅變小。此結(jié)果在實(shí)際加工中有重要的指導(dǎo)價(jià)值。鉸珩加工中，可以通過(guò)選擇刀具表面磨粒粒度的大小來(lái)調(diào)節(jié)切深，或者通過(guò)調(diào)節(jié)切削加工量，將切削加工量大的刀具調(diào)整為多組小切削加工量的鉸珩刀共同完成，實(shí)現(xiàn)“單次大切深”到“多次小切深”的轉(zhuǎn)化，可減小毛刺尺寸。

2.2 切削寬度的影響

切削寬度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響如圖10所示，圖10中還給出了切寬bp為1 μm和7 μm時(shí)的仿真毛刺形貌圖。圖10中：切寬為1 μm時(shí)(ap=3 μm,λs=0°,vs=0.5 m/s,vw=80 mm/min)，S值為6.16 μm2，毛刺較為尖銳；切寬增大到3 μm時(shí)，S值為12.91 μm2，相比于1 μm時(shí)增大了一倍；切寬為7 μm時(shí)，S值為22.00 μm2，毛刺厚度和長(zhǎng)度均明顯增大，毛刺根部呈光滑圓弧狀，末端微微翹起。這是因?yàn)榍袑捲龃髸r(shí)，磨粒與工件接觸面增大，造成的塑性變形增大，會(huì)形成更大尺寸的毛刺。

圖10 切削寬度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響

累計(jì)切寬對(duì)于S值的影響如圖11所示。圖11中：第一次切削時(shí)切寬1 μm，以后每次切削時(shí)切寬增加2 μm，隨著累計(jì)切寬的增加，S值逐漸增大；累計(jì)切寬增大到7 μm時(shí)，S值為9.25 μm2，相對(duì)于單次切深7 μm時(shí)明顯降低，降幅達(dá)57.95%。

圖11 累計(jì)切削寬度對(duì)側(cè)向毛刺截面積的影響

當(dāng)磨粒切削深度不變，切削寬度增加時(shí),磨粒前刀面和工件接觸區(qū)域內(nèi)的接觸面積隨之增大，材料塑性變形量增加，形成較大尺寸的毛刺。雖然累計(jì)切寬增大，但是由于單次切寬變化較小，磨粒前刀面與工件接觸面積變化小，塑性變形小，S值變化也較小。實(shí)際鉸珩加工中，可以通過(guò)改變每轉(zhuǎn)進(jìn)給參數(shù)，完成“單次大切寬”到“多次小切寬”的轉(zhuǎn)化，從而減小毛刺尺寸。

2.3 刃傾角的影響

磨粒刃傾角變化時(shí)，切削刃會(huì)由一個(gè)刃變成2個(gè)刃或多刃，導(dǎo)致磨粒與工件接觸區(qū)域面積變化。為了消除此類干擾，研究刃傾角對(duì)毛刺影響時(shí)設(shè)計(jì)了特別的單刃磨粒，如圖12所示。

圖12 刃傾角示意圖

圖13給出了刃傾角對(duì)毛刺截面積的影響，并且列出了λs分別為-60°、0°、60°時(shí)的仿真毛刺形貌圖。圖13的仿真結(jié)果表明：刃傾角對(duì)毛刺尺寸的影響明顯。

圖13 刃傾角對(duì)毛刺截面積的影響

圖13中：ap=3 μm，bp=5 μm,vs=0.5 m/s,vw=80 mm/min時(shí)，當(dāng)刃傾角λs從-60°變化到60°，S值逐漸增大。當(dāng)λs=-60°，S值僅為1.46 μm2，毛刺形貌為三角形；λs在-60°～0°范圍增加時(shí)，S值快速增大；λs=0°，S值為12.24 μm2，相比于λs=-60°時(shí)，增長(zhǎng)了738.35%，毛刺更為尖銳；λs在0°～60°范圍增加時(shí)，S值緩慢增大；當(dāng)λs=30°，S值為14.04 μm2，相對(duì)于λs=0°時(shí)僅增加了14.7%；當(dāng)λs=60°時(shí)，S值為15.77 μm2，為λs=-60°時(shí)的10.8倍，且毛刺的尺寸增大明顯。

不同刃傾角時(shí)材料的流動(dòng)示意圖如圖14所示。刃傾角變化時(shí)，影響毛刺尺寸的主要因素有2個(gè)：一是材料流動(dòng)方向的變化。λs為負(fù)值時(shí)，如圖14a所示，材料被推擠到工件內(nèi)側(cè)，只有少量材料會(huì)被推擠到工件外側(cè)形成毛刺，此時(shí)毛刺尺寸??；當(dāng)λs為正值時(shí)，如圖14b所示，大量的材料沿著磨粒的前刀面向工件外側(cè)流動(dòng)，堆積形成毛刺；隨λs增大，形成的毛刺尺寸也逐漸增加；二是磨粒與工件接觸面積的變化。λs由負(fù)值逐漸增大到正值時(shí)，材料塑性變形量不斷變化，對(duì)毛刺尺寸產(chǎn)生一定影響。整體而言，刃傾角對(duì)毛刺尺寸及形貌有明顯影響，如果實(shí)際加工中能夠控制λs為負(fù)值，則可減小毛刺尺寸。

(a) λ<0°(b) λ>0°圖14 不同刃傾角時(shí)材料的流動(dòng)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件與方案

用單顆磨粒劃擦試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可行性。劃擦試驗(yàn)在超精密磨床(WAZA415X-NC, XKNC)上進(jìn)行，該精密磨床的切深和進(jìn)給最小精度均為0.1 μm。工件表面尺寸為25 mm×8 mm，總高度為20 mm，材料為4Cr13馬氏體不銹鋼(淬火態(tài)，HRC 52)。工件上表面及側(cè)面經(jīng)過(guò)粒度代號(hào)60#的白剛玉砂輪粗磨后，依次用粒度代號(hào)600#、1500#及2500#的SiC砂輪精磨，使側(cè)面粗糙度Ra在0.12 μm以下，上表面粗糙度Ra在0.03 μm以下。選用形狀規(guī)則、粒度代號(hào)35/40(粒徑425～500 μm)的金剛石磨粒，用Ag-Cu-Ti合金釬料將磨粒釬焊在心軸上，并通過(guò)結(jié)塊固定在砂輪上，組裝成單顆磨粒砂輪。試驗(yàn)裝置如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)裝置圖

3.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較

鑒于仿真條件較為理想化，忽略了磨粒形狀的不規(guī)則性及磨粒磨損的影響，因此有可能造成仿真和試驗(yàn)結(jié)果的一些差異，但兩者仍具有相似性和可比較性。通過(guò)Sensofar光學(xué)輪廓儀觀測(cè)毛刺，得到側(cè)邊毛刺試驗(yàn)形貌如圖16所示(vs=5 m/s,vw=80 mm/min，λs=0°)。不同參數(shù)下毛刺的形貌及尺寸有所不同，在毛刺均勻處進(jìn)行測(cè)量，得到ap=6.5 μm時(shí)的毛刺高度為3.91 μm(如圖16a所示)，ap=8.1 μm時(shí)的毛刺高度為4.26 μm(如圖16b所示)。

圖16 毛刺形貌圖

毛刺形貌比較圖如圖17所示。當(dāng)ap=3 μm，vs=5 m/s,vw=80 mm/min，λs=0°時(shí)，出口邊緣處的三維毛刺形貌試驗(yàn)圖如圖17a所示，圖17b是圖17a中的某處截面的二維圖，其毛刺截面類似一個(gè)四邊形。同樣條件下，仿真的三維毛刺形貌圖如圖17c所示，為了觀測(cè)方便，圖17c的1處截面翻轉(zhuǎn)后的二維圖如圖17d所示。對(duì)比圖17b、圖17d發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)與仿真得到的毛刺形狀基本一致，毛刺的高度分別為2.55 μm和 2.39 μm，二者誤差僅為6.69%。

圖17 毛刺形貌比較圖

同樣的方法，當(dāng)切深為2 μm時(shí)，得到仿真毛刺高度為1.40 μm，試驗(yàn)毛刺高度為1.30 μm，誤差7.14%；當(dāng)切深為7 μm時(shí)，仿真毛刺高度為3.69 μm，試驗(yàn)毛刺高度為3.95 μm，誤差7.05%。所有誤差均在10%之內(nèi)，說(shuō)明建立的仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際鉸珩的加工過(guò)程，可信度高。

4 結(jié)論

建立了單顆磨粒微切削鉸珩加工仿真分析模型，研究了加工參數(shù)對(duì)毛刺截面積的影響規(guī)律。結(jié)論如下：

(1)改變切削深度和切削寬度使磨粒與工件的接觸面積發(fā)生變化，進(jìn)而改變了切削過(guò)程中的塑性變形量，對(duì)毛刺截面積有較大影響。切深為9 μm時(shí)的毛刺截面積S值是切深為1 μm時(shí)的19.6倍，切寬為7 μm時(shí)的毛刺截面積S值是切寬為1 μm時(shí)的3.6倍。

(2)磨粒刃傾角λs的改變會(huì)直接影響材料的流動(dòng)方向，也會(huì)造成塑性變形量的改變。λs由負(fù)值逐漸增大變?yōu)檎档倪^(guò)程中，毛刺的尺寸逐漸增大，λs為60°時(shí)的S值是-60°時(shí)的10.8倍。

(3)在加工參數(shù)允許范圍內(nèi)，將大切深、大切寬轉(zhuǎn)化為多次小切深、小切寬，能夠明顯減小毛刺的截面積。切深均為7 μm時(shí)，累計(jì)切深條件下S值為25.86 μm2，是單次切深7 μm時(shí)S值的47.8%；切寬均為7 μm時(shí)，累計(jì)切寬條件下S值為9.25 μm2，是單次切寬7 μm時(shí)S值的42.1%。