航發(fā)葉盤類零件不同拋磨工藝的仿真對(duì)比分析*

閆澤昭,李文輝,李秀紅,張 演

(太原理工大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院;b.航空航天學(xué)院;c.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

0 引言

隨著航空、運(yùn)輸、通訊、軍事等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高端設(shè)備上的高性能零件數(shù)量與日俱增[1]。相較于普通零件，這種高性能零件不僅對(duì)表面尺寸精度要求高，而且朝著高性能指標(biāo)、難加工材料和精細(xì)復(fù)雜表面發(fā)展[2]，因此迫切需要能夠滿足高性能零件要求的精密加工方法。

整體葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的核心零部件，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低重量、提高推重比起到重要作用[3]。整體葉盤空間扭曲復(fù)雜、加工可達(dá)性差，且大多采用難加工的先進(jìn)復(fù)合材料[4]，這些因素對(duì)整體葉盤的加工提出巨大挑戰(zhàn)，直接制約著下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。整體葉盤服役環(huán)境惡劣，必須克服極強(qiáng)的熱負(fù)荷和振動(dòng)負(fù)荷，對(duì)加工精度和表面質(zhì)量要求很高[5]。整體葉盤經(jīng)過(guò)近成形和精確成形加工后的表面質(zhì)量仍無(wú)法滿足服役要求[4]，需要進(jìn)一步的加工拋磨來(lái)降低表面粗糙度、提高疲勞強(qiáng)度等。整體葉盤拋光工藝有手工打磨、數(shù)控拋光、噴丸強(qiáng)化和拋磨加工等，其中手工打磨不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和熟練度，具有不穩(wěn)定性[6]；數(shù)控拋光程序復(fù)雜，相鄰葉片間通道狹窄，加工葉根時(shí)可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象[7]；噴丸強(qiáng)化可提高表面強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)增加表面粗糙度[8]。上述加工工藝存在的不足嚴(yán)重影響著整體葉盤的輪廓精度及表面完整性。拋磨加工是一種自由磨具光整加工，通過(guò)滾拋磨塊與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件產(chǎn)生滾壓、碰撞、劃擦和刻劃等微量磨削作用，改善工件表面幾何特征，提高表面物理機(jī)械性能[9]。作為一種實(shí)用型表面加工工藝，拋磨加工與上述工藝相比具有的優(yōu)勢(shì)為有較強(qiáng)的零件適應(yīng)能力、加工質(zhì)量高、加工環(huán)境友善[10]及可批量化生產(chǎn)。

拋磨加工工藝的類型主要有振動(dòng)式、回轉(zhuǎn)式、離心式、渦流式等[11]，眾多學(xué)者根據(jù)多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)拋磨加工進(jìn)行了深入理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。田雨[12]首次在拋磨加工中引入EDEM離散元軟件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析的轉(zhuǎn)速、滾拋磨塊裝入量及滾拋磨塊尺寸對(duì)加工效率的影響與仿真結(jié)果基本一致，證明了EDEM軟件在拋磨加工仿真中的適用性。李鵬等[13]對(duì)整體葉盤回轉(zhuǎn)式拋磨加工進(jìn)行了仿真模擬并計(jì)算出滾筒最適宜的理論轉(zhuǎn)速，但是該工藝的加工效果仍無(wú)法滿足整體葉盤的加工要。本文通過(guò)仿真對(duì)比分析了回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式拋磨加工整體葉盤的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出振動(dòng)回轉(zhuǎn)式拋磨加工并加以仿真分析。

1 仿真前處理

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

由于整體葉盤的葉片數(shù)目較多且型面彎扭復(fù)雜，不利于對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行定性分析，因此對(duì)整體葉盤的模擬件進(jìn)行保持整體葉盤結(jié)構(gòu)特性的簡(jiǎn)化處理。表1為簡(jiǎn)化后的模擬件和滾筒的模型尺寸。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)模擬件進(jìn)行網(wǎng)格大小為1 mm的六面體網(wǎng)格劃分，得到msh文件并導(dǎo)入到EDEM軟件中，模擬件的網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 模擬件網(wǎng)格模型

表1 模型尺寸

1.2 接觸模型及材料參數(shù)

EDEM中的接觸模型有Hertz-Mindlin(no-slip)和Hertz-Mindlin with Archard Wear接觸模型等。Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型是EDEM默認(rèn)使用的模型，計(jì)算受力方面精確且高效，但不進(jìn)行磨損統(tǒng)計(jì)。Hertz-Mindlin with Archard Wear接觸模型基于J F Archard磨損理論，可以近似計(jì)算出幾何表面磨損深度數(shù)值。為防止?jié)L拋磨塊生成階段對(duì)整體葉盤的碰撞劃擦導(dǎo)致的誤差，從滾拋磨塊生成到完全靜置這個(gè)階段選用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型，加工時(shí)使用Hertz-Mindlin with Archard Wear接觸模型并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

設(shè)置滾拋磨塊直徑為4 mm，裝入量為滾筒體積的60%。工件、滾拋磨塊及滾筒材料分別為鈦合金、氧化鋁和尼龍，材料本征參數(shù)與接觸參數(shù)如表2、表3所示[14]。

表2 材料表征參數(shù)

表3 仿真接觸參數(shù)

綜合考慮計(jì)算精度和仿真速度，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為Rayleigh時(shí)長(zhǎng)的20%，仿真時(shí)間為20 s。

1.3 數(shù)據(jù)提取及評(píng)價(jià)指標(biāo)

仿真結(jié)束后通過(guò)在工件表面覆蓋數(shù)據(jù)塊的方法來(lái)提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊有兩種類型，一種是在工件表面覆蓋1張數(shù)據(jù)塊，另一種是劃分成60個(gè)小數(shù)據(jù)塊并覆蓋工件表面，如圖2所示。為了分析不同區(qū)域磨損量的變化，從頂部至根部依次添加10個(gè)數(shù)據(jù)塊，在前緣和后緣間依次添加6個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊編號(hào)見圖3，設(shè)P1、P10為頂部和根部，F(xiàn)1、F6為前、后緣。

圖2 劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊 圖3 數(shù)據(jù)塊編號(hào)

仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)有模擬件表面磨損量、磨損量變異系數(shù)、滾拋磨塊速度及滾拋磨塊速度的變異系數(shù)，變異系數(shù)的計(jì)算公式為：

RSD=(SD/X)×100%

式中，SD為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,X是其均值。變異系數(shù)能夠準(zhǔn)確描述數(shù)據(jù)偏離均值的程度，RSD值越小，表明加工均勻一致性越好[13]。

2 仿真分析

2.1 不同拋磨方式仿真對(duì)比

根據(jù)李鵬等[13]對(duì)回轉(zhuǎn)式拋磨加工整體葉盤的仿真分析可知，回轉(zhuǎn)式加工可以保證整體葉盤不同葉片之間的加工均勻一致性，但從磨損量變異系數(shù)及磨損云圖來(lái)看，回轉(zhuǎn)式加工同一葉片不同區(qū)域的均勻一致性較差。

王秀枝等[15]通過(guò)對(duì)盤類零件回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式及離心式拋磨加工的仿真分析發(fā)現(xiàn)，在一定條件下振動(dòng)式加工盤類零件的均勻一致性優(yōu)于回轉(zhuǎn)式及離心式。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)式拋磨加工中，盤類零件的受力與滾拋磨塊在零件表面的速度從中心區(qū)域向邊緣處逐漸增大，零件表面磨損量變化趨勢(shì)也以零件中心軸對(duì)稱，邊緣處的磨損量最大。

在上述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，將振動(dòng)式拋磨加工引入整體葉盤的表面光整加工中，并對(duì)整體葉盤的模擬件進(jìn)行回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式拋磨加工仿真。振動(dòng)式加工有兩種方式，第一種是滾筒振動(dòng)式，模擬件固定不動(dòng)，滾筒軸向振動(dòng)；第二種為同步振動(dòng)式，模擬件和滾筒同步軸向振動(dòng)?；剞D(zhuǎn)式加工在加工周期過(guò)半時(shí)會(huì)進(jìn)行反轉(zhuǎn)加工，振動(dòng)式加工則會(huì)翻轉(zhuǎn)模擬件進(jìn)行翻面加工。模擬件和滾筒的放置方式及運(yùn)動(dòng)方式如圖4所示。

(a)回轉(zhuǎn)式 (b)滾筒振動(dòng)式 (c)同步振動(dòng)式

由于模擬件的葉片為直葉片，為了便于分析，對(duì)其型面位置及邊緣處進(jìn)行命名。如圖5所示為振動(dòng)式加工中模擬件正面、背面、前緣、后緣、頂部和根部各自的位置，在回轉(zhuǎn)式加工中各位置名稱不變。

圖5 模擬件型面位置

2.1.1 加工效率及均勻一致性分析

設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)：轉(zhuǎn)速N=±60 rpm、振動(dòng)頻率f=40 Hz、振幅A=2 mm。圖6為仿真后模擬件表面磨損量及磨損量變異系數(shù)?；剞D(zhuǎn)式加工正面磨損量為1.431 μm，背面為1.249 μm；滾筒振動(dòng)式加工正面磨損量為1.284 μm，背面為1.174 μm，同步振動(dòng)式則是正面7.61 μm，背面7.67 μm。從磨損量變異系數(shù)來(lái)看，回轉(zhuǎn)式加工后的磨損量變異系數(shù)最高，正面為0.785 4，背面為0.759 2；滾筒振動(dòng)式加工正面磨損量變異系數(shù)為0.410 32，背面為0.379 2；同步振動(dòng)式則是正面為0.346 29，背面為0.314 09。結(jié)果顯示，不同加工方式的加工效率為同步振動(dòng)式>回轉(zhuǎn)式>滾筒振動(dòng)式，加工均勻一致性為同步振動(dòng)式>滾筒振動(dòng)式>回轉(zhuǎn)式。

圖6不同加工方式下的磨損量及變異系數(shù)

圖7為不同區(qū)域的磨損量。

(a)回轉(zhuǎn)式

由圖可見，回轉(zhuǎn)式加工P1處磨損量比P10處高約8.18～8.65倍，滾筒振動(dòng)式加工高約1.96～2.62倍，同步振動(dòng)式加工高約1.63～1.77倍。從不同加工方式下F1、F6處與中間區(qū)域F2～F5處的磨損量對(duì)比來(lái)看，回轉(zhuǎn)式加工F1、F6處的磨損量約為中間區(qū)域的3.1～5.66倍，滾筒振動(dòng)式加工后約為2.13～2.81倍，同步振動(dòng)式加工后約為1.81～2.01倍?；剞D(zhuǎn)式、滾筒振動(dòng)式及同步振動(dòng)式加工P1處的磨損量都大于P10處，F(xiàn)1～F6方向的磨損量呈先減后增趨勢(shì)，不同的是回轉(zhuǎn)式、滾筒振動(dòng)式及同步振動(dòng)式加工P1處與P10處磨損量差值遞減，F(xiàn)1、F6處與中間區(qū)域的磨損量差值也依次縮短。

與振動(dòng)式加工相比，回轉(zhuǎn)式加工效率低，P1處和P10處的磨損量差值大，這是因?yàn)榛剞D(zhuǎn)式加工中滾筒的運(yùn)動(dòng)次數(shù)較振動(dòng)式加工少，滾拋磨塊在模擬件表面的碰撞滑擦次數(shù)較低，并且回轉(zhuǎn)式加工中模擬件表面的滾拋磨塊速度與所受離心力有關(guān)，其離心力半徑為滾拋磨塊距P10處的距離，距離越短離心力就越小，因此P1處～P10處的滾拋磨塊速度遞減，導(dǎo)致磨損量差值較大。與回轉(zhuǎn)式加工相比，振動(dòng)式加工后的模擬件F1～F6處的磨損量差值較大，這是因?yàn)檎駝?dòng)式加工存在埋入深度的問(wèn)題，埋入深度越深磨損量就越高，并且邊緣處與滾拋磨塊碰撞滑擦的次數(shù)較多，因此出現(xiàn)F1～F6處磨損量差值較回轉(zhuǎn)式加工大的現(xiàn)象。根據(jù)仿真結(jié)果，單一的加工工藝都存在不足之處，經(jīng)回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式加工后的模擬件都存在P1處P10處磨損量差值較大的現(xiàn)象，并且F1～F6方向磨損不均勻。

2.1.2 流場(chǎng)行為分析

圖8為三種加工方式下滾拋磨塊在模擬件表面的速度云圖。

(a)回轉(zhuǎn)式加工正面滾拋磨塊速度

由圖8可知回轉(zhuǎn)式加工中，滾拋磨塊的速度從根部到頂部遞增，前緣到后緣方向的速度變化不明顯。振動(dòng)式加工下的滾拋磨塊速度從前緣到后緣先減后增，頂部到根部方向的速度緩慢增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)式加工中滾拋磨塊的速度大于振動(dòng)式加工，因此滾拋磨塊在回轉(zhuǎn)式加工中的運(yùn)動(dòng)較振動(dòng)式加工劇烈。

圖9為模擬件頂、根部及前、后緣滾拋磨塊速度。

(a)頂、根部滾拋磨塊速度

由圖可見，相較于振動(dòng)式加工，回轉(zhuǎn)式加工的優(yōu)點(diǎn)是前緣至后緣方向滾拋磨塊速度差值較小，缺點(diǎn)是頂部至根部方向滾拋磨塊速度差值較大，振動(dòng)式加工則反之。

由上述研究可知回轉(zhuǎn)式加工中滾拋磨塊運(yùn)動(dòng)較振動(dòng)式加工劇烈，振動(dòng)式加工的加工效率及加工均勻一致性較高，為了保證多個(gè)面之間的加工均勻一致，同時(shí)通過(guò)提高滾拋磨塊在模擬件表面的接觸隨機(jī)性來(lái)提升單個(gè)面內(nèi)的加工均勻一致性，將回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式組合起來(lái)，耦合構(gòu)建振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工下的滾拋磨塊流場(chǎng)。通過(guò)回轉(zhuǎn)的作用降低前后緣表面滾拋磨塊速度差值，通過(guò)振動(dòng)的作用降低頂部和根部表面滾拋磨塊速度差值，同時(shí)提高加工效率。

2.2 振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工方案

振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工如圖10所示。以滾筒軸線和軸截面的交點(diǎn)為原點(diǎn)O，垂直于軸線水平向右為X軸，垂直于軸線豎直向上為Y軸，滾筒中心線所在方向?yàn)閆軸建立空間直角坐標(biāo)系OXYZ。加工時(shí)滾筒和整體葉盤繞Z軸振動(dòng)，并同步進(jìn)行往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖11所示為4種方案加工后的磨損量及變異系數(shù)。

圖10 加工示意圖

圖11 4種加工方式下的磨損量及變異系數(shù)

由圖可見，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工后的磨損量最高，正面和背面磨損量分別為8.707 3 μm和8.805 1 μm，依次為回轉(zhuǎn)式、滾筒振動(dòng)式及同步振動(dòng)式的6.08～7.04倍、6.533～6.775倍和1.144～1.147倍。同時(shí)可知振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工的磨損量變異系數(shù)最低，正面和背面磨損量變異系數(shù)分別為0.309 29和0.289 06，依次為回轉(zhuǎn)式、滾筒振動(dòng)式及同步振動(dòng)式的0.367～0.40倍、0.753～0.762倍和0.893～0.920倍。仿真結(jié)果顯示，相較于回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式拋磨加工效率高，加工均勻一致性好。

如圖12所示為振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工下的滾拋磨塊在模擬件表面的速度云圖。

(a)振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工正面滾拋磨塊速度

與圖8對(duì)比可見，回轉(zhuǎn)式加工P1處與P10處滾拋磨塊速度差值為0.256 m/s～0.318 m/s，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式則是0.183 m/s～0.186 m/s；振動(dòng)式加工F1、F6處與中間區(qū)域滾拋磨塊速度差值為0.028 m/s～0.054 m/s，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式則是0.002 4 m/s～0.009 2 m/s。

如圖13所示為不同加工方式下滾拋磨塊速度的變異系數(shù)。

圖13 滾拋磨塊速度變異系數(shù)

由圖可見，回轉(zhuǎn)式、滾筒振動(dòng)式、同步振動(dòng)式和振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工的滾拋磨塊速度的變異系數(shù)依次遞減，正面和背面分別為0.229 97和0.224 57、0.163 25和0.171 36、0.131 59和0.141 33、0.114 03和0.111 27。相較于回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式的方案會(huì)縮短模擬件表面不同區(qū)域滾拋磨塊的速度差值。

如圖14所示為振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工后的模擬件表面不同區(qū)域的磨損量。

(a)葉尖到葉根磨損

由圖可見，磨損量從P1處～P10處整體為遞減趨勢(shì)，P1處的磨損量約為P10處的1.57～1.61倍，相較于回轉(zhuǎn)式及振動(dòng)式，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式縮短了P1～P10處的磨損量差值。磨損量從F1處～F6處為先減后增趨勢(shì)，F(xiàn)1、F6處的磨損量約為中間區(qū)域的1.81～1.90倍，相較于回轉(zhuǎn)式及振動(dòng)式縮短了F1～F6處的磨損量差值。與圖7對(duì)比可見，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式與回轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式的磨損規(guī)律相似，但縮短了不同區(qū)域的磨損量差值。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，從加工效率及加工均勻一致性的角度考慮，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式優(yōu)于回轉(zhuǎn)式及振動(dòng)式。通過(guò)離散元法的模擬可以對(duì)整體葉盤振動(dòng)回轉(zhuǎn)式的加工提供參考，為下一步的實(shí)驗(yàn)研究打下理論基礎(chǔ)。需要注意的是仿真過(guò)程中磨損量會(huì)隨著時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，而實(shí)際加工中材料去除量會(huì)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，繼續(xù)加工一段時(shí)間可能還會(huì)繼續(xù)增大。

3 結(jié)論

本文基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤加工不均勻的問(wèn)題，仿真并對(duì)比分析了幾種拋磨加工的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)提出了振動(dòng)回轉(zhuǎn)式拋磨加工并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，相較于回轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式加工，振動(dòng)回轉(zhuǎn)式拋磨加工縮短了模擬件不同區(qū)域磨損量差值和滾拋磨塊速度差值，提高了加工效率及加工均勻一致性。振動(dòng)回轉(zhuǎn)式加工解決了純回轉(zhuǎn)、純振動(dòng)這種單一運(yùn)動(dòng)的加工方式在加工整體葉盤中存在的不足，為拋磨加工在整體葉盤表面加工方向的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。