固體與液體兩相磨粒流拋光異形曲面的質(zhì)量控制因素研究

李俊燁，周曾煒，張心明，周立賓

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，具有異形曲面結(jié)構(gòu)的零件在航空航天、汽車制造、模具制造等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如：飛機(jī)上的航空葉輪、槍炮膛線管中的螺旋曲面、汽車渦輪增壓器中的葉片、非球面光學(xué)儀器等[1-2]。但由于異形曲面表面形狀的復(fù)雜性，尤其是對(duì)于表面質(zhì)量要求較高的異形曲面，對(duì)其進(jìn)行超精密加工就更加困難，因此國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)異形曲面加工技術(shù)展開了一系列研究工作[3-5]。

磨粒流拋光技術(shù)憑借其流體良好的仿形特性和流動(dòng)特性，可較為容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類型腔內(nèi)表面、復(fù)雜曲面的超精密光整加工[6]。本文以多邊形螺旋曲面膛線管為研究對(duì)象，采用固體與液體(簡(jiǎn)稱固液)兩相磨粒流拋光方法拋光異形曲面，并且進(jìn)行數(shù)值模擬研究；分析不同入口壓力對(duì)磨粒流拋光膛線管近壁面動(dòng)壓、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度的影響，同時(shí)在不同壓力的加工條件下對(duì)其內(nèi)部的多邊形螺旋曲面進(jìn)行磨粒流拋光實(shí)驗(yàn)，并對(duì)拋光后的異形曲面零件進(jìn)行表面形貌檢測(cè)分析以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期今后利用磨粒流技術(shù)拋光異形曲面和自由曲面提供技術(shù)支持[7-12]。

1 磨粒流拋光膛線管數(shù)值模型參數(shù)選擇與設(shè)置

根據(jù)膛線管的結(jié)構(gòu)特性和使用特性，若要對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行光整加工，則普通加工方法難以有效獲得理想的表面精度，固液兩相磨粒流加工技術(shù)由于其獨(dú)特的拋光特性可有效解決這個(gè)問題。數(shù)值模擬技術(shù)是一種有效的技術(shù)手段，可為磨粒流拋光技術(shù)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1.1 數(shù)值模型的選擇

本文所選仿真模型為直徑φ5.5 mm的12邊形螺旋曲面膛線管。為有效實(shí)現(xiàn)固液兩相磨粒流拋光膛線管的數(shù)值模擬研究，以計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent為平臺(tái)，假定流體為連續(xù)流體，為獲得理想的計(jì)算結(jié)果，采用三維雙精度求解器進(jìn)行計(jì)算，選用壓力耦合方程的SMPLEC算法進(jìn)行計(jì)算求解。由于膛線管內(nèi)表面的幾何形狀呈螺旋線彎曲的，流體的運(yùn)動(dòng)也是不穩(wěn)定的，故需混合相模型、能量方程[13]、湍流方程參與運(yùn)算。湍流方程選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其方程為

(1)

(2)

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能的耗散率；μl為層流黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)，μt=ρCμk2/ε，Cμ是一常數(shù)，Cμ=0.09；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為受浮力影響所產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε= 0.09，σk= 1.0，σε=1.3，近壁面處理方式選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。邊界條件中固液兩相磨粒流入口設(shè)為壓力入口，方向垂直于邊界，初始湍流強(qiáng)度為5%，湍流黏度為10 kg/(m·s)。其中，固相體積分?jǐn)?shù)為0.2，出口滿足連續(xù)性條件，設(shè)為自由outflow，其余邊界設(shè)為wall，壁面邊界設(shè)為無滑移邊界條件。

1.2 材料的選擇與設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算之前需對(duì)固體相與液體相材料的物理屬性進(jìn)行設(shè)置，固體顆粒相選用碳化硅(SiC)顆粒，SiC化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)小，耐磨性好，莫氏硬度達(dá)到9.5，SiC顆粒作為磨削顆粒能夠較好地實(shí)現(xiàn)磨削效果，液體相采用液壓油。具體參數(shù)如表1所示，其中T為工作溫度，SiC顆粒黏度較小，可忽略。

2 固液兩相磨粒流拋光膛線管多邊螺旋曲面的數(shù)值分析

為了更好地分析固液兩相流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合膛線管的結(jié)構(gòu)特征，分別選取軸向橫截面及壁面上的兩條帶狀多邊形螺旋曲面，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的固液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析，獲得不同入口壓力條件下的軸向截面動(dòng)壓云圖和進(jìn)出口及壁面動(dòng)壓云圖如圖1和圖2所示。

表1 材料屬性設(shè)置Tab.1 Material properties

注：*為常溫(293.15 K)數(shù)據(jù)。

為便于分析磨粒流拋光膛線管多邊螺旋曲面時(shí)流體在整個(gè)流道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在徑向方向選取流道中間部位和近壁區(qū)的部分進(jìn)行數(shù)值分析，在軸向方向上分別選取入口處、中段及出口處進(jìn)行分析，得到的動(dòng)壓分布如表2所示。

通過圖1軸向截面動(dòng)壓云圖和表2的動(dòng)壓分布表可知，固液兩相磨粒流流體由入口處流經(jīng)至出口處，流體的湍流狀態(tài)及活躍性不斷增強(qiáng)，膛線管流道內(nèi)流體的動(dòng)壓不斷增強(qiáng)，壓力衰減逐漸增大。隨著入口壓力增加，流體的擾動(dòng)性不斷增強(qiáng)，磨料對(duì)壁面的沖擊與摩擦作用也不斷增強(qiáng)。

從圖2的進(jìn)出口及壁面動(dòng)壓云圖可以看出，在多邊螺旋曲面膛線管近壁面處，隨著流體路徑的不斷延長(zhǎng)，近壁面流體的動(dòng)壓不斷減弱。這是因?yàn)殡S流體在型腔內(nèi)不斷前行，由于流體介質(zhì)黏性作用，與加工壁面接觸摩擦產(chǎn)生黏滯阻力，導(dǎo)致流體自身能量損失一部分，轉(zhuǎn)化為流體或工件的內(nèi)能，并以熱能形式通過工件外表面散發(fā)出去。因此隨著磨粒流拋光的不斷深入，膛線管壁面的拋光效果將逐漸變差，磨粒流拋光膛線管工件的表面質(zhì)量理論上在入口處最好，在出口處最差。

表2 不同壓力條件下動(dòng)壓分布Tab.2 Distribution of dynamic pressures at different pressures

通過圖3的軸向截面湍流動(dòng)能云圖和表3所示的湍流動(dòng)能分布表可以看出，在流道中間部位湍流動(dòng)能較小，近壁面處的湍流動(dòng)能較大，而且越靠近壁面湍流動(dòng)能越大。這是因?yàn)槟チＡ髟诋愋吻嫘颓恢羞\(yùn)動(dòng)開始時(shí)為自由流動(dòng)狀態(tài)，磨粒在碰撞多邊螺旋曲面型腔內(nèi)的邊棱后，流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)突然發(fā)生改變，在壁面附近速度大小和方向均會(huì)出現(xiàn)突然變化，流體的湍流速度變化較大，流體漲落方差也會(huì)變大，從而導(dǎo)致近壁區(qū)的湍流動(dòng)能要比流道中間部位要大，即在近壁面附近磨粒流拋光效果較好。

表3 不同入口壓力下湍流動(dòng)能分布Tab.3 Distribution of turbulent kinetic energy at different inlet pressures

根據(jù)圖4的進(jìn)出口及壁面湍流動(dòng)能云圖可以看出，磨粒流在初始進(jìn)入多邊曲面流道時(shí)湍流動(dòng)能較大，即在入口處附近的壁面加工效果較好。隨著流體運(yùn)動(dòng)的不斷深入，由于膛線管內(nèi)部為螺旋曲面型腔，流體除了做軸向直線運(yùn)動(dòng)還有周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)碰到多邊形邊棱，導(dǎo)致流體本身能量降低，湍流動(dòng)能逐漸減小，磨粒流拋光去毛刺的能力逐漸減弱。在右側(cè)入口處附近湍流動(dòng)能較大且分布比較集中，而在左側(cè)臨近出口處位置時(shí)，湍流動(dòng)能有所降低但分布更加均勻，磨粒流拋光表面質(zhì)量也較為均勻。

由圖5的不同入口壓力下軸向截面湍流強(qiáng)度云圖可以看出：在入口近壁面處附近湍流強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在入口處的近壁面，且在入口近壁面處邊界層較窄；待流體向前運(yùn)動(dòng)一段距離后，在壁面附近湍流強(qiáng)度會(huì)變大，靠近壁面的邊界層變得更寬，分層現(xiàn)象更加明顯，在徑向方向上流道中間部位的湍流強(qiáng)度要小于壁面附近的，這樣有利于被加工表面毛刺的去除。通過圖6的進(jìn)出口及壁面湍流強(qiáng)度云圖可以看出，在壓力一定的情況下，流道中近壁面處湍流強(qiáng)度衰減得并不明顯，僅在左側(cè)出口處附近出現(xiàn)弱微衰減。隨著入口壓力的不斷增大，湍流強(qiáng)度也在不斷增大，通過圖6(a)～圖6(d)4幅圖比較可以看出，在臨近入口處壓力越大，湍流強(qiáng)度衰減越大，即隨著入口壓力的增加，有更多的磨料流體參與了對(duì)壁面的作用，因此磨粒流拋光效果更加明顯，工件表面質(zhì)量更好。

3 固液兩相磨粒流拋光膛線管多邊螺旋曲面的實(shí)驗(yàn)分析

通過對(duì)異形曲面- 膛線管流道的磨粒流拋光數(shù)值分析，獲得了工件待加工表面近壁面的流場(chǎng)狀態(tài)。為驗(yàn)證數(shù)值分析的可信性，對(duì)磨粒流拋光多邊螺旋曲面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在不同入口壓力6 MPa、7 MPa、8 MPa條件下對(duì)膛線管磨粒流拋光5 min，并通過相關(guān)檢測(cè)手段對(duì)磨粒流拋光前后的膛線管內(nèi)表面的表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與分析。

3.1 膛線管多邊螺旋曲面加工

膛線管作為槍械中的核心部件，其內(nèi)表面質(zhì)量對(duì)于其射擊精度有著極其重要的影響，由于其內(nèi)部為多邊螺旋曲面，當(dāng)子彈被給予一定的初速度之后，會(huì)受到管內(nèi)螺旋形狀的影響，除在軸向前運(yùn)動(dòng)外還會(huì)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得子彈頭在出膛后仍可以保持平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。利用磨粒流拋光方法對(duì)膛線管內(nèi)部曲面通道進(jìn)行拋光，可以很好地去除多邊螺旋曲面上的毛刺，并對(duì)多邊形螺旋曲面的邊棱進(jìn)行倒角，減少子彈前進(jìn)中的阻力，使子彈頭在通道內(nèi)運(yùn)行更加順暢，提高槍械的射擊精度與射程。本文選取內(nèi)孔直徑為φ5.5 mm、內(nèi)腔具有12條邊的螺旋曲面膛線管為實(shí)驗(yàn)樣件，膛線管如圖7所示。

3.2 膛線管多邊螺旋曲面表面形貌檢測(cè)分析

為驗(yàn)證固液磨粒流對(duì)膛線管的光整加工效果，采用掃描電子顯微鏡對(duì)膛線管內(nèi)曲面的表面形貌進(jìn)行檢測(cè)，分析不同入口壓力條件下加工后中段處表面形貌的變化情況，掃描電鏡檢測(cè)圖如圖8所示。

如圖8所示的在不同加工壓力下工件表面形貌圖，其中圖8(a)為經(jīng)磨粒流加工前工件的表面形貌圖，圖8(b)、圖8(c)和圖8(d)分別為經(jīng)磨粒流拋光之后的表面形貌圖，磨粒流拋光時(shí)的入口壓力分別為6 MPa、7 MPa、8 MPa. 從圖8(a)可以看出，磨粒流拋光前膛線管曲面的表面上分布著許多凹凸不平的氣孔狀毛刺，且分布較為雜亂，質(zhì)量較差；從圖8(b)、圖8(c)和圖8(d)可以看出，膛線管的內(nèi)表面經(jīng)磨粒流拋光后，表面上毛刺基本消失，出現(xiàn)了很多條紋狀劃痕，工件表面變得更加平滑，表面質(zhì)量得到明顯改善。通過對(duì)比不同加工壓力條件下的表面形貌圖可以看出，在6 MPa時(shí)劃痕較弱并伴有少許毛刺，到8 MPa時(shí)毛刺已基本去除，劃痕更加細(xì)密，工件表面更加光整，即隨著加工壓力的增加毛刺去除效果愈加明顯，與前面的仿真結(jié)果預(yù)測(cè)基本相符。增大磨粒流拋光時(shí)入口處壓力，異形曲面流道內(nèi)的動(dòng)壓、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度等參數(shù)都隨之增加，磨料顆粒與壁面碰撞的機(jī)會(huì)大大增加，拋光質(zhì)量隨著加工壓力的增大而變好。

如圖9所示為在同一加工條件下同一流道內(nèi)工件表面不同部位的表面形貌圖。由圖9(a)可以看出在入口處工件表面比較平滑，且劃痕較深、一致性較為均勻；圖9(b)表示的中段處表面形貌劃痕相比于圖9(a)入口處顯得較亂一些，但表面較為光整、也沒有太多的毛刺；由圖9(c)中出口處的表面形貌可以看出僅有少量的粒子劃痕，表面不如入口處與中段處光整，且存有少許毛刺，這是因?yàn)樵谌肟谔帀毫^大，能量較為充足，流體在流道中各項(xiàng)湍流參數(shù)都相對(duì)較大，磨料顆粒較為活躍，與壁面碰撞接觸機(jī)會(huì)較多，加工效果也最為明顯。若要在膛線管出口處獲得理想的拋光質(zhì)量，則可采用雙向研拋并在膛線管內(nèi)增加型芯的方式進(jìn)行磨粒流拋光；同時(shí)，如有必要可在出口處增加背壓，以增強(qiáng)出口處的湍流動(dòng)能，補(bǔ)償出口處能量損失，保證出口處磨料活躍性，從而確保膛線管出口處磨粒流拋光質(zhì)量。

3.3 膛線管多邊螺旋曲面的表面粗糙度檢測(cè)分析

為驗(yàn)證固液磨粒流對(duì)膛線管的光整加工效果，在入口壓力為8 MPa條件下進(jìn)行磨粒流拋光膛線管實(shí)驗(yàn)。采用光柵表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)膛線管內(nèi)曲面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，為更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)磨粒流拋光技術(shù)對(duì)粗糙度的影響，去除加工效果較好的入口處及拋光質(zhì)量較差的出口處，選取樣件流道中段進(jìn)行測(cè)量，粗糙度檢測(cè)圖如圖10所示。

由圖10可見，磨粒流拋光前膛線管多邊螺旋曲面的表面粗糙度為1.450 μm，經(jīng)磨粒流拋光之后表面粗糙度最好可達(dá)到0.296 μm，表面粗糙度明顯降低，充分證明了磨粒流拋光異形曲面的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)異形曲面零件表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及難以對(duì)其表面進(jìn)行有效光整加工的問題，提出了固液兩相磨粒流拋光異形曲面的加工方法。通過多邊形螺旋曲面膛線管的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下主要結(jié)論：

1)在固液兩相磨粒流拋光異形曲面中，入口壓力為主要影響因素，隨著壓力的不斷增大，多邊螺旋曲面流道中近壁面處的動(dòng)壓、湍流強(qiáng)度、湍流動(dòng)能也隨之增大，磨粒流拋光效果也隨之變好。

2)對(duì)不同加工壓力下經(jīng)磨粒流拋光后的膛線管內(nèi)表面的表面形貌和粗糙度進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磨粒流拋光后的膛線管零件內(nèi)表面毛刺基本被去除，加工前的粗糙度為1.450 μm，加工后最好可達(dá)0.296 μm，表面質(zhì)量得到明顯改善。固液兩相磨粒流拋光技術(shù)可有效提高異形曲面零件內(nèi)表面質(zhì)量，對(duì)于異形曲面零件的內(nèi)表面光整加工具有一定的參考價(jià)值。

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