面向整体叶盘均匀一致性的振动回转式抛磨加工离散元模拟分析

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整体叶盘是航空发动机上的核心零部件,其表面质量直接影响着航空发动机的使用寿命和性能,对于航空发动机的重要性不言而喻。我国整体叶盘的表面加工仍处于手工打磨和数控铣削阶段,缺乏其他领域尤其是滚磨光整加工方向的相关研究。为提高整体叶盘加工均匀一致性,本文基于离散元法和滚磨光整加工理论,对比分析了回转式、振动式(模拟件外固定)、振动式(模拟件内固定)及振动回转式抛磨加工整体叶盘模拟件的优缺点,并针对振动回转式加工进行了深入研究,为实际加工提供理论依据与参考,研究内容与主要成果如下:(1)通过离散元软件EDEM,在磨损量、滚抛磨块速度及各自的变异系数等方面对比分析回转式、振动式(模拟件外固定)及振动式(模拟件内固定)抛磨加工整体叶盘模拟件的优缺点,在此基础上提出振动回转式抛磨加工并加以仿真分析。通过仿真发现相比与其他几种加工方式,振动回转式加工可以缩短模拟件表面顶部至根部方向和前缘至后缘方向磨损量差值及滚抛磨块速度差值。结果表明,无论从加工效率还是加工均匀一致性的角度分析,振动回转式的加工方式都要优于回转式加工和振动式加工。(2)通过提取模拟件表面的磨损量、法向力、切向力、法向累积接触能量及切向累积接触能量等数据分析振动回转式加工下滚抛磨块对整体叶盘模拟件的加工作用,根据累积接触能量公式推算出滚抛磨块的切向速度大于法向速度。(3)对转速、振动频率和振幅进行了单因素试验及正交试验仿真,优化振动回转式加工的运动参数。仿真结果表明,转速、振动频率、振幅三个因素的显著性影响顺序为振幅>转速>振动频率,最优加工参数为n=10rpm、f=40Hz、A=2mm。(4)为了提高模拟件的加工均匀一致性,目的性地降低或提高型面局部磨损量,设计了流场调节装置:导流半岛和挡条结构。通过改变导流半岛距模拟件的距离和导流半岛宽度,改变加工不均匀区域磨损量。仿真结果表明,导流半岛会降低中间区域磨损量,同时提高中间区域加工均匀一致性;导流半岛可以缩短正面和背面的磨损量差值;拓宽导流半岛后会降低加入导流半岛造成的前缘与后缘磨损量的差距,加入挡条结构会再次降低边缘处的磨损量,提高加工均匀一致性。
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