一种精密复杂曲面零件型面磨料流等余量精准抛光模具设计方法

文档序号:8396030阅读:493来源:国知局
一种精密复杂曲面零件型面磨料流等余量精准抛光模具设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密复杂曲面零件型面磨料流等余量精准抛光模具设计方法,尤 其针对表面质量要求和均一性很高的航空精密叶轮、叶盘和叶片等曲面类零件的型面磨料 流等余量精准抛光模具设计方法。
【背景技术】
[0002] 诸如航空发动机整体叶盘、叶轮、叶片等精密复杂曲面零件的型面,在传统的 精密数控铣削、电火花或电解成形加工、3D打印成形后,其表面粗糙度一般只能达到 Ra2. 0-1. 6 y m,仍然需要在不破坏其精准型面的基础上,通过后续精密抛光或超精研等加 工方法进一步降低被加工型面的粗糙度至RaO. 4-0. 1 ym。由于上述零件被加工型面的强几 何干涉特点导致其加工可达性差、加之多属于刚度较差的薄壁构形,目前企业主要采用砂 带、布轮、油石等工具进行手工抛光工艺,不仅存在型面难以保证、局部边角抛光不到、抛光 纹理杂乱、表面粗糙度均一性差等质量问题,而且加工效率低下、环境粉尘污染严重。采用 挤压磨料流工艺方法将能够有效避免局部边角抛光不到、避免抛光纹理杂乱和无环境粉尘 污染等优点,但是由于传统的"穿膛过"式挤压磨料流工艺方法在抛光上述复杂曲面时,由 于进出口压差的存在,很容易使被加工后的工件出现压力大处去除材料多,压力小处去除 材料少的不均匀性问题,即产生"过抛"或"欠抛"现象,破坏了产品型面的精准性,因而使 之该工艺方法难以适用于诸如航空叶轮等高性能零件的精密抛光加工。
[0003] 采用挤压磨料流工艺对模具内表面、小孔、阀腔等复杂曲面是一种高效的抛光方 法,但是企业中所应用的传统挤压磨料流工艺,主要应用在气动性能要求不高的管类内腔、 空调叶轮、液压阀腔,汽车轮毂等对产生"过抛"或"欠抛"后影响不大的零部件中;而对于 气动性能要求较高的航空发动机整体叶盘、叶轮等要求型面精准、表面质量均一性高的复 杂曲面类零件,由于传统挤压磨料流在磨料挤压加工工件过程中,进出口压差不等,导致挤 压流体磨料流过被加工工件密封腔体内形成不均匀的压力场,从而极易造成被加工工件表 面在磨料挤压流入和流出处产生"过抛"或"欠抛"等表面不均匀现象。
[0004] 申请者曾发明了"一种整体叶轮类零件旋转磨料流抛光方法 (ZL201210103751. 7) "和一种整体叶轮类零件旋转磨料流抛光装置(ZL201210103154. 4) ", 通过在工件外侧面增加一个专用的仿形夹具罩,以及改变磨料泵的定时循环交变供料及控 制阀调节流量压力等,较好地解决了零件抛光过程的"欠抛"和部分"过抛"现象。但是对于 航空精密叶片等精度要求更高的零件,仍然存在叶形锐边尖端"过抛"和精准型面存在"局 部微量恶化"难题。
[0005] 太原理工大学利用磨料流抛光内管道时,提出了在管道两端设计一段料流引导段 的工艺方法,使边缘"过抛"控制在引导段上,从而实现对待抛工件的保护。
[0006] 专利CN103111946A发明了一种适用于整体叶盘磨料流抛光专用夹具,该夹具利 用密封垫紧贴整体叶盘叶片前后缘,以此保护叶片前后缘产生磨损。但是,在整体叶盘铣削 成形后叶片前后缘的过渡圆角有可能出现方头等,为提高整体叶盘压气效率,抛光过程中 需要对所述过渡圆角进行修形,而利用密封圈紧贴前后缘的保护方式将阻止磨料流对前后 缘的修形。
[0007] 现有文献中描述的针对磨料流加工夹具型面设计的方法都属于粗放式设计,未考 虑磨料流介质流场、模具磨损和型面过抛量等参量对模具约束型面的影响。

【发明内容】

[0008] 为实现航空发动机整体叶轮、叶盘、叶片等复杂曲面流道类零件的精准抛光加工, 达到表面抛光型面精准、抛光纹理均匀和规则、粗糙度小于RaO. 4的设计要求,并显著提高 生产效率,减轻工人劳动强度和改善作业环境,本发明提供了一种精密复杂曲面零件型面 的磨料流等余量精准抛光模具设计方法,该方法应采用基于复杂型面磨料流介质工作流场 的模具反求设计方法,实现磨料流介质工作流场出入口压力场均匀的模具结构设计,将能 够进一步提高并实现此类精密零件磨料流抛光加工的型面精准性和质量均一性。
[0009] 本发明采用的技术方案如下:一种精密复杂曲面零件型面磨料流等余量精准抛光 模具设计方法,模具的磨料流介质流道间隙和进出口处截面形状是依据建立的半固态粘弹 性磨料流介质流场数学模型及其压力仿真模拟结果进行反求设计,所述反求设计的步骤如 下:
[0010] (a)模具的磨料流介质进出口处截面形状是依据半固态粘弹性磨料流介质流场数 学模型,获得不同材料的抛光流道间隙对其抛光压力影响的流场仿真模拟结果;
[0011] (b)依据流场仿真模拟结果,将待加工表面沿流动方向划分为三个区段:磨料流 介质稳定流动段、入口剧烈影响段和磨料流介质直接冲击段;
[0012] (c)依据流场仿真模拟结果,结合(b)所述待加工表面沿流动方向划分为三个区 段,将模具约束表面划分为三个区段:过渡区、放开区和稳定区;
[0013] (d)依据流场仿真模拟结果,进行不同区段模具截面形状的反求设计,得到合理的 流道间隙;在各区段中,半固态粘弹性磨料流介质流场数学模型满足下列公式:
[0014] 过渡段di,
[0015]放开区:82=K2F2(Q,Ah,x,l2),
[0016]稳定区:63=K3'F3(Q,t,x,13),
[0017] 其中,Si为过渡段模具与复杂型面的间隙,mm,S 2为开放区模具与复杂型面的间 隙,mm,F2为间隙S 2的函数关系,K2为修正系数,Ah为放开区相比于稳定区的过抛量,mm, x为磨料流介质在复杂型面上的湿周,_,1 2为放开区的长度,mm; S 3为稳定区模具与复 杂型面的间隙,mm,F3为间隙S 3的函数关系,K3'为修正系数,t剪切应力,MPa,l3为磨料 流介质流动长度,mm,Q为通过流道的流量,kg/sec.;
[0018] 各区段的模具型面反求出来后,为保证磨料流介质在三区段连接处的稳定过渡, 其分段间隙函数应满足以下边界条件:
[0019]
[0020] 针对复杂曲面锐边抛光需求,采用一种锐边格栅或挡块保护结构,所述格栅或挡 块结构距离锐边边缘0. 5-5. 5mm,并基于流场仿真模拟结果确定其位置和形状参量;
[0021] 基于流场仿真模拟分析,并依据模具与待加工工件材质特性,选择与待加工表面 匹配的模具材质,利用磨损转移方法实现待加工表面"过抛"控制,所述模具材质较待加工 表面材质硬度低20-50%,在抛光初期模具表面因高剪切应力作用而导致去除量高于待加 工表面,当模具磨损量与流场达到稳定后,则实现流道内的流场均匀化控制。
[0022] 采用上述技术方案的工作原理为:针对传统挤压磨料流的半固态粘弹性磨料流介 质在加工精密复杂曲面叶轮和叶片型面时,由于在磨料的进口及出口处压力不均匀,而导 致的被加工工件磨料进出口去除量大产生"过抛"或"欠抛"等问题,通过基于半
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