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[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104715110 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.06.17

(21)申请号 201510110161.0(22)申请日 2015.03.13

(71)申请连理工大学

地址116024 辽宁省大连市高新园区凌工路

2号(72)发明人高航 付有志 吴鸣宇 王宣平(74)专利代理机构大连星海专利事务所 21208

代理人花向阳(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)

权利要求书1页 说明书6页 附图3页

(54)发明名称

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(57)摘要

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，属于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的技术领域。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；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，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；模具材质较待加工表面材质硬度低20-50％。该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，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。 C N 1 0 4 7 1 5 1 1 0 A CN 104715110 A

权 利 要 求 书

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1.一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，其特征在于：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：

(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；

(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；

(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与模具约束表面划分为三个区段：过渡区、放开区和稳定区；

(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：

过渡区：δ1，放开区：δ2＝K2F2(Q，Δh,χ，l2)，稳定区：δ3＝K3'F3(Q，τ,χ，l3)，其中，δ1为过渡段模具与复杂型面的间隙，mm，δ2为开放区模具与复杂型面的间隙，mm，F2为间隙δ2的函数关系，K2为修正系数，Δh为放开区相比于稳定区的过抛量，mm，χ为磨料流介质在复杂型面上的湿周，mm，l2为放开区的长度，mm；δ3为稳定区模具与复杂型面的间隙，mm，F3为间隙δ3的函数关系，K3'为修正系数，τ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.，

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：

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；

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％。

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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

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。

[0001]

背景技术

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Ra2.0-1.6μm，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Ra0.4-0.1μm。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。

[0002]

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

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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

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Ra0.4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：δ1，[0015] 放开区：δ2＝K2F2(Q，Δh,χ，l2)，[0016] 稳定区：δ3＝K3'F3(Q，τ,χ，l3)，[0017] 其中，δ1为过渡段模具与复杂型面的间隙，mm，δ2为开放区模具与复杂型面的间隙，mm，F2为间隙δ2的函数关系，K2为修正系数，Δh为放开区相比于稳定区的过抛量，mm，χ为磨料流介质在复杂型面上的湿周，mm，l2为放开区的长度，mm；δ3为稳定区模具与复杂型面的间隙，mm，F3为间隙δ3的函数关系，K3'为修正系数，τ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：

[0008]

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[0019]

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，通过基于半固态粘弹性磨料流介质流场模型，进行模具与被加工面间隙对流场压力影响规律的仿真模拟分析，依据仿真模拟分析结果反求设计模具的进出口截面形状，从而达到均化抛光压力之目的，消减因磨料流介质进出口处的截面形状突变带来的“过抛”或“欠抛”难题；通过在模具上增设过渡段，进一步缓解磨料流介质进出口处的截面形状变化对加工质量的影响；此外，在叶形锐边尖端上端设计辅助窄条挡板或格栅，能够在消减抛光过程磨料流介质对诸如叶片锐边的“过抛”难题的同时，抛光出所需的叶形锐边尖端光滑圆角。[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] (1)提出并建立基于复杂型面磨料流介质工作流场数学模型，依据数学模型给出模具和零件流道间隙对流场压力的仿真模拟结果；(2)依据仿真模拟结果修正模具的磨料流介质进出口处的截面形状，即对模具的进口和出口处的截面进行反求设计，消减磨料流介质进出口处的“过抛”或“欠抛”问题；(3)通过在模具上增设过渡段，进一步缓解磨料流介质进出口处的截面形状变化对加工型面精准性的不良影响；(4)提出磨损转移方法，即采用质地稍软于工件的模具材料，将流场对工件的过抛磨损转移至模具型面，并定期更换磨损后的模具；(5)通过在叶片锐边尖角部位的上端设计增加可更换的窄条挡板或格栅结构，在起到在消减磨料流介质对叶片锐边尖角部位“过抛”作用的同时，抛光出叶形锐边尖端的光滑圆角。

[0020]

附图说明

[0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031]

图1不同流道间隙对流场速度影响。

图2不同流道间隙端口介质速度变化曲线。图3复杂型面磨料流加工模具设计示意图。

图4叶片锐边磨料流抛光格栅或挡板设计示意图。图5流道内流体速度均匀变化示意图。图6磨料流加工模具反求设计框图。

图7叶片磨料流等余量精准抛光模具设计流程与仿真分析。

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具体实施方式

[0032] 图1和图2所示为磨料流介质通过不同流道间隙时流道内速度变化规律，由图1可知：流道中间区段磨料流介质动力学特性较为稳定，但在端口两侧存在流动剧烈影响区段，将此影响区段放大之后如图2所示，间隙较小时，此影响区段的速度呈现剧烈震荡，随着间隙的增大，该震荡逐渐消失，出现剧烈衰减趋势。磨料流介质的剧烈变化将导致流道两端出现剧烈磨损，发生“过抛”。为此，借助流体仿真技术，结合试验研究，实现模具反求设计具有可行性。

[0033] (1)基于复杂型面磨料流介质工作流场的模具反求设计方法：[0034] 复杂型面模具反求设计示意图如图3所示，图中，1是上模具，2是下模具，3是待抛光型面，31-38为划分后的各区段型面，4和5是格栅。依据磨料流介质的流体特性，在其通过模具与被加工面构成的间隙时，其流态满足流体连续方程和动量守恒方程。在磨料流加工过程中，根据磨料流介质对型面影响程度的不同将模具结构划分为3区段(图3所示)：过渡区、放开区和稳定区(根据零件抛光精度的不同，也可以简化为过渡区和稳定区这两个区段)，模具反求型面也对应3区段的设计方法：[0035] 过渡区：该区段主要是用于降低磨料流介质由料缸向夹具体流动时的流动阻力，提高磨料流介质的收缩系数。因此，该区段模具型面要求不是很严格，可设计为圆弧或倒角过渡，所设计的曲线为规则曲线δ1。[0036] 稳定区：在稳定区内，磨料流介质经过入口的过渡区和放开区后，流态已经趋于稳定，该区域的模具型面设计主要考虑磨料流介质的沿程损失和磨料流抛光效率，磨料流介质的流速和剪切应力越大，磨料流抛光效率越高，但高速度下沿程损失也增大。磨料流介质的剪切应力满足非牛顿流体的幂律方程：

[0037]

其中：τ为磨料流介质的剪切应力，μ为磨料流介质动力粘度，n为流动指数，u

为磨料流介质速度，y为垂直于磨料流介质流动方向。磨料流加工时，磨料流介质在近壁的速度低，但剪切应力大，磨料流的抛光效果可以通过剪切应力值大小来反应。由上式可知：若要保证复杂型面近壁区域剪切应力稳定变化，则需使得磨料流介质流速在y方向的梯度

[0038]

不会出现大波动，即保证磨料流介质在y分布均匀变化，如图5所示，沿磨料流介质流动方向，流道不同位置处y向速度u1、u2和u3的分布变化不大，可提高待加工表面加工均匀性。实际磨料流介质流动过程中会产生沿程损失hf，沿程损失将导致流道的速度减小，磨料流介质剪切作用减弱，为此，可通过间隙补偿来稳定流道剪切应力的变化，最终获得的流场剪切应力应满足下式：

[0039]

其中，K3和K3'为修正系数，χ为磨料流介质在复杂型面上的湿周，mm，l3为磨料

流介质流动长度，mm，δ3为模具与型面间的间隙函数，Q为通过流道的流量，kg/sec.。[0041] 放开区：放开区位于复杂型面磨料流介质进出口端约3-10mm的区域，受磨料流介

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质动力学参量剧烈变化的影响，此区域型面的材料去除量往往高于稳定区，采取的方法是将该区域的流道间隙放开，所述方法即根据仿真所得复杂型面近壁剪切应力大小，确定磨料流介质在此区域的剧烈变化程度，结合简单模具时工件表面相对于稳定区的过抛量，获得反求间隙函数：

[0042] δ2＝K2F2(Q，Δh,χ，l2)[0043] 其中，δ2为放开区模具与复杂型面的间隙函数，K2为修正系数，Δh为放开区相比于稳定区的过抛量，mm，l2为放开区的长度，mm。[0044] 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的连接处稳定过渡，其间隙函数应满足以下边界条件：

[0045]

模具反求设计的总体思路如图6所示。根据复杂型面结构特征，设计简单的模具

结构；提取待加工型面特征(表面粗糙度、材质等)，建立流道内磨料流介质流体仿真模型，并分析型面近壁区域剪切应力等流场动力学参数的分布规律；根据仿真结果，将型面划分为上述三个区段(根据零件抛光精度的不同，也可以简化为二个区段)，分别利用上述区段反求方法进行模具型面再设计；以上述新型面为约束条件，再一次进行仿真分析，提取型面近壁区域剪切应力等流场动力学参数的分布规律，检查所述分布规律是否满足复杂型面等余量去除；如果不满足，则需以试验过程中放开区与稳定区的磨损量差值为变量再一次进行修正，最后实现模具型面的反求设计。[0047] (2)避免叶形锐边“过抛”的模具结构[0048] 型面锐边对零件使役性能影响重大，如叶片锐边的过渡圆弧对其压气效率影响重大，需要严格控制圆弧形状，但是对于铣削后的叶片前后缘有可能出现方头，不能满足设计要求，本发明基于磨料流加工技术，提出一种基于格栅的磨料流抛光模具结构，如图4所示，图中，38-1和38-2为叶形锐边抛光前的方头轮廓。所述格栅位于叶片前后缘前端，距离为d，格栅边界与叶片前后缘曲线的相切圆弧曲率半径为ρ，格栅顶端的圆弧半径为r1和r2，格栅长度为l4。首先，根据叶片型面结构，确定格栅结构形式，所述格栅结构应尽量满足流线型结构，以减少流阻；其次，结合仿真模拟，分析不同d、ρ、r1、r2和l4时，流场流线在前后缘的分布规律，选择合理结构参数。所述合理的结构参数应保证：磨料流介质能够到达前后缘过渡圆弧，并且不在叶片区段33-34和35-36产生磨料流介质的壁面分离。[0049] (3)通过将磨损转移至夹具表面实现复杂型面“过抛”与“欠抛”的控制[0050] 磨料流介质在模具表面与复杂型面构成的流道里面流动时，介质对模具表面和待加工表面均发生磨损(材料去除)，选择较软于待抛工件的模具材质，在相同的抛光工艺条件下，模具近壁区域的流场特性和待抛表面的近壁流场特性差不多，软材质的模具表面易于待抛表面磨损，通过模具表面的微量磨损实现流道间隙的调节，也可以实现待抛表面材料去除量的均匀化控制。

[0051] 发动机叶片是一类典型的具有复杂精密曲面的高性能零件，其叶片型面的面型精

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度和叶片前后缘锐边对服役过程中的压气效率影响重大。根据本发明所涉及的模具反求技术，发动机叶片磨料流加工模具设计流程如图7所示，随着模具反求的精确度提高，流经叶片型面的流场愈加稳定。下面详细叙述利用磨料流加工技术实现其型面精准等余量抛光的模具设计方法：

[0052] (1)划分复杂型面特征区段：设计简单的模具结构，利用流体仿真软件对流道内磨料流介质进行仿真，基于上述仿真结果，将叶片横截面形状划分为8个区段，分别为：31-32为磨料流介质稳定流动段；33-36为入口剧烈影响段；37-38为磨料流介质直接冲击段；

[0053] (2)所述磨料流介质稳定流动段31-32的模具型面设计遵循流道间隙稳定变化原则，所述流道间隙稳定变化原则即在此段流道间隙不能出现突变，否则易出现磨料流介质动力学参数的剧烈变化，导致此段材料去除量的不均匀性。根据δ3＝K3'F3(Q，τ,χ，l3)建立此区段的模具型面；

[0054] (3)所述入口剧烈影响段33-34，35-36的模具设计，一方面要保证入口端磨料流介质流动的稳定性，避免出现磨料流介质流动的剧烈变化；另一方面，磨料流介质由料缸流动至模具入口侧时，磨料流介质的动力学特性突然增大，导致材料的去除量增大。首先，根据磨料流加工设备料缸的大小，设计合理的过渡段流道形式，尽量提高磨料流介质进入流道的顺滑程度；然后，根据稳定流动段的间隙计算出磨料流介质在流道内的流量Q，根据试验测量的该材质过抛量Δh对模具的放开区进行反求设计；最后，对所反求的模具型面函数求导，使得各分段模芯型面在连接处连续变化，即使得磨料流介质稳定通过流道。[0055] (4)所述磨料流介质直接冲击段37-38，属于叶片叶形的锐边，磨料流介质进入流道时，对所述锐边产生直接冲击；当磨料流介质流出流道时，受磨料流介质的挤出胀大效应影响，锐边将再一次受较大抛磨作用。档栅的设计首先保证不会对流场产生太大影响，可设计为流线型，但会提高模具的制造难度，为此，设计成图4中的圆头格栅4和格栅5，所述格栅4和格栅5两端为半径r1、r2的圆弧，且半径r1≤5mm、r2≤5mm，两圆弧间通过直线连接，所述直线长度l4≤10mm。如果仅需对锐边进行抛光或光饰作用，格栅与叶片锐边的距离d在0.5-1mm为佳；如果叶片锐边铣削后边缘不是圆弧过渡，而是出现图4所示的方头轮廓38-1和38-2，且需将所述方头轮廓加工成圆弧或椭圆状，则应适当将圆头格栅与锐边的距离d加大，约1-5.5mm。

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