螺旋面磨料流光整加工仿真与试验

高　航, 付有志, 王宣平, 彭　灿

(大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024)



螺旋面磨料流光整加工仿真与试验

高航, 付有志, 王宣平, 彭灿

(大连理工大学 精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024)

摘要:针对难加工复杂螺旋面光整加工成本高及质量难保证等问题,提出基于磨料流加工技术的螺旋面光整加工方法. 通过建立有无螺旋引流段的“夹具-螺杆”仿真模型,对比分析2种模型中螺旋面磨料介质流场分布规律,优选出适用于螺旋面均匀化光整加工的夹具结构,在此基础上开展挤压螺杆的磨料流加工与砂带磨削对比试验. 结果表明：磨料介质静压力沿流动方向逐渐减小,且等值线近似沿螺旋槽宽度方向分布；增加螺旋引流段后螺旋面进出口回流区被消除,提高流场均匀性；磨料流加工后螺旋表面粗糙度由10.5 μm降为0.45 μm,螺旋槽最小直径一致性好,且加工质量和效率优于人工砂带磨削.

关键词：螺旋面; 挤压螺杆; 磨料流加工(AFM); 数值模拟; 表面质量

螺杆压缩机和单/双螺杆造粒机是以螺杆螺旋面为物质输运功能表面的影响国民经济生产的重要装备[1-2]. 螺杆运转时物料与螺杆螺旋面发生强烈的剪切作用,对螺旋面产生侵蚀,导致螺旋表面质量恶化. 在实际应用中,螺杆常采用高强度、耐磨损和耐腐蚀材料,如38CrMoAlA、40Cr、34CrAINi7和CrMoV9等,且要求螺旋面具有较高的加工质量. Lawal等[3-5]研究发现：黏弹性物料挤压通过流道时,挤压面的表面粗糙度影响了物料的滑移特性. 为此,螺杆螺旋面在表面硬化处理后表面粗糙度需小于0.8 μm,提高挤出效率,有利于提高螺杆的使用寿命. 因此,提高复杂难加工螺杆螺旋面加工质量是提高挤出效率和螺杆寿命的关键．

国内外多采用车削、滚削和铣削等加工螺杆螺旋面[6-8],但成形后螺旋表面质量难于满足螺杆使役要求,光整加工成为后续不可缺少的工序. Wei 等[9]利用立方氮化硼(Cubic Boron nitride, CBN)砂轮磨削螺旋面,建立了砂轮型面方程和修正模型,实现了螺旋面的磨削,表面粗糙度为0.5～0.65 μm. 若采用螺纹磨床、专用数控砂带抛光机和多轴数控机床等对螺杆螺旋面进行磨削,能够有效提高加工效率和质量,但设备昂贵,且对尺寸变化范围大的螺杆适应性较差[10],国内常用手动砂带磨削螺杆螺旋面,加工质量难保证,且生产环境恶劣. 因此,根据螺杆结构和服役要求,本文提出将磨料流加工技术应用于螺杆螺旋面的光整加工．

磨料流加工(abrasive flow machining, AFM)是以黏弹性磨料介质为抛光工具的柔性光整加工技术,在夹具约束下具有高加工可达性,易实现复杂螺旋表面的无死角光整加工. 国内外学者研究了磨料流加工工艺参数[11]、磨料介质配方[12]和磨料介质滑移特性[13]等,掌握了磨料流加工材料去除机理及工艺参数对加工特性的影响规律. 计时鸣等[14-15]提出软性磨粒流加工技术,分析了弱黏性磨粒流流场分布及材料去除机理. Wang等[16]用CFD-ACE+软件研究螺旋约束流道内磨料介质流动特性发现增加螺旋约束后流道内磨料介质径向剪切力增大,提高了粗糙度均匀性. 然而,尚无关于螺杆螺旋面磨料流加工可行性及均匀性的文献报道．

本文以造粒机挤压螺杆为研究对象,基于计算流体力学理论,建立了“夹具-螺杆”磨料介质流动仿真模型,分析了磨料介质在螺旋表面的动力学特性,设计了提高螺旋面加工均匀性的磨料流专用夹具；开展了挤压螺杆磨料流加工试验,对比分析了砂带磨削和磨料流加工的螺旋表面质量和加工效率. 这些研究成果将为复杂难加工高质量螺旋面的磨料流光整加工提供理论基础与试验支撑．

1磨料介质动力学特性仿真分析

1.1磨料介质控制方程

磨料流加工过程中磨料介质在上下活塞的挤推下往复通过待加工表面(如图1(a)～(c)所示). 磨料介质是高分子聚合物与磨粒的混合物,黏弹性聚合物基体驱动磨粒滑擦或滚压待加工表面,实现待加工表面材料微量去除,如图1(d)所示．

图1　磨料流加工示意图Fig.1　Schematic diagram of abrasive flow machining

磨料介质被挤推通过“夹具-螺杆”流道时表现出良好的流动性,且压缩性小,因此,可将磨料介质视为不可压缩连续流体介质,满足式(1)和(2)所示的质量守恒方程和动量守恒方程[17]：

(1)

(2)式中: ρ、p、ν和Fi分别为流体密度、静压力、运动黏度和质量力,ui、uj分别为流体在笛卡尔坐标分量xi、xj方向的速度(其中i, j=1, 2, 3),t为时间．

(3)

为使时均化后的控制方程封闭,需获得式(3)中涡团黏度的湍动能k和湍流耗散率ε,标准k-ε湍流模型是一种常用的封闭方程,其数学描述如下[19]：

Gk+Gb-ε-YM+Sk.

(4)

(5)

式中: Gk为平均速度梯度导致的湍动能,Gb为浮力产生的湍动能,YM为整体耗散率,C1ε、C2ε、C3ε均为常数,Sk和Sε为源项,C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3，σk为k的湍流普朗特数，σε为ε的湍流普朗特数. 通过联合求解式(1)、(2)、(3)、(4)和(5),即可获得磨料介质的流场特性．

1.2仿真几何模型及边界条件

如图2所示为常用螺杆结构实物图,如图3(a)所示为双头螺旋面挤压螺杆示意图,图中虚线为需光整加工的螺旋面. 挤压螺杆工作时物料是沿螺旋槽方向运动,若磨料流加工痕迹与物料输运路径一致,则有利于降低物料运行阻力,提高设备挤出效率. 因此,设计的用于挤压螺杆磨料流加工夹具如图3(b)所示,挤压螺杆放入外套筒内,两端通过压板固定,压板上加工出磨料介质流动通道,图中阴影区为磨料介质进入“夹具-螺杆”流道的进出口,磨料介质在螺旋面流动如图3(a)中箭头所示. 构建“夹具-螺杆”流道仿真几何模型并利用四面体/混合网格进行网格划分,如图4所示,网格大小为1．

图2　造粒机和压缩机的螺杆结构Fig.2　Structures of screw in extruder and compressor

图3　挤压螺杆结构和夹具示意图Fig.3　Schematic diagram of extrusion screw and its fixture

图4　仿真模型及网格划分Fig. 4　Simulation model and its mesh grid

仿真采用压力入口和压力出口,选择标准壁面无滑移函数,利用Simple压力-速度耦合求解器对时间和空间离散化后的挤压螺杆仿真模型流场进行求解. 由于上下推料过程参数一致,两过程中磨料介质在螺旋表面的流场分布相同,故本文仅对上推料流场特性进行仿真分析. 仿真参数如表1所示,其中pin、pout、DH、I、μ和ρ分别为挤推压力、背压、水力直径、湍流强度、介质动力黏度和密度．

表1挤压螺杆仿真边界条件

Tab.1Boundary conditions for numerical simulation of extrusion screw

pin/MPapout/MPaDH/mmI/%μ/(Pa·s)ρ/(kg·m-3)4.5062125001461.89

1.3仿真结果与分析

如图5(a)所示为磨料介质由下往上流动时螺旋面上的静压力ps分布规律,磨料介质在流道入口处压力最大,沿流动方向逐渐减小,由于无背压,在挤压螺杆出口处静压力为0；静压力等值线近似沿螺旋槽宽度方向,如图5(b)所示为螺旋槽宽度方向监测线(图5(a)所示)的静压力变化,最大静压力差Δps | max=0.058 MPa,此静压力差不会导致明显的加工差异性,利于保证螺旋槽宽度方向材料去除均匀性．

图5　无引流段时螺旋面静压力分布Fig.5　Distribution of static pressure on screw surface without guide block

如图6(a)所示为挤压螺杆单个螺旋面上磨料介质流线分布,磨料介质流线沿螺旋槽方向均匀分布,且与螺旋槽方向一致,可产生利于减阻的微观表面；沿螺旋槽宽度方向流线密度一致性较好. 当磨料介质由上往下运动时,螺旋面静压力分布与磨料介质由下往上运动时对称分布,将两过程静压力叠加后螺旋面静压力将呈现均匀化分布,因此,磨料流加工挤压螺杆表面时螺旋面加工质量均匀性较好．

图6　无引流段时螺旋面上磨料介质流线Fig.6　Streamline of abrasive media on screw surface without guide block

由图6(a)可见,磨料介质在螺旋面入口和出口区存在磨料介质回流现象,回流区磨料介质流动特性减弱,削弱加工效果,回流区螺旋面表面纹理图6(b)所示,图中条状成形刀痕尚未完全去除,而此时螺旋面中心区域的刀痕已经完全去除. 另外,磨料介质对“夹具-螺杆”流腔入口的直接冲击易导致螺杆端面边缘的过量磨损,产生边缘过抛,如图7(a1)、(a2)所示. 为此,作者提出一种适用于挤压螺杆磨料流加工专用夹具改进方案：增加螺旋引流段,该引流段螺纹参数与所加工的挤压螺杆相同,如图7(c)所示,目的在于将回流区转移至螺旋引流段,并减少磨料介质对挤压螺杆上下端面的直接冲击．

图7　磨料流加工夹具改进设计Fig.7　Improved design of fixture for AFM process

如图8、9所示为增加螺旋引流段后螺旋表面静压力和流线分布图,由图可知,增加螺旋引流段后试验件螺旋面静压力相比之前有所降低,但静压力等值线分布形式未改变,且磨料介质流线分布与未设置螺旋引流段相同,所以增加螺旋引流段不会影响螺旋面中间区域的加工均匀性. 然而,未增加螺旋引流段出现在进出口处的回流区已全部转移至引流段,且消除了磨料介质对挤压螺杆端面的直接冲击,提高了挤压螺杆螺旋面的加工质量一致性．

图8　增加引流段后螺旋面静压力分布Fig.8　Distribution of static pressure on screw surface with guide blocks

图9　增加引流段后螺旋面上磨料介质流线Fig. 9　Streamline of abrasive media on screw surface with guide blocks

2挤压螺杆磨料流加工试验

2.1试验系统与工艺参数

基于数值模拟结果,设计了具有螺旋引流段的挤压螺杆磨料流加工专用夹具,利用课题组研制的磨料流加工设备和磨料介质开展了磨料流加工试验. 试验设备如图10所示,该设备包括液压系统、电气控制系统和机械系统. 机械系统完成夹具的夹持和上下料缸的推料过程；液压系统则为夹紧缸、推料缸提供所需的液压力；电气控制系统则主要为上下料缸提供换向信号,并记录循环次数和加工压力．

图10　磨料流加工设备Fig.10　AFM machine

挤压螺杆所用材料为：W6Mo5Cr4V2高速钢,成形加工后进行调质处理,硬度HB为250-280,表面粗糙度Ra为10.5 μm. 利用磨料流加工技术对此挤压螺杆进行光整加工时,由于螺旋面初始表面质量差,加工痕迹明显,需要使用较大挤推压力和粗磨粒才能够去除原始加工痕迹,详细的磨料流加工工艺参数如表2所示,加工时间t=40 min．

表2　挤压螺杆磨料流加工工艺参数

2.2试验结果与分析

为了解磨料流加工的螺旋面质量和加工效率,本文将磨料流加工挤压螺杆和企业人工砂带磨削挤压螺杆的螺旋面光整加工质量和加工效率进行对比. 用于对比的砂带磨削挤压螺杆是由某企业熟练工人利用其成熟砂带磨削工艺完成,所用的砂带表面磨粒代号为P60 (粒径约250 μm)．

如图11所示为挤压螺杆初始表面以及砂带磨削和磨料流加工后螺旋面的表面粗糙度Ra及标准差σ变化规律(其中σ反映了螺旋面表面粗糙度的离散程度,即加工后螺旋面表面粗糙度的均匀性). 挤压螺杆成形加工后螺旋面平均粗糙度Ra约10.5 μm,且整个表面粗糙度值分布比较分散；经过砂带磨削之后,表面粗糙度Ra降为1 μm左右,均匀性大幅度提高；经过磨料流加工后螺旋面粗糙度Ra降为0.45 μm左右,且相比于砂带磨削,表面粗糙度均匀性进一步提高．

图11　砂带与磨料流抛光后表面粗糙度变化Fig.11　Surface roughness of screw surface after different machining processes

如图12所示为初始表面、砂带磨削和磨料流加工后螺旋面表面粗糙度轮廓变化,其中L为取样长度,Am为表面粗糙度轮廓振幅. 如图13所示为不同加工方法获得的挤压螺杆整体效果和表面微观形貌. 经成形加工后的螺旋表面凹凸不平,波纹状刀痕尺度大,严重影响物料在螺旋面的输运和挤压螺杆的使用寿命；砂带磨削的螺旋表面初始刀痕被完全去除,表面粗糙度轮廓大幅下降,但螺旋表面出现明显的砂带磨削痕迹(如图13(b)所示),表面质量仍需进一步提高；磨料流加工后的螺旋表面粗糙度轮廓比砂带磨削表面更平滑,表面微观凸起尺度显著小于砂带磨削表面(如图13(c)所示),且滑擦痕迹均匀,利于物料的顺畅输运．

图12　螺旋面粗糙度轮廓变化Fig.12　Surface profile of screw surface after different machining processes

图13　不同加工方法获得的挤压螺杆实物与表面微观形貌Fig.13　Extrusion screw and its surface topography after different machining processes

图14　挤压螺杆最小直径变化曲线Fig.14　Minimum diameter of extrusion screw before and after AFM process

如图14所示为磨料流抛光前后挤压螺杆螺旋面最小直径Dmin变化,抛光前后最小直径均匀变化,并且沿挤压螺杆长度方向Dmin无明显差异性,说明磨料流加工过程中磨料介质是均匀作用于螺旋面,从而产生较为一致的材料去除．

本文所讨论的挤压螺杆砂带磨削效率为6对/h,并且工人工作环境恶劣. 在实际应用中,可将两只挤压螺杆通过中心轴拼接成一对,并在两端增设螺旋引流段,构成一个试验组. 依据上述挤压螺杆磨料流加工专用夹具,结合实验室现有磨料流加工设备加工能力,设计一盘形夹具,该盘形夹具具有7个装夹孔,则一次可装夹7个试验组,在螺旋引流段的保护下可实现每个挤压螺杆高质高效光整加工,此时加工效率为10.5对/h. 因此,若将磨料流加工技术应用于挤压螺杆的光整加工,能够有效地提高挤压螺杆螺旋面加工质量和加工效率,显著改善工作环境．

3结论

为提高挤压螺杆螺旋面光整加工质量和加工效率,本文提出将磨料流加工技术应用于挤压螺杆螺旋面的光整加工,并开展了仿真与试验研究,得到以下结论：

(1)建立了挤压螺杆螺旋面磨料介质流动仿真模型,分析螺旋面磨料介质动力学特性发现：磨料介质静压力沿介质流动方向逐渐降低,其等值线近似沿螺旋槽宽度方向；磨料介质流线密度沿螺旋槽方向均匀性较好. 因此,磨料流加工能够实现螺旋面的均匀化光整加工．

(2)为避免螺旋面进出口欠抛和因磨料介质直接冲击导致的挤压螺杆端面边缘过抛,提出利用螺旋引流段对挤压螺杆进行保护,仿真结果表明螺旋引流段不影响螺旋面磨料介质动力学特性分布的均匀性,且能将进出口回流转移至引流段,并减少磨料介质对挤压螺杆端面的直接冲击,利于挤压螺杆螺旋面的均匀性加工．

(3)基于课题组研制的磨料流加工设备和磨料介质,开展了磨料流加工试验研究：经磨料流加工后螺旋面表面粗糙度Ra在0.45 μm左右,均匀性和微观形貌显著优于企业人工砂带磨削的挤压螺杆螺旋表面；根据现有设备加工能力,提出了具有螺旋引流段且可实现挤压螺杆磨料流批量加工的夹具方案,可实现高于企业砂带磨削挤压螺杆的加工效率,改善工作环境．

仿真与试验结果表明磨料流加工技术能适用于挤压螺杆螺旋面的均匀化光整加工,研究结果也将为以螺旋面为功能表面的高性能复杂零件磨料流光整加工提供理论与试验基础．

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Simulations and experiments on finishing process of screw surface by using abrasive flow machining

GAO Hang,FU You-zhi,WANG Xuan-ping,PENG Can

(KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningTechnologyofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Abrasive flow machining (AFM) was proposed to finish screw surface aiming at the problem of high capital cost and undefined surface quality on the finishing process of complex screw surface made of difficult-to-cut materials. The optimal fixture which is able to obtain uniform screw surface finish was selected based on the contrastive analyses of flow field distributions in two kinds of "fixture-screw" simulation models with and without helical guide blocks. On the basis, contrast tests were carried out to study the screw surface finish by using AFM and belt grinding process, and the research results show that the static pressure of abrasive media decreases along its flow direction, and the contour line of static pressure is along the width direction of screw surface; the backflow in the inlet/outlet regions is eliminated with helical guide blocks, namely, the uniformity of flow field is improved. After AFM process, the screw surface roughness value decreases from 10.5 μm to 0.45 μm, the minimum diameter of screw surface is basically constant, and the screw surface quality and processing efficiency by using AFM process are better than that of manual belt grinding.

Key words:screw surface; extrusion screw; abrasive flow machining; numerical simulation; surface quality

收稿日期：2015-04-13.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家“973”重点基础研究发展计划资助项目(2011CB706806);国家自然科学基金资助项目(51475074).

作者简介：高航(1962-), 男, 教授, 从事精密与超精密加工和复合材料加工的教学与科研等研究. ORCID: 0000-0002-9560-7133. Email: gaohang@dlut.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.015

中图分类号：TG 580

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)05-0920-07