安装角度对交叉孔试件振动抛磨效果的影响分析

贾建　李秀红　李文辉　杨胜强　王嘉明

关键词 安装角度；交叉孔；去毛刺；离散元模拟；振动抛磨

中图分类号 TG58; TH161+.1 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0102-08

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.5003

收稿日期 2021-12-13 修回日期 2022-03-01

机械零件经过切削加工后，切削表面经常会留下飞边毛刺、磕碰划伤等缺陷。这些缺陷会使机械零件达不到使用要求，存在安全隐患。机械产品中有很多具有交叉孔结构的零部件，经过钻削加工后，其转接部位会产生毛刺，而且交叉孔内侧表面会产生各种缺陷，如表面粗糙度值较大等，影响其使用性能[1]。在航空发动机电缆尾附中，转接部位的毛刺容易割线和磨线，影响航空发动机的服役性能[2]。因此，需要去除交叉孔转接部位毛刺，对交叉孔转接部位锐边倒圆角，降低交叉孔内侧的表面粗糙度值。

目前，不少学者已经从去毛刺的原理、使用装置以及适用范围三方面做了大量研究。徐国勇[3] 从理论分析、模拟仿真和试验研究三方面分析了钻削加工中交叉孔毛刺的生成机理及其控制技术。李健等[4] 研制了自动电解去毛刺的控制系统，并完成自动化去除交叉孔毛刺的试验。有研究人员发明了一种电解去除交叉孔毛刺的方法，但电解去毛刺会产生化学反应，使毛刺附近的零件也受到电解作用，而且需要进行污水处理，工艺复杂，且成本增加[5]。卢德钊等[6] 利用超声波高频振动的特点，设计了超声波去毛刺装置，对交叉孔转接部位毛刺进行去除试验，验证了超声波去毛刺的可行性，但超声波去毛刺主要适用于微观毛刺或黏结强度弱的毛刺，难以去除较大毛刺。磨料流去毛刺对于管件内孔毛刺去除效果显著，主要适用于本身具有完整连续通道的零件，以供磨料连续通过从而完成去除，但需要设计专门的夹具且磨料成本较高[7-9]。

卧式振动抛磨加工技术是提高零件表面质量的重要途径[10]。国内外科研人员已经从离散元模拟、试验研究等方面对卧式振动抛磨加工进行了大量研究。NAEINI 等[11-12] 通过分析卧式振动抛磨中滚抛磨块的运动轨迹，总结出容器内壁摩擦系数、振幅以及加工深度之间的函数关系。PANDIYA 等[13] 通过分析自由式抛磨加工中表面粗糙度值随振幅以及频率的变化曲线，证明增大振幅是降低试件表面粗糙度值的主要方法。SANGID 等[14-15] 发现与自由式相比，固定式抛磨加工能够增大滚抛磨块与试件之间的相对速度。何凡等[16]利用离散单元法对卧式振动抛磨中试件不同的自转速度和加工深度进行模拟仿真，证明加工深度是影响试件受力的主要影响因素，并利用 ZLC100 卧式振动抛磨设备研究了加工深度和加工时间对试件加工效果的影响。刘瑞等[17] 通过离散元模拟发现在卧式振动抛磨加工中，内固定状态下，试件受到滚抛磨块的作用力最大，外固定次之，自由状态下最小，并进一步通过试验研究发现埋入深度对试件表面粗糙度值的影响较大。姚强[18] 利用 ZLC100 卧式振动抛磨设备研究试件在不同固定方式和不同固定位置下，各区域表面粗糙度值随时间的变化规律，证明试件内固定方式优于外固定方式，并进一步找到了试件的最优加工位置。

针对具有交叉孔结构的电缆尾附组件，现有的去除交叉孔毛刺方法均存在其局限性，基于试件固定式较自由式加工的优势，研究交叉孔试件固定在ZLC100卧式振动抛磨设备上的去毛刺工艺，以便有效去除交叉孔转接部位毛刺并对锐边倒圆角。通过离散元模拟仿真[19] 和试验研究，分析安装角度（极限角度为0°，45°，90°）对其抛磨效果（去除毛刺、锐边倒圆角、降低表面粗糙度值等）的影响。

1 臥式振动抛磨加工交叉孔原理

图1 为卧式振动抛磨加工交叉孔原理示意图。卧式振动抛磨设备由底座1、螺旋弹簧2、激振电机4、容器6 等组成。激振电机驱动卧式振动抛磨设备运动，当激振电机启动时，两端的偏心块会产生离心激振力和激振力矩，进而导致与激振电机轴相固连的容器做规律的周期性圆形振动。将一定量的球形滚抛磨块7装入交叉孔试件3 中，将交叉孔试件封闭且通过夹具5 固定在容器上，如图中剖视图A?A 所示。交叉孔试件安装角度分别为0°，45°，90°（大孔轴线与试件振动方向的夹角），固定在容器上的交叉孔试件做周期性圆形振动，进而形成球形滚抛磨块运动流场。滚抛磨块对交叉孔试件进行碰撞滚压、划擦和刻划的微量磨削作用，从而去除交叉孔试件转接部位毛刺，交叉孔试件转接部位锐边倒圆角，降低交叉孔内侧的表面粗糙度值。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

依据中国航发企业提供的电缆尾附组件， 通过SolidWorks 将其简化为如图2 所示的模拟试件（大孔直径为20 mm，小孔直径为16 mm）。将试件三维模型保存为 IGES 格式，然后导入 EDEM 中。

2.2 运动参数

仿真模型的运动形式与 ZLC100 卧式振动抛磨设备的运动形式一致，设置振动频率为25 Hz，振幅为3 mm。

2.3 滚抛磨块

滚抛磨块选取直径为3 mm 的球形棕刚玉颗粒，装入量为70%（体积分数），孔隙率为0.4，进而算出所需颗粒数量。

2.4 全局设置

选用 Hertz-Mindlin（ no-slip） 无滑移接触模型作为颗粒与颗粒间的仿真接触模型，颗粒与几何体间的仿真接触模型选用Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨损接触模型[20]。时间步长设置为1.52×10^?5s，仿真总时间为4 s，数据提取周期为0.01 s，网格大小为颗粒半径的2 倍。滚抛磨块、试件的本征参数如表1 所示，滚抛磨块与试件的接触参数如表2 所示。

仿真中， Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨损接触模型的计算公式为：

式中：Δh 为磨损深度，μm；K/H 为1×10^?7；p 为法向压力，Pa；Δs 为滑动位移，mm。

2.5 数据提取与处理

为分析滚抛磨块对交叉孔转接部位的加工作用，在交叉孔转接部位顺时针建立20 个数据块（见图3）。

以转接部位数据块处磨损深度的相对标准偏差（RSD）[21] 为参考，定量化分析交叉孔转接部位的加工均匀性，相对标准偏差的计算公式为：

式中：SD 为数据的标准偏差，X 是磨损深度均值。

RSD 值越小，表明加工均匀一致性越好。

2.6 仿真结果与分析

图4 是安装角度分别为0°， 45°， 90°时， 25 个振动周期内，20 个数据块处交叉孔转接部位的磨损深度。图4 中：安装角度为0°，45°，90°时，交叉孔转接部位磨损深度均值分别为10.20、9.02、12.40 μm， RSD 值分别为0.330，0.233，0.332。与安装角度为0°，90°时相比，安装角度为45°时，交叉孔转接部位的加工均匀性较好。从图4 中可以看出：安装角度为0°，45°，90°时，交叉孔转接部位磨损深度最小值分别在数据块10，18，10 处，分别为5.45， 6.00， 5.02 μm。安装角度为45°时，转接部位磨损深度的最小值大于安装角度为0°，90°时转接部位磨损深度的最小值。交叉孔转接部位磨损深度大的区域材料去除量大，锐边倒圆角效果明显，即转接部位圆角半径较大。离散元模拟仿真能为交叉孔结构工件加工工艺的选择提供参考，进而可以节省成本，提高加工效率。

图5 是安装角度分别为0°， 45°， 90°时同一时刻滚抛磨块速度矢量图。从图5a 中可以看出：安装角度为0°时，大孔中滚抛磨块的整体运动方向与孔内侧表面平行，此时滚抛磨块对大孔内侧表面主要是划擦作用；小孔中滚抛磨块的整体运动方向与孔内侧表面垂直，此时滚抛磨块对小孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用。从图5b 中可以看出：安装角度为45°时，滚抛磨块的整体运动方向与大孔和小孔内侧表面成一定角度，此时滚抛磨块对大孔和小孔内侧表面既有碰撞、挤压作用又有划擦作用。从图5c 中可以看出：安装角度为90°时，大孔中滚抛磨块的整体运动方向与孔内侧表面垂直，此时滚抛磨块对大孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用；小孔中滚抛磨块的整体运动方向与孔内侧表面平行， 此时滚抛磨块对小孔内侧表面主要是划擦作用。

3 试验研究

3.1 试验设备

如图6 所示，试验设备采用实验室现有的 ZLC100卧式振动抛磨设备，其技术指标及性能参数见表3。

3.2 试验试件及加工介质

试验试件如图7 所示，材料为6061 铝合金块。按顺时针方向将交叉孔大孔内侧表面分为 A、B、C、D等4 个区域，交叉孔小孔内侧表面分为 a、b、c、d 等4个区域。用 Perthometer M2 表面粗糙度测试仪测试滚抛磨块对试件8 个区域的加工效果，每个区域测试5个不同位置的表面粗糙度值，去掉最小值及最大值后计算平均值。

图8 为滚抛磨块实物图，试验选用直径为 3 mm 的球形滚抛磨块，材质为棕刚玉，装入量为70%（体积分数），磨削液选择适量HYA。

3.3 转接部位加工效果

利用实验室电火花线切割设备将试验试件切分成两半，采用电子放大镜观察交叉孔转接部位的抛磨效果。图9 为转接部位加工效果图。图9a 为未加工照片，可以看出交叉孔未加工前转接部位存在锐边、毛刺等，容易造成割线和磨线。图9b 是安装角度为0°时交叉孔转接部位的抛磨效果，从图9b 中可以看出：中间区域倒圆角效果较好，但上、下边区域仍有锐边存在，利用半径规测量转接部位18 个位置的圆角半径，测得转接部位圆角半径在0.1～0.5 mm 范围内。图9c 是安装角度为45°时交叉孔转接部位的抛磨效果，从图9c 中可以看出：转接部位上、中、下3 个区域倒圆角效果较明显，没有锐边和毛刺存在，利用半径规测量转接部位18 个位置的圆角半径， 测得转接部位圆角半径在0.3～0.7 mm 范围内。图9d 是安装角度为90°时交叉孔转接部位的抛磨效果，从图9d 中可以看出：中间区域倒圆角效果较明显，但上边区域仍有锐边存在，下边区域仍有凹坑存在，利用半径规测量转接部位18 个位置的圆角半径，测得转接部位圆角半径在0.2～0.5 mm 范围内。从图9 中可以看出：与安装角度为0°， 90°时相比，安装角度为45°时交叉孔转接部位毛刺的去除效果较好，转接部位倒圆角效果较明显，试验得到的结论与仿真分析的结论相符合。

3.4 试验结果与分析

为便于对不同安装角度下交叉孔内侧的表面粗糙度值进行对比，需要对所测的表面粗糙度值 Ra 进行归一化数据处理，归一化数据处理[15] 的方法为：

图10 是安装角度分别为0°， 45°， 90°时，交叉孔大孔内侧表面4 个区域和小孔内侧表面4 个区域 R_a* 值的变化曲线。从图10a 中可以看出：安装角度为0°时，大孔内侧表面4 个区域的 R_a* 值数据无明显规律性，此时滚抛磨块对大孔内侧表面主要是划擦作用，加工能力较弱。从图10b 中可以看出：安装角度为0°时，小孔内侧表面4 个区域的 R_a* 值有下降趋势，此时滚抛磨块对小孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用，加工能力较强。从图10c中可以看出：安装角度为45°时，大孔内侧表面4 个区域的 R_a* 值有明显的下降趋势，且下降率比安装角度为90°时大，此时滚抛磨块对大孔内侧表面既有碰撞、挤压作用又有划擦作用，加工能力较强。从图10d 中可以看出：安装角度为45°时，小孔内侧表面4 个区域的 R_a* 值有明显的下降趋势，且下降率比安装角度为0°时大，此时滚抛磨块对小孔内侧表面既有碰撞、挤压作用又有划擦作用，加工能力较强。从图10e中可以看出：安裝角度为90°时，大孔内侧表面4 个区域的 R_a* 值有下降趋势，此时滚抛磨块对大孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用，加工能力较强。从图10f 中可以看出：安装角度为90°时，小孔内侧表面4 个区域的Ra* 值有下降趋势，但下降率小，此时滚抛磨块对小孔内侧表面主要是划擦作用，加工能力较弱。

4 结论

基于离散单元法和单因素试验方法，通过模拟仿真和试验研究相结合的方法分析了安装角度（极限角度为0°，45°，90°）对交叉孔试件振动抛磨效果（去除毛刺、锐边倒圆角、降低表面粗糙度值等）的影响，得出以下结论：

（1）安装角度为0°时，滚抛磨块对大孔内侧表面主要是划擦作用，加工能力较弱；滚抛磨块对小孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用，加工能力较强。安装角度为45°时，滚抛磨块对大孔和小孔内侧表面既有碰撞、挤压作用又有划擦作用，加工能力较强。安装角度为90°时，滚抛磨块对大孔内侧表面主要是碰撞和挤压作用，加工能力较强；滚抛磨块对小孔内侧表面主要是划擦作用，加工能力较弱。

（2） 与安装角度为0°， 90°时相比， 安装角度为45°时，交叉孔转接部位的加工均匀性较好，且转接部位磨损深度的最小值大于安装角度为0°，90°时磨损深度的最小值。

（3） 与安装角度为0°， 90°时相比， 安装角度为45°时，交叉孔转接部位毛刺的去除效果较好，转接部位倒圆角效果较明显， 测得转接部位圆角半径在0.3～0.7 mm 范围内，大孔和小孔内侧表面8 个区域表面粗糙度归一化值 Ra* 有明显的下降趋势，试验得到的结论与仿真分析的结论相符合。