李俊燁 朱志寶 張心明 石廣豐 趙偉宏 蘇寧寧

1.長(zhǎng)春理工大學(xué)跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春，1300222.長(zhǎng)春理工大學(xué)重慶研究院，重慶，401135

0 引言

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，關(guān)鍵零部件在高溫情況下易產(chǎn)生應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。為提高零部件使用性能，常規(guī)圓形截面孔，已經(jīng)很難滿(mǎn)足需求，異形截面孔應(yīng)運(yùn)而生[1]。復(fù)雜截面大深徑比孔的精密加工存在加工難度大、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，而且難以保證加工精度[2-4]。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，異形截面孔加工技術(shù)也得到發(fā)展，快速成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異性截面孔的加工，但還是存在許多亟待解決的問(wèn)題，如表面凹凸不平、球化現(xiàn)象、粉末附著、附加應(yīng)力等，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度過(guò)大，表面質(zhì)量較差[5]。磨粒流精密加工技術(shù)[6]通過(guò)將含有磨粒的流體流過(guò)待加工表面，在磨粒的微切削作用下實(shí)現(xiàn)工件表面的精密加工，目前被廣泛應(yīng)用于異形表面、小孔等航空航天重要部件、增材制造零件的精密加工中[7-9]。磨粒流精密加工技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟。LI等[10]針對(duì)不規(guī)則表面采用軟磨粒流精密加工方法，通過(guò)鋸齒狀橫截面的受約束流道增加湍流強(qiáng)度，獲得了較好的表面均勻性并提高了加工效率。WANG等[11-12]開(kāi)發(fā)了低成本有效的磨料來(lái)改善電火花線切割工件的表面粗糙度。計(jì)時(shí)鳴等[13]、TAN等[14]提出了一種面約束軟磨粒流加工方法，利用流體湍流作用對(duì)工件表面進(jìn)行加工。LI等[15-17]采用大渦模擬方法分析了磨料流的流動(dòng)路徑和渦流對(duì)噴嘴壁面的影響，又從微觀角度利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了磨料流拋光過(guò)程中磨料切削過(guò)程。HAN等[18]針對(duì)選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)制造的內(nèi)部通道表面粗糙度大的問(wèn)題，采用磨粒流加工方法，證明了磨粒流加工可以有效改善SLM適形冷卻通道的表面質(zhì)量。BOULAND等[19]對(duì)Ti-6Al-4V樣件通過(guò)磨粒流加工試驗(yàn)驗(yàn)證了提出的一種組合的數(shù)值方法預(yù)測(cè)拋光結(jié)果的可適用性。黨稼寧等[20]針對(duì)增材制造的燃油噴嘴的表面光整處理問(wèn)題進(jìn)行了磨粒流拋光試驗(yàn)，結(jié)果表明磨粒流拋光可有效去除表面黏粉、球化現(xiàn)象，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了磨粒流拋光的最優(yōu)工藝參數(shù)。

以上研究主要針對(duì)流道軸向截面內(nèi)流體的流動(dòng)進(jìn)行分析，并沒(méi)有對(duì)異形截面孔垂直于流向截面內(nèi)流體的流動(dòng)情況進(jìn)行分析以及截面內(nèi)流體流動(dòng)對(duì)磨粒作用進(jìn)行分析。鈦合金類(lèi)零件在航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，鈦合金精密加工也逐漸成為熱點(diǎn)，而且高質(zhì)量異形截面孔可以提高零部件性能，本文即針對(duì)鈦合金異形截面孔，采用大渦模擬(large eddy simulation，LES)方法對(duì)流向截面內(nèi)的漩渦主要分布位置和產(chǎn)生原理進(jìn)行分析，揭示磨粒流加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)壓力、速度、渦流對(duì)壁面加工的影響規(guī)律，通過(guò)選取磨粒流精密加工的重要參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，觀察壁面質(zhì)量變化情況，結(jié)合數(shù)值分析討論了磨粒流精密加工對(duì)異形截面孔表面創(chuàng)成機(jī)理。通過(guò)對(duì)不同異形孔壁面進(jìn)行磨粒流加工數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)了不同截面孔內(nèi)漩渦分布狀況以及磨粒作用規(guī)律，得到了不同異形孔內(nèi)磨粒流運(yùn)動(dòng)機(jī)理。

1 控制方程及數(shù)值方法的選擇

磨粒流為固液兩相不可壓縮、瞬態(tài)、黏性流體，三維可壓縮流動(dòng)(N-S)方程組完全適用于固液兩相流。N-S方程組包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，其中，質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

式中，ui、uj為沿坐標(biāo)方向的速度分量(i=1，2，3；j=1，2，3)；xi、xj分別為不同方向的位置坐標(biāo)分量；fi為單位質(zhì)量流體體積力分量；ρ為流體密度；p為流體壓力；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；v為流體速度。

1.1 大渦模擬方程

目前對(duì)湍流的研究一般采用RANS方程，但是RANS方程對(duì)求解異形截面孔內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題有很大的局限性；直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation，DNS)方法是通過(guò)對(duì)湍流中所有尺度的漩渦直接求解N-S方程來(lái)描述湍流流動(dòng)過(guò)程的，這種方法僅適用于簡(jiǎn)單幾何形狀和低雷諾數(shù)流動(dòng)情況，而且有較高的計(jì)算需求。大渦模擬通過(guò)濾波函數(shù)(將N-S方程進(jìn)行過(guò)濾)將流動(dòng)變?yōu)榇蟪叨攘亢托〕叨攘?，?duì)大尺度量進(jìn)行直接模擬，對(duì)小尺度量采用合適的亞網(wǎng)格尺度模型進(jìn)行模擬，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)渦體的演變過(guò)程。濾波后的質(zhì)量守恒方程為

(3)

濾波后的動(dòng)量守恒方程為

(4)

(5)

式(5)右端含有不封閉項(xiàng)，令

(6)

1.2 KET模型

KET模型考慮亞網(wǎng)格尺度湍流動(dòng)能的輸運(yùn)，可以更好地模擬亞網(wǎng)格尺度的湍流，該模型在預(yù)測(cè)紊流附壁流動(dòng)復(fù)雜特性方面的適用性和可行性更高，適用于各種湍流流動(dòng)[21]。

定義動(dòng)能亞格子模型：

(7)

渦流黏度μt定義為

(8)

亞格子應(yīng)力可表示為

(9)

2 異形截面孔表面創(chuàng)成數(shù)值分析

2.1 模型建立

選取兩種異形截面孔的內(nèi)部流道，流道長(zhǎng)均為20 mm，截面尺寸及區(qū)域劃分和三維模型如圖1、圖2所示。

(a)結(jié)構(gòu)一 (b)結(jié)構(gòu)二圖1 截面尺寸及區(qū)域劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of section size and area division

(a)結(jié)構(gòu)一 (b)結(jié)構(gòu)二圖2 三維模型Fig.2 3D model

采用六面體結(jié)構(gòu)對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)結(jié)構(gòu)一 (b)結(jié)構(gòu)二圖3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Grid structure

2.2 數(shù)值分析條件設(shè)置

針對(duì)流道三維模型結(jié)構(gòu)以及磨粒流加工機(jī)床特點(diǎn)，采用3D雙精度瞬態(tài)壓力基求解器求解，磨粒流為固液兩相流，液相為航空煤油，固相為SiC磨粒，因此激活多相流中的mixture模型。異形截面孔屬于小孔，固相體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為10%。為了更好地捕捉流動(dòng)狀態(tài)的變化和漩渦的特點(diǎn)，采用了大渦模擬方法以及KET亞格子模型。設(shè)置不同的壓力入口條件進(jìn)行數(shù)值分析。outflow出口條件有助于流動(dòng)的完全發(fā)展，但是壓力入口與outflow不兼容，因此將出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力值為0。選用SIMPLEC算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，對(duì)于不可壓縮流體和非定常流動(dòng)來(lái)說(shuō)可以得到更好的收斂結(jié)果。

2.3 磨粒流精密加工數(shù)值分析

在不同入口壓力下對(duì)結(jié)構(gòu)一(圖2)進(jìn)行了流體動(dòng)態(tài)壓力、流速、漩渦的分布及生成、磨粒對(duì)壁面壓力以及漩渦對(duì)壁面剪切力分析；在1.5 MPa入口壓力下，對(duì)兩種形狀(結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二)壁面條件下漩渦對(duì)壁面剪切力、磨粒對(duì)壁面壓力、流道內(nèi)部的動(dòng)態(tài)壓力以及流體速度變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

分別采用入口壓力pi=0.5，1.0，1.5 MPa分析結(jié)構(gòu)一異形截面孔流道內(nèi)不同參數(shù)的分布。為了得到流道內(nèi)部的動(dòng)態(tài)壓力和速度變化，選取過(guò)流道兩軸心線的平面對(duì)流道進(jìn)行切片觀察，得到圖4所示的動(dòng)態(tài)壓力云圖和圖5所示的速度云圖。由圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著入口壓力逐漸增大，主流區(qū)的動(dòng)態(tài)壓力和速度逐漸增大，Ⅰ、Ⅲ區(qū)動(dòng)態(tài)壓力和速度大于Ⅱ區(qū)動(dòng)態(tài)壓力和速度(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)，有明顯梯度感，其原因主要是Ⅱ區(qū)流道較窄，湍流發(fā)展慢，流體在壓力作用下勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的速度慢。與此同時(shí)高速的流體對(duì)固體磨粒有更大的牽引力，磨粒與磨粒之間、磨粒與壁面之間的碰撞更加劇烈，有利于壁面凸起、毛刺等的去除。在靠近壁面區(qū)，動(dòng)態(tài)壓力和速度逐漸減小(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)。磨粒流剛進(jìn)入流道時(shí)速度大、動(dòng)態(tài)壓力大，入口處磨粒流精密加工效果相對(duì)較好。其主要原因有如下兩方面：①流體存在黏性，磨粒流在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化力內(nèi)能，動(dòng)能在邊界層逐漸耗散；②主流流體向邊界層過(guò)渡、磨粒碰撞產(chǎn)生動(dòng)量交換，導(dǎo)致能量的轉(zhuǎn)移與損失，動(dòng)態(tài)壓力與速度減小，磨粒流對(duì)異形截面孔壁面的創(chuàng)成效果逐漸減弱，表面質(zhì)量逐步降低。

(a)pi=0.5 MPa

(a)pi=0.5 MPa

表1 主流區(qū)域和近壁區(qū)域的動(dòng)態(tài)壓力和速度Tab.1 Dynamic pressure and velocity in the main stream area and near-wall area

在流道前半段，主流區(qū)域動(dòng)態(tài)壓力和流體速度分布趨勢(shì)大體一致，在pi=1.0 MPa的情況下，在流道中間部位分別在三個(gè)區(qū)域各選擇一個(gè)點(diǎn)以及在近壁區(qū)域選取三個(gè)點(diǎn)，如圖6所示，主流區(qū)域和近壁區(qū)域的動(dòng)態(tài)壓力和流體速度如表1所示，可以直觀地觀察到主流區(qū)域以及近壁區(qū)域動(dòng)態(tài)壓力以及流體速度變化趨勢(shì)。

圖6 數(shù)據(jù)點(diǎn)位置圖Fig.6 Location map of data points

對(duì)異形截面孔流道到入口距離d分別為4 mm、8 mm、12 mm、16 mm處進(jìn)行切片，得到了0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa入口壓力下的流線分布，如圖7～圖9所示，由圖7的四個(gè)切片發(fā)現(xiàn)，流體并沒(méi)有形成明顯的漩渦，隨著速度的增大，在靠近窄流道附近有漩渦形成的跡象，只有在速度達(dá)到一定的數(shù)值，漩渦才有可能得到發(fā)展。由圖7～圖9可知，隨著入口壓力的增大，流道內(nèi)磨粒流速度增大，漩渦得到充分發(fā)展，形成較大的渦旋。根據(jù)漩渦位置，發(fā)現(xiàn)漩渦大都出現(xiàn)在Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)與Ⅱ區(qū)交界的位置，并且無(wú)規(guī)律擺動(dòng)，磨粒流紊亂程度增加，但是在距離出口附近漩渦更加靠近Ⅱ區(qū)。在漩渦外圍，磨粒流速度小，這是由于流體存在黏性，流體向漩渦中心補(bǔ)充的速度慢，在壓力作用下磨粒流速逐漸增大。漩渦中心流體具有很大的剪切力，對(duì)磨粒的攜帶作用更強(qiáng)，在漩渦無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，漩渦靠近壁面時(shí)由于流體的帶動(dòng)作用導(dǎo)致磨粒數(shù)量增加。由于漩渦運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律，所以壁面磨粒分布均勻，同時(shí)更多磨粒參與切削運(yùn)動(dòng)，對(duì)流道內(nèi)表面的切削作用加強(qiáng)。

(a)d=4 mm

(a)d=4 mm

(a)d=4 mm

為了分析截面內(nèi)漩渦的產(chǎn)生原理，選取入口壓力為1.5 MPa，距離入口處16 mm的截面，分析兩個(gè)圓心連線上的壓力和速度變化，如圖10和圖11所示。其中橫坐標(biāo)代表圓心連線位置，縱坐標(biāo)分別為流體的壓力與速度。由壓力分布曲線(圖10)可以發(fā)現(xiàn)，壓力曲線為鋸齒形，在兩圓心處為波峰，壓力向中心區(qū)域不斷減?。挥伤俣确植记€(圖11)可以發(fā)現(xiàn)，在靠近Ⅱ區(qū)處速度出現(xiàn)一段波動(dòng)，這可能是受流道壁面曲率改變的影響，速度先減小再增大再減小，在Ⅱ區(qū)附近就會(huì)出現(xiàn)壓力大速度小、壓力小速度大的情況，致使壓力和速度分配不均勻，漩渦在此處逐漸發(fā)展，并且異形截面孔內(nèi)周邊流體向漩渦處補(bǔ)充，導(dǎo)致磨粒流產(chǎn)生漩渦。

圖10 壓力分布曲線(結(jié)構(gòu)一)Fig.10 Pressure distribution curve(structure 1)

圖11 速度分布曲線(結(jié)構(gòu)一)Fig.11 Velocity distribution curve(structure 1)

由圖12磨粒對(duì)壁面壓力分布圖發(fā)現(xiàn)，不同的入口壓力，壁面受到的磨粒壓力是不同的，隨著入口壓力的增大，壁面受到磨粒的壓力增大，有利于磨粒壓入壁面，對(duì)壁面進(jìn)行切削加工。觀察圖12b和圖12c發(fā)現(xiàn)，在出口處Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)兩側(cè)的磨粒壓力減小明顯(具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)，可能是在接近出口時(shí)磨粒流壓力降低幅度大，在截面上存在大壓力差，致使漩渦具有更大的剪切力，大量磨粒補(bǔ)充到漩渦位置，導(dǎo)致在出口兩側(cè)附近磨粒聚集較少，磨粒與壁面沖擊次數(shù)少，使得磨粒對(duì)壁面壓力相比于前半段小。由壁面剪切力分布圖(圖13)發(fā)現(xiàn)，壁面剪切力在入口段具有較大數(shù)值，這是因?yàn)樵谌肟谔幜黧w剛進(jìn)入流道，紊亂程度高，磨粒流與壁面碰撞劇烈，導(dǎo)致入口剪切力最大。隨著入口壓力的增大，壁面剪切力增大，磨粒與壁面的滑移作用加強(qiáng)。磨粒在流體壓力和壁面剪切力作用下完成磨粒流對(duì)異形孔內(nèi)表面的創(chuàng)成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)磨粒流異形截面孔內(nèi)表面的精密加工。

(a)pi=0.5 MPa (b)pi=1.0 MPa (c)pi=1.5 MPa圖12 磨粒對(duì)壁面壓力分布圖(結(jié)構(gòu)一)Fig.12 Distribution diagram of particle pressure on the wall(structure 1)

(a)pi=0.5 MPa (b)pi=1.0 MPa (c)pi=1.5 MPa圖13 壁面剪切力分布圖(結(jié)構(gòu)一)Fig.13 Wall shear force distribution diagram(structure 1)

根據(jù)圖12和圖13中的磨粒對(duì)壁面壓力和壁面剪切力云圖，在入口壓力為1 MPa的情況下，選取數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖14所示，得到區(qū)域Ⅰ壁面外側(cè)和區(qū)域Ⅱ壁面中間的磨粒壓力以及壁面剪切力數(shù)據(jù)如表2所示。結(jié)合圖14和表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，磨粒對(duì)壁面壓力先增大后減小，主要是因?yàn)槟チＰ枰?jīng)過(guò)一段距離碰撞才能達(dá)到較劇烈程度，磨粒對(duì)壁面的作用逐漸加強(qiáng)，因此在入口處磨粒對(duì)壁面壓力增大；在流體形成漩渦后磨粒向主流區(qū)聚集，導(dǎo)致磨粒對(duì)壁面的壓力減小。

表2 1.0 MPa下的磨粒壓力以及壁面剪切力數(shù)據(jù)Tab.2 Particle pressure and wall shear force data under 1.0 MPa

圖14 數(shù)據(jù)點(diǎn)位置圖(結(jié)構(gòu)一)Fig.14 Location map of data points(structure 1)

為了探究不同異形截面孔工件垂直于流向截面內(nèi)的流動(dòng)情況，在入口壓力為1.5 MPa下對(duì)兩種不同的異形截面孔工件內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行了對(duì)比分析。

將第二種異形曲面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)二)沿YOZ平面進(jìn)行切片，得到了圖15和圖16所示的動(dòng)態(tài)壓力及速度云圖。在主流區(qū)動(dòng)態(tài)壓力、速度逐漸變大，近壁區(qū)域徑向和軸向上動(dòng)態(tài)壓力、速度逐漸變小，與圖4和圖5有類(lèi)似的結(jié)果?？偨Y(jié)可以發(fā)現(xiàn)寬流道處湍流發(fā)展快，動(dòng)態(tài)壓力和液體速度增大程度快于窄流道處動(dòng)態(tài)壓力和流體速度增大程度。

圖15 動(dòng)態(tài)壓力云圖(結(jié)構(gòu)二)Fig.15 Dynamic pressure nephogram(structure 2)

圖16 流體速度云圖(結(jié)構(gòu)二)Fig.16 Fluid velocity nephogram(structure 2)

在1.5 MPa入口壓力下，對(duì)流道不同位置進(jìn)行切片，得到了不同位置截面的流線分布，見(jiàn)圖17。從圖17中可以發(fā)現(xiàn)，不同的切片上均有漩渦生成，一些大的漩渦主要分布在中心區(qū)域A，一些小的漩渦在B、C、D區(qū)域出現(xiàn)(見(jiàn)圖1b)，結(jié)合圖9發(fā)現(xiàn)，兩種異形曲面結(jié)構(gòu)中漩渦更加靠近內(nèi)凸壁面，出現(xiàn)這種情況的主要原因是流道壁面曲率的變化，而且漩渦在區(qū)域A做無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。由于內(nèi)凸壁面處存在大量漩渦，流體具有較大的剪切力，內(nèi)凸壁面處加工效果更好。

(a)d=4 mm

圖18的磨粒對(duì)壁面的剪切力云圖中出現(xiàn)了與圖12相類(lèi)似的情況，在B、C、D區(qū)域外側(cè)磨粒對(duì)壁面的壓力減小，由于漩渦主要集中在內(nèi)凸壁面，大量磨粒被帶走，因此B、C、D區(qū)域外側(cè)磨粒對(duì)壁面的壓力減小。與圖12結(jié)果不同的是，由于在B、C、D區(qū)域有小漩渦的存在，余下磨粒在漩渦的作用下碰撞劇烈，因此部分壁面磨粒的壓力作用增大。壁面剪切力云圖(圖19)與圖13類(lèi)似，在B、C、D區(qū)域部分壁面剪切力增大可能是小渦作用的結(jié)果，因此要對(duì)壁面均勻加工需選取合適的加工壓力。

圖18 磨粒對(duì)壁面壓力分布圖(結(jié)構(gòu)二)Fig.18 Distribution diagram of particle pressure on the wall(structure 2)

圖19 壁面剪切力分布圖(結(jié)構(gòu)二)Fig.19 Wall shear force distribution diagram(structure 2)

3 磨粒流精密加工實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)磨粒流精密加工進(jìn)行數(shù)值分析得到了不同參數(shù)在流道中的分布規(guī)律，選取磨粒流精密加工參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)一異形截面孔工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，工件圖見(jiàn)圖20。

圖20 異形截面孔工件(結(jié)構(gòu)一)Fig.20 Special-shaped section hole workpiece(structure 1)

本實(shí)驗(yàn)采用自行研制的磨粒流加工設(shè)備，設(shè)備磨料缸的容量為10 L，可以通過(guò)設(shè)置加工次數(shù)、加工時(shí)間或者加工流量的方式對(duì)工件進(jìn)行加工，主要采用單向加工方法。針對(duì)結(jié)構(gòu)一異形截面孔工件進(jìn)行加工壓力單一因素試驗(yàn)，控制磨料濃度、加工次數(shù)不變，對(duì)不同壓力下加工的工件以及未加工工件表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。

選取加工壓力分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa，磨料濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%，加工次數(shù)為20，觀察流道內(nèi)表面的微觀形貌和粗糙度變化。待加工工件材料選擇鈦合金，鈦合金硬度較高，工藝性能差，難以切削加工，對(duì)異形截面小孔的精加工更是難上加難，磨粒流精密加工可以很好地解決此類(lèi)問(wèn)題。

采用德國(guó)Mahr LD 120觸針測(cè)量?jī)x對(duì)工件表面三個(gè)不同位置進(jìn)行檢測(cè)，此設(shè)備有優(yōu)越的性能，分辨力可以到達(dá)4 nm。由表3的粗糙度測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著加工壓力的增大，經(jīng)過(guò)磨粒流精密加工，表面粗糙度值從Ra=7.136 μm、Rz=40.103 μm變?yōu)镽a=1.822 μm、Rz=8.964 μm。由于磨粒流在小孔中已經(jīng)發(fā)展為湍流，流體紊亂程度高，SiC磨粒在液體相作用下對(duì)壁面有較大的剪切力，同時(shí)對(duì)壁面的切削力也較大，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)孔表面的精加工。Rz主要衡量表面微觀不平度，磨粒流精密加工對(duì)Rz影響顯著。

表3 粗糙度檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Roughness test results

根據(jù)仿真分析可知，由于漩渦作用，在出口附近磨粒壓力下降，磨粒切入工件深度小，對(duì)表面凸起去除量減小，而且Ⅱ區(qū)的磨粒壓力高于Ⅰ、Ⅲ區(qū)的磨粒壓力，表面凸起球化量減少，因此在流道前段Ⅰ、Ⅲ區(qū)的加工質(zhì)量應(yīng)優(yōu)于出口附近Ⅰ、Ⅲ區(qū)表面質(zhì)量，出口附近Ⅱ區(qū)表面質(zhì)量?jī)?yōu)于Ⅰ、Ⅲ區(qū)表面質(zhì)量。通過(guò)試驗(yàn)研究，針對(duì)pin=1.5 MPa下的磨粒流精密加工后的流道內(nèi)表面前段Ⅰ區(qū)，出口附近Ⅰ、Ⅱ區(qū)壁面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，入口附近Ⅰ區(qū)表面粗糙度最低，隨著流體向前流動(dòng)伴隨著能量的損耗，磨粒對(duì)壁面的加工效果下降，出口附近的粗糙度結(jié)果也很好地驗(yàn)證了漩渦對(duì)壁面創(chuàng)成的影響。即使此處表面粗糙度略高，表面完整度下降，但是總體表面質(zhì)量對(duì)用戶(hù)的需求可以得到滿(mǎn)足。

表4 1.5 MPa入口壓力下粗糙度檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Roughness test results under 1.5 MPa inlet pressure

基于表面粗糙度的變化不能夠直觀地描述表面形貌的改善情況，選取流道中間部位，采用德國(guó)ZEISS EVO MA25掃描電子顯微鏡對(duì)磨粒流精密加工前后的異形截面孔內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)，得到圖21所示的掃描電鏡檢測(cè)圖。從圖21中可以發(fā)現(xiàn)，隨著加工壓力(入口壓力)的變大，表面質(zhì)量不斷變好，未經(jīng)過(guò)加工的工件表面有許多凸起，球化現(xiàn)象明顯，在磨粒流精密加工后表面凸起被去除，微觀不平整度明顯降低。隨著漩渦的形成，壁面壓力分布更加均勻，表面質(zhì)量不斷變好，但表面仍存在一些凹坑。大的凹坑可能由于加工次數(shù)過(guò)少，一些凸起較高，磨粒對(duì)壁面進(jìn)行微切削次數(shù)不夠；小的凹坑是因?yàn)殇鰷u在靠近壁面時(shí)具有較強(qiáng)的剪切作用，磨粒與壁面產(chǎn)生碰撞反彈未切入壁面，致使小坑存在。因此需要適當(dāng)選取加工壓力和加工次數(shù)以得到更好的加工表面。

(a)加工前

4 結(jié)論

(1)本文采用不同的入口壓力對(duì)動(dòng)態(tài)壓力和流體速度進(jìn)行分析，隨著入口壓力增大，流體動(dòng)態(tài)壓力和速度增大，壁面附近流體壓力和速度逐漸減小，磨粒流對(duì)壁面的創(chuàng)成作用減弱。在不同壓力下，對(duì)異形截面流道不同位置進(jìn)行切片流線分析可知，隨入口壓力增大，漩渦逐漸發(fā)展，主要以大渦為主，并在Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)與Ⅱ區(qū)交界處發(fā)展。

(2)通過(guò)分析切片圓心連心線上的壓力與速度分布可知，壓力下降速度有波動(dòng)，壓力與速度分配不均，導(dǎo)致漩渦產(chǎn)生。

(3)在不同的入口壓力下，隨著入口壓力的增大，流道各切片位置形成完整的漩渦，磨粒壓力分布更加均勻，磨粒對(duì)壁面的壓力和剪切力增大，切削力增大，磨粒流對(duì)壁面創(chuàng)成作用增強(qiáng)，出口處的大強(qiáng)度漩渦對(duì)磨粒的攜帶作用增強(qiáng)，導(dǎo)致Ⅰ、Ⅲ區(qū)磨粒壓力減小，磨粒流的創(chuàng)成作用減弱。

(4)通過(guò)對(duì)不同異形截面孔流道分析發(fā)現(xiàn)，在寬流道中速度、動(dòng)態(tài)壓力發(fā)展更快，大漩渦更接近異形曲面曲率變化處，并且無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，小漩渦的存在可能不利于表面的均勻加工。

(5)對(duì)鈦合金異形截面孔進(jìn)行磨粒流精密加工試驗(yàn)，隨著入口壓力增大，磨粒流逐漸形成完整漩渦，表面粗糙度值從Ra=7.136 μm、Rz=40.103 μm變?yōu)镽a=1.822 μm、Rz=8.964 μm，表面凸起、球化現(xiàn)象被去除，表面質(zhì)量得到改善，即使出口處漩渦使磨粒壓力減小，表面粗糙度值減小，但總體可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求表面質(zhì)量，從而驗(yàn)證了漩渦對(duì)壁面的創(chuàng)成機(jī)理。