安裝角度對(duì)交叉孔試件振動(dòng)拋磨效果的影響分析

賈建　李秀紅　李文輝　楊勝?gòu)?qiáng)　王嘉明

關(guān)鍵詞 安裝角度；交叉孔；去毛刺；離散元模擬；振動(dòng)拋磨

中圖分類號(hào) TG58; TH161+.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）01-0102-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.5003

收稿日期 2021-12-13 修回日期 2022-03-01

機(jī)械零件經(jīng)過(guò)切削加工后，切削表面經(jīng)常會(huì)留下飛邊毛刺、磕碰劃傷等缺陷。這些缺陷會(huì)使機(jī)械零件達(dá)不到使用要求，存在安全隱患。機(jī)械產(chǎn)品中有很多具有交叉孔結(jié)構(gòu)的零部件，經(jīng)過(guò)鉆削加工后，其轉(zhuǎn)接部位會(huì)產(chǎn)生毛刺，而且交叉孔內(nèi)側(cè)表面會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，如表面粗糙度值較大等，影響其使用性能[1]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)電纜尾附中，轉(zhuǎn)接部位的毛刺容易割線和磨線，影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能[2]。因此，需要去除交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺，對(duì)交叉孔轉(zhuǎn)接部位銳邊倒圓角，降低交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值。

目前，不少學(xué)者已經(jīng)從去毛刺的原理、使用裝置以及適用范圍三方面做了大量研究。徐國(guó)勇[3] 從理論分析、模擬仿真和試驗(yàn)研究三方面分析了鉆削加工中交叉孔毛刺的生成機(jī)理及其控制技術(shù)。李健等[4] 研制了自動(dòng)電解去毛刺的控制系統(tǒng)，并完成自動(dòng)化去除交叉孔毛刺的試驗(yàn)。有研究人員發(fā)明了一種電解去除交叉孔毛刺的方法，但電解去毛刺會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使毛刺附近的零件也受到電解作用，而且需要進(jìn)行污水處理，工藝復(fù)雜，且成本增加[5]。盧德釗等[6] 利用超聲波高頻振動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了超聲波去毛刺裝置，對(duì)交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺進(jìn)行去除試驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲波去毛刺的可行性，但超聲波去毛刺主要適用于微觀毛刺或黏結(jié)強(qiáng)度弱的毛刺，難以去除較大毛刺。磨料流去毛刺對(duì)于管件內(nèi)孔毛刺去除效果顯著，主要適用于本身具有完整連續(xù)通道的零件，以供磨料連續(xù)通過(guò)從而完成去除，但需要設(shè)計(jì)專門的夾具且磨料成本較高[7-9]。

臥式振動(dòng)拋磨加工技術(shù)是提高零件表面質(zhì)量的重要途徑[10]。國(guó)內(nèi)外科研人員已經(jīng)從離散元模擬、試驗(yàn)研究等方面對(duì)臥式振動(dòng)拋磨加工進(jìn)行了大量研究。NAEINI 等[11-12] 通過(guò)分析臥式振動(dòng)拋磨中滾拋磨塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，總結(jié)出容器內(nèi)壁摩擦系數(shù)、振幅以及加工深度之間的函數(shù)關(guān)系。PANDIYA 等[13] 通過(guò)分析自由式拋磨加工中表面粗糙度值隨振幅以及頻率的變化曲線，證明增大振幅是降低試件表面粗糙度值的主要方法。SANGID 等[14-15] 發(fā)現(xiàn)與自由式相比，固定式拋磨加工能夠增大滾拋磨塊與試件之間的相對(duì)速度。何凡等[16]利用離散單元法對(duì)臥式振動(dòng)拋磨中試件不同的自轉(zhuǎn)速度和加工深度進(jìn)行模擬仿真，證明加工深度是影響試件受力的主要影響因素，并利用 ZLC100 臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備研究了加工深度和加工時(shí)間對(duì)試件加工效果的影響。劉瑞等[17] 通過(guò)離散元模擬發(fā)現(xiàn)在臥式振動(dòng)拋磨加工中，內(nèi)固定狀態(tài)下，試件受到滾拋磨塊的作用力最大，外固定次之，自由狀態(tài)下最小，并進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)埋入深度對(duì)試件表面粗糙度值的影響較大。姚強(qiáng)[18] 利用 ZLC100 臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備研究試件在不同固定方式和不同固定位置下，各區(qū)域表面粗糙度值隨時(shí)間的變化規(guī)律，證明試件內(nèi)固定方式優(yōu)于外固定方式，并進(jìn)一步找到了試件的最優(yōu)加工位置。

針對(duì)具有交叉孔結(jié)構(gòu)的電纜尾附組件，現(xiàn)有的去除交叉孔毛刺方法均存在其局限性，基于試件固定式較自由式加工的優(yōu)勢(shì)，研究交叉孔試件固定在ZLC100臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備上的去毛刺工藝，以便有效去除交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺并對(duì)銳邊倒圓角。通過(guò)離散元模擬仿真[19] 和試驗(yàn)研究，分析安裝角度（極限角度為0°，45°，90°）對(duì)其拋磨效果（去除毛刺、銳邊倒圓角、降低表面粗糙度值等）的影響。

1 臥式振動(dòng)拋磨加工交叉孔原理

圖1 為臥式振動(dòng)拋磨加工交叉孔原理示意圖。臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備由底座1、螺旋彈簧2、激振電機(jī)4、容器6 等組成。激振電機(jī)驅(qū)動(dòng)臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備運(yùn)動(dòng)，當(dāng)激振電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，兩端的偏心塊會(huì)產(chǎn)生離心激振力和激振力矩，進(jìn)而導(dǎo)致與激振電機(jī)軸相固連的容器做規(guī)律的周期性圓形振動(dòng)。將一定量的球形滾拋磨塊7裝入交叉孔試件3 中，將交叉孔試件封閉且通過(guò)夾具5 固定在容器上，如圖中剖視圖A?A 所示。交叉孔試件安裝角度分別為0°，45°，90°（大孔軸線與試件振動(dòng)方向的夾角），固定在容器上的交叉孔試件做周期性圓形振動(dòng)，進(jìn)而形成球形滾拋磨塊運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)。滾拋磨塊對(duì)交叉孔試件進(jìn)行碰撞滾壓、劃擦和刻劃的微量磨削作用，從而去除交叉孔試件轉(zhuǎn)接部位毛刺，交叉孔試件轉(zhuǎn)接部位銳邊倒圓角，降低交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

依據(jù)中國(guó)航發(fā)企業(yè)提供的電纜尾附組件， 通過(guò)SolidWorks 將其簡(jiǎn)化為如圖2 所示的模擬試件（大孔直徑為20 mm，小孔直徑為16 mm）。將試件三維模型保存為 IGES 格式，然后導(dǎo)入 EDEM 中。

2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

仿真模型的運(yùn)動(dòng)形式與 ZLC100 臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備的運(yùn)動(dòng)形式一致，設(shè)置振動(dòng)頻率為25 Hz，振幅為3 mm。

2.3 滾拋磨塊

滾拋磨塊選取直徑為3 mm 的球形棕剛玉顆粒，裝入量為70%（體積分?jǐn)?shù)），孔隙率為0.4，進(jìn)而算出所需顆粒數(shù)量。

2.4 全局設(shè)置

選用 Hertz-Mindlin（ no-slip） 無(wú)滑移接觸模型作為顆粒與顆粒間的仿真接觸模型，顆粒與幾何體間的仿真接觸模型選用Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨損接觸模型[20]。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1.52×10^?5s，仿真總時(shí)間為4 s，數(shù)據(jù)提取周期為0.01 s，網(wǎng)格大小為顆粒半徑的2 倍。滾拋磨塊、試件的本征參數(shù)如表1 所示，滾拋磨塊與試件的接觸參數(shù)如表2 所示。

仿真中， Hertz-Mindlin with Archard Wear 磨損接觸模型的計(jì)算公式為：

式中：Δh 為磨損深度，μm；K/H 為1×10^?7；p 為法向壓力，Pa；Δs 為滑動(dòng)位移，mm。

2.5 數(shù)據(jù)提取與處理

為分析滾拋磨塊對(duì)交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工作用，在交叉孔轉(zhuǎn)接部位順時(shí)針建立20 個(gè)數(shù)據(jù)塊（見(jiàn)圖3）。

以轉(zhuǎn)接部位數(shù)據(jù)塊處磨損深度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）[21] 為參考，定量化分析交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算公式為：

式中：SD 為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，X 是磨損深度均值。

RSD 值越小，表明加工均勻一致性越好。

2.6 仿真結(jié)果與分析

圖4 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時(shí)， 25 個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，20 個(gè)數(shù)據(jù)塊處交叉孔轉(zhuǎn)接部位的磨損深度。圖4 中：安裝角度為0°，45°，90°時(shí)，交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度均值分別為10.20、9.02、12.40 μm， RSD 值分別為0.330，0.233，0.332。與安裝角度為0°，90°時(shí)相比，安裝角度為45°時(shí)，交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性較好。從圖4 中可以看出：安裝角度為0°，45°，90°時(shí)，交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度最小值分別在數(shù)據(jù)塊10，18，10 處，分別為5.45， 6.00， 5.02 μm。安裝角度為45°時(shí)，轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值大于安裝角度為0°，90°時(shí)轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值。交叉孔轉(zhuǎn)接部位磨損深度大的區(qū)域材料去除量大，銳邊倒圓角效果明顯，即轉(zhuǎn)接部位圓角半徑較大。離散元模擬仿真能為交叉孔結(jié)構(gòu)工件加工工藝的選擇提供參考，進(jìn)而可以節(jié)省成本，提高加工效率。

圖5 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時(shí)同一時(shí)刻滾拋磨塊速度矢量圖。從圖5a 中可以看出：安裝角度為0°時(shí)，大孔中滾拋磨塊的整體運(yùn)動(dòng)方向與孔內(nèi)側(cè)表面平行，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用；小孔中滾拋磨塊的整體運(yùn)動(dòng)方向與孔內(nèi)側(cè)表面垂直，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用。從圖5b 中可以看出：安裝角度為45°時(shí)，滾拋磨塊的整體運(yùn)動(dòng)方向與大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面成一定角度，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用。從圖5c 中可以看出：安裝角度為90°時(shí)，大孔中滾拋磨塊的整體運(yùn)動(dòng)方向與孔內(nèi)側(cè)表面垂直，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用；小孔中滾拋磨塊的整體運(yùn)動(dòng)方向與孔內(nèi)側(cè)表面平行， 此時(shí)滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖6 所示，試驗(yàn)設(shè)備采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的 ZLC100臥式振動(dòng)拋磨設(shè)備，其技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 試驗(yàn)試件及加工介質(zhì)

試驗(yàn)試件如圖7 所示，材料為6061 鋁合金塊。按順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒔徊婵状罂變?nèi)側(cè)表面分為 A、B、C、D等4 個(gè)區(qū)域，交叉孔小孔內(nèi)側(cè)表面分為 a、b、c、d 等4個(gè)區(qū)域。用 Perthometer M2 表面粗糙度測(cè)試儀測(cè)試滾拋磨塊對(duì)試件8 個(gè)區(qū)域的加工效果，每個(gè)區(qū)域測(cè)試5個(gè)不同位置的表面粗糙度值，去掉最小值及最大值后計(jì)算平均值。

圖8 為滾拋磨塊實(shí)物圖，試驗(yàn)選用直徑為 3 mm 的球形滾拋磨塊，材質(zhì)為棕剛玉，裝入量為70%（體積分?jǐn)?shù)），磨削液選擇適量HYA。

3.3 轉(zhuǎn)接部位加工效果

利用實(shí)驗(yàn)室電火花線切割設(shè)備將試驗(yàn)試件切分成兩半，采用電子放大鏡觀察交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果。圖9 為轉(zhuǎn)接部位加工效果圖。圖9a 為未加工照片，可以看出交叉孔未加工前轉(zhuǎn)接部位存在銳邊、毛刺等，容易造成割線和磨線。圖9b 是安裝角度為0°時(shí)交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9b 中可以看出：中間區(qū)域倒圓角效果較好，但上、下邊區(qū)域仍有銳邊存在，利用半徑規(guī)測(cè)量轉(zhuǎn)接部位18 個(gè)位置的圓角半徑，測(cè)得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.1～0.5 mm 范圍內(nèi)。圖9c 是安裝角度為45°時(shí)交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9c 中可以看出：轉(zhuǎn)接部位上、中、下3 個(gè)區(qū)域倒圓角效果較明顯，沒(méi)有銳邊和毛刺存在，利用半徑規(guī)測(cè)量轉(zhuǎn)接部位18 個(gè)位置的圓角半徑， 測(cè)得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.3～0.7 mm 范圍內(nèi)。圖9d 是安裝角度為90°時(shí)交叉孔轉(zhuǎn)接部位的拋磨效果，從圖9d 中可以看出：中間區(qū)域倒圓角效果較明顯，但上邊區(qū)域仍有銳邊存在，下邊區(qū)域仍有凹坑存在，利用半徑規(guī)測(cè)量轉(zhuǎn)接部位18 個(gè)位置的圓角半徑，測(cè)得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.2～0.5 mm 范圍內(nèi)。從圖9 中可以看出：與安裝角度為0°， 90°時(shí)相比，安裝角度為45°時(shí)交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺的去除效果較好，轉(zhuǎn)接部位倒圓角效果較明顯，試驗(yàn)得到的結(jié)論與仿真分析的結(jié)論相符合。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為便于對(duì)不同安裝角度下交叉孔內(nèi)側(cè)的表面粗糙度值進(jìn)行對(duì)比，需要對(duì)所測(cè)的表面粗糙度值 Ra 進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理，歸一化數(shù)據(jù)處理[15] 的方法為：

圖10 是安裝角度分別為0°， 45°， 90°時(shí)，交叉孔大孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域和小孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域 R_a* 值的變化曲線。從圖10a 中可以看出：安裝角度為0°時(shí)，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的 R_a* 值數(shù)據(jù)無(wú)明顯規(guī)律性，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。從圖10b 中可以看出：安裝角度為0°時(shí)，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的 R_a* 值有下降趨勢(shì)，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強(qiáng)。從圖10c中可以看出：安裝角度為45°時(shí)，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的 R_a* 值有明顯的下降趨勢(shì)，且下降率比安裝角度為90°時(shí)大，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強(qiáng)。從圖10d 中可以看出：安裝角度為45°時(shí)，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的 R_a* 值有明顯的下降趨勢(shì)，且下降率比安裝角度為0°時(shí)大，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強(qiáng)。從圖10e中可以看出：安裝角度為90°時(shí)，大孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的 R_a* 值有下降趨勢(shì)，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強(qiáng)。從圖10f 中可以看出：安裝角度為90°時(shí)，小孔內(nèi)側(cè)表面4 個(gè)區(qū)域的Ra* 值有下降趨勢(shì)，但下降率小，此時(shí)滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。

4 結(jié)論

基于離散單元法和單因素試驗(yàn)方法，通過(guò)模擬仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法分析了安裝角度（極限角度為0°，45°，90°）對(duì)交叉孔試件振動(dòng)拋磨效果（去除毛刺、銳邊倒圓角、降低表面粗糙度值等）的影響，得出以下結(jié)論：

（1）安裝角度為0°時(shí)，滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱；滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強(qiáng)。安裝角度為45°時(shí)，滾拋磨塊對(duì)大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面既有碰撞、擠壓作用又有劃擦作用，加工能力較強(qiáng)。安裝角度為90°時(shí)，滾拋磨塊對(duì)大孔內(nèi)側(cè)表面主要是碰撞和擠壓作用，加工能力較強(qiáng)；滾拋磨塊對(duì)小孔內(nèi)側(cè)表面主要是劃擦作用，加工能力較弱。

（2） 與安裝角度為0°， 90°時(shí)相比， 安裝角度為45°時(shí)，交叉孔轉(zhuǎn)接部位的加工均勻性較好，且轉(zhuǎn)接部位磨損深度的最小值大于安裝角度為0°，90°時(shí)磨損深度的最小值。

（3） 與安裝角度為0°， 90°時(shí)相比， 安裝角度為45°時(shí)，交叉孔轉(zhuǎn)接部位毛刺的去除效果較好，轉(zhuǎn)接部位倒圓角效果較明顯， 測(cè)得轉(zhuǎn)接部位圓角半徑在0.3～0.7 mm 范圍內(nèi)，大孔和小孔內(nèi)側(cè)表面8 個(gè)區(qū)域表面粗糙度歸一化值 Ra* 有明顯的下降趨勢(shì)，試驗(yàn)得到的結(jié)論與仿真分析的結(jié)論相符合。