渦輪葉片內(nèi)冷通道的磨料流光整加工特性

鄭志鑫　董志國　李孟楠　雷鴻博

關(guān)鍵詞 磨料流加工；渦輪葉片；S 形流道；Polyflow 仿真模擬；內(nèi)冷通道

中圖分類號 TG73; TG58; TG664 文獻標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0110-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0093

收稿日期 2022-06-18 修回日期 2022-07-22

航空發(fā)動機渦輪葉片的承溫能力能夠很大程度上影響發(fā)動機的性能。渦輪葉片需承受發(fā)動機燃燒后的高溫高壓燃?xì)鉀_擊，其工作環(huán)境十分惡劣。隨著航空領(lǐng)域?qū)τ跍u輪葉片耐高溫的要求不斷提高，單依賴渦輪葉片自身材料性能已不能滿足當(dāng)代發(fā)動機的使用要求。目前采用的冷卻方法主要是增加渦輪葉片內(nèi)部的多冷卻通道[1]，其多采用消失模鑄造等方法制造，其表面粗糙度較高，存在氣體在流道內(nèi)流動不順暢、冷卻效率低等問題，進而不能對航空葉片進行穩(wěn)定、高效地冷卻。

該領(lǐng)域的多位學(xué)者采用理論、數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法對磨料流復(fù)雜曲面問題進行了研究。針對S 形彎頭的內(nèi)壁開孔拋光，LI 等[2-3] 基于大渦模擬方法，采用數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，確定了磨粒流拋光S 形側(cè)孔彎頭的最佳工藝參數(shù)。同時還指出，適當(dāng)增加磨粒流入口壓力，多邊形螺旋曲面管的內(nèi)表面粗糙度從原來的1.160 μm 減小到0.285 μm。高航等[4] 針對復(fù)雜螺旋面的光整加工， 提出了增加螺旋引流段以消除螺旋面進出口回流區(qū)，磨料流加工后的螺旋表面粗糙度由10.50 μm 降為0.45 μm。計時鳴等[5] 提出了面約束軟性磨粒流加工方法，有效解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)曲面的拋光問題， 使得單晶硅表面粗糙度從506.71 nm 降到10.17 nm。由以上研究可以看出，磨料流光整加工對幾何形狀復(fù)雜的工件有更好的加工優(yōu)勢。

目前，對于航空渦輪葉片內(nèi)部S 形多冷卻流道拋光的研究較少。因此，擬采用一種磨料流光整加工技術(shù)方案，用Polyflow 軟件進行數(shù)值模擬分析，確定S 形流道內(nèi)的速度場、壓力場的變化規(guī)律對工件加工效果的影響；對S 形內(nèi)流道工件進行試驗，研究其在不同材料條件下的粗糙度與材料去除量；根據(jù)磨料性質(zhì)參數(shù)及試驗加工條件，對仿真與試驗結(jié)果進行對比，確定此方案的可行性。

1 流體磨料與流道特征

1.1 流體磨料

流體磨料所用的磨粒與載體會直接影響工件最終的加工效果和加工效率[6]。圖1 為流體磨料。圖1a 為試驗配置的流體磨料初始狀態(tài)，圖1b 為放置10 min 后的狀態(tài)。流體磨料所用的磨粒是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、粒徑為0.15 mm 的SiC 顆粒， 載體為丁苯橡膠型載體，同時加入軟化劑等添加劑，經(jīng)測量其密度為1 067 kg/m³。

1.2 航空渦輪葉片及試驗工件

圖2 為航空渦輪葉片[7] 與工件。如圖2a 所示：航空渦輪葉片中布滿了氣膜孔，其內(nèi)部有多個S 形的內(nèi)冷卻流道。為了證明磨料流加工航空葉片內(nèi)流道的可行性，圖2b 選取了其中一個S 形流道為加工工件來代表葉片內(nèi)部的流道結(jié)構(gòu)。

2 流體磨料與壁面的作用機理

3 S 形流道的磨料流加工流場

S 形流道的工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，呈彎曲狹長分布，試驗不容易得到其壓力場、速度場的變化規(guī)律。采用冪律流體本構(gòu)模型進行仿真，用磨料流變特性試驗得到材料性質(zhì)的數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)采集儀得到入口的壓力邊界條件，與試驗結(jié)果進行對比驗證該模型的準(zhǔn)確性，從而了解S 形流道中壓力場、速度場的變化規(guī)律。

3.1 模型建立網(wǎng)格劃分

根據(jù)預(yù)先設(shè)計的S 形流道的工件尺寸進行建模，導(dǎo)入ANSYS 中進行網(wǎng)格劃分。仿真模型與劃分后的網(wǎng)格如圖5 所示。

流道網(wǎng)格劃分后，具體的網(wǎng)格參數(shù)及數(shù)據(jù)如表1所示。平均網(wǎng)格質(zhì)量越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量越高。由表1可知平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.928 67，滿足仿真要求（大于0.8）。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）流體材料屬性設(shè)置：根據(jù)試驗測得所用磨料的流變特性，其黏稠度系數(shù)為63.5，非牛頓指數(shù)n 為0.828 7。

（2）邊界條件設(shè)置：入口壓力為9 MPa，此處假設(shè)入口處流體磨料的流動狀態(tài)是完全發(fā)展的；出口設(shè)置為Outflow 自由出口；壁面應(yīng)用廣義Navier 定律，滑移條件設(shè)置系數(shù)K=101 280，e=0.593。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了便于分析流道內(nèi)部流場的情況，創(chuàng)建XY 平面進行分析。圖6 為壓力場沿流道的分布。由圖6 可以看出：磨料壓力沿著流道方向逐漸降低，經(jīng)過第一個S彎壓力降至5 MPa 左右，經(jīng)過第二個S 彎，壓力降至2 MPa左右，壓力下降的幅度呈逐漸變小的趨勢；同時，可看到流道出口處出現(xiàn)了較小的負(fù)壓。這是由于出口處存在大氣壓力，并且磨料本身具有黏彈性，經(jīng)歷2 次轉(zhuǎn)彎沿程壓力損失比較大，因此到出口處會有較小的負(fù)壓出現(xiàn)。

圖7 為速度場的變化情況，整個S 形流道的結(jié)構(gòu)比較平順，整體來看速度的變化比較均勻，管道中心區(qū)域的速度比較大，速度向管壁逐漸降低。沿磨料流向方向上，管道中心區(qū)域和管道壁面區(qū)域前后的速度變化都不太明顯。根據(jù)Preston 方程可知，在工件相同的加工區(qū)域，速度相同情況下，壓力越高則材料去除量越高，加工效率也越高。

為了驗證仿真的準(zhǔn)確性，用試驗中的磨料、流道橫截面積及時間數(shù)據(jù)求出試驗中管道的平均速度為1.67 m/s，與速度場最高速有96.5% 的相似率，與次高速度有86.9%的相似率，驗證了管道內(nèi)流場仿真的準(zhǔn)確性。

4 流道的光整加工特性

4.1 試驗過程與方案設(shè)計

磨料流加工試驗裝置如圖8 所示。圖8 中：機床為單向磨料流加工機床，在9 MPa 的恒壓條件下進行試驗；下料缸上面放上夾具、工件與壓力傳感器，傳感器連上壓力表，壓力表與數(shù)據(jù)采集儀相連接；用電腦上的YE7600 軟件對料缸內(nèi)壓力以及加工時間數(shù)據(jù)進行記錄。每個加工循環(huán)約為50 s，1 個循環(huán)定義為1 次加工。經(jīng)過多次循環(huán)加工后，工件可達到較為理想的工，作表面。

試驗方案如表2 所示。試驗分3 組進行， 試驗1對較軟的Q235 工件進行3 次加工；試驗2 采用稍硬的45 鋼進行3 次加工，研究材料硬度對加工效果的影響；試驗3 在試驗2 的基礎(chǔ)上再進行3 次加工，對比加工次數(shù)對加工效果的影響。

4.2 S 形流道表面粗糙度分析

圖9 為加工前的工件表面，可以看到沿切割方向的溝痕比較明顯、有一些塊狀金屬突起和金屬堆積成列的現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖10 為表面粗糙度測量點分布區(qū)域。為了更好地描述加工試驗前后工件不同位置的表面粗糙度及材料去除量的變化情況，選取了圖10 中4 個典型的加工區(qū)域進行測量，分別是工件的加工入口區(qū)域A、第一個S 彎處區(qū)域B、第二個S 彎處區(qū)域C、加工出口區(qū)域D。

圖11 為Q235 工件加工前后表面粗糙度。用粗糙度儀在Q235 工件上沿流向隨機測量取均值得到其初始表面粗糙度值為0.327 μm。從圖11a 中可以看出：經(jīng)過3 次加工后，沿流向方向上，區(qū)域B，C 的表面粗糙度下降至0.155 μm 與0.176 μm， 分別下降了52.60% 與46.18%，區(qū)域B，C 的表面粗糙度下降幅度要大于區(qū)域A，D 的。磨料在區(qū)域B，C 的流向與原始表面溝痕夾角較大，原本較深的加工溝痕形貌被打破，從而整體變得更加平整， 沿流向方向的表面粗糙度也降低較多。

垂直流向的初始表面粗糙度為1.520 μm。從圖11b 可以看出：垂直流向方向比沿流向方向表面粗糙度下降幅度更大，3 次加工后，區(qū)域B，C 的表面粗糙度分別降低到0.667 μm 與0.670 μm，分別下降了56.12%與55.92%，并且大于區(qū)域A，D 的降低幅度。

圖12 為工件的4 個區(qū)域在光學(xué)顯微鏡下放大后的表面微觀形貌。從圖12 可以看出： 3 次加工后，區(qū)域A，D 整體的表觀紋理流向并沒有太大變化。區(qū)域A為磨料入口區(qū)域，壓力較大，其對工件的切削能力強；區(qū)域D 為磨料的出口區(qū)域，由于沿管道內(nèi)存在沿程壓力損失，壓力較小，依據(jù)Preston 方程，區(qū)域A 比區(qū)域D的材料去除量更高，加工后表面粗糙度更低。從圖12b、12c 可以明顯看出區(qū)域B，C 的表面變得更加平整。

圖13 為45 鋼工件加工前后表面粗糙度。45 鋼工件沿流向原始粗糙度為0.329 μm。由圖13a 可知：3 次加工后，沿流向區(qū)域A 的表面粗糙度降到0.258 μm，最大降幅為21.6%，表面粗糙度比工件Q235 的下降幅度小。Q235 材料比45 鋼軟，在相同的加工條件下，更易被磨料切削；經(jīng)過6 次加工，工件4 個區(qū)域的粗糙度又有了明顯的降低。但比前3 次下降得少，因為磨料具有黏溫特性，隨著加工次數(shù)增多，磨料溫度升高黏度會隨之下降，切削能力也會下降。

垂直于流線方向的初始粗糙度為1.134 μm，經(jīng)過3 次加工后粗糙度得到了大幅的降低。從圖13b 可知：區(qū)域A， B， C，D 所對應(yīng)的粗糙度分別降至0.774， 0.705，0.748，0.945 μm ，區(qū)域B，C 粗糙度下降的幅度較大，分別為37.83%，34.04%，可知磨料流動方向與工件加工痕跡夾角越接近90°，材料去除率越高[11]。區(qū)域A，D 沿流線方向的加工痕跡沒有本質(zhì)的改變，而B，C 區(qū)域由于原來沿流向的加工痕跡被磨料打破了，垂直流向粗糙度會有明顯的降低。

3 次加工后，4 個區(qū)域中區(qū)域B，D 粗糙度差距最大，分別為0.705， 0.945 μm，粗糙度差為0.240 μm。經(jīng)過6次加工后，區(qū)域B， D 粗糙度差距仍最大，分別為0.581，0.717 μm，粗糙度差為0.136 μm，可知隨著加工次數(shù)的增加，整個工件表面的均勻程度得到提高。

6 次加工后，工件的微觀形貌如圖14 所示，磨料壓力沿著流動方向逐漸降低，在區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C中磨料顆粒產(chǎn)生的加工痕跡和材料去除較為明顯，由于存在沿程壓力損失，區(qū)域D 加工痕跡不太明顯，可以看到一些金屬材料堆積現(xiàn)象。

4.3 工件材料去除量的分析

2 種工件3 次加工后材料去除量的對比結(jié)果如圖15所示，可以看出材料整體的去除量呈逐漸下降的趨勢。根據(jù)仿真可知，S 形流道內(nèi)的壓力沿流動方向逐漸降低，而內(nèi)部的速度是呈現(xiàn)均勻的中間高兩邊低的趨勢；根據(jù)Preston 方程可知，在研究的4 個加工區(qū)域中，壓力是影響材料去除率的主要因素，壓力越大，切削能力也越強[12]。因此，沿流動方向材料去除量逐漸降低，區(qū)域A 比區(qū)域D 的材料去除量大4～5 倍。對比2 種材料在4 個相同區(qū)域的材料去除量，發(fā)現(xiàn)Q235 工件比45鋼工件的材料去除量高，這是由于在相同的加工條件下，磨料更容易對較軟的材料產(chǎn)生微切削作用，因而材料去除量也就更大。

5 結(jié)論

對航空葉片內(nèi)流道進行簡化并進行試驗，磨料可以成功拋光S 形內(nèi)流道，通過仿真和試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）用Polyflow 軟件仿真得出，流道內(nèi)壓力經(jīng)過第一個S 彎后由9 MPa 降為5 MPa，經(jīng)過第二個S 彎后壓力降為2 MPa，壓力下降的幅度呈逐漸變小的趨勢，速度由通道中心區(qū)域向壁面逐漸減小。

（2）在S 形流道轉(zhuǎn)彎處，流體磨料運動方向與工件初始表面流向能形成較大夾角，加工后轉(zhuǎn)彎處的表面粗糙度比直流道處低。

（3）流道內(nèi)沿流動方向存在沿程壓力損失，3 次加工條件下，區(qū)域A 比區(qū)域D 的材料去除量大4～5 倍，粗糙度也更低。