套圈整體拋磨的EDEM-ADAMS耦合數值模擬和試驗

高陽,李學楠,陳海濱,李東祥,楊勝強

(1.中國航發哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025;2.太原理工大學 機械與運載工程學院,太原 030024;3.精密加工山西省重點實驗室,太原 030024;4.廊坊市北方天宇機電技術有限公司,河北 廊坊 065000)

現代航空發動機朝著高速、重載、輕量化等趨勢發展,使其服役工況越來越苛刻[1]。航空發動機典型部件主軸軸承服役環境為高溫(220 ℃以上)、高壓(接觸應力2 GPa以上)和高轉速(dn值要求3×106mm·r/min)等極端條件[2]。為保證其長久的服役壽命,對其制造技術提出了更高的要求[3]。套圈作為軸承的主要受力零件,加工制造階段出現的缺陷可能會導致其表面過早出現疲勞剝落和磨損等失效形式,進而引發飛行事故[4]。據統計,航空發動機80%復雜曲面部件疲勞失效源于加工表面質量不滿足要求[5],航空發動機關鍵部件的加工表面完整性是評價其加工質量的重要依據[6]。因此,從制造工藝角度出發,應改善套圈表面微觀形貌,提高其表面層物理力學性能及表面完整性,進而提高其抗疲勞性能[7]。

航空發動機軸承套圈的加工工藝流程為：基本成形及磨加工→酸洗除氫→粗光整→精研滾道→精光整。磨加工后的套圈表面仍較粗糙,加工痕跡明顯,呈現典型的各向異性,需進一步提高最終工作表面的完整性。國內外學者提出了多種加工方法：文獻[8]采用ELID磨削技術對球軸承套圈溝道進行加工,并通過間斷修整砂輪保證軸承套圈溝道的面型精度(型線精度和表面質量);文獻[9]使用超聲滾擠壓加工精密軸承內圈滾道表面,并分析了其表面微觀形貌的形成機制;文獻[10]探索了采用磨料流技術提高大型軸承套圈工作表面的完整性,發現磨粒流光整加工可有效提高大型軸承套圈的服役性能;文獻[11]提出一種基于介電泳效應的磨粒流拋光薄壁陶瓷套圈內表面,拋光10 h后,效果顯著;文獻[12]利用剪切增稠拋光技術對鋼制軸承內圈滾道進行加工,加工后表面完整性得到改善。但上述工藝均是對套圈的某一表面進行加工,未能實現套圈各表面的整體加工。航空發動機軸承套圈的內、外表面和兩端面都是重要的工作面或安裝定位面,需對其各表面進行整體加工。

滾磨光整加工作為一種實用的表面完整性制造工藝,具有零件適應性強,加工效果好(綜合改善,全方位加工)等優勢,可有效提高零件的服役性能[13]。且該拋磨方法材料去除量小,可以在保證套圈類零件原有精度的同時提高表面性能,實現形性協同拋磨加工[14]。文獻[15]指出全世界有50%的機加工零件,都將采用滾磨光整加工工藝提高其表面質量,改善零件表面完整性。常規滾磨光整加工根據工件裝夾方式可分為工件固定式和自由放置式,工件固定式會使夾持部位留下痕跡,而自由放置式又可能會造成工件的磕碰。航空發動機軸承套圈要求實現整體均勻性拋磨且無損傷裝夾,針對該技術難題,本文以自主提出的一種適用于大中型套圈的浮動裝夾、摩擦驅動、水平限位回轉式拋磨新方法[16]為基礎,擬將該工藝分別用于粗光整、精光整2道工序,并應用EDEM-ADAMS耦合方法建立運動學仿真模型,得到拋磨過程顆粒介質對套圈不同表面接觸力分布的影響,并通過對比仿真結果獲得較優的工藝參數,最后搭建套圈浮動裝夾拋磨試驗平臺完成加工試驗。

1 浮動裝夾拋磨方法

新型回轉式拋磨設備結構主要包括驅動裝置、容器體、底座支架等部件,如圖1所示,拋磨時,驅動裝置可驅動容器實現回轉運動。關鍵部件容器體為正六邊形箱體,對于大中型套圈類零件,設計其內接圓直徑為1 080 mm,厚度為230 mm。為實現套圈浮動裝夾、摩擦驅動的要求,容器體內部沿圓周方向均布6根直徑50 mm的支撐桿,所有支撐桿組成的外接圓直徑為400 mm。支撐桿由鋼材制成,外部設有柔性套筒實現“內剛外柔”結構,既滿足了承載要求又不會對套圈表面留下痕跡;容器和容器封蓋上裝有限位桿,水平限位桿限制套圈在x方向的移動,防止套圈與容器磕碰,如圖2所示。當支撐桿隨容器回轉時,支撐桿與套圈之間的摩擦力驅動套圈持續在yOz平面內做準均勻回轉運動,且無裝夾損傷。

1—底座支架;2—容器體;3—驅動裝置。

1—容器;2—套圈;3—加工介質;4—支撐桿;5—限位桿;6—容器封蓋。

容器內填充加工介質(磨塊和磨液),形成約束空間,容器以一定角速度回轉時,帶動加工介質運動,磨塊與磨液充分混合后不斷對套圈各表面碰撞、滾壓、滑擦,最終,加工介質以均勻的流態實現對套圈各表面的均勻一致性拋磨。

2 EDEM-ADAMS仿真試驗

隨著數值計算方法的發展,各種仿真方法已廣泛應用于解決工程問題,在前期的可行性研究與工藝參數優化中起著重要作用。因此,本文首先通過離散單元法與多體動力學法對該新型拋磨工藝的可行性進行驗證,并優化工藝參數,為后期試驗研究提供參考。

2.1 三維仿真模型與物料特性參數選擇

EDEM是首個基于離散單元法實現顆粒體系動力學模擬的CAE分析軟件。將幾何體導入EDEM中可實現平動、轉動等簡單運動,但由于該驅動方式下套圈的運動較為復雜,EDEM難以實現其運動狀態的準確模擬。多體動力學軟件ADAMS具有良好的動力學分析優勢,因此,需要通過EDEM和ADAMS的雙向耦合實現套圈實際運動狀態的模擬。去除圖1中與拋磨過程接觸無關的部件,將簡化后的三維模型(圖3)分別導入ADAMS和EDEM中。

1—限位桿;2—套圈;3—支撐桿;4—容器。

由于介質之間無黏連作用,EDEM中使用Hertz-Mindlin(no-slip)接觸模型,可以準確高效計算接觸力。接觸力可分為法向力和切向力,法向力基于赫茲接觸理論,切向力基于Mindlin-Deresiewicz接觸理論,且切向力與法向力成比例[17]。在EDEM中,填充球形介質,各部件材料參數見表1[18]。在ADAMS中,約束條件為：容器與大地之間設置轉動副,支撐桿與容器之間設置固定副,限位桿與容器之間設置固定副。接觸條件為：容器、支撐桿、限位桿、軸承套圈分別與大地之間設置G-FORCE,后續與離散元進行耦合仿真時,G-FORCE將EDEM中顆粒介質對容器、支撐桿、限位桿、軸承套圈的力和力矩傳遞到ADAMS中。邊界條件為：ADAMS與EDEM通過設置相關配置文件,利用Co-simulation讀取配置文件建立耦合關系。在每一時步,交換EDEM和ADAMS中4個部件的運動數據,實現雙向耦合,耦合原理如圖4所示[19]。

表1 各零件材料參數

圖4 EDEM-ADAMS耦合原理圖

2.2 數據提取與處理

套圈尺寸如下：內徑為575 mm,外徑為605 mm,套圈寬度為78 mm,滾道寬度為48 mm,滾道深度為7 mm。套圈包含外表面、內表面、滾道面、端面1和端面2, 如圖5所示。外表面沿周向均勻布置30個數據塊,沿軸向均勻布置3個長度為20 mm的數據塊;內表面沿周向均勻布置30個數據塊,內表面被滾道隔開;滾道兩側內表面沿軸向各布置長度為15 mm的數據塊,滾道面沿周向均勻布置30個數據塊,沿軸向布置3個長度為15 mm的數據塊;兩端面均沿周向均勻布置30個數據塊。數據塊分布如圖6所示。

1—外表面;2—端面2;3—端面1;4—滾道面;5—內表面。

圖6 數據塊分布

2.3 仿真試驗設計與評價指標

回轉式滾磨光整加工中,轉速對加工效率影響較大,當轉速提高時,加工效率提高,但當轉速超過某一極限值時,介質會隨著滾筒回轉而均勻貼在筒壁上,最終趨于動態平衡狀態,介質與工件之間沒有相對滑動,加工效率較低。滾筒臨界轉速為[20]

(1)

式中：D為滾筒壁的回轉直徑,mm。

由(1)式可得滾筒臨界轉速n為41 r/min,以此為基準,選取n的50%(20 r/min),80%(32 r/min),100%(41 r/min),120%(50 r/min),150%(60 r/min)共5個轉速。介質裝入量以60%為基準,選取30%,50%,60%,70%,80%共5個裝入量。以轉速和裝入量為變量,共設計5×5組單因素仿真試驗。以容器完成4圈回轉為標準,仿真步長為0.01 s,不同轉速下選取不同的仿真時間,見表2。

表2 仿真時間

滾磨光整加工中,顆粒介質對工件表面的作用力對最終拋磨效果影響較大。在拋磨過程中,理想狀態是顆粒介質均勻地作用于工件各表面,實現均勻性拋磨。分析不同容器轉速和顆粒介質裝入量下顆粒介質對工件表面的作用力,有利于確定最佳的拋磨工藝參數。由于切向力與法向力之間成比例[17],本文以法向力為主要研究對象[21],利用離散系數CV表征套圈各表面法向力分布的均勻性,即

(2)

2.4 結果分析

套圈各表面法向力離散系數隨裝入量和轉速的變化如圖7所示：1)當裝入量較少且轉速較高時,顆粒介質的運動較雜亂,作用于套圈各表面的顆粒分布不均勻,造成套圈各表面的法向力差異較大,離散系數偏大;2)隨著顆粒介質裝入量增加,套圈各表面分布的顆粒數量逐漸增加且分布均勻,顆粒整體流動性顯著改善,離散系數降低;3)套圈外表面法向力離散系數整體小于其他表面,這是因為支撐桿的布置會影響套圈內部顆粒流場,并且觀察到在裝入量為80%、轉速為20 r/min時,套圈其他表面離散系數會突增,這是因為外表面和支撐桿沒有任何接觸,支撐桿不會對外表面的顆粒流場產生影響,其他表面附近的顆粒流場直接或間接受支撐桿的影響,在裝入量較大且轉速較低時,支撐桿使顆粒流動性較差,介質對各表面的作用力分布不均勻。

(a) 外表面

套圈各表面法向力離散系數分布范圍較廣,為定量分析,將0.06

圖8 套圈不同表面法向力離散系數分布

3 試驗驗證

以航空發動機帶定位凸緣雙半內圈角接觸球軸承外圈的粗光整加工為例,各表面的粗光整要求為：外表面、端面粗糙度Ra值不大于0.8 μm,內表面、滾道面粗糙度Ra值不大于0.6 μm,對內表面及滾道面要求較高。

3.1 試驗平臺及試驗參數設置

基于仿真分析結果,取裝入量為80%,轉速為60 r/min。新型回轉式拋磨設備結構如圖9所示,自制與仿真尺寸相同的套圈作為試驗樣件,如圖10所示,并沿套圈圓周均勻設置8個點測量其加工后的表面粗糙度。由于套圈存在大量溝槽結構,在仿真過程中使用球形介質觀察到存在加工盲區,在試驗過程中發現斜三角顆粒狀介質能夠加工到溝槽根部,因此,選擇14#核桃殼顆粒介質和S-100滾光油為加工介質。

1—容器體;2—驅動裝置;3—底座支架。

(a) 軸承套圈樣件

3.2 結果分析

套圈拋磨后各表面粗糙度Ra值變化如圖11所示：1)在加工60 min后,套圈各表面不同位置的粗糙度均明顯下降;2)在加工120 min時,外表面各位置的表面粗糙度值較加工60 min時明顯增加,而其他表面個別位置表面粗糙度值會增加,但總體仍呈下降趨勢;3)外表面粗糙度Ra值最優可達到0.75 μm左右,而其他表面粗糙度Ra值最優可達到0.55 μm左右,滿足了套圈各表面粗光整的要求,且套圈內表面及滾道面的加工效果較優。推測可能是由于支撐桿的布置促進了介質對內表面及端面的作用,使其加工效果更好,這與圖7的模擬結果相符。試驗結果說明新拋磨工藝可以有效實現套圈的整體拋磨,可依據不同類型套圈的工作面選取加工時間。

(a) 外表面

4 結論

針對航空發動機主軸軸承套圈各表面需多次加工且加工均勻性較差的問題,本文提出了一種套圈浮動裝夾、摩擦驅動、水平限位的整體拋磨方法。以不同容器轉速和介質裝入量為變量進行單因素仿真試驗,研究不同水平組合下套圈各表面的法向力離散系數;并選取較優的工藝參數進行整體拋磨加工試驗,得到以下結論：

1)套圈浮動裝夾、摩擦驅動、水平限位的整體拋磨方法可行。

2)當介質裝入量為30%,50%,60%時,各容器轉速下套圈不同表面的法向力離散系數均偏大;當介質裝入量為70%,80%時,容器轉速高于32 r/min,套圈不同表面的法向力離散系數均較小。

3)外徑605 mm的軸承套圈試樣經過拋磨,套圈各表面的粗糙度Ra值均下降且滿足粗光整的要求;EDEM-ADAMS耦合建模方法可以為拋磨加工工藝參數的優化提供參考。