旋流器加工變形仿真分析

摘 要：旋流器是現代飛機環境控制系統中一項重要設備——水分離器的關鍵部件，旋流器加工的尺寸精度和表面粗糙度直接影響到水分離器的分水效率及阻力。旋流器表面一般為較復雜的曲面，其葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低，屬于典型曲邊薄壁零件，在切削加工時會產生彈性讓刀和加工變形，影響加工質量。因此，為提高旋流器零件加工精度，建立切削力加工經驗公式和仿真模型，基于Abaqus二次開發平臺模擬零件加工變形，探索分析其加工變形大小與不同走刀路徑之間的規律。

關鍵詞：旋流器；有限元仿真；加工變形

中圖分類號：V245.3""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.019

0""" 引言

飛機環境控制系統的作用是調節飛機機艙內的溫度、濕度、壓力等條件，為艙內提供適宜的工作環境，這也是機載設備正常工作的必要前提。現代飛機技術高速發展，飛機的用途和類型不斷延伸，飛行條件更加苛刻，機載設備功率不斷增大，對飛機環境控制系統提出了更高的要求。

現代飛機環境控制系統包含多個子系統，空氣循環制冷子系統是當前主流軍民用飛機都采用的系統形式。機艙內的空氣來源通常是發動機，而發動機輸出的空氣都是高溫高壓的，無法直接導入機艙，只有經過空氣循環制冷子系統降溫降壓后才能用于機艙環境調節。

目前的空氣循環制冷子系統主要有下述幾種形式[1]：

1）簡單式（渦輪—風扇式）；

2）兩輪升壓式除水系統（渦輪—壓氣機式）；

3）三輪升壓式除水系統（渦輪—壓氣機—風扇式）；

4）四輪升壓式除水系統（渦輪—壓氣機—渦輪—風扇式）。

除簡單式外，其余幾種形式的空氣循環制冷子系統都包含一項關鍵除濕設備——水分離器，其典型結構如圖1所示。水分離器的作用是分離出被引入空氣循環制冷子系統的高濕空氣中的游離態水或霧氣，進而避免系統制冷能力降低和艙內凝水[2]。

水分離器工作時，氣流高速通過具有螺旋形葉片的旋流器，氣流發生旋轉，借助離心力，氣流中的水滴被甩至分離筒壁，通過環狀間隙將水導入集水腔后通過排水口排除。旋流器是使氣流產生旋轉的關鍵部件[3]，其加工的尺寸精度和表面粗糙度直接影響到水分離器的分水效率及阻力。圖2為一種典型的旋流器結構，從使用環境、工作介質、工作壓力和工作溫度等因素出發考慮，通常選用彈性模量小、屈強比大的鋁合金作為制造材料。另外，旋流器表面一般為較復雜的曲面，其葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低，屬于典型曲邊薄壁零件，切削過程中切削力會使零件產生彈性讓刀和加工變形，這就對旋流器的加工提出了更高的要求。

本文針對旋流器零件，將難加工的復雜曲面長懸臂薄壁結構解構為簡單曲邊薄壁結構，將其作為研究對象，根據不同銑削參數建立切削力加工經驗公式，基于Abaqus平臺二次開發程序構建銑削加工仿真模型，通過仿真分析，對零件的加工變形進行預測，對比了不同走刀方式的加工變形量。

1""" 試驗對象及方法

1.1""" 試驗對象

本文選取簡單曲邊薄壁結構作為研究對象，結構的三維數模如圖3所示，符合旋流器葉片為復雜曲面，葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低的特點。

1.2""" 試驗方法

使用有限元方法對鋁合金進行銑削仿真研究，需要對有限元模型加載一定的切削力，這將直接決定仿真過程是否接近實際銑削加工過程。

通過銑削試驗能夠測得模型所需加載的切削力，試驗針對旋流器常用的2A12鋁合金材料，選定銑削參數如表1所示，測得在各種參數組合下的切削力值。所選擇刀具為加工旋流器常用刀具，具有一定的代表性。

銑削力的方向定義如下：刀具進給方向為FX，徑向切深方向為FY，刀具軸向方向為FZ。通過表1的試驗，獲得切削力與切削參數關系如圖4～7所示。

通過回歸分析得出切削力經驗方程如下：

Fx=170.73n-0.115 9Fz0.537 9ae0.845 6ap0.759 5，Fy=1 666.032n-0.267 9Fz1.011ae-0.080 3ap0.876 8，Fz=16.69n-0.013 1Fz0.882 9ae0.874 7ap1.546 3

2""" 銑削仿真建模分析

2.1""" 仿真建模

簡單曲邊薄壁結構劃分網格較為簡單，通過“單元生死”技術來模擬材料的去除過程。其中，“死”單元即對模型不提供剛度的單元，“活”單元為具備完全剛度的單元[4]。

銑削仿真是將銑削過程由連續過程分解為離散過程，用有限元方法將一個個“活”單元轉化為“死”單元，以去除單元的方法模擬刀具去除材料的過程。當然，切削力隨著單元“死亡”而消失的同時重新加載在新的“活”單元上，這就保證了切削力始終在保持作用。

2.2""" 仿真優化

為提高仿真的精度，網格劃分需要盡可能細小，這就導致在仿真過程中模擬材料去除過程所需消除的單元數量巨大，“單元生死”的設置及與之相對應的切削力的施加與去除帶來了巨大的工作量，這就需要對仿真過程進行優化，以提高效率。本文切削仿真使用Abaqus仿真軟件，該軟件能夠進行二次開發，以編寫腳本的方式進行“單元生死”的操作，同時實現切削力的施加與去除。

針對曲邊薄壁結構，用數控加工編程軟件獲得不同走刀方式的刀具軌跡，如圖8所示，該軌跡結合已劃分好的網格，即可按序篩選出隨著切削過程所需去除的網格。本文用腳本將這些網格按照與切削參數相匹配的方式進行批量、自動、循環的“單元生死”操作和切削力加載，極大地節省了仿真時間。

3""" 結果與討論

針對曲邊薄壁結構，用切削仿真的方式開展三種不同的走刀路徑的對比試驗，分別是階梯走刀、等深走刀和單側走刀，如圖9所示。

使用“單元生死”技術對曲邊薄壁結構進行仿真試驗，選定切削參數為ap=2 mm，ae=3 mm，fz=

0.15 mm/r，n=10 000 r/min，加載由銑削力回歸方程所得的切削力。仿真加工過程如圖10所示，圖10左側圖例由上至下代表變形量由大至小。

在不同的仿真試驗中，曲邊薄壁結構在同一高度會有不同的最大變形量，對比同一高度下的不同變形量，即可對不同走刀路徑產生的變形大小進行對比。

圖11為曲邊薄壁結構在不同走刀方式下不同的加工變形量曲線，可見單側走刀的變形量最大，階梯走刀導致的加工變形量最小。這是因為單側走刀方式為先切除一側材料，這就導致在切除另一側材料時，曲邊薄壁結構整體剛度下降較多，使得讓刀變形顯著增大，而階梯走刀的方式能使曲邊薄壁結構始終保持相對較高的剛度，從而減小讓刀變形。

通過對比曲邊薄壁結構變形量在不同位置的變化，發現三種不同走刀方式的變形量都會隨著高度的下降而下降，當刀具切削到曲邊薄壁結構底部時，三種不同走刀方式的變形量基本相同。但是，刀具切削點距離曲邊薄壁結構底部越遠，單側走刀的變形量與另外兩種走刀方式變形量的差值越大。這同樣是因為單側走刀方式為先切除一側材料，導致在切除另一側材料時，曲邊薄壁結構整體剛度下降較多，使得讓刀變形顯著增大，而另外兩種走刀方式能使曲邊薄壁結構剛度隨著切削進展逐步下降，從而減小讓刀變形。

4""" 結論

1）為了研究分析曲邊薄壁結構的加工變形，使用有限元的方法對典型曲邊薄壁結構進行銑削仿真研究。同時，通過“單元生死”技術來模擬材料的去除過程，并使用Abaqus仿真軟件進行二次開發，以編寫腳本的方式進行“單元生死”的操作，同時實現切削力批量、自動、循環的施加與去除，極大地節省了仿真時間。

2）針對曲邊薄壁結構，用切削仿真的方式開展三種不同的走刀路徑的對比試驗。結果顯示，不同走刀方式的變形量都會隨著高度的下降而下降，當刀具切削到曲邊薄壁結構底部時，三種不同走刀方式的變形量基本相同，總體上階梯走刀導致的加工變形量最小。

3）通過開展曲邊薄壁結構切削加工仿真試驗分析，證明在旋流器零件加工時編制數控程序應優先選用階梯刀軌，以減小讓刀和零件變形。本文的研究也為實現旋流器銑削加工變形補償打下了基礎。

[參考文獻]

[1] 陳元先.旅客機環境控制系統的發展[J].航空學報，1999（增刊1）：7-9.

[2] 劉巍，蔣福根.一種測定高壓狀態下水分離器分水效率的方法[J].大眾科技，2006（7）：116-117.

[3] 宋杰.旋流分離理論在氣-液分離器設計中的應用[J].裝備制造技術，2013（1）：132-134.

[4] 汪振華，袁軍堂，劉婷婷，等.生死單元法分析薄壁件加工變形[J].哈爾濱理工大學學報，2012，17（6）：81-85.

收稿日期：2024-08-16

作者簡介：趙康（1990—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機械工程。