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(guó)　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(hào) TG73; TG58; TG664 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 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(dòng)機(jī)渦輪葉片的承溫能力能夠很大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。渦輪葉片需承受發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)不順暢、冷卻效率低等問(wèn)題，進(jìn)而不能對(duì)航空葉片進(jìn)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(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)磨料流復(fù)雜曲面問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)S 形彎頭的內(nèi)壁開(kāi)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(yàn)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(shí)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(lái)的1.160 μm 減小到0.285 μm。高航等[4] 針對(duì)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(jìn)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(jì)時(shí)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(wèn)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(duì)幾何形狀復(fù)雜的工件有更好的加工優(yōu)勢(shì)。

目前，對(duì)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(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定S 形流道內(nèi)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的變化規(guī)律對(duì)工件加工效果的影響；對(duì)S 形內(nèi)流道工件進(jìn)行試驗(yàn)，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(yàn)加工條件，對(duì)仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(huì)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(yàn)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(shí)加入軟化劑等添加劑，經(jīng)測(cè)量其密度為1 067 kg/m³。

1.2 航空渦輪葉片及試驗(yàn)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(gè)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(gè)S 形流道為加工工件來(lái)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(jī)理

3 S 形流道的磨料流加工流場(chǎng)

S 形流道的工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，呈彎曲狹長(zhǎng)分布，試驗(yàn)不容易得到其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化規(guī)律。采用冪律流體本構(gòu)模型進(jìn)行仿真，用磨料流變特性試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，從而了解S 形流道中壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)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(jì)的S 形流道的工件尺寸進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS 中進(jìn)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(yàn)測(cè)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(dòng)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(chǎng)的情況，創(chuàng)建XY 平面進(jìn)行分析。圖6 為壓力場(chǎng)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(guò)第一個(gè)S彎壓力降至5 MPa 左右，經(jīng)過(guò)第二個(gè)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(shì)；同時(shí)，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(huì)有較小的負(fù)壓出現(xiàn)。

圖7 為速度場(chǎng)的變化情況，整個(gè)S 形流道的結(jié)構(gòu)比較平順，整體來(lái)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(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，用試驗(yàn)中的磨料、流道橫截面積及時(shí)間數(shù)據(jù)求出試驗(yàn)中管道的平均速度為1.67 m/s，與速度場(chǎng)最高速有96.5% 的相似率，與次高速度有86.9%的相似率，驗(yàn)證了管道內(nèi)流場(chǎng)仿真的準(zhǔn)確性。

4 流道的光整加工特性

4.1 試驗(yàn)過(guò)程與方案設(shè)計(jì)

磨料流加工試驗(yàn)裝置如圖8 所示。圖8 中：機(jī)床為單向磨料流加工機(jī)床，在9 MPa 的恒壓條件下進(jìn)行試驗(yàn)；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(duì)料缸內(nèi)壓力以及加工時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。每個(gè)加工循環(huán)約為50 s，1 個(gè)循環(huán)定義為1 次加工。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)加工后，工件可達(dá)到較為理想的工，作表面。

試驗(yàn)方案如表2 所示。試驗(yàn)分3 組進(jìn)行， 試驗(yàn)1對(duì)較軟的Q235 工件進(jìn)行3 次加工；試驗(yàn)2 采用稍硬的45 鋼進(jìn)行3 次加工，研究材料硬度對(duì)加工效果的影響；試驗(yàn)3 在試驗(yàn)2 的基礎(chǔ)上再進(jìn)行3 次加工，對(duì)比加工次數(shù)對(duì)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(cè)量點(diǎn)分布區(qū)域。為了更好地描述加工試驗(yàn)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(gè)典型的加工區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，分別是工件的加工入口區(qū)域A、第一個(gè)S 彎處區(qū)域B、第二個(gè)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(jī)測(cè)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(guò)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(gè)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(méi)有太大變化。區(qū)域A為磨料入口區(qū)域，壓力較大，其對(duì)工件的切削能力強(qiáng)；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(guò)6 次加工，工件4 個(gè)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?yàn)槟チ暇哂叙靥匦?，隨著加工次數(shù)增多，磨料溫度升高黏度會(huì)隨之下降，切削能力也會(huì)下降。

垂直于流線方向的初始粗糙度為1.134 μm，經(jīng)過(guò)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(duì)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(dòng)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(méi)有本質(zhì)的改變，而B(niǎo)，C 區(qū)域由于原來(lái)沿流向的加工痕跡被磨料打破了，垂直流向粗糙度會(huì)有明顯的降低。

3 次加工后，4 個(gè)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(guò)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(gè)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(dòng)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(duì)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(shì)。根據(jù)仿真可知，S 形流道內(nèi)的壓力沿流動(dòng)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(shì)；根據(jù)Preston 方程可知，在研究的4 個(gè)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(qiáng)[12]。因此，沿流動(dòng)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(duì)比2 種材料在4 個(gè)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(duì)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(duì)航空葉片內(nèi)流道進(jìn)行簡(jiǎn)化并進(jìn)行試驗(yàn)，磨料可以成功拋光S 形內(nèi)流道，通過(guò)仿真和試驗(yàn)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(guò)第一個(gè)S 彎后由9 MPa 降為5 MPa，經(jīng)過(guò)第二個(gè)S 彎后壓力降為2 MPa，壓力下降的幅度呈逐漸變小的趨勢(shì)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)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。