摘要: 高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造，此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求，其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表，在经... 展开 高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造，此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求，其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表，在经过数控铣削或精密铸造等近净成形加工后需要配以合适的光整加工技术提升表面质量以满足其使役性能要求，而手动抛光、振动光饰和数控砂带磨削等技术存在加工效率低，加工可达性较差或成本较高等不足，因此，高效高质且低成本的光整加工技术是缩短此类零部件的研制周期和延长服役寿命的重要保证。 磨料流加工是一种将半固着磨料介质往复挤压滑擦复杂表面以提高表面质量的非传统光整加工技术，具有较高的加工可达性，在复杂零部件的光整加工中显露出广阔的应用前景。本论文围绕高性能零件复杂曲面的高效高质光整加工需求，针对磨料流加工边缘效应导致表面加工质量降低的难题，基于粘性磨料介质幂律本构表征，建立了约束流道内磨料介质挤压流场仿真力学模型，揭示了磨料流加工边缘效应的成因，提出了基于模具约束形面和引流段结构反求设计的全表面分区调控削减边缘效应的调控原理与策略，探索了磨料流加工实现精准磨抛的技术途径，通过对某发动机叶片和造粒机螺杆元件样件进行应用试验，验证了该技术的可行性，主要研究内容及结果如下: (1)采用频率扫描法测试了不同组分和使用时间的磨料介质储能模量和耗能模量，根据Cox-Merz定律获得介质稳态剪切粘度，并预测了磨料介质FC024045M的稳态剪切粘度值，建立了磨料介质幂律本构模型，表征了粘性磨料介质的流变特性，为粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型提供应力和剪切速率间的关联式; (2)基于连续介质力学假设，结合非牛顿流体基本理论和所建立的磨料介质幂律本构方程，构建了粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型;搭建了磨料流加工表面近壁区压力测试平台，对比研究了矩形约束流道内仿真压力和实测压力的对应关系，结果表明所建立的挤压流场仿真力学模型的模拟结果与试验结果吻合较好，说明该模型能够较为准确地模拟磨料流加工约束流道内的流场分布; (3)建立了磨粒群在流场约束下的磨料流加工材料去除分布函数模型，结合流场仿真给出了加工表面近壁区流场p*v分布的计算流程，提出了磨料流加工全表面形貌预测的简化算式，以此为基础，揭示了磨料流加工边缘效应的成因，并阐明了磨料流加工工艺参数对边缘效应的影响规律; (4)根据磨料流加工边缘效应的分布特点，提出了基于模具约束形面和引流段结构分区调控削减边缘效应的策略，以整体叶盘模拟件为研究对象，提出了全表面磨料流均匀化加工的调控方法，通过试验验证，工件表面粗糙度由Ra0.51μm降至Ra0.14μm，且粗糙度均匀性由0.098提升至0.029，边缘和中心抛光纹理一致;此外，研究了表面纹理对磨料流加工特性的影响规律，提出了基于表面多尺度纹理特征的磨料粒度匹配选择方法，以缩短加工时间，进一步削减边缘效应对表面加工质量的影响; (5)利用等截面法测量了某发动机叶片磨料流加工前后的廓形，结合流场仿真和所建立的表面形貌预测计算式，反求设计了实现叶片表面流场均匀分布的模具约束形面和引流段结构，提出了基于颗粒增强环氧树脂混合物的磨料流加工模具复印反求制造新工艺，基于发动机叶片表面多尺度纹理特征分析，并结合试验优选出高效光整加工的工艺参数，试验结果表明:抛光后叶片表面粗糙度由Ra0.81μm降至Ra0.17μm，粗糙度均匀性由0.062提升至0.021;叶盆、叶背、前缘和后缘的最大材料去除量分别由流场调控前的0.068mm、0.098mm、0.12mm和0.29mm降至0.010mm、0.017mm、0.062mm和0.11mm，显著改善了叶片轮廓抛光的均匀性; (6)以大型挤压造粒机的输送螺杆元件为研究对象，结合流场仿真分析了螺杆棱边过抛和进出口欠抛的成因，设计了具有引流段和局部约束增强的螺杆元件磨料流加工专用模具，试验结果表明:抛光后输送螺杆螺槽面平均表面粗糙度由初始Ra10.5μm降至Ra0.45μm，粗糙度均匀性由1.057提升至0.014，螺杆最小直径一致性提高，且相对于企业砂带磨削，抛光效率显著提高。 本论文探究工作取得的磨料流加工边缘效应调控理论及其实现方法等成果，不仅成功用于某发动机叶片和造粒机螺杆元件的复杂曲面高效高质光整加工，而且也为相关高性能复杂曲面零件的光整加工提供了一种新的技术途径。 收起