（机械制造及其自动化专业论文）弯管内表面抛光技术研究(1).pdf

分类号：u d c ：密级：一编号：弯管内表面抛光技术研究b e n t - p i p eo nt h ei n n e rs u r f a c ep o l i s h i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h学位授予单位及代码：长壹理王太堂! q ! 竖学科专业名称及代码：担越剑遣厦甚自动丝q 8 q 2 q !研究方向：擅蜜：超接蜜加工：捡测厘蕉釜申请学位级别：亟研究生：至丘筮摘要各种类型弯管内表面的精整、光整加工一直是超精密加工的难题。关于这个棘手难题，长期以来倍受国内外专家学者的普遍关注。本文对旋转喷射流体抛光的磨粒进行了动力学分析，在此基础上，研制了一种旋转喷射流体抛光的新型抛光装置，对弯管内腔表面进行超精密抛光加工。由具有一定压强的抛光液冲击推进器的叶片，使叶片旋转同时带动球体抛光头旋转，旋转的抛光头限制抛光液流速，使抛光液对管壁产生挤压和摩擦作用，实现对管道内表面进行抛光加工。控制抛光液的压强、流量和抛光头的前进速度，达到控制抛光头的抛光工作表面，实现对弯管内表面超精密抛光。采用a n s y s 软件对叶片表面抛光液的流迹进行了动态模拟仿真和流体流速和压强分析，得到了能够实现稳定抛光的压强范围。关键词：弯管内表面抛光技术推进叶片抛光头a b s t r a c tv a r i o u st y p e so fp i p ei n s i d e s u r f a c ef i n is h i n gh a sa l w a y sb e e nu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n gp r o b l e m s w i t hr e g a r dt ot h i sd i f f i c u l tp r o b l e m ，e x p e r t sa th o m ea n da b r o a da t t e n ditf o ral o n gti m e i nt h i sp a p e r ，r o t a t i n ga b r a s i v ej e tp o l i s h i n gf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i sc a r r i e do u t ，o nt h i sb a s i s ，d e v e l o p e dan e wt y p eo fp o l i s h i n gd e v i c et op o l i s ht h es u r f a c eo ft h ep i p ea n dt oc a v i t a t ei t sp r o c e s s i n go fu l t r a p r e c i s i o n p r e s s u r ef r o mac e r t a i ni m p a c to nt h ep o l i s h i n gl i q u i dp r o p u l s i o nl e a v e s ，s ot h a tl e a v e sr o t a t i n gs p h e r ea tt h es a m et i m ed r i v e np o l i s h i n gh e a ds p i n ，r o t a ti n gp o lis h i n gs l u r r yf l o wr a t eo ft h ef i r s tli m it ，s ot h a ts l u r r yp r o d u c e do nt h ew a l le x t r u s i o na n df r i c t i o n ，t h er e a l i z a t i o no ft h ei n n e rs u r f a c eo fp i p e l i n e st oc a r r yo u tp o l i s h i n gp r o c e s s i n g c o n t r o lo fs l u r r yp r e s s u r e ，f l o wa n dp o li s h i n gt h ef i r s tf o r w a r ds p e e d ，t oc o n t r o lt h ew o r ko fp o lis h i n gh e a dp o l i s h i n gt h es u r f a c eo ft h ep i p ei n n e rs u r f a c eo ft h e r e a l i z a t i o no fu l t r a - p r e c i s i o np o l i s h i n g a n s y ss o f t w a r eu s e do nt h eb l a d es u r f a c ep o l i s h i n gf l u i df l o wt r a c et h ed y n a m i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i so ff l u i df l o wr a t ea n dp r e s s u r e ，h a v eb e e n a b l et oa c h i e v es t a b i l i t yi nt h es c o p eo fp o l i s h i n gp r e s s u r e k e yw o r d s ：b e n dt h ein n e rs u r f a c ep olls hin gt e c h n oio g ya d v a n c eie a v e sp o ii s h i n gh e a d长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，弯管内表面抛光技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：三月4 日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：指导导师签名：年三月丛日上月孚日1 1 引言第一章绪论弯管内表面的精整、光整加工一直是超精密加工的难题，关于这个棘手难题，长期以来倍受国内外专家学者的普遍关注。随着机械工业、国防工业、高新技术及其装备的发展，所需要的弯管零件截面形状、种类数量不断增多、加工和使用要求更加严格。弯管广泛应用于车辆：如汽车、柴油机等各种车辆的发动机进气、排气弯管，因其内腔料糙不平，引起油污阻塞，导致压气机工作不稳定，气流出现强烈振荡，伴有很大的压力波动和噪声，压气机工作不稳，发生压气机的喘振现象。由于喘振，发动机工作不平稳，功率下降，燃烧不充分，排气冒黑烟、废气排放量增加，行驶里程数减少，一方面污染环境，另一方面浪费了能源。解决此问题的根本办法，就是对内腔表面进行超精密抛光加工，降低进、排气弯管内腔表面粗糙度。目前，随着半导体产业、医疗、食品器械产业、原子能产业、航空航天产业等各种高技术产业的发展，各种零部件内孔的净化程度要求越来越高。医疗器械的各种不规则容器内孔、各类食品机械不规则容器内腔、金属模具曲面变化的型腔，泵壳内腔、长管臂内复杂环槽零部件等各种类型长径比较大的弯孔光整、精整加工己逐步成为制造业内机械加工人士的共识f 1 1 1 2 i 。传统的不规则内孔抛光加工，如汽车进气管，由于形状不规则，手工抛光根本无法实现，抛其内表面时，只能先切割丌，抛光后再焊接起来，费时、费力、不经济。在制造业中，精密零件的精加工其费用一般高达总生产成本的l5 。研制具有自主知识产权的超精密抛光；o h - r ：方法和加工工艺装备、解决实际生产应用中弯管精整、光整加工难题、对于降低加工与制造成本、促进先进制造业的发展、使我国内孔超精密加工技术登上一个新台阶具有重要的实际意义。1 2 弯管抛光国内外发展现状1 2 1 高压水射流弯管内表面抛光技术的现状高压水射流技术是以射流为核心，集泵、阀、密封、液压、自动化控制等为一体的综合学科。人们认识水射流是从水的冲刷作用开始的，但真正意义上的应用起源于采矿业。1 9 世纪中叶，在北美洲第一次使用了高压水射流开采非固结的矿床。开始时用i o m p a 以下的水射流冲采中硬以下煤层，到上世纪7 0 年代己发展到用2 0 - 3 0 m p a水射流慢速切割煤体，再后来就是高压至i o o m p a 、超高压大于2 0 0 m p a 的水射流辅助采煤机、掘进机用于破碎落煤和破岩。高压水射流技术领域出现了一个引人注目的新动向，即从单一提高水射流压力的观点开始转向研究如何提高和充分发挥水射流的潜力上来。于是就有了脉冲射流、高温射流、磨料射流和摆振射流等新颖的射流形式，这些水射流与同等压力下的普通连续射流相比，大大提高了作业效率，将高压水射流技术推向一个新的阶段。各国研究人员对各种射流的基础理论进行系统的研究1 3 j ，由英国流体机械研究集团( b h r g ) 自1 9 7 1 开始主办的每两年一届的国际水射流技术会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nj e t t i n gt e c h n o l g y ) ，由美国水射流技术协会( w j t a ) 自1 9 8 1 年开始主办的每两年一届的美国水射流技术会议( a m e r i c a nw a t e rj e tc o n f e r e n c e ) ，以及自1 9 9 0 年开始的山国际水射流协会( i s w j t ) 平1 日本水射流协会( i s w j t ) 主办的亚太国际水射流技术会议( p a c i f i cr i mi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nw a t e rj e tt e c h n o l g y ) 等，都极大地推动了国际水射流技术的交流和发展。从历次会议上发表的论文看，高压水射流清洗方面的内容占有很大的比重，这也从一个侧面反映了高压水射流清洗在工业生产领域得到了广泛的应用和良好的发展态势。目前，国外从事射流行业的主要的研究机构有：a c c u r a t i o ns y s t e m si n c ；a m e r i c a nc l i m f l e xc r o p ；a r a m s t r o n g b l u mm g fc o ；a s e ar o b o t i e s ；s e i k oi n s t r u m e n t s ：f l o ws y s t e m ：i n g e r s o l l l a n d ；r a j a xs y s t e m s ；j e te d g ec r o p ；p o w e rj e ti n c ；t h e r m w o o dc r o p ；h e e k l e r ；k o e h 等。高压水射流是以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，具有极高的能级密度。一些新型射流如脉冲射流、空化射流和磨料射流的相继出现，大大提高了其切割、剥离、破碎能力，更进一步拓宽了水射流技术的应用范围，可用于清洗、清理、切割、注水钻孔、喷雾、破碎、研磨等作业，具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等特点，广泛应用在轻工、机械、建筑、采矿、石油、化工、核能、军工、航天、航空、汽车、铁道、船舶、海洋、冶金、市政工程以及医学等部门。特别适宜于自然环境恶劣、工作危险等场合作业，能大大减轻劳动强度、改善劳动环境、降低和防止危险事故的发型4 儿5 | 。美国、德国、前苏联、意大利采用超高压水切割的技术，切割压力可达5 5 0 m p a ，用于石材、金属、玻璃、陶瓷、塑料等各种材料的切割，美国哥伦比亚大学的教授在高压水中加入磨料，通过水的高压喷射和磨料的磨削作用，加速了切割过程的完成。我国的水射流技术起步于2 0 世纪5 0 年代，最初主要用于采矿业1 2 j 。8 0 年代中期，我国首次引进高压水射流设备，并进行仿制和自主的研究开发，用于航空复合材料的切割。同时，在船舶工业，水射流主要用于清洗、除锈。1 9 9 3 年我国正式推出第一台国产高压( 最大压力3 9 2 m p a ) 磨料水射流切割设备，高压水射流设备也得到了迅猛发展，从小功率到大功率、从单机到成套设备、从高压到超高压，从通用设备到专用设备，新产品不断开发，促进了高压水射流技术在国内的应用。大连理工大学、石油大学、中国矿业大学、南京理工大学等高校和机械部济南铸造锻压机械研究所、( 原) 机械部合肥通用机械研究所、航空工艺研究所等研究机构，2先后丌展了水射流技术的基础理论和应用研究。1 9 7 9 年我国举办第一次全国高压水射流技术讨论会，以后每两年举办一次。1 9 9 5 年成立了中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会，为发展我国的水射流技术起到了巨大的推动作用。1 9 7 9 年9 月，煤炭工业部高压水射流科技情报中心站出版了高压水射流新技术，这是我国较早的关于水射流技术的讲义，同年创办了自己的专业刊物高压水射流。总之，从检索到的文献看，国内外对弯管内孔的抛光加工均存在抛光不均匀、精度低、效率低等的问题，高压水射流主要用于是对外表面进行的加工。1 2 2 磨料水射流弯管内表面抛光技术的现状磨料射流就是在射流中混入磨料粒子【6 j ，高压流体作为载体使磨料粒子加速，这些磨料得到了与流体接近的速度。由于磨粒较载体本身来讲质量大，硬度高，所以可以有效提高射流作业效率和射流作业能力。通常用水作为高压流体，这种射流人们称之为磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ，简称a w j ) 。根据文献1 7 j 记载，世界上最先研究和使用磨料射流的是美国。2 0 世纪6 0 年代初b o b o 首先用磨料射流钻油井，这种方法大幅度提高了钻井速度，1 9 6 3 年b o b o 取得了磨料射流钻油井钻井装置专利权。1 9 6 6 年美国大西洋富田公司取得了磨料射流钻油井钻头钻具专利权。1 9 6 6 年美国海湾石油公司取得了磨料射流钻油井钻头喷嘴专利权。国际上大规模的对磨料射流的研究和应用始于7 0 年代末，在8 0 年代的到了迅速发展。由于磨料射流系统简单，成本低，切削效率比相同条件的水射流高8 一l o 倍，为此在短短十年中磨料射流在清洗、除锈、切割和破碎岩石作业中得到了广泛的应用。国内开展水射流加工研究一直处在实验室阶段，尚未用于稳定的商业运行。广东工业大学郭钟宁，王成勇针对气相沉积金刚石多晶膜表面采用磨料水射流抛光法，将水平放置的磨料射流喷嘴与工件表面处于准接触状态，高速喷出的射流到达工件后立即改变方向沿喷嘴边缘外泄。工件表面在射流的冲击与摩擦作用下被抛光。该方法是对试件外表面进行的抛光。磨料水射流抛光技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。目前，国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究，尚未形成系统的广泛研究成果。磨料水射流抛光是利用由喷嘴小孔高速喷出的混有细小磨料粒子的抛光液作用于工件表面，通过磨料粒子的高速碰撞剪切作用达到磨削去除材料，通过控制抛光液喷射时的压力、角度及喷射时间等工艺参数来定量修正工件表面粗糙度的抛光加工工艺18 。较之于传统的抛光技术，磨料水射流抛光技术的优点在于：首先，它的加工工具是液体状的，不存在抛光盘的磨损情况，面形精度易于控制；并且由于在加工过程中，抛光液不断循环流动，能保证抛光工件温度不变，没有热效应影响，同时还能自动清除加工下来的碎屑。其次，抛光头是一很小的液体柱，能适合各种形状工件的抛光，抛3光特性不受工件上抛光部位位置的影响，像工件局部地区是否适配以及边缘效应等，因此，磨料水射流对零件表面的抛光加工具有独特的优势，它可以加工复杂的零件表面，尤其是那些采用常规抛光方法难以加工的异形面桫1 。总之，在低压磨料水射流在零件表面抛光过程中，磨粒对材料的加工起到关键的作用，而材料的力学特性( 抗拉、抗压强度、韧性等) 和结构特性( 微观裂纹、空隙率等)以及液体对材料的渗透性等是影响材料加工快慢的重要因素。1 2 3 磨粒流弯管内表面抛光技术的现状随着产品的不断精密化，人们对产品表面质量及功能性边缘的要求不断提高，传统的加工工艺已无法达到其精度要求。在加工过程中，工件的加工稳定性如同公差一样要尽量完美，并且有着同样程度的要求。采用磨粒流技术，不仅可以达到极高的公差要求，而且可以保持始终如一的稳定性，即重复精确性和加工稳定性。磨粒流光整技术是由美图在8 0 年代发展起来的一项光整新工艺，已广泛应用于航空、航天、汽车、电子、模具制造业中关键零件的去毛刺、抛光、倒圆。虽然它在生产中的应用已有了1 0 多年的历史，但它仍处于初级阶段，大多数报道都局限在它的工艺过程与应用范围，要掌握并控制磨粒流光整技术还需要深入了解金属去除与表面生成的机理、过程的模型和控制等。我国早在8 0 年代就引进了磨粒流光整技术【l0 1 ，并用于铝型材模具的抛光。引进的铝型材生产线上一般都配有磨粒流设备( 通称挤压珩磨设备) 。由于使用单位对该工艺缺乏了解，多数设备没有很好的利用，模具抛光没有能达到应有的效果。国内有几家研究单位已将该工艺用于不同类型零件的光整加工，在央具设计及加工控制方面积累一些经验。己在航空、航天、汽车、纺机、模具等领域取得了客观的经济效益。但由于对这项光整新技术的宣传不够，很多人至今还不了解，在一些领域里处于空白状态。另外，该技术在国内应用尚不广泛，经验也不足，工艺上又不甚成熟，自动化程度不高，未能达到一定的生产规模，磨粒流加工的优势尚未充分发挥出来，因而加工成本较高，反过来又制约该工艺的推广应用。令人欣慰的是，北京航空工艺研究所经过几年的探索和研究，现已取得了可喜的进展。自行开发研制的磨粒流介质，性能达到了国际先进水平，可以替代进口产品。德国m i c r o s t r e a m “t e c h n o l o g i e sg m b h 公司研制开发的独特的m i c r o s t r e a m ”磨粒流加工工艺是一种先进的表面处理技术，并获得了i s o9 0 0 1 ：2 0 0 0 认证。其最根本的优点是：可以通达零件复杂而难以进入的部位，使抛光表面均匀、完整，批量零件的加工效果重复一致。这些加工特点改善了零件的性能，延长了零件的使用寿命，同时减少了繁杂的手工劳动。如汽车进 e 管，用手工抛光其内表面时，只能先切割开，抛光后再焊接起来：而磨粒流加工方法不需要切割开就可以完成内表面抛光。因此，该方法相对于传统方法具有极高的加工效率。4美国j e o n g d u k i ma n dk y u n g d u k k i m 、a w m o m b e r 等学者研究了磨粒流抛光内孔的方法，建立了内表面、边角去毛刺新概念。在磨粒流加工过程中，夹具配合工件形成加工通道，两个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来回挤动，磨料均匀而渐进地对通道表面或边角进行研磨，产生抛光、倒角作用，对金属材料进行微量去除。并对磨粒流抛光过程进行了仿真分析。e x t r u d eh o n ec o i 冲o 凡订i o n 挤压研磨公司开发出磨粒流加工机床。机床压力范围从7 2 2 4 k g e m 2 ；砂粒尺寸在0 0 0 5 - - 1 5 m m 。表面粗糙度从r a 4 p m 或r a 5 p m 达到r a _ 3 2 m p a 为超高压。本文研究的抛光液指的是一种具有抛光弯管内表面的特殊的高压水射流，其压力选择范围0 3 2 m p a ，属于高压。工作流量选择：o l k g s 。相关参数调整：在某些抛光场合中，介质温度对抛光效率也是一个不可忽略的因素。温度的适宜可以对弯管内表面抛光率有所影响。一般来说，同样的喷射压力和水流量，对于抛光来说，射流的温度适度提高，抛光效果会有所提高。温度对带有一些聚合物的磨粒也有相应的影响。2 43 1 抛光液概述3 1 1 抛光液介质的确定第三章抛光装置结构设计弯管内表面抛光加工所使用的抛光液是具有一定量的磨粒和聚合物的混合物。在研究过程中参照磨粒流抛光技术进行了相关的研究和试验配比。本课题的抛光液中介质暂时选定：润滑剂4 6 0 9 ，稀释剂1 4 0 9 ，磨料( 碳化硅) 4 8 0 0 9 ，磨粒的尺寸l oum 。3 2 叶片推进器结构设计3 2 1 叶片的形状对叶片的研究主要包括：1 叶片的形状；2 叶片的失效分析；3 叶片的基本显微组织；4 叶片的材料选择：5 抛光头和支撑架的结构设计。下面对抛光头和支撑架进行简单介绍。叶片的形状可以初步在以下两种形状中选择：1 ) 平面直叶片( 即简称直叶片) ；2 ) 曲线( 面) 叶片，它又可分为前曲叶片( 叶片沿旋转方向向前弯曲) 和后曲叶片( 叶片沿旋转方向向后弯曲) ；曲线叶片和直线这两种叶片，根据简单的分析与使用后对比，可以得出以下的结论：1 ) 根据抛光液中磨粒最终的抛出速度的不同同样直径和同样转速的条件下，直线叶片，前曲叶片和后曲叶片抛光液磨粒最终的抛出速度是不同的，即前曲叶片抛出的速度最高，直线叶片次之，后曲叶片最低。2 ) 叶片的寿命不同由于抛光液中的磨粒给叶片的压力和摩擦力不同，经简单的分析知前曲叶片受到的压力和摩擦力最大，直线叶片次之，后曲叶片的最小。所以认为前曲叶片的寿命最短，直线叶片的寿命要长一些，而后曲叶片的寿命是最长的。3 ) 抛射效果的比较不论是前曲还是后曲叶片其抛射带都要比直线叶片的抛射带长。综上所述，我们可得出这样的结论：应用最广泛的是前曲叶片，后曲叶片和直线叶片。其中前曲叶片受的压力最大，磨损最大，但其抛射抛光液的磨粒速度最高，抛射效率最好。后曲叶片受压力较小，而且受力较均匀，所以其使用寿命最长，但其抛射速度最小，抛打效果最不好。所以根据不同的情况，不同的要求，经过在这三种叶片的对比。我们本课题选择前曲叶片进行结构设计、试验模拟。3 2 。2 叶片的失效分析为了增加叶片推进器叶片的使用寿命，国内外很多专家对叶片的失效形式都做了分析，并做了大量的实验验证。就是通过使用不同的转速，不同叶轮直径，不同比例的抛光流体，进行工作，直至叶片失效为止，取出叶片，然后对叶片的表面进行观察。经过这样的实验观察发现：叶片的磨损通常分为磨削磨损和剥落磨损，具体形式随工况的不同而不同。在使用不同比例、大尺寸磨粒的抛光液时，叶片的主要失效形式为磨削磨损：而在使用不同比例、小尺寸磨粒的抛光液时，叶片的主要失效形式为剥落磨损。通过宏观的观察我们可以发现失效叶片的表面是以下的状态孓2 2 】：叶片的入口端磨损光滑，但也存在一定程度的减薄，从叶片的入口端向出口端方向看，磨损面呈波浪形向前推进，靠近入口端的波程短波幅大，靠近出口端的波程变得越来越大，波幅越来越小。更为显著的现象是叶片的磨损面不均匀，存在选择性磨损，即抛光液向某部位集中，造成该处磨损程度显著高于其它部位。越接近出口端，这种选择性磨损越严重，最终造成叶片的出口端过早的破坏，致使整个叶片失效。故叶片出口端所受到的摩擦作用最严重。此外在出口端，叶片还以很高的相对速度与数量可观的磨粒相撞击。因此出口端磨损最快( 如图3 1 ) 。磨损区域图3 1 叶片出口端磨损示意图综上所述，叶片的失效形式就是磨损失效。根据对失效叶片的观察，不论在何种工况下使用的叶片，其主要的失效部位，均发生在靠近叶片的出口端。而且经过实验发现，为了提高叶片抗冲击磨损的能力，要求材料不仅具有较高的硬度，还应具有足够的韧性。3 2 3 叶片的基本显微组织不同工况下失效的叶片，取出其出口端进行显微观察，发现其碳化物垂直于磨面的定向排列且粗细适中，对叶片的抗磨性的提高也有好处。3 2 4 叶片的材料选择风力发电机的叶片是风能技术进步的关键核心风力机部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组j 下常稳定运行的决定因素。在叶片发展的1 0 0 多年里，叶片材料经历了木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片，而现在复合材料叶片正在流行【2 3 1 ，但随着科学技术的进步，又有很多崭新的材料登上了发展舞台。在本世纪2 0 年代，随着汽轮机容量的增长，要求有更高强度和更好腐蚀抗力的材料，所以5 n i 钢开始得到广泛应用。但是，在汽轮机的湿蒸汽区，由于这种材料没有足够的抗蚀能力，所以自3 0 年代以来逐步地被1 2 c r 不锈铁或不锈钢所代替。近年来，“1 7 - 4 ”沉淀硬化不锈钢进入了使用阶段。现在对材料有更高强度要求的地方，已广泛使用钛合金( 主要成分是t i 6 a i 4 v ) 。在我国已运行的一百多座大中型水电站中，约有3 8 的机组遭受不同程度的磨蚀破坏，同时，在多泥沙河流上的抽水泵站中，每年都有十力余台水泵遭受磨蚀损坏。从7 0 年代末，水轮机开始采用高铬镍型马氏体不锈钢制造水轮机叶片。通过对以上材料的研究还有对叶片失效的分析，本课题的抛光液是具有一些聚合物和磨粒的混合物，叶片表面受到它们机械磨削、冲击或挤压，产生金属剥蚀有一定的磨损，所以叶片的材料选择也很重要，叶片的金属材料越硬则越耐磨。但在实际条件下，用提高抗磨件硬度来提高其抗磨性，有时达不到预期的效果。这是因为材料的抗磨性还与其微观组织有密切的关系。假如材料组织较脆，硬组纵容易折断或剥离时，则折断的组纵反而会成为磨料，加剧磨损。所以，在考虑提高材料硬度的同时，必须兼顾材质的韧性。材料既具有一定的韧性又具有相当高的硬度时才是最耐磨的。希望耐磨材料的会相组织中存在尽可能多的马氏体，以提高其抗磨能力。要想研制出更加耐磨耐冲击的叶片，最终达到提高叶片的使用寿命的目的。目前国内外普遍认为高铬铸铁这种材料1 2 0 l 。高铬铸铁( 含铬量在1 0 以上) 是一种优质的白口铸铁，属于高合金范畴，其金相组织中的碳化物为断续网状，以半孤立状态分布在金属基体之间，因此具有较好的综合性能。各元素在高铬铸铁材料中的作用如下：( 1 ) 铬和碳：铬是高铬铸铁叶片材料的首选。铬是形成碳化物的元素，在基体组织中可形成m7 c 3 型半孤立状态的共晶碳化物，能使合金具有较好的综合性能。由f e 2 c r 2 c 系合金相图可以看出，为保证获得m7 c 3 ，含铬量必须 1 2 ；同时，由于叶片不在高温下工作，其奥氏体相不必过于稳定，因此铬含量也不必过高，一般控制在1 7 1 9 是适宜的。碳也是影响合金组织和性能的主要因素，一般来说，随着合金| t 】古碳嚣增加，硬度小断提高，而韧性不断降低。为了使合余既具有良好的耐磨性又具有定韧性，我们拟通过实验确定其含量。( 2 ) 锰：锰元素一叮稳定奥氏体，但锰量过高时，在马氏体转变过程中会产生车凡大的针状马氏体，增加残余奥氏体含量。一般将锰禽量控制在1 以下。( 3 ) 硅硅元素可降低淬透性，一般应控制在1 以下。( 4 ) 针1 钳兀素能提高奥氏体的淬透性，但由于叶片壁厚较薄，并且钼铁价格昂贵般控制在02 以下。f 5 ) 钒：钒能强化，硬化基体，提高耐磨性及韧性，考虑到生产成本因素，将其控制在o2 以下。( 6 ) 硫和磷：硫、磷均为有害元素，应控制在00 4 以下。( 7 ) 稀土合会：稀士合金有脱氧、脱硫作用，能净化晶界，提高冲击韧性，并使碳化物的牛k 受到限制，使其变得更加均匀孤立。确定其加入量为0l 01 2 。325 叶片推进器的结构设计叶片推进器的主要由以下几个部分组成：固定螺母、定向套、叶片、叶轮。固定螺母、定向套、 片、叶轮这些部件在工作过程当中都耍受到抛光液磨的冲击与磨损，所以这些零件都选择丁耐磨性很高的高铬铸铁作为材料，而爿由十磨损而使零件失效时，这些零件都可以在设备进行检修随时进行更换。叶片与叶轮的模型：l 】片推进器在抛光过程+ l ，对于叶片形状的选择也是重要的步骤。叫片的形状在前曲叶片、直叶片年后曲叶片中选择，虽然在这二二种叶片形状中前曲叶片的耐磨寿命最短，但足我们要求抛光液中磨粒抛出的速度要大，同时要求抛射带长，对弯管内表而的抛光效果要好。综合考虑，所以叶片的形状设计暂时选择前曲叶片。用a n s y s软件对叶片建模如图32 。叶片和叫轮之间部采用带有梯形槽的底座来同定。圈3 2 叶片的结构图轮e 有8 个梯形槽如幽33 。冈为本课题选择的是前曲叶片，e t f 的耐磨寿命是最短的所以设计的是考虑到叶片的耐磨性差所以设计成梯形槽的连接方式，这样可以使亍拆卸更换新的叶片。这八梯形槽的位置由叶片结构所定。必额保证叶片的工作表面的曲线与叶轮的径向相切33 弯管抛光装置的总体结构圈3 3 叶轮的结构图弯管抛光装置的总体结构图如图34 所示。整个抛光装臂由以下h 部分构成：连接什摊进器，抛光头，软连接，直撑架。34 抛光头装置结构设计图3 4 抛光装置整体结构图抛光头的结构简介：我们初步设计对弯管内直径为中4 2 的内表面进行抛光。所以抛光头的外径最大值为中4 l ，这样抛光头和弯管内表血有一定的空隙，当抛光液被抛光头挤雎通过缝隙的时候就对弯管内表面进行了有效的抛光处理。抛光头装置由两部分组成，| j 部分由抛光半球体、软连接和支撑架组成，后半部分由摊进器组成( 详细结构见上节325 ) 。抛光头的运动是由叶片推进器的叶片驱动的，抛光头随叶片的旋转而旋转，山于抛光头的旋转对叶片抛出的抛光液流有一定的挤爪作用，这样就埘弯管的内表面进行了抛光作用。由于抛光半球体对抛光液有一定的挤j 1 计e 用，而由一些磨柠和聚合物组成的抛光液中对抛光头也有定的鳍损作用，所咀封抛光半球体的材料也都选择r 耐磨性很高的高铬铸铁。抛光头的结构由半球体、向心轴承( 直阿3 6 ) 、定位套筒、并紧螺母、抛光轴构成。其结构图如图35 所示图3 5 抛光头图3 6 向心轴承在抛光头结构中，定位套简的主要作用除了定位向心轴承的作用外，它还有固定向心轴承的内圈的作j _ l j 。支撑架、软连接的结构简介：山于我们初步没计对弯管内直径为中4 2 的内表面进行抛光。所以支撑架的支脚在支撑过程中支撑的最人角度是9 0 0 这时支撑架的长腿伸张的最大，轱辘j 下立_ f _ 和弯管的内衷嘶接触，这样达到支撑作用。支撑架在抛光作用中主要起支撑抛光头和牵引的作用，在它头部有牵引绳，这样r 以使整个装置沿着牵引绳的方向进行行走，完成埘弯管内部的所有抛光。支撑架的轴j 肯个支座和固定套固定套和轴的表面是螺纹连接，随着支座的在轴上滑动同时青吲定套来定位，这样来控制支撑架长腿的伸张角度( o o 9 0 0 ) ，进而控制支撑架能够支撑的直径范围。简单结构示意图如圈37 ，图37 支捧架结构图软连接是_ ；| j 来连接抛光头和支撑架的。由十足弯管抛光所以在整个抛光的路径中要有定的转弯，而长直轴是无法通过这些转弯处的，所以选择在抛光头和支撑架之阳jh 具柏一定弹性柔度的软性材料的软连接连接。鞔琏接的一端和轴连接，而且返一段的软连接头要可以随着轴的转动而转动，所以在软连接的一端就要设计一个挡堵挡堵与软连接博的外表面过盈配合，挡堵不动j 强；作j _ ；j 是定位镶嵌在软连接管外表晴】的接头。具体结构如图38图3 8 软连接第四章a n s y s 有限元模拟仿真4 1 用a n s y s 软件对抛光过程进行模拟仿真a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。1 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；2 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；3 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。a n s y s 软件一直致力于拓展a n s y s 仿真技术的广度和深度，建立各种类型的仿真分析软件。a n s y sw o r k b e n c h 整合c a e 技术的架构，创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。l o 0 新版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。结合a n s y sc f x 和涡轮专用的前后处理c f d 功能，1 0 0 版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案，应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过c a d 系统连通性，可以把模型扩展到上下游部件，最终完成整个模型的分析。a n s y sw o r k b e n c h 是能提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进行c f d 设计，确认结构特征。大幅度缩短设计流程。a n s y s l 0 0 加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了w o r k b e n c h 环境下的行业化功能。即a n s y sb l a d e m o d e l e r ，一款针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及a n s y st u r b o g r i d ，一款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。我们采用的就是a n s y s l 0 0 ，运用w o r k b e n c h 环境下的a n s y sb l a d e m o d e l e r 以及a n s y st u r b o g r i d 和a n s y sc f x 等对抛光液的矢量显示、粒子流迹显示进行动态模拟仿真，因为对弯管内表面抛光的抛光的效果直接和抛光液的流迹密切相关，所以模拟抛光液的流迹是很必要的。通过a n s y s 的分析模拟就可以清晰的看到抛光液被叶片抛出去的流迹，通过对抛光液设定不同的压强，可以发现在模拟实验中要想得到好的抛光效果，一定要选择好给定的压强。3 24 2 在a n s y s 软件中建立叶片的分析模型在第二章中详细分析了磨粒在叶片上的运动过程，受力情况。给出了磨粒最终的抛出速度、叶片大小以及叶片形状之问的关系，其目的就是要根据磨粒抛出的速度来求出叶片的大小和形状。同时给出磨粒受到叶片的压力和摩擦力的公式，这个公式j 下是叶片受单个磨粒力的公式。这样就可以根据作用力和反作用力原理，知道了叶片在工作过程中受力的状态。对叶片进行有限元分析是很重要的，因为通过有限元分析可是清晰的看到叶片受到的压强还有叶片表面流体的作用过程。在用a n s y s 对叶片进行有限元分析之前。已经对叫片进行了初步设计，在c a t i a 中建立叶片的模型，并根据分析将叶片模型简化了。而且也分析出了叶片的载荷分布、约束分布、叶片采用的材料是何种材料、查清楚该材料的弹性模量和泊松比，假设的压强，流体的流量。这些条件都是在利用a n s y s 这种大型软件对叶片进行有限元分析的前提。但是要想得到正确的分析结果，还要在a n s y s 中采用合适的单元，正确的加载方式，正确的施加约束。下面就通过a n s y s 来进行讨论。一、川片的设计( 片jb i a d e g e n 生成)在建立叶片模型之前要对叶片的一些变量设定一下，具体设定见图41 ，图4 2 。设嚣完变量点击o k 就会进到图4 , 3 的界面当中，在界面中就会看到想要的叶片的立体模型还有些相关参数的调节。建立叶片模型的主要步骤介绍如下：图4i 表示了在外轮廓于午线中设定叶片的四点坐标初步值。图4 1 叶片四点坐标的设定剧42 是在角度厚度初步值设定对话框中设定叶片的角度( 4 0 0 ) 和厚度( 】m m )图4 2 叶片角度和厚度变量设定根据以上设定参数得到叶轮l 片的立体模型的结构图如图43 所示。ql2l!j!也弛l!j!m二坐l；b*目=oqfbp 日1 q 日+ 一 、日wt!塑焉。露互f 。j j - $ oo 一i “：! ，十w 口* 口hwx圈4 3 叶轮叶片的立体模型的结构图二、抛光液流迹的刚格划分( 用t u r b g r i d )建立叫片模型结束之后就要对抛光液流迹进行网格划分网格的划分是对整个流体流经的空删进行设定和限制。由于这部分要进行反复的调试和运行，在以f 图示中只给j i 了划分完之后的结果嘲。网格划分主要分三个步骤：第一，调入立体模型：第二网格划分；第三插入埘片。三个步骤分别如图显示。嘲格划分在运行中要经历反复的运行和调试，点击a n s y sw o r k b e n c h 中的on m “1 进入这个界面同时调入叶片立体模型如图4 4 ，网格划分如图4 5 ，带叶片的心格划分如图46 。网格划分完成同时所有运行都没有错误之后会出现一个对话框，在对话框中仝部显示，这样就可以进行下一步骤的分析了，如图47 所示。网格划分的主要步骤介绍如下：点击a n s y sw o r k b e n c h 中的on 椭“1 进入这个界面同时调入叶片立体模型如图4 4 ，2 = ! ! z = ! ! ! ! ! ! g ! ! ! e ! ! e 女! ! ! ! e 日! e 口e 目目! t 目! g ! ! 目! 自t 一一。”e l1 图4 4 调入叶片进行网格划分这罩就进行简乖的介绍，点击a n s y s w o r k b e n c h 巾的9 札“进行网格划分划分完毕后州试丑示的方式和角度，最终的浏格划分彤式如图45 所示：图4 5 对抛光液流迹空间进行网格划分网格划分完毕后插入叶片显示图，在a n s y sw o r k b e n c h 中的“山h 的l a y e r s 中选中h u b 和s h r o u d 这样我们就可以得到如图4 6 的显示结果了。j 。u 3 图4 6 带叶片的对抛光渣流迹空阃进行阿格划分【卅格划分完成同时形成各种参数没定图，在图47 对话框中全部显示，这样就可以进行卜步骤的分析了。m e s h m e 0 5 u r ev a l u em i n l m u mf a c e ；、n g l e【1 0 7 8 3 d e g r e em a x l _ n u r nf a c ea n g l e1 7 71 3 6 d e g r e eh u me l e m e n tv o j u m er a t i 0 1 3 2 85 2m i n i m u mv o l u m e47 1 5 9 4 e0 1 7 f mm a x i m u me d g el e n g t h r a t i o9 4 4 0 9 8i h a c o n r l e c t i v i t y n u m b e r1 0d i s p l a yi图4 7 抛光液流迹空间进行网格划分运行显示结果、rrrr | r|翟|营咖咖啪咖啪一一附咖叫叫三、a n s y sc f x 模块c f x p r e 进行前处理这一部分主要是进行前处理，为了实现模拟的结果设定一些相应的模拟参数，设定叶片的转速归3 6 0 r m i n ，流体所受到的压强3 2 m p a ，流量q = o5 k g s 。步骤如下：进入a n s y sw o r k b e n c h 中1 帅一删调入流体流迹结构件如图48 ，oo。-_，。一图4 8 流体流迹结构体载入a d v a n c e dc f d设定一些模拟参数，进入h - “- 州m 设定转速参数；3 6 0 r m i n 如图4 9口盈瞳图4 9 转速参数设定设定一些模拟参数殴定流体所受到压强为3 1 6 a a n 个标准大气压，流量05 k g s如冒4 1 0晏岩杀搿锄r 圈图4 1 0 压强，流量参数设定网、a n s y sc f x 模块c f x p o s t 进行后处理完成相应的前处理之后，就进入了后处理当中在这里我们主要是设定分析模拟最终要得到的结果报告，设置想要的报告形式，图表形式立体图的要求等。同时在a n s y sc f x 模块c f x s o l v e r 得到一个对话框，在对话框中重新设定程序默认格式的名字然后点击对话框中左下角的运行键( s 血n r u n ) 。这样就可以进行分析了。如图4 1 l圈 儿设定程序就认格式名字进行分析4 3 在a n s y s 软件中的动态模拟结果在上一节中对叶片建模，对一些模拟参数进行了设定，同时对抛光液的流体也进行了流迹网格划分。而在这一节中就是调整不同的设定参数对模拟出来的结果进行对比分析，最终得出结论。a n s y s 分析是在变化压强的情况下进行的对比试验模拟，压强分别是3 2 m p a 和2 0 m p a ，换算成标准大气压分别是31 6 a t m 和1 9 7 a t m 。流量是o 5 k g s 。在软件进行分析之后会得到一些分析报告，这些分析报告中会输出模拟时的各种参数的值，还有相应的模拟图。这些分析报告对今后的设计有很大的帮助作用。报告的具体内容以及演示图如下：1 变量范围设定：表5 是分析前设定的一些物理量的范围，具体数据如下压强3 1 6 a t m ，流量o 5 k g s t a b l e5 b o u n d a r yp h y s i c sf o rt u r b o p r e r a d l a l t u r b m e 一0 0 1d o m a i nn a m el o c a t i o nt y p er lr 1r lr 1r ir 1 i n l e ts e t t i n g sf l o wd l r ec t | o n = n o r m a lt ob o u n d a r yc o n d i u o nr o wr e g i m e ：s u b s o n i cm a s sa n dm o m e n t u m ：s t a u o n a r yf r a m et o t a lp r e s s u r er e l a t w ep r e s s u r e