基于大涡模拟方法的摆线截面复杂流道两相磨粒流加工技术研究

1研究背景随着现代工程技术的快速发展，人们对产品质量提出了更高的要求，但在复杂的、特殊形状的摆线截面流道工件表面上出现小毛刺或划痕的问题尚未得到有效的解决。传统的机械加工方法适用于结构相对简单的几何形状，但不适用于复杂的几何形状和轮廓。磨流加工技术不局限于工件的形状和尺寸，可以对微孔、不规则孔、复杂的内腔结构和不均匀的表面等零件实现良好的精密加工。复杂的、特殊形状的内表面零件在航空航天、车辆工程等领域得到了广泛的应用，本研究选择摆线截面复杂流道作为研究对象，以期形成磨粒流精密加工复杂流道的质量控制方法。2研究方法针对当前异形内曲面应用现状及其精密加工需求，采用大涡模拟方法结合六西格玛优化分析，提出了磨料流精密加工异形内曲面（摆线截面）工件的质量控制技术及其工艺规程。为提升磨粒流对复杂异形流道零件加工的有效性，以304不锈钢摆线异形内曲面零件（如图1所示）为研究对象，充分考虑固液两相磨粒流的湍流特性，采用大涡模拟方法探索磨粒流精密加工机制，比较4种不同亚格子模型的静压、动压、速度、壁面剪切力和涡旋分布。大涡模拟的关键是亚格子模型的选取，因此，首先需要确定亚格子模型。常用的4种亚格子模型分别为：Smagorinsky、WALE、WMLES和KET，如图2所示。

图1

异形内曲面（摆线截面）的划分示意图图2亚格子模型基于上述4种亚格子模型，采用大涡模拟方法对固液两相磨粒流精密加工复杂摆线内流道进行数值模拟研究，获得了KET亚格子模型更适用于固液两相磨粒流精密加工的数值研究的结论，其具有精度高、捕捉流场细节和微弱动态能力强的特点。

图3磨粒流加工摆线截面数值计算云图基于六西格玛理论进行了试验研究，形成了表1所示的正交试验分布表。通过对图1所示的4个截面位置进行表面轮廓检测，进而分析磨粒流精密加工摆线截面的作用效果，如图4—图10所示。表1

正交试验分布表

图4工件实物图图9

工件未加工的表面形貌图10

样件09#表面形貌通过分析可知，摆线流道内表面工件在磨粒流加工前，表面存在许多杂质和毛刺，还有一些凹坑、点状和带状凸起，表面质量很差；经磨粒流加工后，摆线流道内表面工件表面形貌变得光滑平整，表面的一些杂质和毛刺都被去除掉，表面质量得到显著改善。3创新点1）以大涡模拟和亚格子方法作为切入点，以最优的亚格子模型计算模型进行数值分析，揭示特殊形状（摆线流道）内曲面工件表面材料去除的磨料流动规律。2）以六西格玛理论为支撑点，以磨粒流加工精度为目标，揭示了影响摆线流道精密加工质量的显著性因素。4结论磨粒流精密加工技术能有效改善异形内曲面流道的表面质量，通过分析磨粒流精密加工摆线复杂流道不锈钢异形内曲面流道，揭示了磨粒流精密加工质量控制规律。1）以大涡模拟方法为研究手段，探讨了KET、Smagorinsky、WALE和WMLES四种亚格子模型，通过对静态压强、动态压强、加工速度、壁面剪切力及流线图分析发现，KET亚格子模型的捕捉能力很强，能有效捕捉微小细节和瞬态流场变化，数值计算精度高，磨粒流精密加工数值分析选择KET亚格子模型计算能够获得精确解。在主流区域有大涡流集中，对工件壁面的加工效果优于其他小旋涡区域。2）通过试验加工发现，经磨粒流精密加工后，异形内曲面零件表面杂质和毛刺得到有效去除，表面质量内表面质量得到明显改善，表面粗糙度Ra从1.635μm降低到0.305μm；由于压力释放的缘故，入口处的表面质量要好于出口处的表面质量，可进行双向加工有助于解决加工质量不一致的问题。3）通过研究发现，壁面距离异形内表面流道中心越近，受到的作用力越大，磨粒流精密加工质量越好。在本