基于Hertz接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料去除深度建模研究

理论进行单颗磨 粒 受 力 分 析,并 结 合 磨 粒 凸 出 高
部材料去除深度经验公式和接触区域任意点处的
度分布函数建立 了 磨 粒 最 大 切 入 深 度 模 型,进 而
百页轮压缩量计 算 公 式,通 过 积 分 获 得 了 百 页 轮
通过力平衡原理得到抛光压力与磨粒最大切入深
曲面抛光材 料 去 除 深 度 模 型.然 而,上 述 研 究 没
在确定柔性盘与表面的接触状态和接触区压力分
布规律的 基 础 上,依 据 Pr
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on 方 程 建 立 了 材 料
去除模型;吴昌林等 [２５]在假设抛 光 工 具 与 铝 合 金
车轮表面的接 触 服 从 椭 圆 He
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z 接 触 的 前 提 下,
利用 Pr
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on 方程推证了车轮抛 光 时 沿 抛 光 轨 迹
深度数学模型和材料去除量数学模型.由于抛光
工艺方法有差异,所 以 上 述 研 究 结 果 很 难 直 接 应
基 于 He
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z 弹 性 接 触 理 论,从
凸面接触与凹面接触两个方面分析并建立了磨削
用于百页轮抛光.
接触区域各点处 的 压 力 分 布 状 态 方 程,然 后 基 于
除机理展开研 究. 首 先,基 于 He
８５％ and２．
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控 ＋ 百页轮的抛光工艺方法具有加工适应性强和
容易实现等优 点 [３],成 为 近 年 来 国 内 外 整 体 叶 盘
抛光领域的研究热点之一.
目前,国内外 针 对 百 页 轮 抛 光 相 关 研 究 主 要
集中 在 表 面 完 整 性 控 制 [４Ｇ７]、抛 光 力 建 模 [８Ｇ９]和 抛
收稿日期:
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z弹 性 接 触 理
论分析了接触区 抛 光 压 力 分 布,然 后 基 于 弹 塑 性
了研究;段 继 豪
[
１４]
Pr
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on 方 程 得 到 了 凸 面 接 触 与 凹 面 接 触 形 式 下
的材料去除率方程;单秀峰 [１５]基 于 百 页 轮 抛 光 局
本文在上述研究基础上对百页轮抛光材料去
２０２２ ０３ ３１
光轨迹规 划 [１０]等 方 面.LIN 等 [１１]基 于 敏 感 性 分
然科学基金(
２０２２JQＧ
４６４)
行了研究;张 军 锋 [１２]基 于 Pr
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on 方 程 建 立 了 百
基金项目:陕 西 省 教 育 厅 自 然 科 学 专 项 (
２０JK０７２６);陕 西 省 自
８５％
和 ２．
９５％ ,验证了所建材料去除深度模型的正确性和有效性.
关键词:整体叶盘;百页轮抛光;材料去除深度;
He
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z接触
中图分类号:
V２６１．
２
DOI:
１０．
３９６９/
．
s
sn．
１００４

１３２X．
２０２３．
０６．
００５
ji
开放科学(资源服务)标识码(
OS
ID):
S
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６６８
析对百页轮抛光材料去除深度的最优参数范围进
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基于 He
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z接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料去除深度建模研究———张军锋 吴晓君 史耀耀等
[ ]
页轮抛光的材料去除率模型;
CHEN 等 １３ 以表面
质量为约束对材料去除率的评价和改进方法进行
在 抛 光 点 处 的 材 料 去 除 深 度 理 论 模 型;樊 文 刚
等 [２６]利 用 He
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z弹 性 接 触 理 论 分 析 了 钢 轨 砂 带
打磨接触轮与钢 轨 型 面 的 接 触 状 态,建 立 了 打 磨
压力与磨粒最大 切 入 深 度 的 关 系 式,然 后 综 合 打
磨参数等多项参数建立了钢轨砂带打磨材料去除
定在芯轴上而制 成 的 一 种 轮 状 涂 附 磨 具,其 外 形
立了磨具表面的 接 触 力 学 模 型,然 后 在 抛 光 盘 和
可根 据 需 要 进 行 修 整,如 球 头 形 或 腰 鼓 形,且 磨
曲面的接触区域 内,通 过 对 单 位 轨 迹 长 度 材 料 去
料、磨粒大小 和 百 页 轮 直 径 选 择 自 由 度 大.抛 光
[
１６]
[ ]
型;
SONG 等 １７ 基于气囊抛光压力分布和抛光接
触区速度 分 布,依 据 Pr
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on 方 程 建 立 了 半 经 验
算模型,并通过抛光工艺实验进行了验证.
１ 整体叶盘百页轮抛光
１．
１ 百页轮抛光原理
百页轮是由许多矩形砂布片的一端牢固地固
的材料去 除 模 型;WANG 等 [１８]基 于 统 计 理 论 建
第 ３４ 卷 第 ６ 期
２０２３ 年 ３ 月
中 国 机 械 工 程
CHINA MECHANICALENGINEERING
Vo
l．
３４ No．
６
６６８
Ｇ
６７６
pp．
基于 He
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z接触理论的整体叶盘百页轮抛光材料
去除深度建模研究
张军锋１ 吴晓君１ 史耀耀２ 蔺小军２
西安建筑科技大学机电工程学院,西安,
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０ 引言
开敞性 差、叶 片 薄、弯 扭 大、刚 性 差、易 变 形,材 料
发动机整体叶盘通常工作在高温、高压、高载
荷、高腐蚀以及工况状态变化剧烈的极端环境,极
易产生疲劳 失 效,严 重 时 可 能 导 致 机 毁 人 亡.据
统计,疲劳失 效 ８０％ 以 上 始 于 表 面 加 工 缺 陷,如
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去除轮廓模型,并 通 过 砂 带 抛 光 实 验 验 证 了 该 模
可达性好、表面质量高和在冷态下工作等特点,非
型的正确性;WU 等 在对抛光过 程 中 转 速 和 抛
光力分析的基础上建立了机器人砂带抛光过程中
常适合发动机整体叶盘等开敞性差的复杂曲面构
[
２０]
的材料去 除 率 模 型;QI 等 [２１]综 合 运 用 弹 塑 性 接
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切削 刀 痕、加 工 残 余 应 力 状 态 不 均 匀、表 面 烧 伤
等
,而抛光是整 体 叶 盘 表 面 质 量 提 高 和 抗 疲 劳
[
１]
性能改善的 重 要 工 艺.整 体 叶 盘 结 构 复 杂、通 道
多为钛合金、高温合金等难加工材料,综合制造技
术属国际性 难 题 [２].大 量 实 验 研 究 表 明,五 轴 数
度的关系,最后通 过 单 颗 磨 粒 材 料 去 除 体 积 沿 抛
有从理论层面揭示百页轮抛光的材料去除机理.
光轨迹积分的方法建立了材料去除深度的理论计
关于曲面抛光 的 材 料 去 除 率 建 模,
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MEIER 等 基于 Pr
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on 方程建立了 V 形槽工
件尼龙材料锥形磨头抛光过程中的材料去除率模
面磨粒采用静电植砂方式,因此磨粒排布整齐、分
布均匀且锋刃向外 [２７].而磨 粒 形 状 比 较 复 杂,本
文将磨粒形状简化为比较贴近实际的球顶锥
除率沿抛光轨迹进行积分的方法得到垂直于抛光
时百页轮随电主轴高速旋转,在抛光力 Fn的作用
轨迹的 材 料 去 除 量;WANG 等
基 于 He
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性接触理论建立了砂带抛光过程中非线性的材料
[
１９]
下与工件表面接 触,通 过 其 表 面 磨 粒 的 切 削 作 用
实现工件材 料 的 去 除.百 页 轮 抛 光 具 有 弹 性 好、
结合百页轮表面磨粒凸出高度分布函数建立了磨粒切入深度模型.在此基础上,综合主轴转速、进给速
度和磨粒切削沟槽形状等确定了单颗磨粒的材料去除体积,并通过沿抛光 轨 迹 积 分 的 方 法 建 立 了 材 料
去除深度模型.实验结果表明,材料去 除 深 度 的 预 测 值 与 实 验 值 的 最 大 偏 差 和 平 均 偏 差 分 别 为４．
１．
７１００５５
西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室,西安,
２．
７１００７２
摘要:为了揭示 复 杂 曲 面 百 页 轮 抛 光 的 材 料 去 除 机 理,假 设 磨 粒 凸 出 高 度 服 从 正 态 分 布,通 过
He
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z接触理论得到了接触区的抛光压力分布模型,然后基于弹塑性接触理论进行单颗磨粒受力分析,
抛工件时材料去除廓形和最大材料去除深度与法
向磨抛力、砂带线 速 度 和 工 件 进 给 速 度 之 间 的 数
学表 达 式,并 通 过 实 验 的 方 式 确 定 了Pr
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数;王清 辉 等 [２４]基 于 柔 性 盘 抛 光 的 材 料 去 除 模
型,提出了沿摆线轨迹的曲面抛光参数控制方法,
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