摘 要：旋流器是現(xiàn)代飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)中一項(xiàng)重要設(shè)備——水分離器的關(guān)鍵部件，旋流器加工的尺寸精度和表面粗糙度直接影響到水分離器的分水效率及阻力。旋流器表面一般為較復(fù)雜的曲面，其葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低，屬于典型曲邊薄壁零件，在切削加工時(shí)會產(chǎn)生彈性讓刀和加工變形，影響加工質(zhì)量。因此，為提高旋流器零件加工精度，建立切削力加工經(jīng)驗(yàn)公式和仿真模型，基于Abaqus二次開發(fā)平臺模擬零件加工變形，探索分析其加工變形大小與不同走刀路徑之間的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：旋流器；有限元仿真；加工變形

中圖分類號：V245.3""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.019

0""" 引言

飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)的溫度、濕度、壓力等條件，為艙內(nèi)提供適宜的工作環(huán)境，這也是機(jī)載設(shè)備正常工作的必要前提?，F(xiàn)代飛機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，飛機(jī)的用途和類型不斷延伸，飛行條件更加苛刻，機(jī)載設(shè)備功率不斷增大，對飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

現(xiàn)代飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，空氣循環(huán)制冷子系統(tǒng)是當(dāng)前主流軍民用飛機(jī)都采用的系統(tǒng)形式。機(jī)艙內(nèi)的空氣來源通常是發(fā)動機(jī)，而發(fā)動機(jī)輸出的空氣都是高溫高壓的，無法直接導(dǎo)入機(jī)艙，只有經(jīng)過空氣循環(huán)制冷子系統(tǒng)降溫降壓后才能用于機(jī)艙環(huán)境調(diào)節(jié)。

目前的空氣循環(huán)制冷子系統(tǒng)主要有下述幾種形式[1]：

1）簡單式（渦輪—風(fēng)扇式）；

2）兩輪升壓式除水系統(tǒng)（渦輪—壓氣機(jī)式）；

3）三輪升壓式除水系統(tǒng)（渦輪—壓氣機(jī)—風(fēng)扇式）；

4）四輪升壓式除水系統(tǒng)（渦輪—壓氣機(jī)—渦輪—風(fēng)扇式）。

除簡單式外，其余幾種形式的空氣循環(huán)制冷子系統(tǒng)都包含一項(xiàng)關(guān)鍵除濕設(shè)備——水分離器，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。水分離器的作用是分離出被引入空氣循環(huán)制冷子系統(tǒng)的高濕空氣中的游離態(tài)水或霧氣，進(jìn)而避免系統(tǒng)制冷能力降低和艙內(nèi)凝水[2]。

水分離器工作時(shí)，氣流高速通過具有螺旋形葉片的旋流器，氣流發(fā)生旋轉(zhuǎn)，借助離心力，氣流中的水滴被甩至分離筒壁，通過環(huán)狀間隙將水導(dǎo)入集水腔后通過排水口排除。旋流器是使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件[3]，其加工的尺寸精度和表面粗糙度直接影響到水分離器的分水效率及阻力。圖2為一種典型的旋流器結(jié)構(gòu)，從使用環(huán)境、工作介質(zhì)、工作壓力和工作溫度等因素出發(fā)考慮，通常選用彈性模量小、屈強(qiáng)比大的鋁合金作為制造材料。另外，旋流器表面一般為較復(fù)雜的曲面，其葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低，屬于典型曲邊薄壁零件，切削過程中切削力會使零件產(chǎn)生彈性讓刀和加工變形，這就對旋流器的加工提出了更高的要求。

本文針對旋流器零件，將難加工的復(fù)雜曲面長懸臂薄壁結(jié)構(gòu)解構(gòu)為簡單曲邊薄壁結(jié)構(gòu)，將其作為研究對象，根據(jù)不同銑削參數(shù)建立切削力加工經(jīng)驗(yàn)公式，基于Abaqus平臺二次開發(fā)程序構(gòu)建銑削加工仿真模型，通過仿真分析，對零件的加工變形進(jìn)行預(yù)測，對比了不同走刀方式的加工變形量。

1""" 試驗(yàn)對象及方法

1.1""" 試驗(yàn)對象

本文選取簡單曲邊薄壁結(jié)構(gòu)作為研究對象，結(jié)構(gòu)的三維數(shù)模如圖3所示，符合旋流器葉片為復(fù)雜曲面，葉片較薄且懸臂長度較長，剛度較低的特點(diǎn)。

1.2""" 試驗(yàn)方法

使用有限元方法對鋁合金進(jìn)行銑削仿真研究，需要對有限元模型加載一定的切削力，這將直接決定仿真過程是否接近實(shí)際銑削加工過程。

通過銑削試驗(yàn)?zāi)軌驕y得模型所需加載的切削力，試驗(yàn)針對旋流器常用的2A12鋁合金材料，選定銑削參數(shù)如表1所示，測得在各種參數(shù)組合下的切削力值。所選擇刀具為加工旋流器常用刀具，具有一定的代表性。

銑削力的方向定義如下：刀具進(jìn)給方向?yàn)镕X，徑向切深方向?yàn)镕Y，刀具軸向方向?yàn)镕Z。通過表1的試驗(yàn)，獲得切削力與切削參數(shù)關(guān)系如圖4～7所示。

通過回歸分析得出切削力經(jīng)驗(yàn)方程如下：

Fx=170.73n-0.115 9Fz0.537 9ae0.845 6ap0.759 5，F(xiàn)y=1 666.032n-0.267 9Fz1.011ae-0.080 3ap0.876 8，F(xiàn)z=16.69n-0.013 1Fz0.882 9ae0.874 7ap1.546 3

2""" 銑削仿真建模分析

2.1""" 仿真建模

簡單曲邊薄壁結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格較為簡單，通過“單元生死”技術(shù)來模擬材料的去除過程。其中，“死”單元即對模型不提供剛度的單元，“活”單元為具備完全剛度的單元[4]。

銑削仿真是將銑削過程由連續(xù)過程分解為離散過程，用有限元方法將一個(gè)個(gè)“活”單元轉(zhuǎn)化為“死”單元，以去除單元的方法模擬刀具去除材料的過程。當(dāng)然，切削力隨著單元“死亡”而消失的同時(shí)重新加載在新的“活”單元上，這就保證了切削力始終在保持作用。

2.2""" 仿真優(yōu)化

為提高仿真的精度，網(wǎng)格劃分需要盡可能細(xì)小，這就導(dǎo)致在仿真過程中模擬材料去除過程所需消除的單元數(shù)量巨大，“單元生死”的設(shè)置及與之相對應(yīng)的切削力的施加與去除帶來了巨大的工作量，這就需要對仿真過程進(jìn)行優(yōu)化，以提高效率。本文切削仿真使用Abaqus仿真軟件，該軟件能夠進(jìn)行二次開發(fā)，以編寫腳本的方式進(jìn)行“單元生死”的操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)切削力的施加與去除。

針對曲邊薄壁結(jié)構(gòu)，用數(shù)控加工編程軟件獲得不同走刀方式的刀具軌跡，如圖8所示，該軌跡結(jié)合已劃分好的網(wǎng)格，即可按序篩選出隨著切削過程所需去除的網(wǎng)格。本文用腳本將這些網(wǎng)格按照與切削參數(shù)相匹配的方式進(jìn)行批量、自動、循環(huán)的“單元生死”操作和切削力加載，極大地節(jié)省了仿真時(shí)間。

3""" 結(jié)果與討論

針對曲邊薄壁結(jié)構(gòu)，用切削仿真的方式開展三種不同的走刀路徑的對比試驗(yàn)，分別是階梯走刀、等深走刀和單側(cè)走刀，如圖9所示。

使用“單元生死”技術(shù)對曲邊薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，選定切削參數(shù)為ap=2 mm，ae=3 mm，fz=

0.15 mm/r，n=10 000 r/min，加載由銑削力回歸方程所得的切削力。仿真加工過程如圖10所示，圖10左側(cè)圖例由上至下代表變形量由大至小。

在不同的仿真試驗(yàn)中，曲邊薄壁結(jié)構(gòu)在同一高度會有不同的最大變形量，對比同一高度下的不同變形量，即可對不同走刀路徑產(chǎn)生的變形大小進(jìn)行對比。

圖11為曲邊薄壁結(jié)構(gòu)在不同走刀方式下不同的加工變形量曲線，可見單側(cè)走刀的變形量最大，階梯走刀導(dǎo)致的加工變形量最小。這是因?yàn)閱蝹?cè)走刀方式為先切除一側(cè)材料，這就導(dǎo)致在切除另一側(cè)材料時(shí)，曲邊薄壁結(jié)構(gòu)整體剛度下降較多，使得讓刀變形顯著增大，而階梯走刀的方式能使曲邊薄壁結(jié)構(gòu)始終保持相對較高的剛度，從而減小讓刀變形。

通過對比曲邊薄壁結(jié)構(gòu)變形量在不同位置的變化，發(fā)現(xiàn)三種不同走刀方式的變形量都會隨著高度的下降而下降，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯角叡”诮Y(jié)構(gòu)底部時(shí)，三種不同走刀方式的變形量基本相同。但是，刀具切削點(diǎn)距離曲邊薄壁結(jié)構(gòu)底部越遠(yuǎn)，單側(cè)走刀的變形量與另外兩種走刀方式變形量的差值越大。這同樣是因?yàn)閱蝹?cè)走刀方式為先切除一側(cè)材料，導(dǎo)致在切除另一側(cè)材料時(shí)，曲邊薄壁結(jié)構(gòu)整體剛度下降較多，使得讓刀變形顯著增大，而另外兩種走刀方式能使曲邊薄壁結(jié)構(gòu)剛度隨著切削進(jìn)展逐步下降，從而減小讓刀變形。

4""" 結(jié)論

1）為了研究分析曲邊薄壁結(jié)構(gòu)的加工變形，使用有限元的方法對典型曲邊薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行銑削仿真研究。同時(shí)，通過“單元生死”技術(shù)來模擬材料的去除過程，并使用Abaqus仿真軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以編寫腳本的方式進(jìn)行“單元生死”的操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)切削力批量、自動、循環(huán)的施加與去除，極大地節(jié)省了仿真時(shí)間。

2）針對曲邊薄壁結(jié)構(gòu)，用切削仿真的方式開展三種不同的走刀路徑的對比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，不同走刀方式的變形量都會隨著高度的下降而下降，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯角叡”诮Y(jié)構(gòu)底部時(shí)，三種不同走刀方式的變形量基本相同，總體上階梯走刀導(dǎo)致的加工變形量最小。

3）通過開展曲邊薄壁結(jié)構(gòu)切削加工仿真試驗(yàn)分析，證明在旋流器零件加工時(shí)編制數(shù)控程序應(yīng)優(yōu)先選用階梯刀軌，以減小讓刀和零件變形。本文的研究也為實(shí)現(xiàn)旋流器銑削加工變形補(bǔ)償打下了基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳元先.旅客機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，1999（增刊1）：7-9.

[2] 劉巍，蔣福根.一種測定高壓狀態(tài)下水分離器分水效率的方法[J].大眾科技，2006（7）：116-117.

[3] 宋杰.旋流分離理論在氣-液分離器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2013（1）：132-134.

[4] 汪振華，袁軍堂，劉婷婷，等.生死單元法分析薄壁件加工變形[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（6）：81-85.

收稿日期：2024-08-16

作者簡介：趙康（1990—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：機(jī)械工程。