《Powder Technology》：Multi-scale dynamic behaviors and action mechanisms of granular media in the vibratory-rotary finishing process for fan blisks
Xuejie Wen|Wenhui Li|Xiuhong Li|Yan Wang|Yashuang Zhang|Kun Li
太原理工大学机械与车辆工程学院，中国太原 030024
摘要
为了实现风扇叶片的均匀加工，提出了一种振动旋转加工工艺，并分析了颗粒介质的动态行为和作用机制。基于EDEMpy（EDEM软件的Python接口），建立了一种新的介观力链网络检索方法。通过整合宏观和微观特性，形成了一种多尺度表征方法。研究了在不同振动参数下的多尺度动态行为和磨损深度，并使用皮尔逊相关系数进一步量化了它们之间的关系。结果表明，宏观空隙比例、介观力链强度、微观法向力和相对切向速度对加工效率有显著影响，其相关系数分别为0.901、0.904、0.993和0.986。同时，法向力被确定为影响加工均匀性的主导因素，其相关系数最大为0.876。根据颗粒介质的动态行为，本研究确定了两种作用机制：容器壁的强烈作用和叶片等效壁的弱作用。这些机制分别作用于入口/出口边缘区域和叶片主体区域。最后，进行了粒子图像测速（PIV）实验、压敏纸测试和材料去除深度测试。本研究为颗粒介质的动态行为研究和振动旋转加工工艺的开发提供了研究方法和理论指导。
引言
作为航空发动机的核心部件，叶片在高温、高压和机械载荷等极端工作条件下极易受损[1]。为了提高航空发动机的服务性能和使用寿命，对叶片的表面完整性和加工均匀性提出了更严格的要求[2]。质量加工兼具表面加工和强化的优点，是一种具有显著发展潜力的完整性制造技术[3]。在常见的质量加工工艺中，振动加工已被航空企业广泛用于压缩机叶片的加工[4,5]。Feldmann[5,6]证明，振动加工可以将叶片的表面粗糙度Ra降低到0.25 μm以下，产生高达-800 MPa的残余压缩应力，并将疲劳寿命提高约35%。
与压缩机叶片相比，风扇叶片具有更复杂的叶片形状、更长的跨度、更大的弯曲角度和更深的流道[7,8]，这大大增加了实现高表面完整性和均匀加工的难度。考虑到现有振动加工工艺在风扇叶片应用中的局限性，我们在之前的研究中提出了一种新的振动旋转加工技术[9]。然而，这种工艺仍然存在加工不均匀的现象，如入口/出口边缘过度加工、叶片根部加工不足或叶片主体均匀性不足。这些问题主要是由于风扇叶片的复杂几何形状导致颗粒介质的动态行为和作用机制非常复杂。
在质量加工过程中，颗粒介质作为加工工具，其动态行为显著影响加工效果和均匀性[10,11]。因此，研究人员在这一领域开展了一系列关于颗粒介质宏观和微观动态行为的研究。在宏观层面上，研究人员主要通过仿真和实验测试研究了颗粒介质的速度和运动轨迹。Wang[12]研究了水平振动加工过程中的流场特性。Hashemnia[13]使用离散元方法（DEM）对桶式振动加工中的局部和整体颗粒介质速度进行了仿真和实验验证。Li[14]和Zou[15]分别使用激光位移传感器和高速摄影技术测量了质量加工中的颗粒介质速度。在微观尺度上，研究人员关注颗粒介质与工件之间的法向力特性。Maciel[16,17]通过仿真和实验分析了颗粒介质在振动加工过程中对容器壁的作用力。Wang[18]开发了一种三轴无线力传感器来测量振动加工中的法向力。
介观尺度是连接宏观和微观尺度的重要桥梁。Maciel[16]通过DEM仿真研究了桶式振动加工过程中一个振动周期内力链网络的演变规律。然而，该分析仅限于定性观察，缺乏定量支持。此外，关于质量加工中介观力链网络的研究仍然很少，导致对这一尺度上颗粒介质行为的理解不足。更重要的是，目前还缺乏整合宏观、介观和微观视角的综合性多尺度分析，多个尺度之间的关系也不明显。这一限制阻碍了对振动旋转加工过程中颗粒介质作用机制和加工效果的深入理解[19]。
总之，首先明确颗粒介质的动态行为和作用机制对于实现风扇叶片的均匀加工至关重要。因此，基于EDEMpy开发了一种用于振动旋转加工工艺的介观力链网络检索方法。对颗粒介质在不同振动参数下的动态行为进行了多尺度分析，讨论了动态行为与磨损深度之间的相关性，并揭示了颗粒介质的作用机制。本研究为风扇叶片振动旋转加工工艺的研究提供了分析方法。
章节片段
振动旋转加工的原理
本研究的研究对象是航空发动机风扇叶片，其特征是叶片形状复杂、流道深而窄、弯曲扭曲明显以及叶片展长较长，如图1(a)所示。针对风扇叶片，提出了一种振动旋转加工工艺。叶片通过支撑轴和套筒固定在装有颗粒介质的容器内。容器进行振幅为A、频率为f的水平振动，同时叶片也进行旋转运动
宏观尺度下的流场特性
为了表征振动旋转加工过程中颗粒介质的多尺度动态行为，进行了离散元方法仿真，振动频率为25 Hz，振动幅度为3.5 mm，旋转参数为10 rpm。总仿真时间为6 s，采样频率为1000 Hz。在颗粒介质的运动稳定后，在振动周期内提取了空隙区域和移动区域的像素值
结论
本研究提出了一种在振动旋转加工过程中检索介观力链网络的新方法，并系统地研究了不同振动参数下的多尺度动态行为和磨损深度。讨论了这些因素之间的相关性，并揭示了颗粒介质对风扇叶片的作用机制。最后，通过PIV实验、压敏纸测试和材料去除深度测试验证了该方法的有效性
CRediT作者贡献声明
Xuejie Wen：撰写——原始稿件、软件开发、方法论、数据整理、概念构思。Wenhui Li：撰写——审稿与编辑、方法论、数据整理、资金筹集。Xiuhong Li：撰写——审稿与编辑、方法论、资金筹集。Yan Wang：软件开发、数据整理。Yashuang Zhang：软件开发、方法论、数据整理。Kun Li：验证、方法论、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52575523和52575527）的共同支持。
