基于EDEM离散元方法的抛丸器工作过程分析

摘要

抛丸技术是借助高速旋转的叶轮抛出弹丸对各种零部件表面进行抛丸清理和强化，在现代工业生产中逐渐取代了其它清理方法并成为一种不可替代的表面成型方法。抛丸器作为抛丸清理强化的关键设备，决定了抛丸清理强化的优劣。随着抛丸器的广泛应用，对抛丸器的抛射过程和抛射性能进行研究已经成为当今抛丸领域的主要研究方向之一。因此将数值仿真和理论研究相结合，深入研究抛丸器内弹丸运动过程的颗粒行为不仅对优化抛丸器的结构和工作状态而且对丰富弹丸流的运动理论和抛射理论都具有十分重要的意义。
　　 本文以山东开泰抛丸机械有限公司生产的Q034型抛丸器为原型，从抛丸器的工作原理入手，对弹丸在抛丸器内的运动状况进行了理论分析，得到影响抛打效果的主要影响因素，包括弹丸粒度和最终抛出速度，并对最终抛射弹丸速度进行理论分析，建立了弹丸在不同情况下最终抛射速度的方程，推导出分丸轮转速和叶轮外径是影响弹丸速度变化的主要影响因素，而且弹丸速度与分丸轮转速成线性规律变化，弹丸速度与分丸轮转速成正比。
　　 运用三维造型软件Solidworks建立抛丸器的三维实体模型导入到离散元软件EDEM中建立起具有模拟颗粒尺度行为功能的仿真模型，以颗粒离散元软件EDEM为平台对抛丸器内弹丸运动状态进行仿真分析，研究弹丸在抛丸器内各个阶段的运动过程、轨迹分布以及抛料特性。研究表明:分丸轮，抛丸叶片在弹丸的加速过程中所起到的关键性作用与理论分析结果一致。仿真分析不同弹丸粒径、分丸轮转速、叶轮外径、叶片与定向套窗口之间相对角度的变化与抛射速度之间的变化规律，以发动机缸体、缸盖抛丸清理为例，在最优抛射速度下，通过仿真分析得出满足最优抛射速度的粒径范围、分丸轮转速范围和叶片与定向套窗口之间相对角度范围，初步估计分丸轮转速的的最优范围应该在2400r/min～2900r/min之间，弹丸粒径的最优范围应该在0.8mm—2.0mm之间，叶片与定向套窗口之间相对角度在9°～12°之间。
　　 运用正交试验技术，研究抛射弹丸速度与弹丸粒径、分丸轮转速和叶片与定向套窗口之间的相对角度等多参数综合的相互关系及工艺优化，找到影响抛射弹丸速度的第一因素为分丸轮转速，第二因素为弹丸粒径，第三因素为叶片与定向套窗口之间的相对角度。发动机缸体铸件抛丸清理最优方案是分丸轮转速为2400r/min，弹丸粒径为0.8mm，叶片与定向套窗口之间的相对角度为10°，同时按照这个方案对发动机缸体铸件进行抛丸清理，效果良好。