噴油嘴小孔磨粒流加工特性三維數(shù)值分析

李俊燁，劉薇娜，楊立峰

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

噴油嘴是發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的重要組成部件，噴油嘴內(nèi)部的微小孔拋光及去毛刺問題一直是有待解決與提高的問題[1]。噴油嘴微小孔的加工質(zhì)量直接影響噴油嘴的霧化特性、油線貫穿度及流量系數(shù)，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放指標(biāo)。噴油嘴零件三維模型如圖1所示。

圖1 噴油嘴零件三維圖

噴油嘴具有高硬度，低表面粗糙度,在交叉孔部位有倒圓角，管道內(nèi)部無毛刺且表面光滑的特點(diǎn)。利用傳統(tǒng)的加工方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油嘴交叉孔處的去毛刺及倒圓角是及其困難的，磨粒流加工技術(shù)出現(xiàn)為解決這一問題提供了有效的途徑[2]。磨粒流加工的工作原理如圖2所示。

磨粒流加工技術(shù)是通過一種載有磨料的粘彈體的軟性磨料介質(zhì)，在壓力作用下往復(fù)流過零件被加工面來實(shí)現(xiàn)光整加工的。利用磨粒流中的磨粒充作無數(shù)的切削刀具，以其堅(jiān)硬的鋒利的棱角對(duì)工件表面進(jìn)行反復(fù)切削，從而達(dá)到一定的加工目的。磨粒流所流經(jīng)的任何部位都將被光整，對(duì)于那些一般工具難以接觸的零件內(nèi)腔，磨粒流加工技術(shù)的優(yōu)越性尤為突出。當(dāng)磨粒均勻而漸進(jìn)地對(duì)通道表面或邊角進(jìn)行工作時(shí)，產(chǎn)生去毛刺、拋光和倒角的作用[3]。

圖2 磨粒流加工原理圖

1 仿真模型建立及參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)值分析的過程中，假設(shè)顆粒相與介質(zhì)相之間不發(fā)生溶解或結(jié)晶等化學(xué)過程；顆粒狀固體磨料與介質(zhì)具有相同的壓力作用；顆粒狀固體磨料與介質(zhì)分別滿足動(dòng)量守恒和能量守恒方程；顆粒狀固體磨料與介質(zhì)之間的相互作用是通過阻力系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的[4,5]。

根據(jù)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)，對(duì)噴孔直徑為Φ0.16mm噴油嘴小孔的加工狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。利用FLUENT前處理模塊GAMBIT對(duì)噴油嘴零件進(jìn)行模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分工作，模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 噴油嘴零件模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)磨粒流加工工藝特點(diǎn)，在FLUENT中選擇非耦合隱式雙精度求解器，利用標(biāo)準(zhǔn)k－ε固液兩相Mixture湍流模型進(jìn)行數(shù)值分析；磨粒流介質(zhì)載體設(shè)為主相，第二相設(shè)為碳化硅顆粒，體積分?jǐn)?shù)為0.1；邊界條件選擇壓力入口邊界條件和壓力出口邊界條件，其余邊界定義為固壁條件；考慮重力影響。

2 仿真結(jié)果與分析

當(dāng)參數(shù)設(shè)置成功后，采用SIMPLEC算法求解兩相流動(dòng)方程，經(jīng)過初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算，對(duì)噴油嘴小孔磨粒流加工過程進(jìn)行流體力學(xué)數(shù)值分析。計(jì)算結(jié)束后，得到如圖4所示的殘差監(jiān)測(cè)變化曲線。

圖4 殘差監(jiān)測(cè)變化曲線

從殘差曲線可以看出，在迭代80次左右開始收斂，說明模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和求解參數(shù)設(shè)置合理，能得到滿意的收斂解。

為了更加真實(shí)準(zhǔn)確模擬磨粒流加工噴油嘴小孔的狀況，采用三維數(shù)值模擬方式對(duì)磨粒流加工噴油嘴的特性進(jìn)行數(shù)值分析，可獲得磨粒流同時(shí)加工噴油嘴所有小孔結(jié)構(gòu)的加工特性。

2.1 穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)數(shù)值分析

利用三維數(shù)值分析方式模擬不同進(jìn)出口壓力條件下磨粒流同時(shí)加工噴油嘴所有小孔結(jié)構(gòu)的情況，獲得了如圖5所示的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)圖像。

圖5 不同進(jìn)出口壓力條件下的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)圖像

通過觀察可以看出，接近于在噴油嘴小孔處的壓強(qiáng)呈遞減趨勢(shì)，流道內(nèi)其它地方保持同樣大小的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)。在噴油嘴小孔處的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)壓差明顯，說明磨粒流在該處的運(yùn)動(dòng)最為激烈。由于噴油嘴整個(gè)流道與噴油嘴小孔的直徑與長(zhǎng)度相差較大，單位面積上的作用力差別也很大，作用于噴油嘴小孔處的作用力更大，有利于噴油嘴噴孔的精拋加工，能更好的保證噴油嘴小孔處的加工精度。

2.2 速度矢量數(shù)值分析

為了更好的分析磨粒流的加工特性，對(duì)磨粒流加工時(shí)磨料的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了如圖6所示的速度矢量圖像。

在速度矢量圖中，箭頭所指示的方向即為速度的運(yùn)動(dòng)方向，速度在噴油嘴小孔與主干路孔壁交界處速度瞬時(shí)變大，在噴油嘴噴孔處的磨粒流速度最大，可以發(fā)現(xiàn)速度隨進(jìn)口壓力的增加而增加。從數(shù)值模擬結(jié)果可知，若想獲得較大的磨粒流加工速度應(yīng)適當(dāng)增加工件的入口壓力。隨著小孔處的邊界層與小孔流道表面的速度差的增大，磨粒流中的磨粒與孔壁的接觸機(jī)會(huì)將增大，邊界層磨粒流與加工面之間的相對(duì)滑移量也隨之增加，流道表面的去除量也越大，更有利于磨粒流對(duì)小孔流道的精加工。

圖6 不同進(jìn)出口壓力條件下的速度矢量圖像

2.3 湍流動(dòng)能數(shù)值分析

湍流動(dòng)能反映了湍流混合能力，從圖7所示的湍流動(dòng)能圖像同樣可以說明磨粒流在噴油嘴小孔處的運(yùn)動(dòng)最為激烈，在噴孔內(nèi)壁積聚的能量遠(yuǎn)大于在流道內(nèi)腔孔壁的湍流動(dòng)能。因此，磨粒流在噴油嘴噴孔處最為活躍，對(duì)噴孔內(nèi)壁精加工更強(qiáng)，在噴孔處可獲得更為理想的表面質(zhì)量。

2.4 湍流強(qiáng)度數(shù)值分析

湍流強(qiáng)度是衡量湍流強(qiáng)弱的相對(duì)指標(biāo)，是描述速度隨時(shí)間和空間變化的程度，是反映脈動(dòng)速度的相對(duì)強(qiáng)度，是描述湍流運(yùn)動(dòng)特性的最重要的特征量。

圖7 不同進(jìn)出口壓力條件下的湍流動(dòng)能圖像

圖8 不同進(jìn)出口壓力條件下的湍流強(qiáng)度圖像

從圖8所示的湍流強(qiáng)度圖像來看，在噴油嘴噴孔處的湍流強(qiáng)度最大，在交叉孔處的湍流強(qiáng)度增幅明顯，磨粒流在交叉孔處的活動(dòng)瞬時(shí)增強(qiáng)。因此，磨粒流在此部分的加工能力最強(qiáng)，可保證噴孔的加工精度，保證噴油嘴的最佳噴射性能。

2.5 湍流粘度數(shù)值分析

在實(shí)際加工過程中，磨粒流介質(zhì)的粘度也是影響材料去除率和加工精度的一個(gè)重要因素，這里給出了如圖9所示的磨粒流加工湍流粘度圖像。

通過數(shù)值分析結(jié)果可知，隨著壓力的增加，湍流粘度逐漸降低；改變介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度可獲得不同的磨粒流加工速度，運(yùn)動(dòng)粘度越小，小孔出口處的磨粒流速度就越大。若選用較大粘度的磨粒流介質(zhì)，則需更大的擠壓壓力，流體的流動(dòng)性會(huì)變差，或?qū)⒉辉龠m合長(zhǎng)徑比大的通道模具型腔拋光及通道的去毛刺與倒圓角加工。

3 結(jié)論

從磨粒流加工噴油嘴小孔流道的數(shù)值分析結(jié)果來看，利用磨粒流加工技術(shù)對(duì)微小孔類零件進(jìn)行精拋加工是一種行之有效的加工方法。

從模擬結(jié)果可知，通過改變進(jìn)出口壓力可獲得不同的磨粒流加工速度，隨著壓力的增大，噴油嘴小孔處的磨粒流速度、湍流動(dòng)能、湍流強(qiáng)度隨之增大，湍流粘度降低，磨粒的切削能力增強(qiáng)，可獲得理想的表面精度。

圖9 不同進(jìn)出口壓力條件下的湍流粘度圖像

通過對(duì)噴油嘴小孔的磨粒流加工工藝的三維數(shù)值分析，可為磨粒流加工參數(shù)的優(yōu)化選擇提供了理論支撐。

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