葉輪式內(nèi)噴潤滑劑砂輪的流場分析及實驗研究

霍文國　丁元法　張翔宇　董慶運　蔡蘭蓉

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津，3002222.貴州省新材料研究開發(fā)基地，貴陽，550002

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葉輪式內(nèi)噴潤滑劑砂輪的流場分析及實驗研究

霍文國1丁元法2張翔宇1董慶運1蔡蘭蓉1

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津，3002222.貴州省新材料研究開發(fā)基地，貴陽，550002

提出了一種葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪結(jié)構(gòu)及其磨削加工的方法?；贔LUENT軟件模擬分析了葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪的內(nèi)腔固體顆粒流場，設(shè)計出了葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪，并通過內(nèi)噴潤滑砂輪磨削TC4鈦合金實驗，分析了內(nèi)噴潤滑砂輪的磨削加工性能。結(jié)果表明：葉輪式固體內(nèi)噴潤滑砂輪中的潤滑劑在離心力的作用下，通過砂輪外緣微孔直接析出到砂輪表面，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制鈦合金黏附、降低磨削區(qū)溫度和摩擦因數(shù)的目的。

葉輪式；內(nèi)噴砂輪；流場；磨削溫度；摩擦因數(shù)

0　引言

磨削加工過程中產(chǎn)生的高溫高熱很容易燒傷工件表面，而大量采用冷卻液又會污染環(huán)境,因此在磨削過程中采用固體粉末內(nèi)潤滑技術(shù)具有重要的研究意義。砂輪內(nèi)腔設(shè)計為葉輪結(jié)構(gòu)，葉輪型腔的固體潤滑劑粉末顆粒的流動是十分復(fù)雜的氣-固兩相湍流流動過程。

葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)與泵和風(fēng)機(jī)相近，許多學(xué)者對風(fēng)機(jī)或泵葉輪內(nèi)部湍流中粒子軌跡的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出了用三維有限元數(shù)值插值技術(shù)和4階Ruage-Kotta法解高階常微分方程組的新方法，并利用此方法求解離心葉輪機(jī)械內(nèi)三維粒子的運動軌跡方程。文獻(xiàn)[2]采用歐拉-拉格朗日法對固體顆粒在離心風(fēng)機(jī)中的軌跡進(jìn)行了定性分析。文獻(xiàn)[3-6]采用已得到普遍應(yīng)用的k-ε雙方程湍流模型，對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的二維流場和二維粒子運動軌跡進(jìn)行了模擬，但這種模型由于采用的是各向同性的湍動黏度來計算湍流應(yīng)力，因此難以考慮旋轉(zhuǎn)流動及流動方向表面曲率變化的影響，用來模擬強(qiáng)旋流并不理想[7]。于是，很多研究者將以各相異性為前提的雷諾應(yīng)力方程模型應(yīng)用于旋風(fēng)分離器等有強(qiáng)旋流的流場[8-11]。

Hoekstra等[12]采用雷諾應(yīng)力模型中的LRR[13]模型計算了旋風(fēng)分離器中的強(qiáng)旋流場，并與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和RNGK-ε模型計算結(jié)果以及LDV實驗的結(jié)果進(jìn)行了比較。周力行等[14-15]采用雷諾應(yīng)力模型及簡化后的代數(shù)應(yīng)力模型計算強(qiáng)旋流氣-固兩相流，并推導(dǎo)出用于氣-固、氣-液兩相流計算的統(tǒng)一兩階矩模型。梅丹等[16]基于雷諾應(yīng)力模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算了離心風(fēng)機(jī)內(nèi)氣固兩相流場。雷諾應(yīng)力模型的優(yōu)點在于可以準(zhǔn)確考慮各向異性效應(yīng)，無需人為引用半經(jīng)驗公式進(jìn)行修正，對于存在旋流場的情況可以進(jìn)行準(zhǔn)確的計算和模擬[17]。

本文采用雷諾應(yīng)力模型結(jié)合顆粒軌道模型的方法，通過對葉輪內(nèi)固體潤滑劑粉末湍流場的計算，對固體顆粒在離心葉輪內(nèi)部流場中的運動進(jìn)行了數(shù)值模擬，基于理論分析設(shè)計了一種葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪，并進(jìn)行實驗驗證。

1　自潤滑砂輪的葉輪內(nèi)腔氣-固兩相潤滑流場分析

1.1FLUENT中多相流模型的選擇

在FLUENT中提供的模型有VolumeofFluid模型(VOFmodel)、混合模型(mixturemodel)、DiscretePhase模型(DPmodel)和歐拉模型(Eulerianmodel)[18]。VOF模型適合于分層流動或自由表面流；Mixture模型考慮了離散相和連續(xù)相的速度差及相互之間的作用，但相與相之間是不相容的；Eulerian模型可以對各相進(jìn)行單獨的計算，但計算量大；Mixture模型和Eulerian模型適合于流動中有混合相或分離相，或者離散相的體積份額超過12%的情況；DP模型采用的是Lagraian-Eulerian方法，粒子的運動按Lagrarian方法計算，連續(xù)流體的計算采用Eulerian方法[19-23]。綜合考慮，本文選擇Eulerian模型進(jìn)行計算。

1.2葉輪型腔幾何建模

內(nèi)噴潤滑砂輪的內(nèi)腔采用開口式葉輪結(jié)構(gòu)，葉輪外徑根據(jù)軸向間隙的情況增大到1.25D2[24-25]，轉(zhuǎn)速n=2000r/min。表1是葉輪內(nèi)腔的主要幾何參數(shù)。

表1　葉輪式自潤滑砂輪的內(nèi)腔主要幾何參數(shù)

內(nèi)噴潤滑砂輪葉輪內(nèi)腔的全流場二維計算模型如圖1所示，包括葉輪、砂輪殼體及腔體。采用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的等角斜率和等尺斜率都小于0.85，網(wǎng)格質(zhì)量良好。考慮到計算精度和計算時間的綜合要求以及葉片復(fù)雜的外形，本研究采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，自適應(yīng)生成原始的網(wǎng)格，然后對局部加密處理以改善網(wǎng)格的質(zhì)量，共生成276 860個單元。在計算中，將模型分成旋轉(zhuǎn)流場部分和非旋轉(zhuǎn)流場部分。

圖1　內(nèi)噴潤滑砂輪示意圖

1.3邊界條件

計算邊界條件包括轉(zhuǎn)速、外界大氣壓力和出口壓力；物性參數(shù)包括固相顆粒和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度、動力黏滯系數(shù)，考慮相間相互作用阻力系數(shù)，無滑移壁面條件。顆粒粒徑取為 5、50、100μm；顆粒入口質(zhì)量濃度取為0.05、0.25、0.5mg/cm3。

1.4數(shù)值離散方法及收斂性

本研究采用高精度有限元方法離散偏微分方程組，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式，動量方程、湍動能和耗散率輸運方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。采用欠松弛因子迭代，假定葉輪進(jìn)口前速度在軸向均勻分布，其大小為流量與進(jìn)口面積之比[8]。在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2　計算結(jié)果及顆粒軌跡分析

在砂輪轉(zhuǎn)速不同時，固體石墨潤滑微粒在葉輪型腔內(nèi)壓力模擬效果如圖2所示。由圖2可見，砂輪內(nèi)腔的高壓區(qū)域主要集中在半側(cè)，最大達(dá)到48.6MPa。在砂輪轉(zhuǎn)速不同時固體石墨潤滑微粒在葉輪型腔中運動模擬效果如圖3所示。由圖3可見，潤滑劑顆粒高速區(qū)域主要位于葉輪片尖點位置，最高線速度為5.57×104m/s，在葉片的前半部分，潤滑粒子以較低的速度撞向葉片表面，在葉片和氣流的帶動作用下，潤滑顆粒的速度很快變得與氣流速度相當(dāng)。在葉片的后半部分，顆粒運動的方向基本與葉片平行，在葉片出口處，顆粒以接近葉片安裝角的出射角沿壓力面飛出流道。

(a)砂輪轉(zhuǎn)速1800 r/min

(b)砂輪轉(zhuǎn)速3600 r/min圖2　葉輪內(nèi)腔壓力分布矢量圖

(a)砂輪轉(zhuǎn)速1800 r/min

(b)砂輪轉(zhuǎn)速3600 r/min圖3　葉輪內(nèi)腔速度分布矢量圖

3　實驗驗證

3.1葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪設(shè)計

內(nèi)噴潤滑砂輪利用砂輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動砂輪內(nèi)腔的葉輪異步旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生驅(qū)動氣流，通過氣流驅(qū)動力和離心力的共同作用將填充在砂輪內(nèi)腔的固體潤滑劑通過砂輪表面析出微孔，均勻地析出到磨削弧區(qū)，進(jìn)行磨削潤滑和冷卻。實驗砂輪設(shè)計為外圓結(jié)構(gòu)，如圖4所示，主要由安裝連接軸、砂輪基體、底盤及內(nèi)腔葉輪等組成。為了保證整個磨削加工過程中能夠持續(xù)提供潤滑劑粉末，外圓砂輪的端面上均布四個孔。首先底盤安裝在砂輪軸上，然后將葉輪葉片安裝在底盤上部，最后通過螺母和墊片將砂輪基體安裝在底盤上。

(a)固定螺栓砂輪軸(b)底板

(c)砂輪內(nèi)腔葉輪結(jié)構(gòu)　(d)外圓結(jié)構(gòu)(e)整體結(jié)構(gòu)圖4　內(nèi)潤滑砂輪結(jié)構(gòu)示意圖

3.2葉輪式內(nèi)噴砂輪制造

砂輪軸直徑設(shè)計為25mm，砂輪基體外徑為120mm，析出微孔孔徑為0.5～2mm，石墨粉末補(bǔ)充孔直徑為5mm，葉輪采用125FSB-40L氟工程塑料，葉片葉輪如圖5a所示。外圓內(nèi)噴潤滑砂輪基體如圖5b所示，加工之后的砂輪軸如圖5c所示。

砂輪基體表面采用單層電鍍立方氮化硼(CBN)工藝，CBN粒度選擇為80/100目。制作好的單層電鍍CBN砂輪如圖5d所示。葉輪式內(nèi)噴潤滑砂輪主要有砂輪軸、砂輪基體、底盤組成。葉輪采用3D打印技術(shù)加工，基體、流道孔采用加工中心加工。為探索流道的最佳孔徑，潤滑劑析出微孔直徑分別設(shè)計為0.5mm、1mm、1.5mm、2mm。砂輪制作方法采用金屬結(jié)合劑電鍍工藝。

(a)砂輪內(nèi)腔葉輪(b)砂輪外圓基體

(c)砂輪基體(d)電鍍內(nèi)噴砂輪圖5　內(nèi)潤滑砂輪結(jié)構(gòu)示意圖

3.3實驗

3.3.1實驗條件

砂輪基體與連接軸用雙螺母連接鎖緊，將連接軸裝入內(nèi)徑為20mm的刀套中并鎖緊。在數(shù)顯銑床上裝夾效果如圖6所示。潤滑劑采用3000目石墨粉。實驗工件為TC4合金，尺寸為：長×寬×高=160mm×20mm×20mm，夾具采用自制恒力裝夾裝置。磨削線速度分別選擇2，4，9，19m/s，法向磨削力分別為100，150，200，250N；工件進(jìn)給速度為512cm/min。

圖6　內(nèi)潤滑砂輪結(jié)構(gòu)示意圖

磨削力采用瑞士Kistler9257B三向壓電式測力儀測試，磨削溫度采用K型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶頂絲法測量，采集卡為NIUSB-621X動態(tài)信號采集儀。表面形貌觀察采用基因士VHX-1000C超景深三維顯微系統(tǒng)。

3.3.2磨削溫度分析

當(dāng)法向磨削力F為200N時，不同磨削線速度下磨削溫度變化如圖7所示。由圖7可見,隨著線速度的增大，磨削溫度升高，這主要是由于單位時間內(nèi)磨粒與工件的磨削次數(shù)增多所致。但隨著線速度的增大，內(nèi)噴砂輪磨削溫度升高沒有干磨削時溫度升高明顯，這是由于砂輪轉(zhuǎn)速的升高使得石墨潤滑劑的析出速度增大，石墨在砂輪表面的潤滑性能和抗鈦合金黏附性能增強(qiáng)所致。干

圖7　不同磨削線速度下磨削溫度變化

磨削時溫度明顯比有石墨潤滑時要高，這主要是因為磨削鈦合金時，鈦合金極易黏附在砂輪表面，降低砂輪磨粒的出露高度，降低砂輪的切削能力，磨削區(qū)摩擦加劇，進(jìn)而造成磨削力增大、磨削溫度升高。采用內(nèi)噴砂輪潤滑磨削時，石墨從砂輪內(nèi)部直接析出到砂輪表面，在砂輪表面形成一層潤滑層，抑制了鈦合金的黏附，從而避免這一磨削加工的惡性循環(huán)，因此它一方面可以降低磨削區(qū)溫度，另一方面也提高了砂輪切削能力。

在磨削線速度v為19m/s，法向磨削力F不同時磨削溫度變化如圖8所示。由圖8可見，隨著法向磨削力的增大，磨削溫度逐漸升高。內(nèi)噴砂輪潤滑磨削溫度明顯低于干磨削溫度，且隨著磨削力的增大，內(nèi)噴砂輪潤滑磨削溫度與干磨削溫度差也增大。

圖8　不同磨削法向力下磨削溫度變化

通過析出微孔直徑D大小不同的磨削實驗可知，D小于1mm時砂輪無明顯出粉，D大于2mm的砂輪潤滑劑粉噴出速度過大，D在1～1.5mm范圍內(nèi)石墨噴粉效果好。通過自制恒力磨削裝置施加法向磨削力F為200N，砂輪線速度v為19m/s時，潤滑劑析出微孔直徑與磨削溫度的關(guān)系如圖9所示。

由圖9可見，隨著析出微孔直徑的增大，磨削區(qū)溫度逐漸減小。這主要是析出直徑增大后，單位時間內(nèi)析出到砂輪表面的石墨增多，潤滑劑涂層潤滑性能和抑制鈦合金黏附性能增強(qiáng)所致，但當(dāng)析出微孔直徑D超過1.3mm后，溫度降低不明顯。

圖9　潤滑劑析出微孔直徑與磨削區(qū)磨削溫度關(guān)系

3.3.3磨削力分析

通過自制恒力磨削裝置施加不同大小磨削法向力，在砂輪線速度v為19m/s時，潤滑劑析出微孔直徑D與磨削區(qū)摩擦因數(shù)關(guān)系如圖10所示。摩擦因數(shù)采用測力儀測得磨削切向力與恒力裝置施加法向力比值計算所得。由圖10可見，隨著析出微孔直徑的增大，磨削區(qū)摩擦因數(shù)逐漸減小。這主要是析出直徑增大后，單位時間內(nèi)析出

圖10　潤滑劑析出微孔直徑與磨削區(qū)摩擦因數(shù)的關(guān)系

到砂輪表面的固體潤滑劑增多，砂輪表面的潤滑劑涂層潤滑性能和抑制鈦合金黏附性能增強(qiáng)所致，但當(dāng)析出微孔直徑超過1mm后，摩擦因數(shù)減小趨勢變緩。

3.3.4砂輪表面形貌磨削分析

磨削加工前砂輪和連續(xù)磨削30min后砂輪表面微觀形貌如圖11所示，由圖11可看出，內(nèi)噴潤滑砂輪磨削后表面磨粒分布均勻，磨粒的大小也較為均勻，無明顯成塊脫落現(xiàn)象，單個磨粒能夠較好地保持鋒利外形，磨粒磨損高度明顯小，與磨削加工前變化不明顯。說明石墨粉在磨削過程中起到了良好的潤滑作用。

(a) 加工前

(b)加工后圖11　內(nèi)噴潤滑砂輪磨削加工前后砂輪表面形貌

4　結(jié)論

(1)內(nèi)噴潤滑砂輪的析出速度與析出微孔直徑、葉輪參數(shù)和砂輪轉(zhuǎn)速等有關(guān)，砂輪轉(zhuǎn)速越大，析出速度越大，析出微孔直徑越大，析出量越大。

(2)內(nèi)噴潤滑砂輪磨削時磨削溫度、磨削區(qū)摩擦因數(shù)均低于干磨削的磨削溫度和摩擦因數(shù)，并隨著砂輪線速度、析出微孔直徑的增大，磨削溫度和摩擦因數(shù)逐漸減小。

(3)內(nèi)噴潤滑砂輪的析出微孔直徑D存在最優(yōu)值，當(dāng)線速度為19m/s時，D一般取1～1.5mm。潤滑劑析出量既達(dá)到潤滑和抑制黏附效果，同時不會產(chǎn)生二次污染。

(4)在磨削力比較大的情況下，相對于干磨削，固體潤滑劑內(nèi)噴潤滑降溫效果明顯。內(nèi)噴潤滑砂輪適用于重載大負(fù)荷磨削場合。

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[24]張金鳳. 帶分流葉片離心泵全流場數(shù)值預(yù)報和設(shè)計方法研究[D].蘇州：江蘇大學(xué)，2007.

[25]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

(編輯王艷麗)

ExperimentalResearchandFlowFieldAnalysisofImpellerWheelwithInnerSprayLubricant

HuoWenguo1DingYuanfa2ZhangXiangyu1DongQingyun1CaiLanrong1

1.TianjinKeyLaboratoryofHighSpeedCutting&PrecisionMachining,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin,300222 2.GuizhouR&DCenterofModernMaterials,Guiyang,550002

Animpellerwheelstructureofinnerspraylubricationandgrindingmethodweredescribedherein.TheinnercavitysolidsflowfieldoftheinnerspraylubricationwheelwasanalysedbyFLUENTsoftware,thewheelstructurewithimpellerwasdesigned,andgrindingexperimentswerefinishedthroughtheinnerspraylubricationwheel,lubricationgrindingperformancewasanalyzedduringgrindingTC4alloy.Theresultsshowthat:solidlubricationofinnerspraywheelwithimpellerprecipitateddirectlytothewheelsurfaceundercentrifugalforce,throughtgrindingwheelperipheralporestosuppresstitaniumadhesion,andthegrindingzonetemperatureandfrictioncoefficientwerereduced.

impeller;innerspraywheel；flowfield；grindingtemperature;frictioncoefficient

2015-07-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305301)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿計劃資助項目(14JCQNJC05100)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項目(黔科合J字[2014]2116號)；天津市高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊培養(yǎng)計劃資助項目(TD12-5043)

TG58

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.17.015

霍文國，男，1978年生。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授、博士。主要研究方向為高性能磨削加工技術(shù)。發(fā)表論文10余篇。丁元法，男，1977年生。貴州省新材料研究開發(fā)基地副研究員。張翔宇，男，1984年生。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心實驗師。董慶運，男，1987年生。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實訓(xùn)中心工程師。蔡蘭蓉，女，1972年生。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。