成形磨削過程中氣液兩相流VOF模擬與分析

葉 久 貞， 季 田， 張 利 萍， 龐 桂 兵

( 大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

成形磨削過程中氣液兩相流VOF模擬與分析

葉 久 貞， 季 田， 張 利 萍， 龐 桂 兵

( 大連工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

在成形磨削過程中，磨削液在磨削區(qū)域的流動和分布情況是影響磨削精度的重要因素。通過對磨削區(qū)氣體進行氣流場模擬分析得出，砂輪表面附近存在氣障層，工件表面附近存在返回流，并且氣障層和返回流會對磨削液的有效供給產(chǎn)生阻礙作用。運用氣液兩相流VOF理論，通過對磨削區(qū)磨削液流場中的氣液兩相流模擬分析得出，不同噴射位置和噴射速度產(chǎn)生不同磨削效果，并提出了磨削液的最佳噴射位置和噴射速度，對提高成形磨削的質(zhì)量和效率，防止磨削過程中工件的燒傷提供了重要的參考依據(jù)，同時對實現(xiàn)綠色制造具有重要的工程實際意義。

氣流場；氣液兩相流流場；氣障層；返回流；噴射位置；噴射速度

0 引 言

成形磨削是機械加工中應(yīng)用最廣泛的精密加工方法之一，在機械加工中占有非常重要的地位[1]。在磨削過程中，特別是高速磨削時，磨削區(qū)的磨削液能否充分供給對磨削生產(chǎn)率、工件質(zhì)量、磨削精度和砂輪磨損有很大程度的影響[2]。研究發(fā)現(xiàn)，砂輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動周圍空氣，會在砂輪面形成空氣附著層，通常稱其為“氣障”，還會在靠近工件表面產(chǎn)生返回流，這兩種現(xiàn)象會阻礙磨削液進入磨削區(qū)[3]。如磨削液的噴射速度和噴射位置未經(jīng)合理設(shè)置，未能沖破氣障層和返回流，不能達到磨削潤滑冷卻的目的，將會產(chǎn)生工件燒傷和砂輪磨損，降低材料的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度，燒傷嚴重時還會出現(xiàn)裂紋，嚴重影響著磨削的質(zhì)量、效率和精度[4]。常規(guī)沖過氣障和返回流的方法就是使用大量的磨削液，這樣既增加了加工成本又極大的污染了環(huán)境，消耗了資源，降低磨削精度[5]。因此，在成形磨削過程中能否找到磨削液合理的噴射位置和噴射速度，使磨削液有效進入磨削區(qū)，直接影響著磨削的質(zhì)量、效率和精度[6]。

本研究把磨削區(qū)氣液流場都考慮在內(nèi)，應(yīng)用氣液兩相流理論研究磨削流場的特性,將VOF方法引入成形磨削流場特性的模擬仿真過程中,建立了描述成形磨削流場特性的氣液兩相流瞬態(tài)模型。通過對瑞典的DIEVAR/8418熱軋模具鋼仿真得到了磨削液從噴射區(qū)到磨削區(qū)的真實流動規(guī)律，并對不同噴射位置和噴射速度加以比較分析，找到最佳噴射位置和噴射速度。

1 磨削數(shù)據(jù)和模型建立

1.1 磨削數(shù)據(jù)

三井精密平面成形磨床618PCNC磨削熱軋模具鋼時的仿真磨削數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速2 000～4 000 r/min；砂輪采用白剛玉砂輪，尺寸180 mm×31.75 mm×6 mm，粒度80#；工件材料為瑞典的DIEVAR/8418，主要磨削尺寸為200 mm×100 mm×20 mm，工件平移速度為0.1 m/s；磨削液噴口為10 mm×10 mm方形口，噴射速度為1～5 m/s，噴射方向為水平；磨削液為水基的乳化液，按1∶35的稀釋比例稀釋，當初始溫度設(shè)為20 ℃時，密度1 000 kg/m3，pH 7.2～7.6，磨削液動力黏度0.001 Pa·s。

1.2 磨削幾何模型的建立

建立平面成形磨削幾何模型，如圖1所示[7]，坐標系原點在工件的左上角。由于要分析磨削區(qū)氣體和氣液兩相流的流動情況，需假設(shè)工件和砂輪之間存在最小間隙，分別取1.0、0.5、0.1 mm，對應(yīng)砂輪圓心坐標(100，91.0)，(100，90.5)，(100，90.1)，工件順時針旋轉(zhuǎn)，噴嘴坐標(200，300)。

圖1 平面成形磨削幾何模型

1.3 磨削流場計算域網(wǎng)格劃分

用Gambit軟件進行磨削流場計算域網(wǎng)格劃分。由于計算域的不規(guī)則性，故采用非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格劃分計算域。計算域外圍尺寸為200 mm×400 mm，如圖2所示。

圖2 磨削流場計算域模型

2 氣流場仿真分析

模擬砂輪周圍的氣流場時，砂輪以順時針旋轉(zhuǎn)。在保證分析精度和結(jié)果的前提下對模型進行簡化[8]：(1)由于氣流場中氣體黏度較低，因此忽略溫度和壓力對流體黏度的影響，而且不考慮其流動中的慣性效應(yīng)；(2)由于分析的是磨削區(qū)氣液流體相互影響，故不考慮工件和砂輪表面粗糙度的影響及彈性變形；(3)由于工件的進給速度取0.1 mm/s，砂輪轉(zhuǎn)速取28 m/s，工件的進給速度與砂輪轉(zhuǎn)速相比相差較大，故忽略不計工件進給速度。

對砂輪以28 m/s的線速度順時針旋轉(zhuǎn)，砂輪和工件最小間隙分別為1.0、0.5、0.1 mm時進行Fluent軟件仿真，得到磨削區(qū)氣流速度矢量局部放大圖，如圖3所示。從圖3可見，平面磨削楔形入口區(qū)的流場中，砂輪表面存在明顯的氣障層，而且在垂直方向上，越靠近砂輪，氣體流速越大，氣障層越強，因此磨削液不容易靠近砂輪。在楔形入口區(qū)，位于工件的表面有著與砂輪轉(zhuǎn)向相反的氣流，即出現(xiàn)了“返回流”，該氣流不利于磨削液進入砂輪與工件的楔形間隙。在氣障層和返回流中間，存在著流速很小的氣流，該氣流對磨削液進入磨削區(qū)的阻礙作用很小。在模擬噴嘴向楔形區(qū)噴射磨削液時，應(yīng)盡量找到氣障層和返回流中間位置，看這個位置是否有助于磨削液進入磨削區(qū)?？梢?，氣流速度在砂輪和工件的最小間隙處達到最大值。

(a) 最小間隙1.0 mm

(b) 最小間隙0.5 mm

(c) 最小間隙0.1 mm

圖3 磨削區(qū)氣流速度矢量局部放大圖

Fig.3 The partial enlargement of the air velocity vector in the grinding zone

從磨削區(qū)氣流速度矢量圖可以看出，磨削區(qū)氣流的最大速度隨著最小間隙的減小而減小。氣障層和返回流氣流速度隨著楔形間隙的減小而增大。因此可以得出，隨著楔形間隙的減小，氣流越來越難以通過楔形間隙，從而形成更劇烈的返回流。

3 氣液兩相流VOF仿真分析

在計算流體力學(xué)(CFD)當中，常用的有3種多相流模型，即VOF(Volume of fluid)模型、混合物(Mixture)模型、歐拉(Eulerian)模型。

VOF模型是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法。當需要得到一種或者多種互不相溶流體間的交界面時，可以采用這種模型。在VOF模型中，不同的流體組分共用著一套動量方程，計算時在整個流場的每個計算單元內(nèi)，都記錄下各流體組分所占有的體積率[9]。

在分析磨削區(qū)的氣液兩相流時，氣液兩相是分層存在的。VOF模型適合于分層的或者自由表面流，而混合物和歐拉模型更適合于流動中有相混合或者分離，所以選擇VOF模型分析磨削區(qū)氣液兩相流。

3.1 氣液兩相流VOF仿真參數(shù)

在10 mm×10 mm的方形噴口的實際磨削中，磨削液的噴射速度超過5 m/s，就會有明顯的磨削液噴射到砂輪和工件表面返回的現(xiàn)象，造成嚴重浪費和環(huán)境污染，噴射速度小于1 m/s，又會有明顯的供液不足，造成燒傷，固射流速度取1、3、5 m/s。噴口模擬垂直與工件距離取0、15、30 mm，噴射方向為水平噴射，此模擬正好在磨削區(qū)入口的下部、中部、上部，完整真實的模擬現(xiàn)實噴口的不同位置，使仿真結(jié)果數(shù)據(jù)更加可靠可信。

3.2 磨削氣液兩相流仿真結(jié)果分析

3.2.1 射流位置的影響

工件和砂輪最小間隙1 mm，砂輪轉(zhuǎn)速為28 m/s，射流速度為1 m/s，射流方向為水平。磨削液分別從楔形區(qū)下部(200，0)、中部(200，15)和上部(200，30)的噴嘴射流，得到磨削液的體積分布分別如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，楔形區(qū)入口的磨削液分為上下兩層：上層為靠近砂輪表面的磨削液，磨削液未沖破氣障層，不能進入磨削區(qū)；下層為靠近工件表面的磨削液，磨削液大部分未沖過氣體回流，不能進入磨削區(qū)。此位置的磨削液僅少部分能進入磨削區(qū)，磨削效果不好，浪費嚴重。

從圖4(b)中可以看出，楔形區(qū)入口的磨削液分為上下兩層：上層為靠近砂輪表面的磨削液,磨削液沖破氣障層，沿著砂輪的轉(zhuǎn)動方向進入磨削區(qū)；下層為靠近工件表面的磨削液，磨削液少部分未沖過氣體回流，未能進入磨削區(qū)。此位置的磨削液大部分能進入磨削區(qū)，磨削效率一般。

從圖4(c)中可以看出，楔形區(qū)入口的磨削液分為上下兩層：上層磨削液沖破氣障沿著砂輪的轉(zhuǎn)動方向進入磨削區(qū)；下層磨削液沒受氣體返回流阻礙的影響，也流入了磨削區(qū)。此位置的磨削液絕大部分進去了磨削區(qū)，實現(xiàn)了磨削液的充分利用，磨削效率達到了最高。

可見，不同位置射流，磨削液在楔形區(qū)的運動軌跡是不同的。與圖4(a)、圖4(b)位置射流相比，圖4(c)位置的磨削液絕大部分進入了磨削區(qū)，磨削效率最高。

(a) 下部射流

(b) 中部射流

(c) 上部射流

圖4 磨削液的體積分布

Fig.4 Volume fraction of grinding fluid

3.2.2 磨削液的流動規(guī)律

工件和砂輪最小間隙1 mm，砂輪轉(zhuǎn)速為28 m/s，射流速度為1 m/s，射流方向為水平，磨削液從上部(200，30)噴嘴射出，得到楔形入口區(qū)兩相流速度矢量放大圖，如圖5所示。在最小間隙附近，氣液兩相流流動速度最大。這是因為磨削液沖過各種障礙到達磨削區(qū)并流出磨削區(qū)，由于間隙變小，磨削液供給量不變，所以速度達到最大。在楔形區(qū)入口垂直方向上，上部兩相流流速較大。這是因為上部靠近砂輪表面，磨削液能沖破氣障層，轉(zhuǎn)動砂輪帶動磨削液進入磨削區(qū)，由于

圖5 兩相速度矢量放大圖

砂輪轉(zhuǎn)速較大，因此該位置的兩相流流速也較大；下部靠近工件表面，少量磨削液未能沖過氣體回流，將沿著工件表面反向流出磨削區(qū)，由于回流流速較小，因此該位置的兩相流流速也較小。

3.2.3 噴嘴射流速度的影響

當砂輪與工件之間的最小間隙為1 mm，砂輪轉(zhuǎn)速為28 m/s時，噴嘴從坐標(200，30)分別以1、3、5 m/s的速度向磨削區(qū)射入磨削液時，磨削流場的壓力的模擬結(jié)果分別如圖6所示。

(a) 射流速度為1 m/s

(b) 射流速度為3 m/s

(c) 射流速度為5 m/s

圖6 磨削流場的壓力

Fig.6 The pressure of grinding fluid field

從圖6可見，以不同速度射流時，磨削流場的壓力曲線具有相似的變化規(guī)律。在射流區(qū)和磨削區(qū)，磨削流場的壓力曲線具有一定的差別。主要表現(xiàn)在：在射流區(qū)，磨削流場的壓力的最大值不相等；在磨削區(qū)內(nèi)，磨削流場的壓力的最小值也不相等。其中，射流速度為5 m/s的壓力最大值最大，30 kPa、3 m/s的壓力的最大值次之，為27 kPa、1 m/s 的壓力最大值最小，為17 kPa。因此可以得出，射流速度的大小在一定程度上影響著磨削區(qū)流場的壓力幅值，相應(yīng)的流體壓力作用到砂輪及其支承軸上，影響磨削加工質(zhì)量。在滿足磨削供給量的情況下，噴射速度越小，最大壓力也越小，對砂輪及其支撐軸的作用也較小。因此，相比3、5 m/s噴射速度產(chǎn)生的流體壓力，取1 m/s的噴射速度為最佳。

4 結(jié) 論

砂輪表面存在明顯的氣障層，而且在垂直方向上，越靠近砂輪，氣體流速越大，氣障越強，磨削液更難沖破氣障層進入砂輪表面；在楔形入口區(qū)，位于工件的表面有著與砂輪轉(zhuǎn)向相反的返回流，不利于磨削液進入磨削區(qū)；氣流速度在砂輪和工件的最小間隙處達到最大值；磨削區(qū)氣流的最大速度隨著最小間隙的減小而減??；氣障層和返回流氣流速度隨著楔形間隙的減小而增大。

不同位置的射流，磨削液在磨削區(qū)的運動軌跡是不同的，與下部和中部射流相比，上部射流的磨削液絕大部分進入了磨削區(qū)，磨削效率會更好；在最小間隙附近，氣液兩相流流動速度最大；以不同速度射流時，磨削流場的動壓力曲線具有相似的變化規(guī)律。在射流區(qū)，磨削流場的動壓力的最大值不相等；在磨削區(qū)內(nèi)，磨削流場的壓力的最小值也不相等，隨著射流速度的增大，磨削流場的壓力最大值也在增大。

磨削時，磨削液的有效利用，不僅僅受氣流場氣障層和返回流的影響，還受射流位置，射流流速的影響。根據(jù)磨削區(qū)氣液兩相流VOF理論對不同噴射位置和噴射速度仿真分析，找到了最佳噴射位置(即噴口與工件距離)為30 mm，最佳噴射速度為1 m/s，對提高成形磨削的精度和效率，防止磨削過程中工件的燒傷提供了重要的參考依據(jù)。

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[8] 裴少勇.磨削射流仿真分析及實驗研究[D].沈陽:東北大學(xué),2010.

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VOF simulation analysis of air-liquid two-phase flow in forming grinding

YE Jiuzhen, JI Tian, ZHANG Liping, PANG Guibing

( School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

The grinding fluid flow and distribution were important factors affecting grinding accuracy in the process of shaping grinding. The air flow field simulation showed that the air barrier layer was existed near the surface of the grinding wheel, while the return flow was existed near the surface of the work piece, and the air barrier layer and return flow would hinder the effective supply of grinding fluid. The air-liquid two-phase flow field simulation in the grinding zone was obtained based on the theory of air-liquid two-phase flow-VOF showed that different jet positions and velocities had different grinding effects, and the best jet locations and velocities of grinding fluid were proposed, which would provide important foundation to improve the quality and efficiency to prevent burns from the work piece in the shaping grinding, while the realization of green manufacturing would have important engineering practical significance.

air flow field; air-liquid two-phase flow field; air barrier layer; return flow; jet position; jet velocity

2015-09-29.

國家自然科學(xué)基金項目(51275062).

葉久貞(1988-)，男，碩士研究生；通信作者：季 田(1968-)，男，副教授.

TH115

A

1674-1404(2017)03-0218-05

葉久貞,季田,張利萍,龐桂兵.成形磨削過程中氣液兩相流VOF模擬與分析[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,36(3):218-222.

YE Jiuzhen, JI Tian, ZHANG Liping, PANG Guibing. VOF simulation analysis of air-liquid two-phase flow in forming grinding[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(3): 218-222.