固液兩相磨粒流研拋變口徑管的數(shù)值模擬研究

胡敬磊，李俊燁，趙偉宏，衛(wèi)麗麗

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

固液兩相磨粒流研拋變口徑管的數(shù)值模擬研究

胡敬磊，李俊燁，趙偉宏，衛(wèi)麗麗

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

為了探討磨粒流對變口徑類零件的拋光效果的影響，以變口徑管零件為研究對象，選用固液兩相磨粒流，對磨粒流拋光變口徑管零件的加工過程進行數(shù)值模擬研究，分析了不同磨料濃度和不同入口壓力條件下，變口徑管零件內(nèi)磨粒流的靜態(tài)壓力、動態(tài)壓力、速度、湍流強度、湍流動能、湍流粘度的分布情況。通過對比分析，研究分析了磨粒流拋光變口徑管零件的有效性，可為促進磨粒流超精密加工技術(shù)的不斷改善提供理論依據(jù)，使工件疲勞強度得到改善，增強工件的可靠性，延長工件的使用壽命。

變口徑管；磨粒流拋光；數(shù)值模擬

在機械加工領(lǐng)域中精密光整加工方法很多，除傳統(tǒng)的機械方法外，還有超聲波拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光以及電化學(xué)機械復(fù)合加工等。磨粒流加工作為迅速發(fā)展起來的精密光整加工方法之一，已在航空軍工、紡織機械、汽輪機、模具及液壓等機械行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。

磨粒流加工原理是利用磨粒流中的磨粒充作無數(shù)的切削刀具（自銳性），以其堅硬鋒利的棱角對工件表面進行反復(fù)切削，從而達(dá)到一定的加工目的。在工藝實施中，通常采用兩個相對的磨料缸使磨料在零件和夾具所形成的通道中來回擠壓。磨削作用就產(chǎn)生在流體受到限制的部位，即擠壓部位。當(dāng)磨粒均勻而漸進地對通道表面或邊角進行擠壓時，對工件進行去毛刺、研拋、倒圓角［4-6］。

近年來，隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，為不同治療目的而設(shè)計的變口徑管受到重視和關(guān)注，對變口徑管等精密機械零件的工藝性能要求不斷完善，因此磨粒流加工技術(shù)也不斷發(fā)展起來。變口徑管結(jié)構(gòu)多種多樣，包括突擴管、突縮管、漸擴管、漸縮管、漸變彎管等，因此本文設(shè)計了包括多種變徑類型的變口徑彎管，且設(shè)計成對稱形式使其既包括突擴部分又包含突縮部分。建立變口徑管三維模型如圖1所示［7-11］。

圖1 變口徑管三維零件圖

1 磨粒流拋光變口徑類零件的數(shù)值模擬分析

1.1 對變口徑管零件的磨粒流加工的建模

圖1所示變口徑管零件三維圖是對稱結(jié)構(gòu)，由于磨粒流加工以去毛刺、倒圓角和研拋為主要目的，圖1所示的三維模型能達(dá)到模擬仿真加工過程中壓力及速度分布的目的，模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格的局部放大圖如圖3所示。

圖2 變口徑管模型及網(wǎng)格劃分圖

圖3 變口徑管網(wǎng)格劃分的局部放大圖

1.2 變口徑管磨粒流加工數(shù)值仿真基本參數(shù)及方程選擇

在進行模擬計算之前，首先對已完成的變口徑管網(wǎng)格模型進行質(zhì)量檢查。然后選擇求解器，針對變口徑管三維模型特點，選擇三維雙精度求解器，以便獲得更好的計算結(jié)果。選用固液兩相流MIX? TURE模型，湍流方程選擇k-epsilon方程中的低雷諾系數(shù)方程（Low-Re），對變口徑管磨粒流研拋過程進行流體力學(xué)模擬仿真，設(shè)置的參數(shù)如下：

（1）材料特性輸入：采用固液兩相磨粒流，液相選擇航空液壓油，固體相選擇碳化硅磨粒。

（2）邊界條件的設(shè)置：實驗過程中設(shè)置了2組邊界條件。第一組壓力入口為4MPa，磨粒粒徑為60μm，磨料濃度依次為10%、20%、30%、40%；第二組磨料濃度為10%，磨粒粒徑為60μm，壓力入口依次為4MPa、6MPa、8MPa、10MPa。

1.3 不同磨料濃度下的仿真與分析

為研究不同磨料濃度對磨粒流加工變口徑管的情況，分別取磨料濃度為10%、20%、30%、40%對仿真結(jié)果進行對比分析。得到加工過程中XOY截面上的動態(tài)壓力、速度分布、湍流強度、湍流動能、湍流粘度分別如圖4、5、6、7、8所示。

圖4 不同磨料濃度下加工變口徑管的動態(tài)壓強云圖

從圖4的動態(tài)壓強云圖中可以看出，由突變縮孔到突變擴孔時，動壓由大變小，由突變擴孔到突變縮孔時，動壓由小變大。突變縮孔的動壓力要大于突變擴孔的動壓力，由于突變縮孔的橫截面小，在磨料流量不變的情況下，磨粒在突變縮孔的速度增大，磨粒運動較為激烈，對突變縮孔的內(nèi)壁進行研磨拋光作用，從而可以提高工件的加工精度。其次分析不同磨料濃度下動壓力情況，隨著磨料濃度增大，磨料與工件內(nèi)表面接觸表面積隨之增大，與內(nèi)壁壁面的磨削也增強，從而提高對變口徑管光整加工的效果。因為能量的變化能夠說明加工效果的顯著性。所以選擇適當(dāng)?shù)哪チ蠞舛雀欣谠龃竽チＡ鞯哪ハ餍Ч?/p>

圖5 不同磨料濃度下加工變口徑管的速度云圖

從圖5速度云圖中可以看出，磨粒流以一定的速度進入變口徑管通道內(nèi)后，由于磨料介質(zhì)的粘性作用，會在近壁區(qū)域形成邊界層，沿流動方向且逐漸擴張。磨粒流在變口徑管左右彎管處的速度相對較大，在直徑最大的管道壁面速度最小，僅存在很小的相對滑移。根據(jù)經(jīng)驗可知，運動速度越大，磨粒流中的磨粒與孔壁的接觸機會就越大，加工效果越好。由速度云圖可知，磨料濃度越大，磨料運動速度越小，所以為了更好的進行加工，選擇合適的磨料濃度更有利于磨粒流對變孔徑管的精加工。

圖6 不同磨料濃度下加工變口徑管的湍流強度云圖

從圖6可以看出，當(dāng)磨料濃度逐漸增大時，湍流強度逐漸減小。左邊入口處的湍流強度高于彎管處的湍流強度，當(dāng)湍流強度比較大時，可能會使變口徑管承受過多的疲勞載荷，從而降低變口徑管的使用壽命。所以為了更好的進行加工，選擇合適的磨料濃度更有利于磨粒流對變孔徑管的精加工。

從圖7可知，高的湍流動能分布于左邊直通式變口徑管的直徑突然變大的截面處，整體來講，湍流動能變化并不明顯，這說明加工過程中不會有較大的剪切變形速率，隨著磨料濃度不斷增大，各變徑區(qū)的湍流動能呈降低趨勢，降低的量級不大，說明磨料濃度的變化會影響湍流動能的能量變化，選擇適當(dāng)磨料濃度，可以提升湍流動能能量，從而增加磨削效果。

圖7 不同磨料濃度下加工變口徑管的湍流動能云圖

圖8 不同磨料濃度下加工變口徑管的湍流粘度云圖

根據(jù)圖8可以看出，左邊直通式變口徑管的直徑突然變大的截面處湍流黏度較高，由于流體的粘度越大，流體的流動性越差。所以該處的磨粒流研拋效果并不明顯。當(dāng)磨料濃度逐漸變大時，湍流粘度也逐漸變大，流體的流動性會越來越差，則流體的阻力也越大。所以，宜選用濃度低的磨料進行加工。

1.4 壓力入口邊界條件的仿真與分析

在這組實驗中，將入口壓力分別設(shè)置成4MPa、6MPa、8MPa、10MPa，實驗得到XOY截面上的靜態(tài)壓強云圖、速度云圖、湍流強度、湍流動能、湍流黏度如圖9、10、11、12、13所示。

從圖9中可以看出不同入口壓力加工變口徑管的靜態(tài)壓強變化十分明顯，隨著入口壓力的不斷增大，管道內(nèi)壁靜態(tài)壓強也逐漸增大，可見適當(dāng)提高入口壓力可以提高工件表面的去除量，達(dá)到理想的精加工效果。

圖9 不同入口壓力加工變口徑管的靜態(tài)壓強云圖

圖10 不同入口壓力加工變口徑管的速度云圖

根據(jù)圖10的速度云圖可以看出，由突變縮孔到突變擴孔時，速度由大變小，由突變擴孔到突變縮孔時，速度由小變大。突變縮孔的速度要大于突變擴孔的速度。由于彎管處橫截面積逐漸變小，管道內(nèi)壁磨粒流速度會明顯增大。隨著入口壓力增大，變口徑管整體速率值逐漸變大，磨粒運動激烈程度逐漸增大，光整加工能力逐漸增大，所以入口壓力較大時加工效果最好，磨削能力最強。

圖11 不同入口壓力加工變口徑管的湍流強度云圖

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口壓力逐漸增大時，湍流強度也逐漸變大，但是過大的湍流強度可能會影響零件的使用壽命，因此適當(dāng)提高入口壓力，可以加工出理想的零件。

根據(jù)圖12，隨著入口壓力的逐漸增大，湍流動能也逐漸增大，那么剪切變形速率也逐漸變大，所以為提高加工效率，可以適當(dāng)增大入口壓力。

圖13 不同入口壓力加工變口徑管的湍流粘度云圖

如圖13所示，入口壓力增大時，湍流黏度有逐漸減小的趨勢，流體的流動性越來越好，因此增大壓力有利于對零件的拋光、倒圓角。這與前面幾組得到的結(jié)論一致。

1.5 基于DPM的顆粒運動軌跡分析

DPM（離散）模型的顆粒運動方程對時間積分可以得到顆粒運動軌跡。進行離散相顆粒軌跡積分計算的方式有兩種：穩(wěn)態(tài)追蹤方式和非穩(wěn)態(tài)追蹤方式。不論連續(xù)相的求解是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)的，都可以采取這兩種方式，但其意義是不同的。穩(wěn)態(tài)追蹤主要用于研究顆粒的運動軌跡，而非穩(wěn)態(tài)研究主要用于研究某一時刻全部顆粒的位置分布情況，根據(jù)研究顆粒的不同情況來選擇使用的顆粒積分計算方法。當(dāng)入口壓力為4MPa、碳化硅顆粒直徑為70μm、濃度10%時得到如圖14為顆粒運動軌跡圖。

圖14 入口壓強4MPa、粒徑70μm、濃度10%時顆粒運動軌跡圖

從圖中可以看出顆粒從左邊流入的速度明顯低于從右邊流出的速度，在這個過程中采用的時穩(wěn)態(tài)追蹤方式，可以肯定的是粒子的運動是逐漸加快的。

2 結(jié)論

通過對磨粒流加工原理和運動規(guī)律的分析，探討對變口徑管的磨粒流加工特性。采用湍流模型及液液兩相Mixture混合模型對磨粒流加工過程中磨粒流的流動形態(tài)進行數(shù)值模擬。分析了不同磨料濃度合不同入口壓力對磨粒流加工的影響。從本文的仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）不同磨料濃度對磨粒流加工變口徑管有一定影響，隨著磨料濃度增大，磨料與工件內(nèi)表面接觸表面積隨之增大，與內(nèi)壁壁面的磨削也增強，從而提高對變口徑管光整加工的效果。但濃度增大會導(dǎo)致速度、湍流強度、湍流動能都減小，湍流黏度增大，從而不利于拋光工件，所以要想得到比較好的研拋效果，需要選擇合適的濃度進行磨粒流研拋，這樣可以提高加工效率，更有利于變口徑管的拋光加工。

（2）通過改變?nèi)肟趬簭娍色@得不同的磨粒流加工速度，對不同工藝的磨粒流加工進行比較，隨著入口壓強的逐漸增大，靜態(tài)壓強、速度、湍流強度、湍流動能增大，湍流黏度減小。入口壓力的增大使得磨粒流對變口徑管的加工效果作用十分明顯，所以適當(dāng)提高入口壓強可以提高工件表面粗糙度，使被加工工件達(dá)到理想的加工效果。

（3）研究流場內(nèi)部的壓強分布圖、速度分布圖、湍流強度、湍流粘度等對磨粒流加工參數(shù)化有一定意義，為磨粒流加工參數(shù)的優(yōu)化選擇提供了理論依據(jù)，使加工出來的零件的疲勞強度得到改善，增強了零件的可靠性，延長其使用壽命。

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Study on the Polishing of Variable Diameter Tube with Solid Liquid Two Phase Abrasive Flow

HU Jinglei，LI Junye，ZHAO Weihong，WEI Lili
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to investigate the influence of abrasive flow on the polishing effect of variable diameter parts，the variable di?ameter pipe parts were selected as the object of research，the numerical simulation study on the machining process of the abrasive pipe is carried out with solid-liquid two-phase abrasive flow.Static pressure，dynamic pressure，velocity，turbulence intensity，

turbulent kinetic energy，and turbulence viscosity distribution of abrasive flow in variable caliber parts were studied under the con?dition of different abrasive concentration and different inlet pressure.Through comparative analysis，the effectiveness of the abra?sive flow in variable caliber parts was analyzed，which can provide the theoretical basis for the continuous improvement of the ul?trafine precision processing technology，so that the workpiece fatigue strength was improved，the reliability of the workpiece was enhanced，and the service life of the workpiece was extend.

variable diameter pipe；abrasive grain polishing；numerical simulation

TH161.1

A

1672-9870（2017）03-0038-05

2017-04-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51206011）；吉林省科技發(fā)展計劃資助項目（20160101270JC，20170204064GX）；吉林省教育廳項目（吉教科合字［2016］第386號）

胡敬磊（1990-），男，碩士研究生，E-mail：1340113539@qq.com

李俊燁（1981-），男，副教授，E-mail：ljy@cust.edu.cn