離散相磨粒粒徑對(duì)磨粒流研拋共軌管質(zhì)量的影響

李俊燁,胡敬磊,楊兆軍,張心明,周曾煒

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,長春130022;2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,長春130022)

0 引 言

共軌管是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)中的重要部件,其表面質(zhì)量會(huì)直接影響供油系統(tǒng)的實(shí)用性能[1]。實(shí)際應(yīng)用中要求共軌管內(nèi)表面光滑且無毛刺,常規(guī)加工方法較難達(dá)到理想的表面精度,磨粒流研拋技術(shù)的出現(xiàn),成功解決了該難題[2-4]。

磨粒流加工技術(shù),簡稱AFM技術(shù),是一種新興的加工工藝方法,它通過將固體顆粒懸浮在液體介質(zhì)中形成的固液兩相磨料在外界壓力作用下通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)表面,經(jīng)過反復(fù)的研磨加工,在固液兩相磨粒流中的磨粒對(duì)壁面沖擊碰撞作用下,達(dá)到對(duì)工件表面進(jìn)行平整、拋光、材料的微量去除等,實(shí)現(xiàn)對(duì)其表面的加工,達(dá)到更高的精度要求。磨粒流加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)表面所達(dá)到的高精度,是傳統(tǒng)加工工藝方法無法超越的,因此,在高尖端科技領(lǐng)域,磨粒流加工技術(shù)應(yīng)用更加廣泛。但是,與傳統(tǒng)加工工藝方法不同,磨粒流加工技術(shù)通過流體磨料與工件表面反復(fù)接觸摩擦實(shí)現(xiàn),由于磨粒流技術(shù)的這個(gè)特性,所以各種復(fù)雜刀具就顯得微不足道,而且節(jié)省材料,綠色環(huán)保。

磨粒流研拋技術(shù)可有效地消除工件內(nèi)表面的冷作硬化及表面殘余應(yīng)力。在磨粒流研拋過程中,夾具和工件之間形成磨粒流研拋流道,黏彈性磨料中的顆粒反復(fù)地對(duì)工件內(nèi)表面或邊角進(jìn)行碰撞磨損作用,從而達(dá)到一定光整加工的目的[5-9]。在磨粒流加工過程中,磨料的組成成分及形態(tài)會(huì)決定工件的加工精度,其中磨粒粒徑的選取是其中一個(gè)關(guān)鍵因素,研究磨粒粒徑對(duì)磨粒流加工的影響具有深遠(yuǎn)的意義[10-14]。

本文以共軌管為研究對(duì)象。通過計(jì)算模擬不同磨粒粒徑下磨粒流的狀態(tài),分別從流場動(dòng)壓力、速度場、磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、湍流動(dòng)能進(jìn)行不同場的離散相分析,研究結(jié)果可為磨粒流研拋技術(shù)的發(fā)展提供理論支持。

1 數(shù)值分析

1.1 離散相碳化硅顆粒模型運(yùn)動(dòng)方程

為了獲得較好的計(jì)算結(jié)果,本文利用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬分析,使用三維雙精度求解器,并選用壓力耦合方程的SIMPLE算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解計(jì)算。空間離散化采用1次精度迎風(fēng)格式。邊界條件選用速度入口條件(velocity-inlet)和自由出口(outflow)條件。壁面邊界設(shè)置為非滑移邊界條件,假定入口處磨粒流為湍流狀態(tài),湍流模型選擇k-ε(2eqn)模型。液體相為航空液壓油,固體相為碳化硅,設(shè)置碳化硅體積分?jǐn)?shù)為0.3,入口速度設(shè)置為40 m/s,初始加工溫度為300 K,加工時(shí)間為5 min。

基于歐拉-拉格朗日方法,根據(jù)共軌管的實(shí)際幾何參數(shù)進(jìn)行建模并數(shù)值分析。為了準(zhǔn)確分析磨粒粒徑對(duì)磨粒流研拋共軌管的內(nèi)表面質(zhì)量影響,根據(jù)工件和磨粒粒徑的實(shí)際情況,選取磨粒粒徑為5、10、15、20μm進(jìn)行磨粒流研拋數(shù)值分析,4種理想顆粒尺寸模型示意圖如圖1所示。

圖1 四種磨粒粒徑的顆粒模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of particle model of four kinds of abrasive particle sizes

根據(jù)力-位移關(guān)系,可以由位移得到碳化硅顆粒受到的作用力。在這個(gè)過程中要用到的位移則可根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算得出[15]。

由牛頓第二定律,得到碳化硅顆粒i的運(yùn)動(dòng)方程為:

利用中心差分法對(duì)式(1)進(jìn)行數(shù)值積分,得到以兩次迭代時(shí)間步長的中心點(diǎn)表示的更新速度為:

式中:Δt為時(shí)間步長;N為對(duì)應(yīng)時(shí)間t。

對(duì)式(2)進(jìn)行積分,可得到關(guān)于位移的等式:

由此,得到碳化硅顆粒的新的位移值,將該新的位移代入力-位移關(guān)系計(jì)算新的作用力,如此反復(fù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)跟蹤每個(gè)碳化硅顆粒在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)[16,17]。

1.2 不同磨粒粒徑條件下的動(dòng)壓力數(shù)值分析

為了更好地探討不同磨粒粒徑對(duì)磨粒流研拋質(zhì)量的影響,需分析不同磨粒粒徑條件下磨粒流的流體行為與力學(xué)行為。通過數(shù)值模擬得到不同磨粒粒徑條件下的動(dòng)壓力云圖如圖2所示,為便于研究分析,將5個(gè)小孔靠近主干道處進(jìn)行截面分析,分別設(shè)定為截面A-A、截面B-B,如圖2(a)所示。

從圖2的動(dòng)壓力云圖可以看出,共軌管主干道的磨粒流壓力場保持恒定,此區(qū)域容積相對(duì)較大,動(dòng)壓力幾乎沒有損耗。當(dāng)磨粒流運(yùn)動(dòng)到共軌管的交叉孔處時(shí),動(dòng)壓力明顯增大,此處的磨粒運(yùn)動(dòng)劇烈,磨料加工效率高,有利于交叉孔處倒圓角。在磨粒流進(jìn)入小孔后,小孔內(nèi)的動(dòng)壓力有稍許降低,主要是磨粒在交叉孔處與壁面的碰撞損耗了大量能量,部分磨粒與共軌管的交叉孔處存在碰撞反彈現(xiàn)象,而后磨粒進(jìn)入到小孔內(nèi)部進(jìn)一步與壁面發(fā)生碰撞反彈,從而對(duì)小孔壁面進(jìn)行研拋加工。

為了更好地分析磨粒對(duì)壁面的碰撞磨削機(jī)制,分別對(duì)5個(gè)出口處的磨粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析,獲得了如圖3和圖4所示的A-A截面和B-B截面處的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度矢量云圖。

圖2 不同磨粒粒徑條件下的動(dòng)壓力云圖Fig.2 Dynamic pressure cloud figures of different abrasive particle sizes

圖3 共軌管小孔處截面的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.3 Particle motion trail figures of cross section of small hole in common rail

從圖3(a)和圖4(b)可以看出,出口1與出口4的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度矢量基本相同,出口2與出口3的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度矢量也基本相同,但運(yùn)動(dòng)方向相反。為了便于研究磨粒的運(yùn)動(dòng),本文只對(duì)出口1、出口2及出口5進(jìn)行數(shù)值分析。在磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度矢量圖中,箭頭代表磨粒的運(yùn)動(dòng)方向,從磨粒的運(yùn)動(dòng)方向可以得出工件小孔左右壁面動(dòng)壓力不均勻的結(jié)論,磨粒與壁面間有多次的碰撞與反彈行為,形成以水平面為對(duì)稱的湍流漩渦,磨粒在對(duì)稱兩側(cè)受到的擠壓力基本相同,所以對(duì)稱兩側(cè)的內(nèi)表面研拋效果比較均勻,經(jīng)過磨粒與壁面之間的不斷碰撞反彈,對(duì)小孔內(nèi)表面進(jìn)行研拋加工,小孔右側(cè)內(nèi)表面比小孔左側(cè)內(nèi)表面的加工效果好,為了提高左側(cè)內(nèi)表面的加工效果,可以適當(dāng)增大入口壓力。從圖3(a)和圖4(b)可以看出,磨粒在出口5的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度矢量比較復(fù)雜,這是由于磨粒從入口1與入口2在出口5處進(jìn)行交匯碰撞,磨粒與壁面發(fā)生劇烈碰撞,磨粒的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則,形成多個(gè)湍流渦旋,所以磨粒進(jìn)入出口5是隨機(jī)無序的,這樣出口5的整個(gè)內(nèi)表面受到磨粒碰撞機(jī)會(huì)基本相同,因此出口5的小孔內(nèi)的動(dòng)壓力比較均勻,整個(gè)出口5研拋質(zhì)量最好。

1.3 不同磨粒粒徑條件下速度場的數(shù)值分析

圖4 共軌管小孔處截面的磨粒速度矢量圖Fig.4 Particle velocity vector figures of cross section of cross section of small hole in common rail

為了更好的分析不同磨粒粒徑條件下速度場對(duì)磨粒流研拋質(zhì)量的影響,選擇同樣的四組不同粒徑的磨粒進(jìn)行離散相的數(shù)值分析,得到磨粒研拋共軌管的速度場的分布云圖,如圖5所示。從圖5可以看出磨粒從入口1和入口2處開始,直至進(jìn)入小孔之前,整個(gè)主干道的速度逐漸減小,這是因?yàn)槟チ吓c共軌管工件內(nèi)表面產(chǎn)生碰撞摩擦,部分能量轉(zhuǎn)化為切削能,對(duì)工件內(nèi)表面進(jìn)行拋光;而隨著磨粒到達(dá)5個(gè)交叉孔處,磨粒速度呈現(xiàn)增大的趨勢。這是由于隨著磨粒逐漸進(jìn)入小孔內(nèi)流道,空間區(qū)域截面直徑變小,在磨粒流量不變的情況下,速率隨之增大,隨著速度的增大,磨粒的磨削能力增強(qiáng),在交叉口處及小孔內(nèi)表面進(jìn)行去毛刺和倒圓角能力最強(qiáng),研拋效率最好。隨著磨粒粒徑增大,各數(shù)據(jù)區(qū)域的速率值逐漸變小,磨粒運(yùn)動(dòng)激烈程度逐漸降低,研拋加工能力逐漸減弱,粒徑較小的磨粒加工效果最好,磨削能力最強(qiáng)。

1.4 不同磨粒粒徑條件下磨粒徑跡的數(shù)值分析

為了更好地分析不同磨粒粒徑條件下磨粒徑跡對(duì)磨粒流研拋效果,進(jìn)行上述同樣的初始條件的設(shè)置,為了更好的分析磨粒的運(yùn)動(dòng)情況,將主干道中心處進(jìn)行截面分析,設(shè)定為截面C-C,獲得了如圖6所示的磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖和圖7所示的截面C-C徑跡圖。

圖5 不同磨粒粒徑條件下下速度場云圖Fig.5 Velocity field cloud figures of different abrasive particle sizes

圖6 不同磨粒粒徑條件下磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.6 Particle motion trail figures of different abrasive sizes

從圖6能夠看出不同粒徑條件下磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡,根據(jù)磨粒箭頭所示方向,磨粒從入口1和入口2開始進(jìn)入,經(jīng)主干道型腔,在小孔交叉口處轉(zhuǎn)入,進(jìn)而進(jìn)入小孔內(nèi)部,再從小孔出口流出,整個(gè)流動(dòng)路線符合實(shí)際加工的情況,說明磨粒在流經(jīng)共軌管內(nèi)部時(shí)會(huì)對(duì)主干道內(nèi)表面、小孔交叉口及出口產(chǎn)生碰撞,進(jìn)而進(jìn)行碰撞磨削,達(dá)到對(duì)交叉口處的去毛刺、倒圓角及表面光整加工的目的。研究粒子徑跡對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工起到預(yù)分析估計(jì),能夠控制磨粒加工的路徑,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效磨削,提高磨粒流光整加工能力。

從圖6和圖7還可以看出,磨料在截面C-C處發(fā)生激烈的湍流漩渦,這是由于入口1與入口2的磨料在外界壓力作用下,在截面C-C處進(jìn)行交匯碰撞,經(jīng)過磨粒-磨粒、磨粒-流體、磨粒-共軌管主干道內(nèi)表面進(jìn)行劇烈的碰撞后產(chǎn)生反彈,經(jīng)過多次碰撞與反彈,從而對(duì)共軌管內(nèi)表面進(jìn)行研拋。磨粒對(duì)工件內(nèi)表面碰撞越劇烈,其研拋效果越好,獲得的表面質(zhì)量也就越好。

1.5 不同磨粒粒徑條件下湍流動(dòng)能的數(shù)值分析

為了進(jìn)一步分析磨粒流研拋過程中的顆粒粒徑對(duì)工件內(nèi)表面的作用,對(duì)研拋過程中湍流動(dòng)能也進(jìn)行了數(shù)值分析,不同磨粒粒徑的湍流動(dòng)能趨勢基本一致,顆粒粒徑為5μm的湍流動(dòng)能云圖如圖8所示。

圖8 磨粒粒徑為5μm的湍流動(dòng)能云圖Fig.8 Turbulent kinetic energy cloud figures under abrasive sizes on 5μm

由圖8可以看出,隨著磨料進(jìn)入共軌管,入口處的湍流動(dòng)能保持不變,在交叉孔處,由于橫截面瞬時(shí)減小,湍流動(dòng)能增大,磨料進(jìn)入小孔時(shí),磨粒對(duì)壁面進(jìn)行激烈的碰撞,有大量的能量損耗,湍流動(dòng)能減弱,說明能量轉(zhuǎn)化為切削工件的功,從而對(duì)工件小孔進(jìn)行研拋。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)磨粒流研拋質(zhì)量有更加精確的預(yù)測,同樣選取了磨粒粒徑為5、10、15、20μm的顆粒進(jìn)行磨粒流研拋共軌管試驗(yàn),以上磨粒研拋的共軌管樣件分別記作樣件01＃、樣件02＃、樣件03＃、樣件04＃,為進(jìn)行有效檢測,需將共軌管進(jìn)行破壞性檢測。首先對(duì)共軌管進(jìn)行線切割,再利用丙酮溶液進(jìn)行超聲波清洗,確保被檢測的共軌管壁面潔凈可靠,切割后的共軌管實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 磨粒流加工后的共軌管剖切實(shí)物圖Fig.9 Cutting real figure of common rail pipes after machining

2.1 工件表面粗糙度的檢測

利用觸針式MAHR粗糙度檢測儀檢測工件表面粗糙度,原始工件和樣件的表面粗糙度檢測圖如圖10所示。

圖10 共軌管小孔的表面粗糙度測試圖Fig.10 Testing surface roughness figure of hole on common rail pipe

從圖10可以看出,共軌管小孔加工前的表面粗糙度測量結(jié)果顯示波動(dòng)跳躍幅度較大,經(jīng)磨粒流加工后的小孔各樣件測試結(jié)果顯示波動(dòng)跳躍幅度較小,共軌管工件內(nèi)表面質(zhì)量得到改善。為了更好對(duì)共軌管小孔的表面粗糙度進(jìn)行分析,可再通過表面粗糙度的平均值來作為表面粗糙度的評(píng)估指標(biāo),其結(jié)果如表1所示。

表1 共軌管粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table.1 Roughness of common rail pipe

從表1可以看出磨粒流研拋前的共軌管小孔內(nèi)表面粗糙度平均值為3.401μm,磨粒流研拋后的各樣件測試結(jié)果顯示波動(dòng)跳躍幅度較小,測量結(jié)果最小值為1.138μm,最大值為1.273μm,從而獲得經(jīng)磨粒流加工后小孔內(nèi)表面精度的提高,表面質(zhì)量有較明顯改善。從表1的數(shù)據(jù)也可以看出,磨粒粒徑越小,加工效果就越理想,有利于提升工件的表面質(zhì)量。

2.2 工件表面形貌的檢測

為了能更好地了解磨粒流加工前后小孔的表面形貌的改善情況,利用電子顯微鏡對(duì)工件小孔表面形貌進(jìn)行了進(jìn)一步的檢測,電子顯微鏡對(duì)小孔表面形貌放大倍數(shù)為1000倍,共軌管工件小孔經(jīng)磨粒流研拋前后的表面形貌對(duì)比圖如圖11所示。

圖11 磨粒流加工前后共軌管小孔內(nèi)壁表面形貌Fig.11 Surface topography of small inner wall of common rail pipe before and arter abrasive flow machining

磨粒流研拋前的共軌管小孔內(nèi)壁表面形貌比較粗糙,有較多的缺陷,內(nèi)表面凸凹不平,有較大的劃痕和斑塊,而磨粒流研拋后的小孔內(nèi)表面紋路清晰,共軌管內(nèi)表面粗糙度明顯降低,表面形貌變好。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)不同磨粒粒徑下磨粒流研拋共軌管的數(shù)值分析研究可知,磨粒粒徑越小,磨粒流研拋工件內(nèi)表面的精度越高。但隨著磨粒粒徑變小,磨粒與工件壁面的接觸面積也會(huì)變小,磨粒流研拋工件的時(shí)間隨之增大,所以磨粒粒徑的選擇要根據(jù)實(shí)際加工的工件需求,確保其既能滿足研拋要求,又能提高研拋效率。

(2)通過對(duì)動(dòng)壓力、速度場以及湍流動(dòng)能的數(shù)值分析研究,以上各物理量的數(shù)值隨著磨粒粒徑的增大呈現(xiàn)遞減趨勢。通過對(duì)小孔不同橫截面處磨粒的速度矢量與運(yùn)動(dòng)軌跡的分析,獲得了磨粒在小孔流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑以及磨粒與工件壁面的碰撞情況,為實(shí)際研拋效果的預(yù)估以及研拋工藝的制定提供了一定的理論依據(jù)。

(3)為了檢測磨粒流研拋效果,選擇了與數(shù)值分析相同粒徑的磨粒進(jìn)行共軌管的研拋試驗(yàn),對(duì)研拋前后的共軌管小孔表面粗糙度和表面相貌進(jìn)行了檢測,通過檢測發(fā)現(xiàn)經(jīng)磨粒流研拋后共軌管的內(nèi)表面粗糙度可達(dá)到1.138μm,應(yīng)用磨粒流研拋可有效改善共軌管的內(nèi)表面質(zhì)量。共軌管內(nèi)表面粗糙度明顯改善,共軌管內(nèi)表面質(zhì)量有較大的提升,共軌管的供油系統(tǒng)性能將有所改善。

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