磨粒流拋光彎管的數(shù)值模擬與試驗(yàn)優(yōu)化

劉 洋，李俊燁，蘇寧寧，朱 旭

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

1 引言

精密加工工藝正在廣泛接受用于壓鑄模具或注塑模具等精密部件的最終操作。目前已經(jīng)提出了很多方法來(lái)減少加工過(guò)程中的表面粗糙度。這些先進(jìn)的精加工工藝，如超聲波研磨、電化學(xué)拋光、磁性研磨加工和球體磨光機(jī)加工[1-3]等都是為滿足加工需求而研發(fā)的。這些方法雖然會(huì)降低表面粗糙度，但是它們可能會(huì)由于長(zhǎng)時(shí)間加工而增加成本，或受制于所加工的零件形狀，不能深入的進(jìn)行拋光，因此出現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單可靠，低成本和高效的拋光方法，稱(chēng)為磨粒流加工（Abrasive flow machining，AFM）。

磨粒流加工（AFM）是在二十世紀(jì)六十年代開(kāi)發(fā)的一種去毛刺，拋光和倒圓角以及其他難以達(dá)到的復(fù)雜部位和邊緣表面的方法，磨粒流工藝的關(guān)鍵部件是機(jī)器、工具和研磨介質(zhì)。工藝輸入?yún)?shù)如擠壓壓力，循環(huán)次數(shù)，磨粒成分和夾具設(shè)計(jì)等都會(huì)影響AFM 輸出響應(yīng)（表面光潔度和材料去除率），作為制造業(yè)的一種表面精加工工藝，AFM在航空航天，醫(yī)療，電子，汽車(chē)和精密模具等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[4-6]。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，通過(guò)修改磨粒流的一些關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，例如加工周期，擠壓壓力，研磨介質(zhì)粘度等，來(lái)證明材料去除和表面粗糙度有效性。文獻(xiàn)[7]提出一種氣-液-固三相磨粒流加工方法，通過(guò)在加工流場(chǎng)內(nèi)注入微尺度氣泡群，利用氣泡破裂的能量提升磨粒流加工能力，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加工后，最終表面粗糙度下降，表面紋理更為均勻。文獻(xiàn)[8-9]以共軌管為研究對(duì)象，以顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)為參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)究，最終試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析一致，并且得到了拋光共軌管的最佳工藝參數(shù)。

當(dāng)前研究人員對(duì)研磨液的屬性或機(jī)床參數(shù)或工件硬度進(jìn)行了深入探究，但基本上選擇的都是單因素實(shí)驗(yàn)研究，選擇不同入口壓力和不同顆粒濃度為主要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析，對(duì)磨粒流的拋光效果進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，并最終進(jìn)行了試驗(yàn)探究。

2 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

選擇的仿真對(duì)象為工程中常見(jiàn)的90°彎管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有代表性，其壁厚為2mm，內(nèi)徑幾何參數(shù)，如圖1所示。

圖1 彎管幾何形狀示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Elbow Geometry

在數(shù)值模擬之前首先要對(duì)彎管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，良好的網(wǎng)格質(zhì)量才可以保證仿真的準(zhǔn)確性和可信度。采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，并在彎管的拐角處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其節(jié)點(diǎn)數(shù)48240，網(wǎng)格數(shù)為44800，左側(cè)為進(jìn)口，上側(cè)為出口，劃分后的網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Meshing

以FLUENT軟件為數(shù)值模擬平臺(tái)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Mixture混合模型，基于分離式求解器和經(jīng)典的SIMPLE算法對(duì)其進(jìn)行求解計(jì)算，動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)和湍流動(dòng)能都采用一階迎風(fēng)格式，由于顆粒均勻分散，故視為擬連續(xù)相，不考慮顆粒之間的相互作用，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。在材料設(shè)置中，第一相設(shè)為航空煤油，第二相設(shè)為碳化硅，兩相材料的基本屬性，如表1所示?？紤]入口壓力和磨料濃度對(duì)磨粒流加工的影響，其入口壓力分別設(shè)為2MPa、4MPa和6MPa，磨料濃度分別設(shè)為10%、15%和20%，對(duì)彎管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

表1 材料物理屬性Tab.1 Material Physical Properties

3 數(shù)值分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到不同入口壓力和磨料濃度下的多種參數(shù)進(jìn)行分析，在這里主要對(duì)湍流動(dòng)能、速度和壓力三個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，探究不同入口壓力和磨料濃度下的磨粒流作用規(guī)律，分析磨粒流對(duì)彎管內(nèi)表面的加工影響，獲得最佳的表面質(zhì)量。

圖3表明隨著入口壓力的增大，磨粒流的速度也相應(yīng)的增大，尤其是在拐角處最為明顯。磨粒流在入口處相對(duì)比較平穩(wěn)，當(dāng)達(dá)到拐角處后，由于流體與壁面發(fā)生撞擊導(dǎo)致速度猛然激增，速度達(dá)到最大；流過(guò)拐角之后，磨粒流的速度略有下降，這是因?yàn)殡m然在拐角處速度達(dá)到最大，但也正因?yàn)榱黧w與壁面發(fā)生劇烈碰撞導(dǎo)致能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為切削能，丟失一部分能量。從出口處可以看出右側(cè)的速度比左側(cè)的大，這是因?yàn)殡x心力的作用，左右兩側(cè)呈現(xiàn)速度差，而進(jìn)口處則不存在這現(xiàn)象。綜上分析可以得出結(jié)論：在彎管進(jìn)口處磨粒流加工的較均勻，在拐角處速度最大，加工效果最好，在出口處右側(cè)比左側(cè)加工效果好，因此在實(shí)際加工時(shí)，應(yīng)以出口作為入口，重復(fù)加工過(guò)程，可得到理想的表面質(zhì)量。除了對(duì)速度分布進(jìn)行研究之外，還對(duì)湍流動(dòng)能和流體總壓進(jìn)行了討論，不同入口壓力下的湍流動(dòng)能和總壓，如圖4、圖5所示。

圖3 不同入口壓力下的速度分布Fig.3 Velocity Distribution at Different Inlet Pressures

圖4 不同入口壓力下的湍流動(dòng)能分布Fig.4 Distribution of Turbulent Flow Energy at Different Inlet Pressures

圖5 不同入口壓力下的總壓分布Fig.5 Total Pressure Distribution at Different Inlet Pressures

從圖4和圖5可以看出磨粒流的湍流動(dòng)能和總壓都隨著入口壓力的增大而增大。相對(duì)于入口和出口來(lái)說(shuō)，彎管拐角處的湍流動(dòng)能較大，這也說(shuō)明在拐角處的加工效果較好；圖5表明磨粒流的總壓是逐漸降低的，因?yàn)槟チＡ髟诩庸み^(guò)程中流體與壁面撞擊發(fā)生能量損耗，從而造成能量流失，從而導(dǎo)致出口的加工效果較差。以上討論分析表明當(dāng)入口壓力為6MPa時(shí)磨粒流的加工效果最好，因此選擇6MPa為入口壓力，對(duì)不同顆粒濃度下的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖6～圖8所示。

圖6 不同顆粒濃度下的速度分布Fig.6 Velocity Distribution at Different Particle Concentrations

圖7 不同顆粒濃度下的湍流動(dòng)能分布Fig.7 Distribution of Turbulent Flow Energy at Different Particle Concentrations

圖8 不同顆粒濃度下的總壓分布Fig.8 Total Pressure Distribution at Different Particle Concentrations

圖6和圖7顯示隨著顆粒濃度增大，磨粒流速度和湍流動(dòng)能呈減小趨勢(shì)，可以表明隨著顆粒濃度的增大，流體的流動(dòng)性減弱，流動(dòng)阻力增大，磨粒流對(duì)壁面的作用效果減弱，拋光效果較差。圖8表明在同一入口壓力下，顆粒濃度的增加對(duì)磨粒流的總壓幾乎沒(méi)有太大影響，總壓基本保持一致，最大值保持不變，各階段有略微提升，但是對(duì)加工沒(méi)有太大影響。通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論：當(dāng)入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%，磨粒流對(duì)壁面的拋光效果較好，因此選擇此參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)探究。

4 試驗(yàn)分析

通過(guò)以上數(shù)值分析，進(jìn)行磨粒流加工試驗(yàn)。采用入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%，利用自行配置的磨料對(duì)彎管進(jìn)行磨粒流加工試驗(yàn)，分別采用掃描電鏡和光柵表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)磨粒流加工前后的進(jìn)口和出口處的內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果，如圖9～圖12所示。

圖9 拋光前的進(jìn)口與出口檢測(cè)圖Fig.9 Import and Exit Inspection Map Before Polishing

圖10 拋光后的進(jìn)口與出口檢測(cè)圖Fig.10 Imported and Exported Inspection Map after Polishing

圖11 拋光前的彎管進(jìn)口與出口表面形貌Fig.11 Curved Inlet and Outlet Surface Topography before Polishing

圖12 拋光后的彎管進(jìn)口與出口表面形貌Fig.12 Curved Inlet and Outlet Surface Topography after Polishing

通過(guò)圖9～圖10 發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)表面進(jìn)口處的粗糙度由1.15μm 減少到0.354μm 而出口處的粗糙度降低到0.602μm，雖然表面質(zhì)量得到明顯提高，但是可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)磨粒流拋光后進(jìn)口處的粗糙度與出口處相比要低很多，表面質(zhì)量相對(duì)較差。圖11表明在磨粒流拋光前，彎管進(jìn)出口表面粗糙不平，表面雜亂，表面質(zhì)量較差，從圖12 可知經(jīng)磨粒流加工后，彎管進(jìn)出口的內(nèi)表面得到改善，但是仍存在明顯劃痕和大毛刺，且出口處的表面質(zhì)量要低于進(jìn)口處。因此為了得到均勻一致的內(nèi)表面，對(duì)彎管進(jìn)行雙向磨粒流加工。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)是以彎管的一端為磨粒流入口，另一端為磨粒流出口得到的，下面對(duì)彎管進(jìn)行磨粒流雙入口加工，換而言之，就是以磨粒流出口作為磨粒流入口，重復(fù)上述加工過(guò)程，得到表面檢測(cè)結(jié)果，如圖13、圖14所示。

圖13 拋光后的進(jìn)口與出口檢測(cè)圖Fig.13 Imported and Exported Inspection Map after Polishing

圖14 磨粒流拋光前后的表面形貌Fig.14 Surface Topography before and after Abrasive Flow Polishing

圖13、圖14可以看出，在經(jīng)磨粒流雙入口加工后，彎管進(jìn)出口處的內(nèi)表面粗糙度分別為0.309μm和0.297μm，與單入口磨粒流加工相比，表面粗糙度顯著降低，表面形貌趨于均勻一致，表面質(zhì)量顯著提高。

5 結(jié)論

面對(duì)單向磨粒流加工的不均勻問(wèn)題，提出雙向磨粒流加工的方法，以彎管為研究對(duì)象，選擇入口壓力和顆粒濃度為研究參數(shù)，通過(guò)對(duì)不同入口壓力和顆粒濃度下的速度、湍流動(dòng)能和總壓對(duì)比分析，得出當(dāng)入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%時(shí)，磨粒流拋光效果較好，并選擇該參數(shù)進(jìn)行了磨粒流加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明彎管內(nèi)表面粗糙度顯著降低；且發(fā)現(xiàn)與單入口磨粒流加工相比，雙入口磨粒流加工更能取得均勻一致的表面形貌，表面質(zhì)量得到極大改善。