尖邊噴嘴磨料水射流特性分析及對(duì)去除函數(shù)輪廓的影響

林 琳, 趙志磊, 蔣東岑, 張?jiān)婆? 尤 暉

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004; 2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)

引言

磨料水射流技術(shù)是以水為介質(zhì),磨料與水充分混合后經(jīng)高壓發(fā)生裝置獲得能量,從噴嘴高速射出,形成液固兩相混合射流,依靠磨料和水的沖擊,從而實(shí)現(xiàn)材料去除和加工。該技術(shù)最早用在采礦破巖[1-3],在此基礎(chǔ)上迅速發(fā)展出射流除銹[4-6]、射流切割[7-9]、射流車削[10-12]、射流鉆孔[13-15]、射流拋光等技術(shù)[16-18]。磨料水射流技術(shù)應(yīng)用非常廣泛,如石油開發(fā)、航空航天、精密器械、軍事等領(lǐng)域,其中磨料水射流拋光技術(shù)(Abrasive Water Jet Polishing)對(duì)陶瓷、光學(xué)玻璃、鈦合金等硬脆難加工材料的超精密加工中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[18-23]。GUO Zongfu等[24]采用磨料水射流拋光技術(shù)對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行拋光加工,使其表面粗糙度達(dá)到了3 nm。楊平等[25]使用平均粒徑為50 nm的磨料對(duì)熔石英玻璃進(jìn)行拋光加工,使其表面粗糙度達(dá)到了0.307 nm。BEAUCAMP A等[26]用磨料射流加工了鍍鎳光學(xué)模具,可以有效去除單點(diǎn)金剛石車削痕跡,表面粗糙度降至1 nm。MATSUMURA T等[27]采用磨料水射流拋光槽寬175 μm,深20 μm的微槽結(jié)構(gòu),表面粗糙度降至25 nm,并且去除了刀具痕跡和黏附切屑。對(duì)于自由型面、復(fù)雜三維型面、微小內(nèi)腔等難以加工零件的高精度鏡面加工,磨料水射流精密拋光技術(shù)已被證明是最有效方法之一。

磨料水射流加工的射流是由磨料與水形成的固液兩相混合的自由流,其流場(chǎng)特性將直接影響加工的質(zhì)量。射流在噴嘴處與外界空氣接觸發(fā)生卷吸效應(yīng),不同的噴嘴形狀因卷吸效應(yīng)不同導(dǎo)致射流軸向速度不同,導(dǎo)致出口處的壓力和速度改變,直接影響射流加工的精度和效率。在對(duì)噴嘴形狀與流場(chǎng)特性的研究中,YU Yanfang等[28]使用數(shù)值模擬方法分析了不同雷諾數(shù)下5種不同形狀噴嘴的水射流卷吸特性進(jìn)行分析。分析表明自由流在相同出口速度下,三角形噴嘴的卷吸率最大,是十字形噴嘴的1.92～2.32倍,三角形噴嘴的軸線速度最大,是十字形噴嘴的3.02～3.5倍;同時(shí)不同形狀噴嘴的射流軸向最大時(shí)均速度均隨軸向位置增大呈冪函數(shù)關(guān)系衰減。HASHIEHBAF A等[29]采用粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry,PIV)研究了三角形、方形、橢圓形、矩形等噴嘴形狀對(duì)自由射流的影響。接近軸對(duì)稱形狀的方形和三角形噴嘴射流接近圓形,而橢圓形和矩形噴嘴發(fā)生軸切換線形,允許在不同的速度分量和方向上重新排列湍流。噴嘴出口幾何形狀和傳質(zhì)現(xiàn)象也存在一定關(guān)系,SODJAVI K等[30]將有曲率的半球形十字出口引入研究,發(fā)現(xiàn)噴嘴表面的曲率完全改變了射流的行為,在自由射流區(qū)域,噴嘴射流主平面的平均剖面中的兩步分布守恒,導(dǎo)致壁面剪切率和Sherwood數(shù)分布出現(xiàn)雙峰。射流加工中,另一個(gè)重要影響因素是射流的發(fā)散,尤其在磨料水射流加工中。水射流從噴嘴高速噴出后會(huì)與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生動(dòng)量變換,隨著距離的增加,水射流受到空氣的影響進(jìn)一步累積擴(kuò)大,會(huì)出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象。NYABORO J等[31]在航空用7075-T6鋁合金磨料水射流加工的研究中表明,水射流的發(fā)散會(huì)使射流束直徑變寬,從而使射流的侵蝕材料的輪廓變寬,影響加工質(zhì)量。帶有尖邊的噴嘴如三角形、方形噴嘴等對(duì)射流的發(fā)散及其對(duì)材料侵蝕輪廓的影響尚不明確,需要更深入的探討。

在磨料水射流拋光過程中,出口速度、壓力及射流的發(fā)散性的變化將導(dǎo)致侵蝕材料的輪廓改變,相當(dāng)于改變了加工的“刀具”形狀?，F(xiàn)有的研究多針對(duì)于圓形出口噴嘴,圓形噴嘴射流垂直沖擊工件表面時(shí),只能去除沖蝕區(qū)域邊緣位置的材料,而中心位置的材料難以去除,去除函數(shù)輪廓截面呈“W形,如圖1a所示,而射流在傾斜狀態(tài)沖蝕工件時(shí),去除函數(shù)輪廓為月牙形,如圖1b所示。圓形出口噴嘴結(jié)構(gòu)簡單、容易加工,但在確定性拋光加工過程中,這種雙峰形態(tài)的去除函數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響加工質(zhì)量[32-33]。而尖邊形噴嘴的材料去除輪廓形狀需要進(jìn)一步的研究和探討。

圖1 圓形噴嘴射流與工件表面不同夾角下去除函數(shù)輪廓Fig.1 Function outline of circular nozzle at different angles betweenjet flow and workpiece surface

因此,本研究基于自主研發(fā)的磨料水射流拋光系統(tǒng),深入研究尖邊噴嘴的磨料水射流特性和在拋光加工中材料去除輪廓特性。重點(diǎn)討論尖邊噴嘴磨料水射流在噴嘴出口處的速度及壓力影響;討論尖邊噴嘴磨料水射流的發(fā)散性以及對(duì)材料的去除輪廓特征。研究結(jié)果有望增加磨料水射流加工中“刀具”的多樣性,明確尖邊噴嘴磨料水射流的射流特性及產(chǎn)生機(jī)理。

1 射流特性分析

1.1 噴嘴幾何形狀介紹

本研究中的尖邊噴嘴形狀為最具代表性的三角形、正方形及線形,并以圓形作為參照對(duì)比。尖邊噴嘴的邊長以及圓形噴嘴直徑設(shè)為1 mm,線形噴嘴寬設(shè)為0.5 mm,由于較為狹窄易出現(xiàn)堵塞,故長設(shè)為2 mm。噴嘴芯材料為304鋼,噴嘴加工成型方式采用慢走絲線切割加工,并使用基恩士3D輪廓測(cè)量儀對(duì)加工后的噴嘴進(jìn)行測(cè)量并標(biāo)定(放大100倍)。加工處的噴嘴出口具體幾何參數(shù)如圖2a及表1所示,可見加工誤差較小,滿足實(shí)驗(yàn)的要求。噴嘴芯安裝在自主設(shè)計(jì)的可快速拆裝的噴頭上,噴頭整體結(jié)構(gòu)如圖2b所示。噴頭主要由腔體、噴嘴芯、底蓋、密封圈、壓力表安裝孔組成,噴嘴芯上部呈錐形并與腔體配合起到自定位作用。

表1 不同幾何形狀出口噴嘴的幾何特征Tab.1 Geometric characteristics of outlet nozzles with different geometric shapes

圖2 噴嘴芯實(shí)物圖及快速拆裝噴頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Physical picture of nozzle core and structure diagram of quick disassembly nozzle

1.2 不同噴嘴流場(chǎng)的仿真

1) 模型建立

磨料水射流具有復(fù)雜流體特性,通過實(shí)驗(yàn)的方式很難捕捉到流體及磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),雖然有學(xué)者采用PIV方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 但也需要昂貴的硬件設(shè)備[34]。

因此,在研究中多采用數(shù)值模擬的方式分析噴嘴處射流的速度及加速度。例如,陳冰冰等人通過對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析與比較,得出不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于噴嘴內(nèi)部壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)影響,優(yōu)化了噴嘴結(jié)構(gòu)[35];WANG等人通過數(shù)值模擬仿真了垂直和斜向沖擊模式下的射流拋光過程,并通過拋光實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性[36]。

本研究基于計(jì)算流體力學(xué)方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),使用ANSYS FLUENT18.0對(duì)不同噴嘴的射流特性進(jìn)行仿真。多相流模型采用VOF(Volume of Fluid)模型。VOF模型是建立在歐拉網(wǎng)格下的界面追蹤方法,跟蹤相之間的界面是通過求解一相或多相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程來完成的。

對(duì)第q相,連續(xù)性方程為:

(1)

式中,Sαq—— 源項(xiàng),各相的體積分?jǐn)?shù)之和為1

動(dòng)量方程:

+▽·μ(▽u+▽Tu)+f

(2)

式中,u—— 速度

ρ—— 密度

p—— 壓力

g—— 重力加速度

μ—— 黏度

f—— 界面力源項(xiàng)

α—— 相體積分?jǐn)?shù)

σ—— 表面張力

通過求解整個(gè)區(qū)域的單一動(dòng)量方程,作為結(jié)果的速度場(chǎng)是由各相共享的。動(dòng)量方程右側(cè)的界面力源項(xiàng)相當(dāng)于在界面處增加的由界面張力導(dǎo)致的壓力增量。

射流流場(chǎng)處于高湍流狀態(tài),所以采用有很好的經(jīng)濟(jì)性和對(duì)大范圍湍流的合理預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型,湍流動(dòng)能方程k和耗散方程ε分別為:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

式中,k—— 紊流脈動(dòng)動(dòng)能

ε—— 紊流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率

Gk,Gb—— 由平均速度梯度和浮力引起k的產(chǎn)生項(xiàng)

YM—— 可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響

σk,σε——k和ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)

C1ε,C2ε,C3ε—— 經(jīng)驗(yàn)常數(shù),Fluent中,默認(rèn)σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09

模擬不同形狀出口噴嘴流場(chǎng)的網(wǎng)格模型和邊界條件如圖3所示,模型的入口尺寸按照噴嘴芯的設(shè)計(jì)尺寸設(shè)置,使用ICEM分塊劃分,選用六面體網(wǎng)格,其中對(duì)于圓柱和棱柱結(jié)構(gòu)使用O形和Y形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法,來保證網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)噴嘴出口和工件壁面處進(jìn)行網(wǎng)格適當(dāng)加密,可提高計(jì)算速度和精度。磨料水射流拋光中,較低的液壓可使材料去除更容易控制,因此模型入口壓力設(shè)為0.6 MPa。

圖3 模擬不同形狀出口噴嘴流場(chǎng)的網(wǎng)格模型和邊界條件Fig.3 Mesh models and boundary conditions simulating flow fields of outlet nozzles with different shapes

2) 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格質(zhì)量是影響數(shù)值模擬計(jì)算精度的主要因素之一,因此需要對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證,重點(diǎn)對(duì)線形噴嘴以相同的方式劃分三組不同數(shù)量的網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量如表2所示。

表2 網(wǎng)格數(shù)量Tab.2 Number of grids

入口壓力為0.6 MPa時(shí),不同網(wǎng)格單元數(shù)量下噴嘴內(nèi)射流沿軸線的速度變化如圖4所示。從圖中可以看出在三種網(wǎng)格單元數(shù)下,噴嘴內(nèi)部射流的速度變化趨勢(shì)基本一致,并且其中的誤差非常小。網(wǎng)格1的射流速度略低于網(wǎng)格2與網(wǎng)格3,網(wǎng)格數(shù)從253990增加到468313時(shí),射流速度變化曲線將近重合,因此可知再繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量將對(duì)計(jì)算精度幾乎沒有影響,因此在保證計(jì)算精度以及降低計(jì)算成本的情況下,采用網(wǎng)格2即可滿足要求。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性分析Fig.4 Grid independence analysis

3) 仿真結(jié)果與分析

在入口壓力為0.6 MPa時(shí),不同形狀噴嘴的流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖5所示。圖5a為流場(chǎng)的軸向速度分布云圖,下方為噴嘴出口處的橫向速度云圖,壓力分布云圖如圖5b所示。不同噴嘴射流速度隨著噴射距離的增加而減小,有尖端角的噴嘴流場(chǎng)在尖端角處的射流速度小于射流中心速度。射流噴射出來后的卷吸效應(yīng)及受到空氣的阻力使得射流速度逐漸減小,而射流在噴嘴內(nèi)的尖端角處受到壁面對(duì)其的作用力更大,使其加速效果差。在虛線位置分別提取不同噴嘴出口處的速度分布進(jìn)行對(duì)比來定量分析,結(jié)果如圖6a所示,圓形、三角形、方形、線形噴嘴射流中心速度分別為34.51, 34.29, 34.38, 33.37 m/s,可以看出不同噴嘴出口處的射流中心速度相接近,其中線形噴嘴射流速度比其它噴嘴的射流速度小2.7%左右,因?yàn)榫€形噴嘴較為狹長,射流更容易受到壁面的影響,使其在相同的壓力下出口速度略小,并且其速度分布寬度大于其他噴嘴。

圖5 入口壓力為0.6 MPa不同出口形狀噴嘴流場(chǎng)云圖Fig.5 Flow field cloud diagram of nozzles with different outlet shapes with inlet pressure of 0.6 MPa

圖6 入口壓力為0.6 MPa不同形狀噴嘴流場(chǎng)速度與壓力分布Fig.6 Velocity and pressure distribution of flow field of different nozzles with inlet pressure of 0.6 MPa

不同噴嘴流場(chǎng)軸線速度分布如圖6b,射流從噴嘴噴出后速度快速減小,隨后速度減小的速率開始變緩,因?yàn)樯淞鲝膰娮靸?nèi)進(jìn)入外界后突然受到空氣的卷吸效應(yīng)及阻力的影響,使射流變得不穩(wěn)定,所以速度減小的較快,隨后射流穩(wěn)定下來,射流速度的減小開始變緩,其中三角形噴嘴射流速度降低的最快,因?yàn)槿切螄娮斐隹诓粚?duì)稱以及其有較小的尖端角,使其射流在受到空氣的作用力分布不均勻,從而導(dǎo)致三角形噴嘴動(dòng)量損失較為嚴(yán)重。

提取沿水平軸線上的壓力分布,如圖6c所示,可知當(dāng)入口壓力為0.6 MPa時(shí),由于噴嘴內(nèi)部壁面和噴嘴外部空氣對(duì)射流的阻力等因素導(dǎo)致射流的動(dòng)量損失,圓形、方形、線形出口噴嘴射流最終對(duì)工件產(chǎn)生的壓力大約在0.4 MPa左右、而三角形出口噴嘴射流對(duì)工件表面產(chǎn)生的壓力約在0.18 MPa左右,因?yàn)樯淞鲗?duì)工件的壓力大小取決于射流的動(dòng)量,而在相同的條件下三角形噴嘴射流動(dòng)量易損失,速度最小,說明三角形出口噴嘴射流不利于材料的去除。

有研究表明圓形噴嘴射流在沖蝕工件表面時(shí)會(huì)在沖蝕區(qū)域的中心處形成一個(gè)滯留區(qū),該區(qū)域的速度中心低而外側(cè)高,這導(dǎo)致了磨料隨著射流偏離原來垂直的運(yùn)動(dòng)方向而沖擊滯留區(qū)的外側(cè),從而導(dǎo)致了圓形噴嘴射流沖擊的中心區(qū)域材料去除效果不明顯,最終圓形噴嘴去除函數(shù)的截面輪廓為“W”形[37]。不同噴嘴射流近工件表面處的速度分布如圖7所示。圓形、三角形、 方形噴嘴射流在距離工件表面0.2 mm, 0.4 mm,0.6 mm處的速度分布都是中心低而兩側(cè)高,而線形出口噴嘴射流在距離工件表面0.2, 0.4,0.6 mm處的速度分布則相對(duì)比較平緩,說明圓形、三角形、方形噴嘴射流在工件表面會(huì)形成滯留區(qū),而線形噴嘴射流在工件表面不易形成滯留區(qū)。相對(duì)于其他噴嘴,線形噴嘴射流束更窄,在工件表面的沖蝕區(qū)域難以形成滯留區(qū),這將有利于沖蝕區(qū)域中心材料的去除。

圖7 不同出口形狀噴嘴射流在離目標(biāo)靶面不同距離處的速度分布Fig.7 Velocity distribution of jet from nozzles with different outlet shapes at different distances from target plane

1.3 發(fā)散實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)方法

不同形狀噴嘴磨料水射流的發(fā)散情況通過微觀拍攝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,使用高速攝影機(jī)photron FASTCAM拍攝不同出口形狀噴嘴的射流,其實(shí)驗(yàn)示意圖如圖8所示,射流與水平面垂直,拍攝的射流長度為300 mm,其中拋光液中添加有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的Al2O3磨料。

圖8 高速攝影機(jī)拍攝射流實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.8 Schematic diagram of jet experiment captured by high-speed camera

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

噴射壓力為0.6 MPa時(shí),使用高速攝影機(jī)拍攝的不同噴嘴的射流如圖9所示,從噴嘴噴出的水射流被認(rèn)為是一種自由流,射流可分為初始段、基本段和消散段[38],在射流的初始段和基本段,射流速度較高,結(jié)構(gòu)完整,如圖9a虛線框中的射流段。

圖9 不同出口形狀噴嘴射流束的特征Fig.9 Characteristics of jet beam of nozzles with different outlet shapes

截取噴嘴以下35 mm的射流段,對(duì)比不同噴嘴射流的發(fā)散程度,如圖9b所示,圓形噴嘴射流沒有出現(xiàn)明顯的發(fā)散,三角形和方形噴嘴射流寬度隨著靶距的增加有變寬的趨勢(shì),而線形噴嘴出現(xiàn)了明顯的發(fā)散,因?yàn)榫€形噴嘴出口較寬,對(duì)射流的約束性差,易向兩邊發(fā)散。用η=d1/d2來表現(xiàn)射流的發(fā)散程度,d1、d2分別為距噴嘴0 mm及35 mm處的射流寬度,不同形狀噴嘴射流的發(fā)散程度如圖9c所示,可見不同噴嘴發(fā)散程度按大小排序?yàn)? 線形噴嘴>三角形噴嘴>方形噴嘴>圓形噴嘴。射流的消散段位于射流束的最后部分,隨著距離的增加,水射流在消散段中與介質(zhì)已完全融合,如圖9a實(shí)線框中的射流段。不同噴嘴射流的初始段和基本段長度不同,按大小排序?yàn)?圓形噴嘴>方形噴嘴>三角形噴嘴>線形噴嘴, 可知射流的發(fā)散性與射流初始段和基本段的長度呈負(fù)相關(guān)。圓形噴嘴射流在拍攝的距離范圍內(nèi)未出現(xiàn)消散段,因?yàn)閳A形噴嘴射流的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)使其受到空氣的影響更小,使其射流的初始段和基本段更長。相對(duì)于圓形噴嘴,尖邊噴嘴射流的初始段和基本段更短,因?yàn)榧膺厙娮焐淞魇欠切D(zhuǎn)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),易受空氣影響,其中線形噴嘴射流由于發(fā)散,使其與空氣相接觸的面更大,受空氣的影響更大,從而導(dǎo)致隨著噴射距離的增加更早的出現(xiàn)了消散段。

射流的初始段和基本段有完整的射流結(jié)構(gòu),射流動(dòng)量損失少,穩(wěn)定性好,因此,磨料水射流拋光的噴射靶距通常小于40 mm,位于射流的初始段和基本段。針對(duì)線形噴嘴射流易發(fā)散的現(xiàn)象,通過提高射流壓力,可以減小射流發(fā)散,如圖10a為不同噴射壓力下線形噴嘴射流, 在距噴嘴35 mm處的射流寬度隨噴射壓力的變化如圖10b所示,隨著噴射壓力的增大,射流束更集中,發(fā)散減小,從而射流寬度減小。

圖10 不同壓力下線形噴嘴射流的特征Fig.10 Characteristics of linear nozzles under different pressure

2 材料去除輪廓實(shí)驗(yàn)

2.1 噴嘴出口形狀對(duì)去除函數(shù)輪廓特征的影響

1) 實(shí)驗(yàn)方法

在課題組自主研發(fā)的磨料水射流拋光系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)來研究不同形狀噴嘴材料去除輪廓形貌特征,噴嘴固定在Z軸上,復(fù)合X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完成空間高精確運(yùn)動(dòng),如圖11a所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,使用ZYGO VeriFire激光干涉儀(λ=632.8 nm)檢測(cè)材料去除輪廓形貌,如圖11b所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及檢測(cè)設(shè)備Fig.11 Experimental platform and testing equipment

依次使用圓形、三角形、方形、線形噴嘴芯,以單點(diǎn)駐留加工的方式在K9光學(xué)玻璃表面進(jìn)行定點(diǎn)沖蝕實(shí)驗(yàn),每種噴嘴加工3個(gè)點(diǎn)位,材料去除深度和去除寬度取其平均值,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。其中拋光液添加的磨粒為Al2O3,平均粒徑為1 μm,其在混合液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%。

表3 定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Tab.3 Experimental parameters of fixed point

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圓形、三角形、方形、線形出口噴嘴在工件表面加工得出的去除函數(shù)輪廓的俯視圖和主視圖如圖12所示。通過對(duì)不同幾何形狀噴嘴的去除函數(shù)輪廓的形狀、深度和寬度進(jìn)行分析,來研究噴嘴形狀對(duì)去除函數(shù)的影響。各噴嘴得到的去除函數(shù)輪廓俯平面形狀與噴嘴出口形狀基本相似,其中圓形、三角形、方形出口噴嘴的去除函數(shù)輪廓中心高,四周低,射流沖蝕區(qū)域中心材料沒能有效去除;而線形出口噴嘴的去除函數(shù)輪廓中心最低,射流沖蝕區(qū)域中心材料可以得到有效去除。圖13為不同噴嘴去除函數(shù)輪廓的二維圖及其截面輪廓,虛線位置為寬度最大的對(duì)稱軸線,從該位置截面輪廓可以看出,圓形、三角形和方形出口噴嘴去除函數(shù)截面輪廓均為“W”形,而線形噴嘴去除函數(shù)截面輪廓近似“V”形。相對(duì)于圓形噴嘴,三角形、方形、線形噴嘴更難加工,噴嘴的出口處存在一定的粗糙度,從而導(dǎo)致其去除函數(shù)輪廓不如圓形噴嘴去除函數(shù)輪廓平滑。結(jié)合仿真結(jié)果分析認(rèn)為圓形、三角形和方形出口噴嘴射流沖蝕工件表面時(shí),在工件表面中心速度低而外側(cè)速度高從而形成滯留區(qū),磨料隨著射流偏離原來垂直的運(yùn)動(dòng)方向而沖蝕滯留區(qū)的外側(cè),從而導(dǎo)致了射流沖蝕的中心區(qū)域材料去除效果不明顯,而較窄的線形出口噴嘴射流沖蝕工件表面時(shí)不易在工件表面產(chǎn)生滯留區(qū),能夠?qū)χ行牟牧线M(jìn)行充分的去除,所以相對(duì)于圓形、三角形和方形出口噴嘴,線形出口噴嘴射流可以更有效的去除中心區(qū)域的材料。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明有尖端角的三角形和方形噴嘴材料去除均勻性較差,并且對(duì)應(yīng)噴嘴的尖端角處射流的材料去除量更高,分析認(rèn)為該位置距射流中心更遠(yuǎn),在射流沖擊工件表面時(shí),受到滯留區(qū)的影響更小,因此速度更大,有更高的材料去除量。

圖12 不同出口形狀噴嘴的去除函數(shù)輪廓Fig.12 Removal function contours of nozzles with different outlet shapes

圖13 不同出口形狀噴嘴的去除函數(shù)輪廓二維平面圖及截面輪廓Fig.13 Removal function profiles of nozzles with different outlet shapes Two-dimensional plane and section profiles

不同噴嘴去除函數(shù)的輪廓尺寸如圖14所示,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,不同噴嘴去除深度如圖14a所示,圓形出口噴嘴和方形出口噴嘴去除深度接近,三角形出口噴嘴去除深度最小,線形出口噴嘴去除深度最大。結(jié)合仿真結(jié)果分析可知,在相同的噴射壓力下,三角形出口噴嘴射流速損失最快,磨粒沖蝕玻璃表面的動(dòng)量最小,所以去除深度最小;圓形和方形噴嘴的速度變化趨勢(shì)基本相同,所以去除深度也基本相同;線形出口噴嘴射流速度雖然比圓形和方形出口噴嘴速度小2.7%左右,但因?yàn)樯淞鞑灰自诠ぜ砻嫘纬蓽魠^(qū),去除深度最大,相對(duì)與圓形出口噴嘴去除深度提高了140%。不同噴嘴去除寬度如圖14b所示,其中圓形、三角形、方形、線形出口噴嘴的寬度分別為1.1 mm、0.91 mm(取高)、1.58 mm(取對(duì)角線)、2.15 mm,它們對(duì)應(yīng)的去除函數(shù)輪廓的寬度分別是3.11, 3.14, 4.19, 6.45 mm,因此可以得出在射流靶距為30 mm 時(shí),去除函數(shù)輪廓的寬度通常為噴嘴出口寬度的3倍左右。在實(shí)際加工中,可根據(jù)噴嘴形狀與去除函數(shù)輪廓的關(guān)系對(duì)噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì),其中線形噴嘴去除效率高,可去除沖蝕區(qū)域中心材料,這些優(yōu)點(diǎn)使其具有較大的應(yīng)用前景。

圖14 不同幾何形狀噴嘴對(duì)去除函數(shù)輪廓尺寸的影響Fig.14 Influence of nozzles with different geometric shapes on contour size of removal function

2.2 工藝參數(shù)對(duì)去除函數(shù)輪廓的影響

1) 實(shí)驗(yàn)方法

磨料水射流加工過程中工藝參數(shù)的改變也會(huì)影響材料表面去除輪廓的形貌[39],本研究選擇噴射靶距、噴射時(shí)間和噴射壓力三個(gè)主要影響參數(shù),探討其對(duì)尖邊形狀噴嘴的材料去除輪廓特征的影響,并和圓形噴嘴進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)采用多組定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)完成,具體實(shí)驗(yàn)條件如表4所示。為減小誤差,每種工藝參數(shù)各加工3個(gè)點(diǎn)位,材料去除深度和去除寬度取其平均值。

表4 不同噴嘴定點(diǎn)去除實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置Tab.4 Technological parameters offixed point removal experiment with different nozzles

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圓形、三角形、方形、線形噴嘴在不同工藝參數(shù)下去除函數(shù)輪廓的變化規(guī)律如圖15所示,分別對(duì)噴射靶距、噴射時(shí)間、噴射壓力對(duì)去除深度和去除寬度的影響進(jìn)行分析。隨著噴射靶距的增加,材料去除深度會(huì)逐漸減小,因?yàn)樯淞魇艿娇諝獾淖枇ψ饔盟俣戎饾u降低,磨粒的動(dòng)量逐漸減小,從而導(dǎo)致材料去除量不斷減小。隨著噴射時(shí)間的增加,材料去除深度會(huì)逐漸增加,因?yàn)榧庸r(shí)間越長,碰撞工件表面磨粒的總量越多,材料去除量越大。隨著噴射壓力的增加,材料去除深度逐漸增加,因?yàn)閲娚鋲毫υ酱?射流的速度越大,磨粒的動(dòng)能越大,材料的去除量越大。隨著工藝參數(shù)的變化,圓形、三角形、方形噴嘴射流的材料去除寬度無明顯的變化規(guī)律,而線形出口噴嘴射流材料去除寬度隨著噴射靶距的增加逐漸增加,隨著噴射壓力的增大而減小,分析認(rèn)為圓形、三角形、方形出口噴嘴射流發(fā)散現(xiàn)象不明顯,所以在小靶距范圍內(nèi)其去除函數(shù)輪廓寬度無明顯變化趨勢(shì),而線形噴嘴的出口較寬,使得噴嘴內(nèi)壁對(duì)射流的約束減弱,射流易發(fā)散,從而導(dǎo)致去除函數(shù)輪廓寬度易受工藝參數(shù)的影響。

圖15 工藝參數(shù)對(duì)不同形狀噴嘴去除函數(shù)輪廓的影響Fig.15 Influence of process parameters on removal function profiles of nozzles with different shapes

工藝參數(shù)的變化對(duì)去除深度變化量的影響如圖16所示,其中隨著靶距的變化,相對(duì)于圓形噴嘴,尖邊噴嘴去除深度變化量較大,因?yàn)榧膺厙娮焐淞鞣切D(zhuǎn)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),射流在空氣中受力不均勻,從而動(dòng)量損失更快,導(dǎo)致材料去除深度降低的更快。隨著噴射時(shí)間和噴射壓力的改變,線形噴嘴材料去除深度變化量最大,圓形和方形噴嘴材料去除深度變化量接近,三角形噴嘴材料去除深度變化量最小,因?yàn)榫€形噴嘴有較好的材料去除性能,所以相比其它噴嘴,增加噴射時(shí)間和噴射壓力會(huì)使得其材料去除深度變化量更大,而三角形噴嘴則相反。此外,噴射壓力的變化對(duì)不同噴嘴去除深度影響最大,因?yàn)閲娚鋲毫χ苯佑绊懼淞鞯乃俣?從而影響材料去除深度。

圖16 工藝參數(shù)的變化對(duì)去除深度變化量的影響Fig.16 Influence of process parameter variation on removal depth variation

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種便于拆卸更換的噴嘴,加工了不同出口形狀的噴嘴芯,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析了不同幾何形狀噴嘴的流場(chǎng)特性及其對(duì)去除函數(shù)輪廓的影響,具體可得出以下結(jié)論:

(1) 仿真結(jié)果表明,在相同的入口壓力下,不同形狀噴嘴出口速度相接近,在低靶距內(nèi),相對(duì)于圓形、方形、線形出口噴嘴射流,三角形出口噴嘴射流在空氣中動(dòng)量更容易損失,對(duì)目標(biāo)靶面產(chǎn)生的壓力最小。圓形、三角形、方形噴嘴射流在工件表面沖擊區(qū)域會(huì)形成滯留區(qū),而線形噴嘴射流在工件表面沖擊區(qū)域不易形成滯留區(qū);

(2) 不同噴嘴射流的初始段和基本段長度按大小排序?yàn)閳A形噴嘴>方形噴嘴>三角形噴嘴>線形噴嘴,與射流的發(fā)散性呈負(fù)相關(guān),其中隨著噴射距離的增加,線形噴嘴射流最容易出現(xiàn)發(fā)散,適當(dāng)增大壓力可減少其發(fā)散;

(3) 在相同的加工條件下,不同噴嘴的去除函數(shù)輪廓俯平面形狀相似于噴嘴的出口形狀,且去除寬度約為噴嘴寬度的3倍。圓形、三角形和方形出口噴嘴射流沖蝕區(qū)域中心材料去除效果不明顯,去除函數(shù)截面輪廓為“W”形,線形出口噴嘴射流沖蝕區(qū)域中心材料可以得到有效去除,去除函數(shù)截面輪廓近似“V”形。其中有尖端角的三角形和方形噴嘴材料去除均勻性較差。在相同的條件下,圓形和方形出口噴嘴的材料去除深度相差不大,三角形噴嘴的材料去除深度最小,而線形出口噴嘴有最大材料去除深度,相對(duì)于圓形噴嘴,線形出口噴嘴去除深度提高了140%;

(4) 不同形狀噴嘴的材料去除深度隨著噴射靶距的增加而減小,與噴射時(shí)間和噴射壓力呈正比,其中尖邊噴嘴材料去除深度更容易受噴射靶距的影響,圓形、三角形、方形出口噴嘴材料去除寬度隨著工藝參數(shù)的變化基本保持不變,而線形噴嘴材料去除寬度會(huì)受到工藝參數(shù)的影響。