基于微量潤滑磨削的雙噴口噴嘴霧化仿真分析

基于微量潤滑磨削的雙噴口噴嘴霧化仿真分析

毛聰周鑫譚楊孫小麗

長沙理工大學工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，長沙，410114

摘要：為了減小磨削時砂輪表面氣障層的影響，提高磨削液潤滑和冷卻的效果，設計了一種雙噴口結構的噴嘴。分析了微量潤滑霧化機理，采用二級霧化理論建立了霧化數學模型，對雙噴口噴嘴的霧化過程進行了仿真分析，并對仿真結果進行了驗證。研究結果表明：雙噴口噴嘴能有效減小霧滴直徑，提高磨削液的霧化效果；輔助噴口霧滴可以擾亂砂輪表面的空氣環流，減小氣障層對主噴口霧滴流向的影響，促使主噴口噴出的霧滴能順利進入磨削區。

關鍵詞：噴嘴；霧化；數值仿真；微量潤滑；磨削

中圖分類號：TG580.15

收稿日期：2014-12-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51005024，51375061)；長沙市科技計劃資助項目(K1406031-11)

作者簡介：毛聰，男，1975年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院副教授、博士。主要研究方向為磨削加工理論與裝備、刀具材料等。獲省級科技進步獎2等獎1項。發表論文30余篇。周鑫，男，1991年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。譚楊，男，1990年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。孫小麗，女，1987年生。長沙理工大學汽車與機械工程學院碩士研究生。

Numerical Simulation of Atomization Performance for Double-spout Nozzle Used in MQL Grinding

Mao CongZhou XinTan YangSun Xiaoli

Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle,

Hunan Province,Changsha University of Science & Technology，Changsha，410114

Abstract:In order to reduce the impacts of gas barrier, a double-spout nozzle was proposed. The atomization mechanism of MQL was analyzed, and the mathematical model was established by two-stage atomization model. The atomization process of the double-spout nozzle was simulated to analyses the atomization properties, and experiments were carried out to verify the simulation. The results show that the structure of the double-spout can effectively decrease the diameter of droplets and improve the atomization performance. The droplets sprayed by the assistant jet can break the air barrier layer and reduce the effect of the gas barrier layer on droplet flow. Therefore, the droplets from the main jet can enter the grinding zone easily.

Key words: nozzle; atomization; numerical simulation; minimum quantity lubrication(MQL); grinding

0引言

在傳統的澆注冷卻磨削過程中，實際能夠進入磨削區的磨削液較少，且進入磨削區的磨削液受熱后會迅速汽化為蒸汽膜，阻止新的磨削液進入高溫磨削區[1-2]，故澆注冷卻很難滿足磨削加工時冷卻的實際需求。近年來，微量潤滑(minimum quantity lubrication，MQL)以其良好的潤滑、冷卻和排屑性能以及低污染等優點，得到了國內外學者的廣泛關注[3]，并已逐步在銑削[4]、鉆削[5]和車削[6]等加工領域得到應用，日益受到磨削領域專家的重視[7-9]。MQL磨削時，磨削液流量僅為20～100mL/h，比傳統澆注冷卻磨削用量少三四個數量級[10]，具有減少資源浪費和環境污染、降低生產成本等優點[7-8]。磨削液被霧化之后，其表面積急劇增大，潤滑和換熱性能都有較大的提升。

然而，磨削過程中高速旋轉的砂輪表面會產生具有一定壓力和速度的氣障層[11]，氣障層的存在會嚴重阻礙磨削液進入磨削區。MQL的磨削液流量極小，其穿透能力受到限制，氣障層問題顯得尤為嚴重。因此如何將霧滴有效注入磨削區，一直是制約著MQL在磨削加工領域得到廣泛應用的關鍵問題。Ebbrell等[12]發現，霧滴必須具備足夠的動能才能穿透氣障層，且穿透能力與霧滴的形狀、速度、壓力、入射角和噴射距離有關。基于此，Tawakoli等[13]研究了MQL流體入射角和噴射距離對其磨削潤滑性能的影響，發現調整噴嘴的噴射方向并合理布置其安裝位置能提高霧滴的穿透能力。Park等[14]研究發現小直徑霧滴更容易穿過氣障層。還有學者通過改進噴嘴結構來減小氣障層對磨削液的影響，如文獻[15]發現靴狀的噴嘴結構不僅能擾亂砂輪表面快速流動的空氣流向，還能增大砂輪的潤滑區域。

筆者提出了一種雙噴口結構的噴嘴結構，旨在通過采用合理的噴嘴結構來提升磨削液霧化性能，并將霧滴沖破砂輪表面氣障層有效注入磨削區，同時分析MQL的霧化機理，建立微量潤滑霧化數學模型，采用流體仿真技術研究該噴嘴的霧化性能，并通過霧化試驗對數值仿真模型進行驗證。

1雙噴口噴嘴的結構

圖1　雙噴口噴嘴的工作原理

雙噴口噴嘴的工作原理如圖1所示。該噴嘴包含2個噴口(主噴口和輔助噴口)。霧化后的高速霧滴通過主噴口注入磨削區，對工件進行潤滑和冷卻。在主噴口前端有一輔助噴口，輔助噴口噴出具有一定角度的霧滴并率先噴射到砂輪表面，破壞砂輪周圍的氣障層，使得磨削區附近出現瞬時真空或低壓區，從而使主噴口噴出的霧滴能夠更為有效地進入磨削區。

圖2為雙噴口噴嘴的結構圖。磨削液管安裝在氣管內部，兩管保持同軸。磨削液由MQL供液系統送入磨削液管，氣管與磨削液管之間的環形通道為高壓空氣通道，高壓空氣經空氣壓縮機加壓后進入空氣通道，其中，空氣和磨削液的流量均可單獨控制。磨削液管端部附近沿著其徑向均布有若干小孔(位于均布小孔前端的磨削液管外表面有一圓錐面)。小孔后端的磨削液管加工有管肩。氣管出口由輔助噴口和主噴口組成，兩噴口前端的氣管內壁有距離較長的圓弧面。磨削液管中的磨削液通過徑向小孔流入氣管并與高壓氣體混合，高速空氣和低速的磨削液之間存在巨大的相對速度，在高速空氣作用下，磨削液表面會產生很大的摩擦力，從而促使磨削液由珠狀轉變為膜狀。如果摩擦力足以克服液體的表面張力，液態薄膜將會被破碎成微米級的小顆粒，從而完成磨削液的霧化。

1.氣管　2.氣體入口　3.磨削液管　4.磨削液入口　5.圓錐面　6.徑向孔　7.管肩　8.混合室　9.圓弧面　10.輔助噴口　11.主噴口 圖2　雙噴口噴嘴結構圖

2霧化模型

由于霧化過程非常復雜，所以很難采用一種模型將連續的液相和離散的霧滴耦合。為了更好地模擬霧化的過程，本文借鑒文獻[16]提出的二級霧化模型，通過數學模型耦合連續相和離散相。

眾所周知，液體霧化實際上是將連續液體分裂成離散小霧滴的物理過程。根據文獻[16]，黏性液體在外力作用下穿過氣體介質時，首先會變成膜狀，隨著外力的增大，液膜分裂成大霧滴，隨著時間的延續而破碎成小霧滴。黏性液體表面波的增長率為[17]

(σk/ρL-QU2)(tanh(kh)+Q)]1/2-2vktanh(kh)}

(1)

式中，k為干擾波的數量；h為液膜厚度一半；σ為表面張力；ρL為液體密度；Q為氣體與液體的密度比；U為液體初始速度；v為氣體與液體的相對速度。

顯然，當表面波增長率最大時，液膜開始破裂。為了簡化霧滴破碎過程，假設每個波對應一個液膜，則有[16]

(2)

式中，dL為液膜半徑；KS為最大增長率表面波的波數。

根據文獻[17]，霧滴的最頻粒徑d0與液膜半徑dL及歐尼索數Oh有關，即

d0=1.88dL(1+3Oh)1/6

(3)

由于初始狀態磨削液的軸向速度很低，可用氣體速度近似為相對速度。利用上述模型可獲得磨削液的初始粒徑分布，如表1所示。

表1　理論計算的霧滴粒徑分布

上述過程確定了液體霧化的初步粒徑分布，但此時潤滑油還處于高速不穩定狀態，霧滴直徑較大，屬于一級霧化。高速噴出的磨削液滴會在外力作用下繼續破碎成小直徑霧滴，為了更好地模擬這一過程，采用仿真軟件對二級霧化過程進行分析。

3數值仿真分析

3.1三維仿真模型

如圖3所示，三維仿真實體模型主要包括噴嘴、砂輪和工件。由于遠離磨削區的砂輪區域對霧化效果影響極其微小，故建模時砂輪僅截取靠近磨削區的部分。經過多次對比仿真，磨削液管外徑、內徑分別定為4mm和2mm，氣管外徑、內徑分別為8mm和6mm，磨削液管靠近端部位置徑向均布4個直徑為1mm的出液孔，輔助噴口、主噴口直徑分別為1mm和2mm。采用SolidWorks建立三維實體模型，采用ICEM進行網格劃分，網格總數為361 868。

圖3　仿真模型示意圖

3.2參數設置

根據磨削實際工況，氣體壓力設置為0.5～0.7MPa，MQL的流量設定為60mL/h。采用FLUENT軟件進行仿真分析，氣體入口采用壓力入口，壓力分別為0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa。磨削液入口為速度入口，根據流量換算得出磨削液的速度大小為4.16mm/s。采用油基磨削液Vascomill 10 2903-06，密度為900kg/m3，動力黏度為0.009Pa·s。離散相參數根據第2節理論模型獲得。

3.3仿真結果與討論

圖4是壓力為0.6MPa下霧滴的速度分布云圖。由圖4可知，主噴口出口處流體的速度達到最高值140m/s時，隨著噴射距離的增加，流體逐漸呈錐形發散，流速也沿著軸線方向迅速減小。根據文獻[18]，這是因為在噴射距離較短時，流體還未與周圍空氣發生動量交換，速度和流體束形狀基本保持不變。隨著噴射距離的增加，高速射流開始卷吸周圍的空氣并與之發生能量交換，射流外層的速度逐漸降低，內層的速度穩定區域也逐漸縮小，最終形成了圖4所示的錐形速度場。輔助噴口流體的最大速度僅為67m/s，遠低于主噴口噴出的最大速度，這可能是在輔助噴口附近，霧滴的流動方向發生突變而導致其能量損失所引起的。同時，輔助噴口霧滴的初始速度較小，且霧滴在噴射過程中存在速度衰減，從而導致輔助噴口噴出的錐形流體束明顯小于主噴口流體。但輔助噴口流體的作用主要是為了擾亂氣障層，并不需要太高的速度。

圖4　霧滴速度分布云圖

圖5所示為霧滴在不同壓力下沿著主噴口軸線方向的速度變化情況。由圖5可知，不同壓力下霧滴速度變化趨勢大體一致，即沿著主噴口軸線方向噴射速度逐漸減小，且霧滴的最大速度隨著氣體壓力的增大而增大。

圖5　霧滴沿著主噴口軸線方向的速度變化情況

圖6　二級霧化后霧滴粒徑分布云圖

圖7為不同壓力下主噴口霧滴的粒徑分布圖，由圖可知，壓力為0.6MPa時，霧滴直徑基本分布在70～110μm之間，不同粒徑所占體積百分比呈“中間大，兩頭小”的趨勢。通過比較不同壓力下的粒徑分布可知，隨著壓力的增大，霧滴粒徑變小且其分布更加集中在一定的粒徑范圍內。其原因是，噴射壓力增大，將導致噴嘴內壓縮空氣與磨削液之間的相對速度增大，從而使油霧受到高壓氣體的沖擊力增大，因此形成的霧滴直徑更小。

圖7　不同壓力下二級霧化后主噴口霧滴粒徑分布圖

3.4與傳統噴嘴的對比分析

如圖8所示，單口噴嘴的特點是磨削液在其管道軸向與高壓空氣直接混合。對兩種噴嘴在相同霧化參數下的霧化性能進行了仿真對比，仿真時的氣體壓力均為0.7MPa，磨削液流量均為60mL/h。

圖8　單口噴嘴結構示意圖

圖9為雙噴口噴嘴的主噴口和單口噴嘴的霧滴軸向速度曲線圖。從圖9可知，單口噴嘴的霧滴在噴口處達到最大速度205m/s，距噴嘴出口20mm時，其速度迅速衰減為50m/s。雙噴口噴嘴的霧滴在噴口處的最大速度為164m/s，比單口噴嘴的最大速度低了約20%，距噴嘴出口20mm時，速度迅速衰減為25m/s。這是因為雙噴口噴嘴中的霧滴流經輔助噴口時會損失部分能量，導致最大速度有所降低。雖然速度降低會影響流體的穿透能力，但輔助噴口噴出的霧滴束會對砂輪表面進行沖擊，迫使砂輪表面的圓周環流、徑向流等氣流轉變方向，減小氣障層對主噴口霧滴有效注入磨削區的影響，如圖6所示，主噴口噴出的霧滴速度雖有所下降，但更能順利進入磨削區。

圖9　兩種噴嘴霧滴軸向速度比較圖

圖10為單口噴嘴與雙噴口噴嘴的主噴口霧滴粒徑分布圖。由圖10可知，雙噴口噴嘴的霧滴平均粒徑明顯小于單口噴嘴的平均粒徑，并且霧滴粒徑的分布范圍相對集中，這表明雙噴口噴嘴比單口噴嘴更能提高磨削液的霧化性能。如圖8、圖2所示，單口噴嘴的磨削液直接由磨削液管軸向進入混合室，雙噴口噴嘴磨削液通過均布的徑向小孔與空氣混合。顯然，從小孔流出的磨削液處于高壓氣體迎風面，在高速空氣的剪切沖擊作用下，液體的霧化會更加充分；同時，單個小孔的磨削液流量遠小于磨削液通道的流量，這也使得磨削液與高壓空氣混合得更加充分。其次，雙噴口噴嘴在小孔的前端磨削液管外表面加工有一圓錐面，高壓氣體順著圓錐面將小孔流出的磨削液吹向小孔后端的圓柱面。粘附在小孔后端圓柱面上的磨削液在氣流作用下沿著管肩向外流動，有助于磨削液在圓柱面和管肩處膜化。磨削液與高壓空氣的接觸面積大為增加，混合得更加充分，霧滴直徑將更小，分布更加均勻。另外，雙噴口噴嘴混合室的內壁呈圓弧面，霧滴與高壓空氣在混合室內的接觸時間更長，這也將導致霧滴在壓縮空氣的作用下被霧化得更小，霧滴粒徑分布也更為均勻。

圖10　兩種噴嘴霧滴粒徑分布圖

4試驗驗證

為了驗證本文提出的數值仿真模型的可靠性，在仿真參數與試驗參數保持一致的情況下，將仿真結果與文獻[16]的微量潤滑噴嘴霧化試驗結果進行了比較。試驗采用的微量潤滑系統為德國VOGEL外置式系統，該系統配置的磨削液噴嘴結構與第3節仿真時的單口噴嘴一致，采用Winner-312粒度分析儀對霧滴粒徑分布進行檢測。供氣壓力均為0.7MPa，潤滑油型號為2903-06 Vascomill 10，流量均為20mL/h，環境溫度為25℃，監測點與噴嘴距離均為30mm。氣體入口為壓力入口，潤滑油入口為速度入口，通過流量換算得出磨削液速度為1.39mm/s。圖11為單口噴嘴仿真結果與試驗結果粒徑分布對比圖，由圖可知，仿真與試驗的粒徑分布趨勢基本一致，仿真結果中粒徑為140μm左右的霧滴所占的體積分布最大；而試驗結果中，體積分布最大時的霧滴粒徑為130μm，兩者霧滴粒徑誤差小于10%。同時發現，霧滴粒徑為50～100μm時，仿真獲得的體積分布與試驗數據吻合較好；霧滴粒徑為150～200μm時，仿真獲得的體積分布與實驗值存在一定偏差，其原因主要是在實際霧化過程中，霧滴粒徑越大，其受外界環境的影響更大。試驗對比表明，二級霧化模能有效地反映實際霧化情況，說明雙噴口噴嘴分析結果是可靠的。

圖11　仿真與實驗結果對比圖

5結論

(1)相同工況下，雙噴口噴嘴的霧化效果要優于單口噴嘴。雙噴口噴嘴采用側混式結構，使氣液兩相混合更充分，能有效減小霧滴直徑，并使霧滴直徑分布更為均勻。

(2)雙噴口結構輔助噴口噴出的霧滴束會對砂輪表面進行沖擊，破壞砂輪表面氣障層，減小磨削時砂輪氣障層的影響，使得主噴口噴出的霧滴能更有效地進入磨削區。

在Simulink仿真環境下，實現了對閉環系統軌跡追蹤器的建模仿真，并給定外部輸入的參考軌跡Xd如圖8。

(3)采用微量潤滑霧化試驗獲得的霧滴粒徑分布與仿真結果基本一致，說明二級霧化模型正確可靠。

參考文獻：

[1]孫建國, 劉鎮昌. 論綠色切削液的必要性和可行性[J]. 潤滑與密封, 2001(2): 68-69.

Sun Jianguo, Liu Zhenchang.The Essentiality and Feasibility of Green Cutting Fluids[J]. Lubrication Engineering, 2001(2): 68-69.

[2]Malkin S, Guo C.Grinding Technology: Theory and Application of Machining with Abrasives[M]. New York：Industrial Press, 2008.

[3]毛聰, 鄒洪富, 黃勇, 等. 微量潤滑平面磨削接觸區換熱機理的研究[J]. 中國機械工程, 2014, 25(6): 826-831.

Mao Cong, Zou Hongfu, Huang Yong, et al. Research on Heat Transfer Mechanism in Grinding Zone for MQL Surface Grinding[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(6): 826-831.

[4]趙威, 何寧, 李亮，等. 微量潤滑系統參數對切削環境空氣質量的影響[J]. 機械工程學報, 2014, 50(13): 184-189.

Zhao Wei, He Ning, Li Liang, et al. Investigation on the Influence of System Parameters on Ambient Air Quality in Minimum Quantity Lubrication Milling Process[J].Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(13): 184-189.

[5]孔凡霞, 張德遠. 高溫合金微量潤滑振動鉆削溫度與刀具磨損[J]. 北京航空航天大學學報, 2012, 38(6): 849-852.

Kong Fanxia, Zhang Deyuan. Cutting Temperature and Tool Wear in Minimum Quantity Lubrication Vibration Drilling of Superalloys[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2012, 38(6): 849-852.

[6]嚴魯濤, 袁松梅, 劉強. 綠色切削高強度鋼的刀具磨損及切屑形態[J]. 機械工程學報, 2010, 46(9): 187-192.

Yan Lutao, Yuan Songmei, Liu Qiang. Tool Wear and Chip Formation in Green Machining of High Strength Steel[J].Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(9): 187-192.

[7]Barczak L M, Batako A D L, Morgan M N. A Study of Plane Surface Grinding under Minimum Quantity Lubrication (MQL) Condition[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010, 50: 977-985.

[8]Morgan M N, Barczak L, Batako A. Temperatures in Fine Grinding with Minimum Quantity Lubrication(MQL)[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，60：951-958.

[9]Hadad M J, Tawakoli T, Sadeghi M H, et al. Temperature and Energy Partition in Minimum Quantity Lubrication-MQL Grinding Process[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2012, 54: 10-17.

[10]Barczak L M, Batako A D L, Morgan M N. A Study of Plane Surface Grinding under Minimum Quantity Lubrication(MQL) Condition[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010, 50: 977-985.

[11]韓振魯, 李長河. 納米流體兩相流磨削區壓力場建模與實驗[J]. 解放軍理工大學學報，2013，14(5): 558-564.

Han Zhenlu, Li Changhe. The Simulation and Experimental Investigation in Pressure Field of Grinding Zone with Nanofluid[J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2013, 14(5): 558-564.

[12]Ebbrell S, Woolley N H, Tridimas Y D, et al. The Effects of Cutting Fluid Application Methods on the Grinding Process[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2000, 40: 209-223.

[13]Tawakoli T, Hadad M J, Sadeghi M H. Influence of Oil Mist Parameters on Minimum Quantity Lubrication-MQL Grinding Proces[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2010, 50: 521-531.

[14]Park K H, Olortegui-Yume J, Yooh M C,et al. A Study on Droplets and Their Distribution for Minimum Quantity Lubrication(MQL)[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010，50：824-833.

[15]馮寶富, 蔡光起, 潘賢君, 等. 高速磨削冷卻液的注入新方法[J]. 機床與液壓，2002(2): 173-175,119.

Feng Baofu, Cai Guangqi, Pan Xianjun, et al. Coolant Supplying Methods in High-speed Grinding [J]. Machine Tool & Hydraulics, 2002(2): 173-175,119.

[16]湯羽昌, 何寧, 趙威, 等. 基于微量潤滑的兩級霧化仿真與試驗研究[J]. 工具技術, 2013, 47(1): 3-6.

Tang Yuchang, He Ning, Zhao Wei, et al. Simulation of Two-stage Atomization and Experimental Study on Minimum Quantity Lubrication[J]. Tools Engineering, 2013, 47(1): 3-6.

[17]黎國保, 曾子元, 鄧斌. 一種空氣霧化噴嘴的仿真研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(5): 128-130,136.

Li Guobao, Zeng Ziyuan, Deng Bin.An Research on Numerical Simulation of an Air Blast Atomizer[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(5): 128-130,136.

[18]吳重敏, 陳革, 薛文良. 基于FLUENT的噴氣織機主噴嘴內流場的三維數值模擬[J]. 東華大學學報, 2010, 36(1): 66-69.

Wu Chongmin, Chen Ge, Xue Wenliang. Numerical Simulation of a Three-dimensional Flow Field in Main-nozzle of Air-jet Loom Based on FLUENT[J]. Jourmal of Donghua University, 2010, 36(1): 66-69.

(編輯張洋)