基于ANSOFT的復合靜電霧化切削的建模與性能優化

摘要：本文提出復合靜電噴霧切削的建模與性能優化的構想。通過對復合噴霧的噴嘴出口處場強分布情況的有限元分析，確定同軸噴嘴角度、電壓以及內噴嘴直徑對靜電場強度的影響規律，進而為后續復合靜電噴霧霧化形態分析以及其在切削加工應用的霧化參數的選取提供依據。結果表明，采用45°與60°，噴嘴出口處工件側與刀具側場強差值較大，60°時，噴嘴與工件距離較近，電場較大，液滴無法噴射到切削區域;而45°時，相同電壓下產生的場強較小，同樣不利于液滴的驅動。因此相對于45°與60°，采用噴嘴角度為35°時，有利于復合液滴向切削區域運動。

關鍵詞：復合靜電霧化;有限元分析;同軸噴嘴角度;電壓

引言

微量潤滑（Minimal quantity lubrication， MQL）是將微量綠色潤滑劑和壓縮空氣混合霧化，噴射至加工區，對刀具的加工部位實施冷卻潤滑[1]。因其良好的綜合性能，MQL備受學術界和工程界的普遍關注，被認為是極具推廣前途的準干式切削技術。但MQL以壓縮空氣為霧化動力和油霧顆粒傳送載體，油霧顆粒噴出后不再受到約束，導致霧粒飛散從而破壞工作環境[2-5]。研究表明，采用MQL冷卻時空氣中油霧微粒產生的重要來源是將油霧輸送到加工區的傳送過程。以此為依據，國內外研究人員相繼提出了機械降霧、化學降霧、MQL供給參數優化等方法來降低MQL使用過程中的油霧濃度。雖然這些方法在一定程度上改善了工作環境空氣質量，但仍存在需要附加油霧回收裝置與特殊噴霧系統及影響MQL冷卻潤滑性能充分發揮等缺陷。與氣動霧化相比，靜電霧化具有設備簡單、霧滴粒徑小而均勻、運動可控等一系列優點。本文提出復合靜電噴霧切削的建模與性能優化的構想。通過對噴嘴出口處的場強分布情況的仿真，研究了噴嘴空間角度、電壓以及電極間距對靜電場強度的影響。

1 靜電霧化切削靜電場仿真

1.1幾何模型

采用三維繪圖軟件UG繪制噴嘴和刀具的幾何模型，并在Ansoft Maxwell導入繪制的三維圖。根據實際情況，設置模型的各個材料屬性，對噴嘴施加直流負高壓，對刀具施加0kV電壓。其中θ1為噴嘴與XY平面之間的夾角，θ2為噴嘴與XZ平面之間的夾角。電極間距（h）為沿著噴嘴軸線方向上從噴嘴出口至紫銅棒表面的距離。將整體裝配圖以step中間格式導入至Ansoft Maxwell中，各部件之間的空間關系與整個裝配體保持不變。

1.2仿真條件與電場強度的評價方法

由于電場強度是影響靜電霧化最重要的參數，而電場強度由噴嘴空間角度、電極電壓、電極間距等共同決定。本章在噴嘴直徑固定的情況下，重點分析噴嘴角度、電壓以及電極間距對靜電場強度的影響。經過多次的思考和探討，結合實際情況及有限元軟件，最終確定靜電霧化仿真的具體方案。

2 結果與討論

2.1靜電場強度的評價方法

靜電場強度分布云圖絕大部分包圍在噴嘴周圍，而場強矢量線分布很不均勻，在噴嘴出口附近電力線比較密集，因此很難從場強分布云圖和場強矢量分布圖定量評價噴嘴與刀具的靜電場分布。

畫8條指定路徑且與噴嘴軸線平行長度為1mm的線段Line1～Line5，其中Line2～Line4均布在圓d1/4的圓柱面上。line1為在噴嘴軸線方向上噴嘴出口至刀具直線，長度為10mm。刀具至噴嘴出口處分別顯示line1上場強變化。離噴嘴出口1mm時，場強急劇上升而后下降。可見，在噴嘴軸線方向上噴嘴與刀具間場強分布不均勻，刀面附近場強較小，噴嘴附近場強較高。

2.2電壓對靜電場強的影響

為了獲得較好的霧化效果，需要對噴嘴施加合適的電壓。從不同電壓下指定路徑的平均電場強度可以發現靠近刀具側的電場強度均大于遠離刀具側。

2.3電極間距對靜電場強的影響

不同電極間距下指定路徑的平均電場強度可以看出，當電極間距由20mm增加到30mm時，指定路徑的平均電場強度呈現減小趨勢。由此可見，隨著電極間距的增加，平均電場強度近似呈線性減小的趨勢。

2.4噴嘴空間角度對靜電場強的影響

θ1改變對場強分布的影響。可以看出，采用不同的噴嘴角度θ1時，指定路徑下平均電場強度出現逐漸增加的變化趨勢。隨著噴嘴角度θ1的增大，噴嘴角度θ2 =35°的平均電場強度最大。噴嘴角度θ2改變對場強分布的影響。可以看出，隨著噴嘴角度θ2增加，指定路徑的平均電場強度顯著減小，尤其是從45°增加到65°時。

3 結論

（1） 在噴嘴軸線方向上噴嘴與刀具間場強分布不均勻，刀面附近場強較小，噴嘴附近場強較高;

（2） 靠近刀具側的電場強度均大于遠離刀具側;隨著電極間距的增加，平均電場強度呈現減小的趨勢。

（3） 隨著噴嘴角度θ1的增大，噴嘴角度θ2 =35°的平均電場強度最大;隨著噴嘴角度θ2增加，指定路徑的平均電場強度顯著減小，尤其是從45°增加到65°時。

參考文獻

[1]李景良. 電霧化液滴運行軌跡仿真及沉積實驗研究[D]. 大連理工大學碩士學位論文， 2013.

[2]王家青. 靜電涂油機中油液荷電霧化機理及其關鍵技術研究[D]. 武漢科技大學博士學位論文，2007.

[3]王輝. 納米流體導熱及輻射特性研究[D]. 浙江大學碩士學位論文， 2010.

[4]吳金星， 曹玉春， 李澤， 魏新利. 納米流體技術研究現狀與應用前景[J]. 化工新型材料， 2008（10）：10～12.

[5]朱愛軍. 納米流體的穩定及其對流傳熱特性的研究[D]. 江蘇大學碩士學位論文，2010.

作者簡介：

湯正成（1993-），男，碩士研究生，助教。

（江蘇大學京江學院?江蘇?鎮江?212000）