基于FLUENT的微量潤滑磨削流場仿真研究*

孫 建,錢 煒,丁子珊

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

0 引 言

隨著一些前沿產(chǎn)業(yè)(如航空航天、軍工器械、醫(yī)療器械)的快速發(fā)展,以及對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高,高性能的元器件得到更加廣泛的應(yīng)用。作為材料去除過程中的最后工藝,磨削加工技術(shù)越來越受關(guān)注[1]。

在磨削過程中,極高的磨削比能會在磨削區(qū)產(chǎn)生大量的熱,會對工件造成各種類型的熱損傷,如燒傷、裂紋、相變以及不利的殘余拉應(yīng)力[2]。因具有成本高、冷卻液利用率低、污染環(huán)境、危害工人健康等缺點[3-5],傳統(tǒng)的澆注冷卻已不能滿足現(xiàn)代磨削加工的需求?；诰G色生產(chǎn)理念和降低生產(chǎn)成本,需要探索新的冷卻方法。

MQL冷卻技術(shù)是一項富有前景的技術(shù),并有望替代傳統(tǒng)冷卻技術(shù)。該冷卻技術(shù)是將微量的磨削液與壓縮氣體混合,形成磨削液噴霧,提高磨削液滲透到磨削區(qū)的能力,進(jìn)而提高冷卻效果。據(jù)已有的研究結(jié)果表明,MQL冷卻技術(shù)可以有效地降低工件表面的粗糙度,減小砂輪磨損,減小磨削力,并可在一定的程度上改善工件的殘余應(yīng)力[6-11]。

砂輪周圍的氣障層是影響磨削液冷卻效果的關(guān)鍵因素。為了提高磨削液的冷卻效果,有必要對砂輪周圍流場進(jìn)行研究。EBBRELL S等人[12]采用實驗的方式測量了砂輪的流場,其研究結(jié)果表明，在楔形磨削區(qū)會形成反射流,阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū);而且其反射流會隨著砂輪線速度的提高而增強(qiáng),隨著砂輪與工件之間間隙的減小而減弱。王春玉[13]基于計算流體力學(xué)理論,建立了三維砂輪流場仿真模型,對砂輪周圍流場進(jìn)行了仿真分析,其研究結(jié)果表明，砂輪與工件形成的楔形空間沒有明顯的返回流;而砂輪側(cè)面流出的側(cè)向溢流較為明顯,磨削液受返回流的影響較小,會在側(cè)向溢流作用下從側(cè)面流出,進(jìn)而降低磨削液的冷卻效果。韓振魯[14]的研究認(rèn)為,砂輪軸向尺寸不會影響砂輪流場的分布;并建立了其二維仿真模型,仿真的結(jié)果顯示,在楔形磨削區(qū)有明顯的返回流,阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū),且返回流會隨著砂輪速度的提高和最小間隙的減小而增強(qiáng)。

MQL冷卻技術(shù)較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)更具優(yōu)勢,主要是因為MQL射流具有較強(qiáng)穿透力,更容易穿過砂輪周圍的氣障層到達(dá)磨削區(qū),達(dá)到冷卻潤滑的目的。盡管對砂輪流場的研究和對MQL的研究有很多,但很少有學(xué)者對MQL條件下的砂輪流場進(jìn)行研究;而且在砂輪流場對MQL射流進(jìn)入磨削區(qū)的影響方面也少有研究。

事實上,MQL射流穿透砂輪流場的能力是決定MQL冷卻效果的關(guān)鍵因素;而砂輪流場的分布規(guī)律對MQL射流能否進(jìn)入磨削區(qū)有很大的影響。

本研究基于計算流體力學(xué),應(yīng)用FLUENT仿真軟件對砂輪流場進(jìn)行仿真分析,并在此基礎(chǔ)上利用離散項仿真模型對MQL條件下的砂輪流場進(jìn)行仿真分析,將磨削區(qū)的氣體作為連續(xù)相,MQL霧滴作為離散相,探究微量潤滑參數(shù)(氣體壓強(qiáng)、磨削液流量)對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量的影響。

1 砂輪流場分析

1.1 砂輪流場的形成

砂輪在旋轉(zhuǎn)時會帶動其表面的空氣微團(tuán)運(yùn)動,由于空氣具有粘性,砂輪表面的空氣微團(tuán)會帶動其相鄰的空氣微團(tuán)運(yùn)動,在砂輪周圍形成環(huán)形氣流,即圓周氣流;而砂輪側(cè)表面的空氣在離心力的作用下流向砂輪邊緣,新的空氣不斷地補(bǔ)充到砂輪側(cè)面,形成由砂輪中心流向砂輪邊緣的徑向流;對于存在氣孔的砂輪,還會形成滲透流和內(nèi)部流。

因此,圓周氣流、徑向流、滲透流、內(nèi)部流共同構(gòu)成了砂輪流場[15]。

1.2 砂輪流場理論建模

在進(jìn)行砂輪流場仿真時,空氣的壓縮性對仿真結(jié)果有著很大的影響。通?？筛鶕?jù)空氣的馬赫數(shù)(Ma)來判斷空氣的壓縮性[16-18]。

Ma計算如下:

(1)

(2)

式中:va—空氣的流速;T—環(huán)境溫度;a—該環(huán)境下的聲速。

取環(huán)境溫度T=298 K,將砂輪最大速度40 m/s代入式(1,2),可得Ma=0.115 6<0.3。由于氣體動力粘度較小,砂輪周圍空氣流速應(yīng)小于砂輪最大線速度,砂輪周圍空氣的馬赫數(shù)(Ma)小于0.3。因此,對砂輪流場進(jìn)行分析時,可將空氣視為不可壓縮氣體。

根據(jù)流體力學(xué)理論,二維砂輪流場滿足連續(xù)方程、動量守恒方程、能量守恒方程。其基本控制方程分別為:

(1)連續(xù)性方程。方程如下:

(3)

由于此處視空氣為不可壓縮氣體,連續(xù)性方程可化簡為:

(4)

(2)動量守恒方程。方程如下:

(5)

(3)能量守恒方程。方程如下:

(6)

式中:ρ—流體密度;f—體力;τ—剪切力,ui—x、y方向的速度u、v;λ—流體的導(dǎo)熱系數(shù);T—流場溫度;cp—流體比熱容;e—內(nèi)能。

(4)k-ε湍流模型。

由于方程中的未知數(shù)要多于方程個數(shù),為使方程封閉,引入k-ε湍流模型。

k方程為:

(7)

ε方程為:

(8)

(9)

式中:k—湍動能;ε—湍動耗散率;σk,σε—湍流Prandtl數(shù);模型常量分別取值為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。

(5)二相流模型。

MQL磨削技術(shù)是將磨削液與壓縮空氣混合,使其霧化為微米級的液滴進(jìn)而進(jìn)入磨削區(qū),以實現(xiàn)冷卻潤滑效果的潤滑方法。

微量潤滑中的磨削液量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的量。在流體計算仿真中,當(dāng)液體、氣體體積率小于10%時,要采用離散相模型。因此,離散相模型更符合MQL射流與砂輪流場耦合場的仿真。

2 平面磨削流場仿真

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

筆者對砂輪流場進(jìn)行二維仿真(仿真模型包括砂輪、工件兩部分),將模型導(dǎo)入ICEM軟件中建立二維求解域;并定義求解域邊界條件,應(yīng)用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

ICEM網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通過定義全局網(wǎng)格參數(shù),再對重要的計算區(qū)域通過局部加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于砂輪與工件之間的間隙較小,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方式進(jìn)行劃分時,在間隙附近的網(wǎng)格會發(fā)生嚴(yán)重的畸變,嚴(yán)重影響網(wǎng)格的質(zhì)量,進(jìn)而影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

而結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的單元網(wǎng)格為四邊形,可以有效地避免間隙附近網(wǎng)格的畸變。故筆者采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方式。由于砂輪與工件間隙較小,為保證間隙處的流場仿真精度,其附近的網(wǎng)格尺寸應(yīng)取間隙寬度的1/10。

仿真幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 仿真模型與網(wǎng)格

仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

2.2 流場壓力分布分析

砂輪流場的壓力分布云圖如圖2所示。

圖2 砂輪流場壓力分布云圖

空氣存在粘性,空氣在砂輪的帶動下流向楔形引入?yún)^(qū),由于間隙過小,氣流在此聚集,使壓力高于大氣壓。在楔形流出區(qū),氣流隨砂輪流轉(zhuǎn)動流出,形成負(fù)壓區(qū)。

2.2.1 最小間隙對楔形區(qū)壓強(qiáng)分布影響

砂輪線速度為40 m/s條件下,筆者改變砂輪與工件之間的最小間隙,通過仿真得到楔形區(qū)壓強(qiáng)分布變化情況;其中,最小間隙h分別取0.05 mm,0.1 mm,0.3 mm,0.5mm。

楔形區(qū)壓強(qiáng)變化曲線如圖3所示。

圖3 不同最小間隙楔形區(qū)壓力變化曲線

EBBRELL[12]214通過磨削實驗對楔形區(qū)流場壓力進(jìn)行了測試,其壓力分布曲線如圖4所示。

圖4 EBBRELL磨削實驗楔形區(qū)壓力分布

對比圖(3,4)可知:由于砂輪線速度方向不一致,兩圖中楔形區(qū)壓力正負(fù)分布相反;但從壓力的變化趨勢來看,仿真結(jié)果與磨削實驗測量結(jié)果相一致,由此可以說明,使用二維仿真模型的仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的。

分析圖3還可知:砂輪與工件之間的最小間隙對楔形區(qū)壓力分布有一定的影響;最小間隙越小,楔形區(qū)壓力峰值越大,且最小間隙越小,對楔形區(qū)壓力峰值影響越大;在同樣的線速度條件下,在最小間隙h為0.05 mm和0.1 mm時,楔形區(qū)壓力峰值遠(yuǎn)大于最小間隙h為0.3 mm和0.5 mm時的峰值。而楔形區(qū)壓力越大,越不利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。因此,小的最小間隙不利于磨削液的有效冷卻潤滑。

2.2.2 砂輪線速度對磨削區(qū)壓力影響

砂輪與工件之間的最小間隙h=0.05 mm,在保證上述條件不變的情況下,筆者改變砂輪的線速度,通過仿真得到磨削氣流場楔形區(qū)的壓力分布情況。

仿真中砂輪線速度分別為:20 m/s、30 m/s、40 m/s,得到壓強(qiáng)變化曲線如圖5所示。

圖5 不同線速度楔形區(qū)壓力變化曲線

由圖5可知:在最小間隙不變的條件下,砂輪線速度增大對楔形區(qū)的壓強(qiáng)分布規(guī)律影響不大,但楔形區(qū)壓強(qiáng)的峰值隨砂輪線速度的提高而增大;楔形區(qū)壓強(qiáng)的增大表明在楔形區(qū)的氣障層增強(qiáng),不利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū),使磨削液的冷卻潤滑效果減弱。

2.2.3 砂輪線速度和最小間隙對壓強(qiáng)分布綜合影響分析

砂輪線速度、砂輪與工件之間的最小間隙均是影響楔形區(qū)壓力分布的重要因素,但這兩個因素并非相互獨(dú)立,而是相互影響,共同決定楔形區(qū)域的壓力分布。

筆者改變砂輪線速度和最小間隙,通過仿真獲得不同砂輪線速度和最小條件下的楔形區(qū)壓強(qiáng)變化曲線圖,如圖6所示。

圖6 磨削區(qū)壓力變化曲線圖

對比圖6(a～d)可以發(fā)現(xiàn):砂輪線速度對楔形區(qū)壓強(qiáng)分布的影響程度取決于砂輪與工件之間最小間隙的大小;當(dāng)最小間隙越小時,砂輪線速度對楔形區(qū)壓強(qiáng)峰值影響越大。

當(dāng)h=0.05 mm時,3種線速度條件下楔形區(qū)的壓強(qiáng)峰值有著明顯的差距;當(dāng)h=0.5 mm時,3種線速度條件下楔形區(qū)壓強(qiáng)差別很小,砂輪線速度對楔形區(qū)峰值影響很小。

2.3 流場速度分析

砂輪旋轉(zhuǎn)時,其表面形成的氣體流場會在砂輪的表面形成氣障層,阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。由于空氣具有一定的粘度,會隨著砂輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動,在砂輪與工件之間形成楔形區(qū)間,氣流運(yùn)動至楔形區(qū)間后會在楔形區(qū)間聚集,形成返回流,其流向與砂輪旋轉(zhuǎn)方向相反,楔形區(qū)速度矢量局部放大圖如圖7所示。

圖7 楔形區(qū)速度矢量局部放大圖

返回流水平方向速度由磨削區(qū)流出,對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)有很大的阻礙作用。為使磨削液進(jìn)入磨削區(qū),磨削液噴射應(yīng)盡量避開返回流區(qū)域。相關(guān)研究表明,噴嘴軸線與工件表面呈一定角度(15°～20°)時[9],磨削液更容易進(jìn)入磨削區(qū)。

2.3.1 砂輪線速度對楔形區(qū)速度分布影響

由上述分析可知,阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的主要是楔形區(qū)流場的水平方向分量,因此,筆者主要對楔形區(qū)水平速度分布進(jìn)行研究。在最小間隙h=0.05 mm條件下進(jìn)行仿真。

改變砂輪線速度,依次取20 m/s、30 m/s、40 m/s,楔形區(qū)水平速度變化曲線如圖8所示。

圖8 水平速度分布曲線

由圖8分析可知:在最小間隙附近,楔形區(qū)流場速度與砂輪線速度相一致,有利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū);在遠(yuǎn)離最小間隙區(qū)域(-0.04 m～-0.005 m),流場速度與砂輪速度相反,形成返回流,不利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。

由圖8還可以看出:砂輪線速度越大,返回流強(qiáng)度越強(qiáng);并且在高速時,對返回流強(qiáng)度影響更明顯,在較低速度時,砂輪對返回流強(qiáng)度影響較弱。

2.3.2 最小間隙對楔形區(qū)速度分布影響

為了研究不同條件下,砂輪與工件之間最小間隙對楔形區(qū)水平速度分布的影響,筆者取砂輪線速度值20 m/s、30 m/s、40 m/s。

砂輪與工件間的間隙取決于砂輪的形貌,其值應(yīng)小于磨粒突出砂輪表面的最大高度,此處筆者分別取最小間隙值0.05 mm、0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm進(jìn)行仿真。

楔形區(qū)水平速度變化曲線如圖9所示。

圖9 不同間隙速度水平分量分布圖

由圖9可知:砂輪與工件間最小間隙對楔形區(qū)水平速度分量的分布趨勢及峰值影響不大,但對楔形區(qū)返回流的強(qiáng)度影響較大;-0.04 m～-0.005 m區(qū)間,X向速度分量為負(fù)值,說明在該區(qū)間存在返回流;隨著最小間隙減小,返回流速度越大,越不利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。

從圖9中還可以看出:最小間隙值越小,影響程度越大;在線速度為40 m/s條件下,當(dāng)最小間隙大于0.3 mm時,最小間隙對返回流無明顯影響。

3 微量潤滑條件下流場仿真分析

微量潤滑技術(shù)是將微量的磨削液通過壓縮氣體進(jìn)行霧化,將霧化的磨削液液滴噴入磨削區(qū),實現(xiàn)冷卻潤滑的技術(shù)。液滴的運(yùn)動軌跡將決定磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量。

筆者應(yīng)用FLUENT軟件[19]對砂輪流場中液滴運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真。由于存在氣體和液體兩種狀態(tài)的流體,采用二相流模型。對于微量潤滑,磨削液的量極小,液、氣體積比遠(yuǎn)小于10%,故筆者將磨削液看作離散相。

在FLUENT軟件中,離散相模型中共有5種霧化模型:平口噴嘴霧化模型、壓力-旋流霧化噴嘴模型、轉(zhuǎn)杯霧化模型、空氣輔助霧化模型、氣泡霧化模型。根據(jù)微量潤滑工作原理,筆者選擇空氣輔助霧化模型進(jìn)行流體仿真。

仿真模型如圖10所示。

圖10 流場仿真幾何模型

3.1 MQL射流對砂輪流場的影響

磨削液經(jīng)噴嘴霧化后,形成具有一定初速度的氣、液混合射流(MQL射流)。MQL射流進(jìn)入砂輪流場,會對砂輪流場形成擾動,進(jìn)而影響砂輪流場的分布。根據(jù)2.2節(jié)論述,二維仿真模型適用于磨削流場的仿真。

通過仿真獲得的在MQL射流影響下的楔形區(qū)域流場速度分布局部放大圖,如圖11所示。

圖11 楔形區(qū)速度矢量局部放大圖

由圖11可知:MQL射流對楔形區(qū)速度分布影響較大,在噴嘴出口偏上和偏下位置均出現(xiàn)渦流。根據(jù)渦流的流向可以判斷,渦流的存在會阻礙磨削液液滴進(jìn)入磨削區(qū),減弱磨削液的冷卻潤滑效果。

壓強(qiáng)分布圖如圖12所示。

圖12 流場壓強(qiáng)分布圖

根據(jù)圖12可知:MQL射流會增大楔形區(qū)的壓強(qiáng),且擴(kuò)大了高壓區(qū)的范圍;這樣的變化對于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)是不利的。

3.2 磨削液有效流量影響因素分析

由3.1節(jié)可知,MQL射流的砂輪流場產(chǎn)生的影響不利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。但磨削液經(jīng)霧化產(chǎn)生的小液滴具有一定的動能,當(dāng)達(dá)到一定值時,可以克服砂輪流場的阻礙進(jìn)入磨削區(qū)。由于磨削液密度一定,液滴動能取決于液滴的初速度和液滴體積。

根據(jù)噴霧學(xué)原理,磨削液流速和氣體壓強(qiáng)是影響液滴體積和速度的關(guān)鍵因素。

3.2.1 空氣壓強(qiáng)對磨削液有效流量的影響

線速度為40 m/s,磨削液流量為50 mL/h,在保證上述條件不變的條件下,筆者通過改變壓縮氣體壓強(qiáng),得到不同壓強(qiáng)條件下磨削液液滴的運(yùn)動軌跡。

壓縮氣體壓強(qiáng)取值為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa時,其液滴運(yùn)動軌跡如圖13所示。

圖13 液滴軌跡圖

圖13中為MQL射流中的各液滴在砂輪流場中的運(yùn)動軌跡。

對比圖13可知:隨著壓縮氣體壓強(qiáng)的增加,磨削液液滴越容易克服砂輪流場的阻礙作用,進(jìn)入磨削區(qū),即壓縮氣體壓強(qiáng)越大,磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量越大。這是由于隨著壓縮氣體壓強(qiáng)增大,液滴的初速度越大,越容易克服氣障層和返回流的阻礙。

根據(jù)液滴碰壁理論[20],當(dāng)液滴與壁面碰撞時會出現(xiàn)3種狀態(tài),即反彈、鋪展依附在壁面、液滴飛濺破碎。但當(dāng)液滴速度過大,在與壁面碰撞時,液滴破碎成小液滴飛濺入砂輪流場中,可能導(dǎo)致破碎的小液滴不能進(jìn)入磨削區(qū),減小磨削液的有效流量。

3.2.2 磨削液流量對有效流量的影響

在線速度為40 m/s,壓縮氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa時,在保證上述條件不變的情況下,筆者分別取磨削液流量為30 mL/h、40 mL/h、50 mL/h;通過仿真可以獲得3種流量下的液滴運(yùn)動軌跡圖。其中,流量為30 mL/h、40 mL/h條件下的軌跡如圖14所示。

流量為50 mL/h時,其液滴運(yùn)動軌跡如圖13(c)所示,對比圖13(c)、圖14可以發(fā)現(xiàn):

在3種流量的條件下,磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量相差不大;影響磨削液液滴穿過氣障層的因素主要為氣障層強(qiáng)度、液滴速度、液滴體積;在砂輪線速度一定的情況下,氣障層強(qiáng)度基本相同,液滴速度和液滴體積成為影響液滴進(jìn)入磨削區(qū)的主要因素;改變磨削液流量,進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量無明顯變化,其原因可能是改變磨削液流量對液滴速度和體積的影響較小,進(jìn)而對進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量無明顯影響。

4 結(jié)束語

依據(jù)流體力學(xué)理論,本文建立了砂輪流場仿真模型,并對磨削區(qū)磨削液有效流量進(jìn)行了仿真研究。

研究結(jié)果表明:

(1)在最小間隙一定的條件下,砂輪線速度越高,流場對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的阻礙作用越強(qiáng);當(dāng)砂輪線速度低于某一值(臨界值)時,楔形區(qū)返回流較弱,對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)影響很小;當(dāng)最小間隙為0.05 mm時,砂輪線速度臨界值為20 m/s;

(2)最小間隙越小,氣障層對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)阻礙作用越強(qiáng);最小間隙影響線速度臨界值的大小,最小間隙越大,線速度臨界值越大;當(dāng)最小間隙分別為0.05 mm、0.3 mm、0.5 mm時,相應(yīng)的線速度臨界值分別為20 m/s、30 m/s、40 m/s;

(3)可以通過調(diào)節(jié)MQL參數(shù)來克服砂輪流場對磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的阻礙作用;增加壓縮氣體的壓強(qiáng)可以增大磨削液液滴的速度,提高磨削液穿過砂輪流場的能力,進(jìn)而提高磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的有效流量。但壓縮氣體壓強(qiáng)過高,會導(dǎo)致液滴碰壁飛濺進(jìn)入砂輪流場,減小有效流量。線速度在40 m/s時,氣體壓強(qiáng)應(yīng)不超過0.6 MPa。由于微量潤滑使用的磨削液量很小,改變磨削液流量對有效流量影響很小,僅僅從砂輪流場角度考慮,可以忽略磨削液流量變化對有效流量的影響。

在后續(xù)研究中,筆者會進(jìn)行微量潤滑磨削的磨削區(qū)流場實驗,通過實驗研究砂輪線速度、最小間隙對磨削區(qū)流場分布的影響,并通過實驗獲得磨削液在流場中的狀態(tài),分析砂輪線速度、氣體壓強(qiáng)、磨削液流量對進(jìn)入磨削區(qū)有效流量的影響規(guī)律。