一種液粒兩相流光整工藝與試驗研究* ＊

張 強 李文輝 侯志燕 王進軍

(①太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原030024;②廊坊市北方天宇機電技術(shù)有限公司，河北 廊坊065000)

工程中有大量液粒兩相流應(yīng)用問題，對于管道輸運，水電站等出現(xiàn)液粒兩相流流動現(xiàn)象中的管壁和水輪機，許多學(xué)者都致力于防止這些金屬部件的沖蝕磨損的研究，對其做了大量理論和實驗研究。機械生產(chǎn)過程中，許多工件內(nèi)孔需要去除毛刺，對內(nèi)孔表面進行光整，提高表面質(zhì)量，傳統(tǒng)的人工打磨等加工方法不能使內(nèi)孔表面質(zhì)量均勻，而且效率較低，加工范圍比較局限。根據(jù)工件的光整加工機理［1］，利用金屬部件在液粒兩相流中沖蝕磨損作用，對防止金屬部件腐蝕理論進行反向應(yīng)用，利用液粒兩相流理論光整加工工件內(nèi)孔，去除毛刺，提高其表面質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)原理

金屬在攜帶固體顆粒的流體中有相對速度存在時，金屬表面會受到?jīng)_刷磨損作用，工程中出現(xiàn)的金屬部件在受液粒兩相流沖刷磨損的過程，往往是不穩(wěn)定、不均勻的，出現(xiàn)金屬部件表面磨損程度不一致現(xiàn)象，同時參照槳葉式攪拌機作用機理［2］，設(shè)計了一種小型光整加工裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，主要部件為:流體箱、葉輪、電動機等輔助裝置。

工件置于流體箱內(nèi)，調(diào)整位置使葉輪處于工件內(nèi)孔中心處。流體箱(工件是盲孔則不需要)利用連通器原理，主要作用是保持工件內(nèi)混合流體相不會流出。葉輪的葉片與垂直于葉輪軸線平面間夾角大約為20°，如圖1b 所示，這一特殊結(jié)構(gòu)使得葉輪在旋轉(zhuǎn)時，工件內(nèi)孔的液粒混合液在旋轉(zhuǎn)過程中能夠沿著工件內(nèi)孔向上攀爬一定距離，整個截面形狀類似開口向上的拋物線，如圖2 所示，葉輪靜止時，流體混合相中固體顆粒沉積在容器底壁，葉輪在電動機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，此時由于葉輪的特殊曲面結(jié)構(gòu)，將流體箱內(nèi)預(yù)先配制好的液粒混合液攪拌均勻，并帶動其旋轉(zhuǎn)，形成了強制液粒兩相流湍流流動，液粒兩相流體在流體箱內(nèi)以葉輪軸為中心高速旋轉(zhuǎn)，流體中的固相顆粒在液相的帶動下緊貼工件內(nèi)壁做圓周運動，對放置在流體箱的工件內(nèi)壁進行沖擊，劃擦磨削等作用下進行光整加工。同時電動機可以帶動葉輪在工件軸向進行進給，對工件內(nèi)孔不同位置進行光整加工，該進給輔助塊的作用就是隨著電動機的移動限制磨具的運動，改變加工位置。

2 固相顆粒在流體中受力狀態(tài)及運動分析

流場中固體顆粒的濃度較小，連續(xù)相的流體速度較大，并且連續(xù)相和離散相之間具有較大的密度差，因此，固體顆粒受到的繞流阻力、附加質(zhì)量力、流場的壓力梯度引發(fā)的附加力、Basset(巴塞特)力、Saffman(滑移剪切)升力和Magnus(旋轉(zhuǎn))升力等作用力一并不予考慮，所有相間力中，拽力相對最重要［3］。此外，固體顆粒做圓周運動時由于離心力的作用，會對壁面產(chǎn)生壓力作用，使固體顆粒緊貼工件內(nèi)壁運動。

流體區(qū)域中任意處流體固相顆粒速度方向都是沿著該點所在圓周切線方向，工件內(nèi)孔表面是不光滑的，有凹凸不平的毛刺結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，流體沖擊工件表面的沖擊角度的改變是由凸起高度和凸起面形成夾角α 來實現(xiàn)的。流體中固相顆粒沖向工件表面時，其速度可以分解成沿工件表面方向VS和垂直于工件表面方向VH，固相顆粒對工件表面的沖擊作用分為兩種，沿工件表面的速度分量對工件表面主要起切削劃擦作用，垂直工件表面速度分量主要起撞擊作用，這兩種作用效果是相輔相成，互相促進的，沿工件表面的劃擦切削作用使工件表面產(chǎn)生微觀溝槽，顆粒以垂直工件表面的速度時，沖向表面的凸起棱角結(jié)構(gòu)，在大量固相顆粒作用下，工件表面棱角凸起結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞而從工件表面脫落。

3 模擬仿真

用FLUENT(流體)軟件對流場運動進行模擬，葉輪是曲面結(jié)構(gòu)，要建立完全與葉輪吻合的模型是比較困難的，因此根據(jù)起旋結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建相似模型，并對流場區(qū)域及葉輪劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為123 443 個，選用標準k-ε 雙方程湍流模型。對于流場中葉輪的旋轉(zhuǎn)運動，應(yīng)用多重參考系MRF(moving reference frame，運動參考系)方法來實現(xiàn)，壓力速度耦合采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations，壓力關(guān)聯(lián)半隱方法)格式。

模擬計算流場中流動情形，模型中圓柱外壁即為實際加工中工件內(nèi)壁，因此選擇模型的外壁面作為考察對象，在外壁面截取一條與圓柱軸線平行的直線，得到該直線上軸向、切向、徑向速度分布情況，如圖5 所示。

圖5a 為沿管壁高度方向(由下到上)的軸向速度分布圖，可以看出軸向速度是先增大后減小的，在0.03 m高度左右達到最大值，此處恰好為葉輪的葉片曲面凹低處，這就解釋了葉輪旋轉(zhuǎn)時，工件孔內(nèi)流體為何成開口向上的拋物線狀。圖5b 則為徑向速度分布圖，徑向速度對于加工是有利的，徑向速度大流體能夠?qū)⒛チ项w粒緊壓向工件內(nèi)壁，使磨料顆粒對內(nèi)壁的作用力較大，有利于提高加工效率，在0.02 ～0.03 m 高度位置處徑向速度達到最大值。圖5c 是切向速度分布，整體看切向速度也是比較均勻的，在0.03 m 高度位置處有最大值。流體相在運動過程中會帶動固相顆粒，使二者的速度大致相同，該速度直接反映磨料顆粒與工件孔壁的相互作用強弱，在3個方向速度疊加下，反映了磨粒最終運動狀態(tài)。

4 液粒兩相流體制備

液粒兩相流體直接由液體介質(zhì)和固相顆粒混合而成，液相選擇水，并在水中加入研磨液，研磨液的功效就是軟化水質(zhì)，活化、軟化工件表面，可以提高工件表面材料沖蝕磨損速率。液粒兩相流體中固相顆粒的物理性質(zhì)也是影響工件表面沖蝕磨損速率的關(guān)鍵因數(shù)。文獻［4］中指出，固相顆粒硬度越高、顆粒粒度越大，沖蝕磨損越嚴重，同時顆粒濃度越大，在相同時間內(nèi)會有更多的固相顆粒沖擊工件表面，提高沖蝕磨損速率;但是固相顆粒濃度過大會導(dǎo)致顆粒之間相互影響所引起的屏蔽效應(yīng)使沖蝕磨損速率反而降低。此外，帶有棱角顆粒與球狀顆粒相比，具有尖銳鋒利的表面，對工件表面能夠產(chǎn)生較強的劃擦犁削作用;顆粒質(zhì)量較小時，其對工件內(nèi)壁的作用力也小，沖蝕磨損的效率較低，但帶棱角顆粒尺寸較大時，對工件表面劇烈碰撞，加工質(zhì)量嚴重不均勻。綜上考慮，實驗中固相顆粒選用球狀顆粒。

5 實驗

實驗初始階段采用了一段無機玻璃管，便于觀察磨粒的運動狀態(tài)，分別加入棱柱狀和球狀磨粒，發(fā)現(xiàn)在葉輪附近磨料運動比其他位置要劇烈，這一點驗證仿真的正確性。棱柱狀磨粒翻滾，對管壁進行不均勻劃擦碰撞，而球狀磨粒運動完全不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。實驗接著對內(nèi)徑Φ130 mm、長度為200 mm 的45 鋼管加工，電動機轉(zhuǎn)速1 000 r/min，工件內(nèi)孔表面初始粗糙度Ra值10.001 μm，采用粒徑為4 mm 的球狀氧化鋁顆粒作為磨料，經(jīng)過20 min，使用TR200 便攜式粗糙度儀測得加工部分的粗糙度值為2.173 μm，加工效果顯著，表面質(zhì)量較好的區(qū)域成環(huán)帶狀，與模擬仿真結(jié)果一致。為進一步探究該光整工藝的合理性，在工件圓周方向上選取5 個位置作為加工質(zhì)量檢測點，實驗每隔5min 測量一次，得到粗糙度值變化趨勢如圖6 所示。監(jiān)測點1 ～5 的初始粗糙度值分別是:8. 829、8.724、8.551、8.168 和8.661 μm，經(jīng)過5 min 的光整加工，粗糙度大幅度下降至5.003 μm，此后隨著加工時間不斷增加，表面粗糙度值不斷下降，到25 min 時，下降比較緩慢，達到1.742 μm，繼續(xù)降低粗糙度值只能更換粒徑較小的磨料。

6 結(jié)語

通過理論分析和模擬仿真對該工藝進行探究，實驗結(jié)果則表明該工藝方法是可行的，該工藝能在加工過程中清洗工件表面，防止磨屑嵌入工件表面，加工后工件表面質(zhì)量較好;同時成本低廉，具有實踐參考價值。對于電機轉(zhuǎn)速，磨料量等影響加工質(zhì)量的因素將在接下來的實驗中繼續(xù)探究。

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