噴丸過程中顆粒在靶材上的分布特性

(西南交通大學 先進驅動節能技術教育部工程研究中心，四川 成都 610031)

引言

噴丸處理是利用高速丸粒擊打在工件表面，使得工件表面質量獲得大幅提升，其中氣動噴丸是目前使用最為廣泛的噴丸處理方式之一，其工作過程是利用高壓氣體攜帶顆粒經噴嘴加速后，獲得高速顆粒流，以完成清理工作；針對噴丸過程的研究對噴丸工藝的優化有重要意義，能夠合理的降低噴丸成本，提高噴丸效率。

賈光政等[1]進行了氣動噴砂噴嘴內部顆粒運動特性分析，并給出了設計和選擇噴嘴收縮角的依據；肖旭東[2]利用正態分布規律代表單道次噴打后寬度方向的顆粒分布規律，并以此計算多噴嘴、變噴嘴移速下的靶材覆蓋率；MIAO H Y等[3]通過實驗的方式，分析了多層顆粒噴打靶材時，噴打層數與覆蓋率及表面質量之間的關系；NGUYEN V B等[4]通過使用Fluent軟件分析了多層顆粒噴打時靶材時，噴打層數與覆蓋率的關系；邊飛龍等[5]同樣對噴丸過程進行了兩相流場分析，研究了氣動噴丸自由射流流場的動力特性，并分析了入口壓力、噴管形狀對噴丸過程的影響；羅靜等[6]分析了收縮型、文丘里型、流線型噴嘴的噴丸特性，發現流線型噴嘴對磨料的加速性能最好，文丘里型噴嘴性價比更高；強斌等[7]利用MATLAB軟件開發了基于噴丸隨機模型的覆蓋率計算程序；黃河等[8]利用有限元方法，模擬了多個丸粒隨機撞擊和氧化層去除的過程；劉雪梅等[9]基于CFD-DEM仿真對噴丸工藝進行參數優選，并獲得一組最優參數；盛湘飛等[10]利用圖像處理技術分析了單道次噴丸表面覆蓋率在噴丸寬度方向上的分布特征；以上研究均圍繞著噴丸過程進行了實驗及理論研究，并獲得相關成果，但對顆粒在靶材上的分布特性及其影響因素的研究較少。

隨著計算能力的大幅提高，CFD已經成為流體機械設計的主流方法之一，在各個重要領域都發揮著重要作用[11-12]；本研究通過CFD獲得了單層顆粒在靶材上定點噴打時的分布情況，然后通過MATLAB對單層顆粒的分布情況進行處理，得到任意時刻下顆粒在靶材上的分布特性，并分析了相同噴打時間下噴嘴類型、入口壓力、靶材距離對顆粒分布特性的影響。

1 模型的建立

為準確分析顆粒在靶材上的分布，仿真采用三維模型，主要分為噴嘴和外部流域，其二維結構如圖1所示；為比較不同噴嘴下靶材上的顆粒分布情況，選用了分析中較為常見的收縮型、文丘里型以及流線型3種噴嘴，3種噴嘴的二維結構如圖2所示，噴嘴的結構主要分為入口段、收縮段、擴散段3部分；其中除收縮型噴嘴的擴散段為等直徑結構外，其余噴嘴均有收縮角；而收縮型及文丘里型噴嘴的收縮段外輪廓為直線，流線型噴嘴的收縮段外輪廓為1條曲線，該曲線為維托辛斯基曲線，曲線方程見式(1)：

(1)

式中,r0，re—— 分別為起始和終止點半徑

l—— 起始和終止點軸向距離

x—— 壁面上任一點至噴嘴入口的軸線距離

噴嘴幾何參數及外部流域的幾何參數見表1。

圖1 仿真模型二維結構示意圖

圖2 噴嘴二維結構示意圖

表1 模型結構尺寸表

2 網格劃分

利用3D繪圖軟件Solidworks建立噴嘴及外部流域的三維模型，利用Meshing軟件進行網格劃分，并在噴嘴內部壁面進行加密處理，生成較好的邊界層，以捕獲更為精確的壁面流動信息；所建立CFD模型及網格結構如圖3所示。

圖3 噴嘴及外部流場網格模型

3 邊界條件

仿真模擬中湍流模型采用Standard模型，流體作為理想氣體計算，采用壓力基求解器，做穩態計算；固體相模擬采用遵循歐拉-拉格朗日方法的DPM模型。

噴嘴入口設為壓力入口邊界，外部流域柱面為壓力出口邊界，其值設為環境大氣壓力(表壓)，其余表面設為無滑移壁面邊界，其中圓柱底面假想為靶材表面；顆粒由噴嘴入口射入，考慮到顆粒流在到達噴嘴前經過一定距離水平及垂直輸送，假設噴嘴入口處顆粒均勻分布；為模擬顆粒的隨機分布情況，顆粒在噴嘴入口處不采用網格點插入，而是在入口圓面上均勻插入，并且為保證顆粒在空間上的均勻分布，根據式(2)給出的顆粒在入口處間隔與顆粒消耗量的關系，整理后得到顆粒在入口處的間隔的計算式(3)，將z作為間隔距離，均勻插入顆粒，所有顆粒以同一速度射入，這里忽略顆粒在靶材上反射后的存在，所以將靶材表面對顆粒的作用方式設為逃逸，以獲得顆粒在靶材上的撞擊位置點，其余壁面對顆粒的作用方式均設為彈性作用。

(2)

(3)

式中，ρ—— 顆粒密度

d—— 顆粒直徑

D—— 入口處圓面直徑，即模型中的d1

v—— 顆粒入射速度

H—— 顆粒消耗量

具體邊界條件設定值如表2所示。

4 仿真結果及分析

利用Fluent進行仿真，圖4為單層顆粒由噴嘴進

表2 邊界條件設定值

入，并經過一系列加速后，最后與靶材表面接觸的軌跡圖；獲取靶材表面上的顆粒信息，其中包括每個軌跡點的位置、速度信息等，其中所有軌跡點的位置信息，即可代表單層顆粒噴打的分布情況，利用MATLAB作為計算工具，根據顆粒的入射速度及顆粒消耗率可以確定出任意時刻噴打在靶材上的層數，然后進行顆粒的疊加覆蓋(其中顆粒噴打層數計算出如果不是整數，小數部分代表的層數則以單層顆粒的對應百分比進行覆蓋)，疊加過程對每個顆粒做繞噴打中心隨機旋轉處理，保證了噴打的隨機性，即可獲得任意時刻靶材受到噴打的顆粒量及其分布，為方便對比各參數對分布情況的影響，以下分析均取t=0.1 s時的噴打結果，主要包括靶材上的顆粒分布與沿徑向(R)的顆粒分布密度(ρ′)的變化曲線。

圖4 顆粒運動軌跡圖

4.1 不同噴嘴情況下的顆粒分布

保持設置參數不變，分別對3種噴嘴進行仿真實驗，采用收縮型、文丘里型、流線型噴嘴時顆粒分布如圖5所示，圖6為顆粒分布密度變化曲線，由圖中分析，3種噴嘴的顆粒分布區域大小基本相同，收縮型噴嘴和流線型噴嘴的顆粒分布情況沿徑向方向有較大波

圖5 不同噴嘴下靶材上顆粒分布

圖6 不同噴嘴下顆粒分布密度變化曲線

動，收縮型噴嘴的顆粒分布密度在圓心及離圓心15 mm 處均存在波峰，且兩處峰值差異較大，整體波動巨大，這種分布特性使得靶材清理不均勻，且中心位置容易出現過噴丸現象，但對于需要高強度清理的小型零件有一定優勢；流線型噴嘴在離圓心10 mm處存在一個較大波峰，波峰兩側明顯低于波峰處密度，同樣具有較大波動，這種分布特性同樣使得靶材清理不均，且該類噴嘴外圍顆粒分布最為稀疏，因此在移動過程中，其有效掃掠寬度最小，影響清理效率；而文丘里型噴嘴的顆粒分布最為均勻，在離圓心12 mm以內顆粒分布密度基本相同，為均勻分布區間，外圍則沿徑向逐漸降低，不會出現噴丸不均情況，并且其外圍分布情況利于多噴嘴組合或是多道次噴打；所以通過比較三種噴嘴下顆粒在靶材上的分布情況可以發現，噴嘴類型對靶材上顆粒分布密度的影響很大，流線型及收縮型噴嘴存在較大波動，不適用于大面積的工件處理，僅對附污程度大、小面積的工件有一定優勢，而文丘里型噴嘴擁有最優的顆粒分布特性。

4.2 入口壓力對顆粒分布的影響

為分析入口壓力對顆粒分布的影響，獲得入口的壓力變化對顆粒分布密度的影響，以文丘里型噴嘴為仿真對象，更改入口壓力值進行仿真實驗；入口壓力為0.4, 0.6, 0.8, 1 MPa下靶材上的顆粒分布如圖7所示，圖8為顆粒分布密度變化曲線，由圖中可以看出，隨著壓力的增加，顆粒的分布區域略微減小，在徑向分布上，其中心的顆粒分布密度增大，且壓力越大對顆粒分布密度的影響越小，而其中心的均勻分布區間略微縮小；所以壓力越大，顆粒的分布越向中心靠攏，但這種影響隨著壓力的增加逐漸減弱，因此使用此類噴嘴時，壓力高于0.6 MPa后，壓力對顆粒分布的影響較小，所以在壓力選取上，入口壓力保證足夠的噴丸強度即可，無需更高的壓力提高顆粒分布特性。

圖7 不同入口壓力下靶材上顆粒分布

圖8 不同入口壓力下顆粒分布密度變化曲線

4.3 靶材距離對顆粒分布的影響

選用文丘里型噴嘴為仿真對象，壓力值設定為0.6 MPa，其余參數不變，更改噴嘴與靶材之間的距離進行仿真實驗；靶材距離為200, 250, 300, 350 mm時靶材上的顆粒分布如圖9所示，圖10為顆粒分布密度變化曲線，由圖中可以看出，隨著靶材距離的減小，顆粒的分布區域大幅減小，在徑向分布上，中心位置的顆粒密度大幅度增加，中心的均勻分布區間同時減小，值得注意的是當減小到200 mm時中心的均勻分布區間消失，其中心區域的顆粒密度已不再平緩，而是呈現出快速下降的趨勢；而當等于350 mm時，其中心區域顆粒密度雖然較為平緩，卻出現了緩慢上升的趨勢；所以隨著距離的減小，噴丸范圍大幅減小，而過小的噴丸距離使得中心處的顆粒密度遠大于外圍，而過大的噴丸距離使得顆粒密度沿徑向方向呈現出先增大后減小的趨勢； 對于多噴嘴組合或是多道次噴打，上述兩種情況，均會導致在垂直于噴嘴路徑方向上顆粒分布不均的情況，所以就顆粒分布而言，噴丸距離不能太大也不能太小，存在一個最佳的靶材距離，此處為300 mm，這時在小于12 mm的中心范圍上的顆粒基本均勻分布，外圍逐漸稀疏，該值為保證顆粒分布最優的最佳噴丸距離。

圖9 不同靶材距離下靶材上顆粒分布

圖10 不同靶材距離下顆粒分布密度變化曲線

5 結論

(1) 利用CFD的方法能對噴丸過程中靶材上顆粒的分布情況進行直觀的描述，通過計算可以獲得靶材上任意時刻的顆粒分布情況；

(2) 收縮型、流線型噴嘴在靶材上徑向的顆粒分布密度有較大波動，會造成噴丸不均、過噴丸現象，僅在附污程度大、小面積的工件處理上有一定優勢，文丘里型噴嘴密度分布變化梯度小，更為均勻，性能優于其余兩種噴嘴；以文丘里型噴嘴為實驗對象，入口壓力越大，顆粒分布越向中心靠攏，而增加到一定值時，壓力對顆粒分布的影響較小，而壓力小于該值時，顆粒范圍大幅增加、顆粒密度大幅減小，此處該值為0.6 MPa；噴丸距離過小或過大均會引起多噴嘴組合或是多道次噴打時沿垂直于噴打路徑方向上的噴丸不均，所以存在一個最優值使得顆粒分布特性最優，以適用于多噴嘴組合組合或是多道次噴打，此處該最優值為300 mm。