微通道反應器溝槽底面的磨料水射流拋光研究

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

微通道反應器是氫燃料電池制氫系統的核心元件之一，廣泛應用于微加工技術，能采用精密銑削的方法制備完成［1］。微通道反應器分為微通道式［2］、微凸臺陣列式［3］與多孔材料式［4］，微通道式壓降小，內部催化劑載體為溝槽結構，微通道反應器中流體在進行化學反應時的流動均勻穩定性一定程度上取決于溝槽的幾何精度和表面質量。溝槽底部精度的改善能使微反應器滿足動態響應快、功率密度高的特點。因此，如何通過高效光整技術在保證幾何精度的同時，進一步改善溝槽表面質量具有重要意義。

磨料水射流（Abrasive water jet，AWJ）拋光［5］作為一種精密加工技術，擁有無刀具磨損、加工柔性高、無熱損傷、加工材料范圍廣、綠色環保等優勢，FAEHNLE等［6-7］利用 SiC磨料對 BK7平面光學玻璃進行射流試驗拋光，結果表明，BK7玻璃表面粗糙度RMS值由350 nm降到25 nm。HASHISH［8］采用磨料液體射流拋光金剛石薄膜，將金剛石薄膜從3 μm拋光到1.3 μm。李兆澤等［9］研究了磨粒射流拋光工藝參數對K9光學玻璃拋光效率和侵蝕形貌的影響。宋岳干等［10］對0Cr18Ni9Si不銹鋼進行拋光，使得表面粗糙度Ra從 2.203 μm 減小到 1.195 μm。NIE 等［11］利用FLUENT中的RNG k-ε模型和SIMPLE算法對磨料水射流沖擊壁面后的流場變化進行仿真分析，結果表面射流對壁面的沖擊壓力呈正態分布，沖擊壓力和靶距成反比。NGUYEN等［12］對固液兩相射流沖擊不銹鋼的流場變化進行了模擬，在仿真模型中加入了材料磨損模型，得到了射流流場分布、磨損率和工件的沖蝕形貌。GUO等［13］對射流拋光的邊緣效應問題進行了仿真及試驗研究，證明該方法不存在常規拋光方法中出現的邊緣效應問題。MATSUMURA等［14］通過試驗與仿真，研究了滯留區大小對磨粒沖擊工件表面角度的影響，并提出了實現無裂紋發生的微槽加工與拋光方法。

本文采用FLUENT軟件對不同工藝參數下溝槽底部剪切力分布進行了數值模擬，并根據仿真結果進行316L不銹鋼材料的單溝槽拋光工藝試驗；檢測分析不同拋光參數下單溝槽底面形貌、材料去除率以及表面粗糙度的變化規律；根據單溝槽底面幾何精度和表面粗糙度要求，獲得最佳溝槽拋光參數，通過整條溝槽的拋光試驗進行驗證。

1 磨料水射流拋光數值仿真

1.1 數學模型

拋光原理如圖1所示。

圖1 磨料水射流拋光原理示意Fig.1 Schematic diagram of AWJ polishing

磨料水流經增壓泵進行增壓后，以一定沖擊速度噴射到工件表面，并沿工件表面切向流動，產生強大的溝槽壁面沖擊力與剪切力，達到去除的效果，拋光后的混合液儲存在回收池中，循環使用。

1.1.1 連續性方程

考慮流體流動遵守質量守恒規律，其連續性方程為：

式中 ρ ——流體的密度，kg/m3；

vx，vy，vz—— 流速在 x，y，z 3 個方向上的分量，m/s。

由于磨料液體為不可壓縮流，故流體密度為常數，求解時忽略上式第4項。

1.1.2 運動方程

對于不可壓縮流體運動的微分方程，由Navier-Stokes方程給出，N-S方程的矢量形式如下：

式中 f ——外力；

p ——射流壓力；

γ ——流體動力黏度。

在實際仿真過程中，射流流體的雷諾數Re≥4 000，故在仿真模型中引入湍流模型，湍流流動的數值計算方法分為3種，其中RANS雷諾平均數值模擬方法是對N-S方程時均化，可以計算流體的平均運動規律，故采用RANS數值模擬方法進行計算。

1.2 射流模型建立及網格劃分

基于計算流體力學（CFD）對磨料水射流拋光溝槽過程進行仿真。磨料射流中連續相參數及邊界條件設置見表1。

表1 FLUENT參數設置Tab.1 Parameter settings of FLUENT

噴嘴選用錐直型，射流直徑為1 mm，噴嘴收縮角為13°，磨料水射流溝槽拋光的模型如圖2所示。

圖2 射流模型的建立及網格劃分Fig.2 Establishment and mesh division of jet model

使用ANSYS的MESH進行網格劃分，選用四邊形網格，入口邊界（velocity-inlet）、出口邊界（pressure-outlet）及壁面邊界（wall）已在圖中給出。

1.3 仿真結果

不同粒徑下的溝槽壁面剪切力云圖如圖3所示。隨著磨料粒徑的增大，剪切力分布由稀疏變密集，射流厚度也相應增大，射流束對溝槽底面的剪切力增大。

圖3 不同粒徑下溝槽壁面剪切力云圖Fig.3 Nephogram of shear stress on groove wall under different particle sizes

1.4 仿真分析

低速射流拋光時材料去除主要以塑性剪切去除為主［15］，因此仿真研究不同工藝參數下槽底所受剪切力分布情況，結果如圖4所示。

圖4 不同參數下溝槽底面剪切力分布曲線Fig.4 Shear stress distribution curve of groove bottom under different parameters

從圖4（a）可看出：粒徑較小時，剪切力分布均勻，粒徑較大時，底面剪切力變化大。這是由于同等流速下大粒徑的磨料具有更大的動能，在射流近壁面更容易脫離液體拖拽力的控制并以大角度撞擊工件表面，獲得更多的材料去除。

從圖4（b）可看出：仿真選擇的氧化鋁拋光液，由氧化鋁和水兩相組成，氧化鋁粉末的密度設置為3 950 kg/m3。隨著拋光液濃度的增加，壁面剪切力逐步增加。濃度越高剪切力變化幅度大。

從圖4（c）可看出：隨著噴射壓力增大，剪切力分布曲線越趨陡峭，剪切力整體呈現波動增大趨勢；壓力從0.25 MPa增加至0.55 MPa時，剪切力增加大于兩倍。

從圖4（d）可看出：在不同靶距下，槽底的剪切力在槽中心相對最小，由中心向周圍剪切力先增后減，遵循高斯去除模型。伴隨著靶距的增大，剪切力在s=6 mm處到達峰值，與文獻［16］中對射流作用力與靶距關系的研究吻合。

2 磨料水射流拋光試驗裝置

自行搭建的磨料水射流拋光試驗裝置由增壓系統、供料系統、噴射系統、運動控制系統以及輔助裝置構成，如圖5所示。316L不銹鋼溝槽工件固定在XY水平工作臺上，射流噴頭固定在Z軸導軌上。試驗參數見表2。

圖5 AWJ拋光試驗裝置Fig.5 AWJ polishing experimental apparatus

表2 AWJ拋光試驗參數Tab.2 Parameters of AWJ polishing test

3 試驗結果及討論

3.1 工件表面形貌

通過采用金相顯微鏡（AOSVI，M230-21BLC）觀察工件表面形貌，不同磨粒粒度下AWJ拋光后的溝槽底面形貌如圖6所示。拋光后槽底的劃痕與毛刺均有較大的改善，隨著粒徑從48 μm逐步減小到1 μm，工件表面質量不斷提高。

圖6 不同磨粒粒度拋光前后工件表面形貌Fig.6 Surface morphology of workpiece before and after polishing with different particle sizes

表面粗糙度Ra隨不同拋光參數的變化規律如圖7所示。隨著粒徑、濃度與壓力的增大，表面粗糙度Ra均不斷增加，其中粒徑的影響最大，粒徑為1 μm時，拋光后Ra值達到0.15 μm，粒徑為48 μm時，Ra值達到1.12 μm；隨著噴射距離的增大，Ra值先減后增；噴射距離在4～8 mm之間時，表面粗糙度都在0.3 μm上下波動。

圖7 各工藝參數下的表面粗糙度RaFig.7 Surface roughness under various process parameters Ra

從測量結果來看，滿足粗糙度要求的參數如下：磨料粒徑為 1～5 μm，拋光液濃度為 2%～3%，射流壓力為0.25～0.35 MPa，噴射距離為4～8 mm。

3.2 材料去除率

采用輪廓儀（Taylor Hobson- PGI 1240）測量拋光后的表面。不同磨粒粒度下溝槽底面拋光去除深度如圖8所示，去除輪廓均為“W”型，射流中心的去除量最小。

圖8 不同磨粒粒度下的去除深度Fig.8 Removal profile under different particle sizes

AWJ垂直拋光溝槽時間設置為5 min，采用輪廓儀測量材料去除深度，獲得不同拋光參數下的材料去除率如圖9所示。

圖9 各工藝參數下的材料去除率MRRFig.9 Material removal rate under various process parameters MRR

隨著粒徑、濃度、壓力的增大，材料去除率線性增大，根據磨粒沖擊金屬表面機理分析可知，濃度的提高能增加磨料沖擊金屬表面的頻率，從而顆粒與到達工件壁面后的碰撞剪切作用增強。

隨著噴射距離的變大，材料去除率先增后減，根據沖擊射流力學理論，射流束離開噴嘴后，與空氣接觸，發生卷吸作用，射流作用力在這一階段增加，之后逐步衰減。

仿真結果表明不同噴射距離下溝槽底部剪切力先增加后減小，與試驗測量的去除深度對應。

從測量結果來看，滿足材料去除率要求的參數如下：粒徑為 5～14 μm，濃度為 3%～4%，射流壓力為 0.35～0.45 MPa，噴射距離為 8～10 mm。

3.3 最優參數組合

為了獲得溝槽拋光的最佳參數，綜合考慮工件表面質量、材料去除率與表面粗糙度3項指標。磨料水射流拋光不銹鋼溝槽底部的最優參數：拋光液濃度3%，射流壓力0.35 MPa，磨料粒徑5 μm，噴射距離8 mm。此時材料去除率適中且表面粗糙度較低。

在該參數下拋光溝槽，拋光前后底面形貌如圖10所示。表面粗糙度Ra為0.11 μm，工件底面輪廓的RMS誤差2.92 μm。

圖10 拋光前后工件表面形貌Fig.10 Surface morphology of workpiece before and after polishing

4 結論

（1）仿真試驗結果表明：溝槽底部剪切力隨著濃度、壓力、磨料粒徑的增大而增大，隨著噴射距離的增大先增后減；壓力和磨料粒徑的變化對溝槽底面剪切力影響較大，靶距的改變對剪切力影響最小。當壓力從0.25 MPa增加至0.55 MPa時，槽底最大剪切力增加大于兩倍。

（2）試驗結果研究表明：材料去除率隨著濃度、壓力、磨料粒徑的增大而增大，隨著噴射距離的增大先增后減，試驗與仿真研究結果較為吻合；粒徑為1 μm時，拋光后槽底表面粗糙度值最小，為0.15 μm；粒徑為48 μm時拋光后槽底表面粗糙度與材料去除率均為最大。

（3）試驗獲得了溝槽拋光最優參數：拋光液濃度3%，射流壓力0.35 MPa，磨料粒徑5 μm，噴射距離8 mm。拋光后溝槽表面粗糙度Ra為0.11 μm，溝槽底面輪廓的RMS誤差為2.92 μm。