磨粒流拋光彎管的數值模擬與試驗優化

劉 洋，李俊燁，蘇寧寧，朱 旭

（長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022）

1 引言

精密加工工藝正在廣泛接受用于壓鑄模具或注塑模具等精密部件的最終操作。目前已經提出了很多方法來減少加工過程中的表面粗糙度。這些先進的精加工工藝，如超聲波研磨、電化學拋光、磁性研磨加工和球體磨光機加工[1-3]等都是為滿足加工需求而研發的。這些方法雖然會降低表面粗糙度，但是它們可能會由于長時間加工而增加成本，或受制于所加工的零件形狀，不能深入的進行拋光，因此出現了一種簡單可靠，低成本和高效的拋光方法，稱為磨粒流加工（Abrasive flow machining，AFM）。

磨粒流加工（AFM）是在二十世紀六十年代開發的一種去毛刺，拋光和倒圓角以及其他難以達到的復雜部位和邊緣表面的方法，磨粒流工藝的關鍵部件是機器、工具和研磨介質。工藝輸入參數如擠壓壓力，循環次數，磨粒成分和夾具設計等都會影響AFM 輸出響應（表面光潔度和材料去除率），作為制造業的一種表面精加工工藝，AFM在航空航天，醫療，電子，汽車和精密模具等行業具有廣泛的應用[4-6]。許多國內外學者已進行了大量研究，通過修改磨粒流的一些關鍵輸入參數，例如加工周期，擠壓壓力，研磨介質粘度等，來證明材料去除和表面粗糙度有效性。文獻[7]提出一種氣-液-固三相磨粒流加工方法，通過在加工流場內注入微尺度氣泡群，利用氣泡破裂的能量提升磨粒流加工能力，經過實驗結果加工后，最終表面粗糙度下降，表面紋理更為均勻。文獻[8-9]以共軌管為研究對象，以顆粒粒徑和體積分數為參數對其進行了數值分析和試驗究，最終試驗結果與數值分析一致，并且得到了拋光共軌管的最佳工藝參數。

當前研究人員對研磨液的屬性或機床參數或工件硬度進行了深入探究，但基本上選擇的都是單因素實驗研究，選擇不同入口壓力和不同顆粒濃度為主要參數，對其進行了數值分析，對磨粒流的拋光效果進行合理預測，并最終進行了試驗探究。

2 計算模型與參數設置

選擇的仿真對象為工程中常見的90°彎管，結構簡單且具有代表性，其壁厚為2mm，內徑幾何參數，如圖1所示。

圖1 彎管幾何形狀示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Elbow Geometry

在數值模擬之前首先要對彎管進行網格劃分，良好的網格質量才可以保證仿真的準確性和可信度。采用結構化六面體網格對其進行劃分，并在彎管的拐角處進行了網格加密，其節點數48240，網格數為44800，左側為進口，上側為出口，劃分后的網格，如圖2所示。

圖2 網格劃分示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Meshing

以FLUENT軟件為數值模擬平臺，采用標準k-ε湍流模型和Mixture混合模型，基于分離式求解器和經典的SIMPLE算法對其進行求解計算，動量、體積分數和湍流動能都采用一階迎風格式，由于顆粒均勻分散，故視為擬連續相，不考慮顆粒之間的相互作用，壁面采用無滑移邊界條件，近壁處采用標準壁面函數。在材料設置中，第一相設為航空煤油，第二相設為碳化硅，兩相材料的基本屬性，如表1所示。考慮入口壓力和磨料濃度對磨粒流加工的影響，其入口壓力分別設為2MPa、4MPa和6MPa，磨料濃度分別設為10%、15%和20%，對彎管內部流場進行仿真分析。

表1 材料物理屬性Tab.1 Material Physical Properties

3 數值分析

通過數值模擬得到不同入口壓力和磨料濃度下的多種參數進行分析，在這里主要對湍流動能、速度和壓力三個參數進行數值分析，探究不同入口壓力和磨料濃度下的磨粒流作用規律，分析磨粒流對彎管內表面的加工影響，獲得最佳的表面質量。

圖3表明隨著入口壓力的增大，磨粒流的速度也相應的增大，尤其是在拐角處最為明顯。磨粒流在入口處相對比較平穩，當達到拐角處后，由于流體與壁面發生撞擊導致速度猛然激增，速度達到最大；流過拐角之后，磨粒流的速度略有下降，這是因為雖然在拐角處速度達到最大，但也正因為流體與壁面發生劇烈碰撞導致能量發生轉換，動能轉化為切削能，丟失一部分能量。從出口處可以看出右側的速度比左側的大，這是因為離心力的作用，左右兩側呈現速度差，而進口處則不存在這現象。綜上分析可以得出結論：在彎管進口處磨粒流加工的較均勻，在拐角處速度最大，加工效果最好，在出口處右側比左側加工效果好，因此在實際加工時，應以出口作為入口，重復加工過程，可得到理想的表面質量。除了對速度分布進行研究之外，還對湍流動能和流體總壓進行了討論，不同入口壓力下的湍流動能和總壓，如圖4、圖5所示。

圖3 不同入口壓力下的速度分布Fig.3 Velocity Distribution at Different Inlet Pressures

圖4 不同入口壓力下的湍流動能分布Fig.4 Distribution of Turbulent Flow Energy at Different Inlet Pressures

圖5 不同入口壓力下的總壓分布Fig.5 Total Pressure Distribution at Different Inlet Pressures

從圖4和圖5可以看出磨粒流的湍流動能和總壓都隨著入口壓力的增大而增大。相對于入口和出口來說，彎管拐角處的湍流動能較大，這也說明在拐角處的加工效果較好；圖5表明磨粒流的總壓是逐漸降低的，因為磨粒流在加工過程中流體與壁面撞擊發生能量損耗，從而造成能量流失，從而導致出口的加工效果較差。以上討論分析表明當入口壓力為6MPa時磨粒流的加工效果最好，因此選擇6MPa為入口壓力，對不同顆粒濃度下的參數進行數值模擬，如圖6～圖8所示。

圖6 不同顆粒濃度下的速度分布Fig.6 Velocity Distribution at Different Particle Concentrations

圖7 不同顆粒濃度下的湍流動能分布Fig.7 Distribution of Turbulent Flow Energy at Different Particle Concentrations

圖8 不同顆粒濃度下的總壓分布Fig.8 Total Pressure Distribution at Different Particle Concentrations

圖6和圖7顯示隨著顆粒濃度增大，磨粒流速度和湍流動能呈減小趨勢，可以表明隨著顆粒濃度的增大，流體的流動性減弱，流動阻力增大，磨粒流對壁面的作用效果減弱，拋光效果較差。圖8表明在同一入口壓力下，顆粒濃度的增加對磨粒流的總壓幾乎沒有太大影響，總壓基本保持一致，最大值保持不變，各階段有略微提升，但是對加工沒有太大影響。通過以上分析可以得出結論：當入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%，磨粒流對壁面的拋光效果較好，因此選擇此參數進行試驗探究。

4 試驗分析

通過以上數值分析，進行磨粒流加工試驗。采用入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%，利用自行配置的磨料對彎管進行磨粒流加工試驗，分別采用掃描電鏡和光柵表面粗糙度測量儀對磨粒流加工前后的進口和出口處的內表面進行檢測，其檢測結果，如圖9～圖12所示。

圖9 拋光前的進口與出口檢測圖Fig.9 Import and Exit Inspection Map Before Polishing

圖10 拋光后的進口與出口檢測圖Fig.10 Imported and Exported Inspection Map after Polishing

圖11 拋光前的彎管進口與出口表面形貌Fig.11 Curved Inlet and Outlet Surface Topography before Polishing

圖12 拋光后的彎管進口與出口表面形貌Fig.12 Curved Inlet and Outlet Surface Topography after Polishing

通過圖9～圖10 發現彎管內表面進口處的粗糙度由1.15μm 減少到0.354μm 而出口處的粗糙度降低到0.602μm，雖然表面質量得到明顯提高，但是可以發現經磨粒流拋光后進口處的粗糙度與出口處相比要低很多，表面質量相對較差。圖11表明在磨粒流拋光前，彎管進出口表面粗糙不平，表面雜亂，表面質量較差，從圖12 可知經磨粒流加工后，彎管進出口的內表面得到改善，但是仍存在明顯劃痕和大毛刺，且出口處的表面質量要低于進口處。因此為了得到均勻一致的內表面，對彎管進行雙向磨粒流加工。

上述試驗數據是以彎管的一端為磨粒流入口，另一端為磨粒流出口得到的，下面對彎管進行磨粒流雙入口加工，換而言之，就是以磨粒流出口作為磨粒流入口，重復上述加工過程，得到表面檢測結果，如圖13、圖14所示。

圖13 拋光后的進口與出口檢測圖Fig.13 Imported and Exported Inspection Map after Polishing

圖14 磨粒流拋光前后的表面形貌Fig.14 Surface Topography before and after Abrasive Flow Polishing

圖13、圖14可以看出，在經磨粒流雙入口加工后，彎管進出口處的內表面粗糙度分別為0.309μm和0.297μm，與單入口磨粒流加工相比，表面粗糙度顯著降低，表面形貌趨于均勻一致，表面質量顯著提高。

5 結論

面對單向磨粒流加工的不均勻問題，提出雙向磨粒流加工的方法，以彎管為研究對象，選擇入口壓力和顆粒濃度為研究參數，通過對不同入口壓力和顆粒濃度下的速度、湍流動能和總壓對比分析，得出當入口壓力為6MPa，顆粒濃度為10%時，磨粒流拋光效果較好，并選擇該參數進行了磨粒流加工試驗，試驗結果表明彎管內表面粗糙度顯著降低；且發現與單入口磨粒流加工相比，雙入口磨粒流加工更能取得均勻一致的表面形貌，表面質量得到極大改善。