固液两相磨粒流研抛变口径管的数值模拟研究

胡敬磊，李俊烨，赵伟宏，卫丽丽

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

固液两相磨粒流研抛变口径管的数值模拟研究

胡敬磊，李俊烨，赵伟宏，卫丽丽

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

为了探讨磨粒流对变口径类零件的抛光效果的影响，以变口径管零件为研究对象，选用固液两相磨粒流，对磨粒流抛光变口径管零件的加工过程进行数值模拟研究，分析了不同磨料浓度和不同入口压力条件下，变口径管零件内磨粒流的静态压力、动态压力、速度、湍流强度、湍流动能、湍流粘度的分布情况。通过对比分析，研究分析了磨粒流抛光变口径管零件的有效性，可为促进磨粒流超精密加工技术的不断改善提供理论依据，使工件疲劳强度得到改善，增强工件的可靠性，延长工件的使用寿命。

变口径管；磨粒流抛光；数值模拟

在机械加工领域中精密光整加工方法很多，除传统的机械方法外，还有超声波抛光、化学抛光、电化学抛光以及电化学机械复合加工等。磨粒流加工作为迅速发展起来的精密光整加工方法之一，已在航空军工、纺织机械、汽轮机、模具及液压等机械行业中得到了广泛应用［1-3］。

磨粒流加工原理是利用磨粒流中的磨粒充作无数的切削刀具（自锐性），以其坚硬锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的。在工艺实施中，通常采用两个相对的磨料缸使磨料在零件和夹具所形成的通道中来回挤压。磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。当磨粒均匀而渐进地对通道表面或边角进行挤压时，对工件进行去毛刺、研抛、倒圆角［4-6］。

近年来，随着医疗技术的不断发展，为不同治疗目的而设计的变口径管受到重视和关注，对变口径管等精密机械零件的工艺性能要求不断完善，因此磨粒流加工技术也不断发展起来。变口径管结构多种多样，包括突扩管、突缩管、渐扩管、渐缩管、渐变弯管等，因此本文设计了包括多种变径类型的变口径弯管，且设计成对称形式使其既包括突扩部分又包含突缩部分。建立变口径管三维模型如图1所示［7-11］。

图1 变口径管三维零件图

1 磨粒流抛光变口径类零件的数值模拟分析

1.1 对变口径管零件的磨粒流加工的建模

图1所示变口径管零件三维图是对称结构，由于磨粒流加工以去毛刺、倒圆角和研抛为主要目的，图1所示的三维模型能达到模拟仿真加工过程中压力及速度分布的目的，模型及网格划分如图2所示，网格的局部放大图如图3所示。

图2 变口径管模型及网格划分图

图3 变口径管网格划分的局部放大图

1.2 变口径管磨粒流加工数值仿真基本参数及方程选择

在进行模拟计算之前，首先对已完成的变口径管网格模型进行质量检查。然后选择求解器，针对变口径管三维模型特点，选择三维双精度求解器，以便获得更好的计算结果。选用固液两相流MIX⁃ TURE模型，湍流方程选择k-epsilon方程中的低雷诺系数方程（Low-Re），对变口径管磨粒流研抛过程进行流体力学模拟仿真，设置的参数如下：

（1）材料特性输入：采用固液两相磨粒流，液相选择航空液压油，固体相选择碳化硅磨粒。

（2）边界条件的设置：实验过程中设置了2组边界条件。第一组压力入口为4MPa，磨粒粒径为60μm，磨料浓度依次为10%、20%、30%、40%；第二组磨料浓度为10%，磨粒粒径为60μm，压力入口依次为4MPa、6MPa、8MPa、10MPa。

1.3 不同磨料浓度下的仿真与分析

为研究不同磨料浓度对磨粒流加工变口径管的情况，分别取磨料浓度为10%、20%、30%、40%对仿真结果进行对比分析。得到加工过程中XOY截面上的动态压力、速度分布、湍流强度、湍流动能、湍流粘度分别如图4、5、6、7、8所示。

图4 不同磨料浓度下加工变口径管的动态压强云图

从图4的动态压强云图中可以看出，由突变缩孔到突变扩孔时，动压由大变小，由突变扩孔到突变缩孔时，动压由小变大。突变缩孔的动压力要大于突变扩孔的动压力，由于突变缩孔的横截面小，在磨料流量不变的情况下，磨粒在突变缩孔的速度增大，磨粒运动较为激烈，对突变缩孔的内壁进行研磨抛光作用，从而可以提高工件的加工精度。其次分析不同磨料浓度下动压力情况，随着磨料浓度增大，磨料与工件内表面接触表面积随之增大，与内壁壁面的磨削也增强，从而提高对变口径管光整加工的效果。因为能量的变化能够说明加工效果的显著性。所以选择适当的磨料浓度更有利于增大磨粒流的磨削效果。

图5 不同磨料浓度下加工变口径管的速度云图

从图5速度云图中可以看出，磨粒流以一定的速度进入变口径管通道内后，由于磨料介质的粘性作用，会在近壁区域形成边界层，沿流动方向且逐渐扩张。磨粒流在变口径管左右弯管处的速度相对较大，在直径最大的管道壁面速度最小，仅存在很小的相对滑移。根据经验可知，运动速度越大，磨粒流中的磨粒与孔壁的接触机会就越大，加工效果越好。由速度云图可知，磨料浓度越大，磨料运动速度越小，所以为了更好的进行加工，选择合适的磨料浓度更有利于磨粒流对变孔径管的精加工。

图6 不同磨料浓度下加工变口径管的湍流强度云图

从图6可以看出，当磨料浓度逐渐增大时，湍流强度逐渐减小。左边入口处的湍流强度高于弯管处的湍流强度，当湍流强度比较大时，可能会使变口径管承受过多的疲劳载荷，从而降低变口径管的使用寿命。所以为了更好的进行加工，选择合适的磨料浓度更有利于磨粒流对变孔径管的精加工。

从图7可知，高的湍流动能分布于左边直通式变口径管的直径突然变大的截面处，整体来讲，湍流动能变化并不明显，这说明加工过程中不会有较大的剪切变形速率，随着磨料浓度不断增大，各变径区的湍流动能呈降低趋势，降低的量级不大，说明磨料浓度的变化会影响湍流动能的能量变化，选择适当磨料浓度，可以提升湍流动能能量，从而增加磨削效果。

图7 不同磨料浓度下加工变口径管的湍流动能云图

图8 不同磨料浓度下加工变口径管的湍流粘度云图

根据图8可以看出，左边直通式变口径管的直径突然变大的截面处湍流黏度较高，由于流体的粘度越大，流体的流动性越差。所以该处的磨粒流研抛效果并不明显。当磨料浓度逐渐变大时，湍流粘度也逐渐变大，流体的流动性会越来越差，则流体的阻力也越大。所以，宜选用浓度低的磨料进行加工。

1.4 压力入口边界条件的仿真与分析

在这组实验中，将入口压力分别设置成4MPa、6MPa、8MPa、10MPa，实验得到XOY截面上的静态压强云图、速度云图、湍流强度、湍流动能、湍流黏度如图9、10、11、12、13所示。

从图9中可以看出不同入口压力加工变口径管的静态压强变化十分明显，随着入口压力的不断增大，管道内壁静态压强也逐渐增大，可见适当提高入口压力可以提高工件表面的去除量，达到理想的精加工效果。

图9 不同入口压力加工变口径管的静态压强云图

图10 不同入口压力加工变口径管的速度云图

根据图10的速度云图可以看出，由突变缩孔到突变扩孔时，速度由大变小，由突变扩孔到突变缩孔时，速度由小变大。突变缩孔的速度要大于突变扩孔的速度。由于弯管处横截面积逐渐变小，管道内壁磨粒流速度会明显增大。随着入口压力增大，变口径管整体速率值逐渐变大，磨粒运动激烈程度逐渐增大，光整加工能力逐渐增大，所以入口压力较大时加工效果最好，磨削能力最强。

图11 不同入口压力加工变口径管的湍流强度云图

从图11中可以发现，当入口压力逐渐增大时，湍流强度也逐渐变大，但是过大的湍流强度可能会影响零件的使用寿命，因此适当提高入口压力，可以加工出理想的零件。

根据图12，随着入口压力的逐渐增大，湍流动能也逐渐增大，那么剪切变形速率也逐渐变大，所以为提高加工效率，可以适当增大入口压力。

图13 不同入口压力加工变口径管的湍流粘度云图

如图13所示，入口压力增大时，湍流黏度有逐渐减小的趋势，流体的流动性越来越好，因此增大压力有利于对零件的抛光、倒圆角。这与前面几组得到的结论一致。

1.5 基于DPM的颗粒运动轨迹分析

DPM（离散）模型的颗粒运动方程对时间积分可以得到颗粒运动轨迹。进行离散相颗粒轨迹积分计算的方式有两种：稳态追踪方式和非稳态追踪方式。不论连续相的求解是稳态还是非稳态的，都可以采取这两种方式，但其意义是不同的。稳态追踪主要用于研究颗粒的运动轨迹，而非稳态研究主要用于研究某一时刻全部颗粒的位置分布情况，根据研究颗粒的不同情况来选择使用的颗粒积分计算方法。当入口压力为4MPa、碳化硅颗粒直径为70μm、浓度10%时得到如图14为颗粒运动轨迹图。

图14 入口压强4MPa、粒径70μm、浓度10%时颗粒运动轨迹图

从图中可以看出颗粒从左边流入的速度明显低于从右边流出的速度，在这个过程中采用的时稳态追踪方式，可以肯定的是粒子的运动是逐渐加快的。

2 结论

通过对磨粒流加工原理和运动规律的分析，探讨对变口径管的磨粒流加工特性。采用湍流模型及液液两相Mixture混合模型对磨粒流加工过程中磨粒流的流动形态进行数值模拟。分析了不同磨料浓度合不同入口压力对磨粒流加工的影响。从本文的仿真结果可以得出如下结论：

（1）不同磨料浓度对磨粒流加工变口径管有一定影响，随着磨料浓度增大，磨料与工件内表面接触表面积随之增大，与内壁壁面的磨削也增强，从而提高对变口径管光整加工的效果。但浓度增大会导致速度、湍流强度、湍流动能都减小，湍流黏度增大，从而不利于抛光工件，所以要想得到比较好的研抛效果，需要选择合适的浓度进行磨粒流研抛，这样可以提高加工效率，更有利于变口径管的抛光加工。

（2）通过改变入口压强可获得不同的磨粒流加工速度，对不同工艺的磨粒流加工进行比较，随着入口压强的逐渐增大，静态压强、速度、湍流强度、湍流动能增大，湍流黏度减小。入口压力的增大使得磨粒流对变口径管的加工效果作用十分明显，所以适当提高入口压强可以提高工件表面粗糙度，使被加工工件达到理想的加工效果。

（3）研究流场内部的压强分布图、速度分布图、湍流强度、湍流粘度等对磨粒流加工参数化有一定意义，为磨粒流加工参数的优化选择提供了理论依据，使加工出来的零件的疲劳强度得到改善，增强了零件的可靠性，延长其使用寿命。

［1］ 计时鸣，李军，谭大鹏.基于超声波激振强化的软性磨粒流光整加工模拟与试验研究［J］.机械工程学报，2016（21）：182-189.

［2］ 尹延路，滕琦，李俊烨，等.基于大涡数值模拟的磨粒流流场仿真分析［J］.机电工程，2016（05）：537-541.

［3］ 乔泽民，李俊烨，张雷，等.磨粒流研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学数值模拟［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（05）：61-64+69.

［4］ 计时鸣，黄希欢，谭大鹏，等.气-液-固三相磨粒流光整加工及其工艺参数优化［J］.光学精密工程，2016，（04）：855-864.

［5］ 李俊烨，胡敬磊，张心明，等.固液两相流研抛内齿轮齿面夹具的设计和分析［J］.制造业自动化，2016，（11）：66-69+74.

［6］ 刘薇娜，蔡智杰，李云峰，等.喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验［J］.中国机械工程，2017，（01）：13-19+ 26.

［7］ 李永峰.变径管道流场分析［J］.太原科技大学学报，2011，（04）：288-291.

［8］ 邓燕华，邓龙龙，涂群岚，等.异型变径高压喷气管的数值模拟［J］.南水北调与水利科技，2014，（03）：108-111+126.

［9］ 冯留海，王江云，毛羽，等.突扩突缩管内液-固冲蚀的数值模拟［J］.石油学报（石油加工），2014，（06）：1080-1085.

［10］ Harmesh K.Experimental investigation and optimiza⁃tion of process parameters of Al/SiC MMCs finished by abrasive flow machining［J］.Advanced Materials and Manufacturing Processes，2015，30（7）：902-911.

［11］ Venkatesh G，Sharma A K，Kumar P.On ultrasonic as⁃sisted abrasive flow finishing of bevel gears［J］.Interna⁃tional Journal of Machine Tools&Manufacture，2015，89：29-38.

Study on the Polishing of Variable Diameter Tube with Solid Liquid Two Phase Abrasive Flow

HU Jinglei，LI Junye，ZHAO Weihong，WEI Lili
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to investigate the influence of abrasive flow on the polishing effect of variable diameter parts，the variable di⁃ameter pipe parts were selected as the object of research，the numerical simulation study on the machining process of the abrasive pipe is carried out with solid-liquid two-phase abrasive flow.Static pressure，dynamic pressure，velocity，turbulence intensity，

turbulent kinetic energy，and turbulence viscosity distribution of abrasive flow in variable caliber parts were studied under the con⁃dition of different abrasive concentration and different inlet pressure.Through comparative analysis，the effectiveness of the abra⁃sive flow in variable caliber parts was analyzed，which can provide the theoretical basis for the continuous improvement of the ul⁃trafine precision processing technology，so that the workpiece fatigue strength was improved，the reliability of the workpiece was enhanced，and the service life of the workpiece was extend.

variable diameter pipe；abrasive grain polishing；numerical simulation

TH161.1

A

1672-9870（2017）03-0038-05

2017-04-05

国家自然科学基金资助项目（51206011）；吉林省科技发展计划资助项目（20160101270JC，20170204064GX）；吉林省教育厅项目（吉教科合字［2016］第386号）

胡敬磊（1990-），男，硕士研究生，E-mail：1340113539@qq.com

李俊烨（1981-），男，副教授，E-mail：ljy@cust.edu.cn