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混粉電火花加工技術(shù)是近十年來國際上出現(xiàn)的一門新技術(shù)，通過在電火花加工工作液中混人一定成分、粒度和數(shù)量的粉末顆粒后，可顯著改善被加工工件的表面質(zhì)量�；旆垭娀鸹庸づc普通電火花加工相比.最明顯的不同是混粉電火花加工所用工作液中加人了大量粉末狀固體顆粒，由于固體粉末會(huì)發(fā)生沉淀，使過濾裝置阻塞、失效，因此必須使用專門的過濾裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工研究所設(shè)計(jì)了混粉電火花加工一體化裝置，該裝置能將混粉工作液中的固體粉末進(jìn)行均勻混合，并能有效分級(jí)、分離，以便較好地滿足混粉電火花加工要求。本文對(duì)該裝置儲(chǔ)液箱體內(nèi)的工作液液流及穎粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真分析，從仿真的角度驗(yàn)證了加工裝置可保持粉末顆粒分布的均勻性和懸浮性，為混粉電火花加工一體化裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，該數(shù)學(xué)模型可作為設(shè)計(jì)混粉電火花加工一體化裝置的技術(shù)支持軟件。
1混粉電火花加工對(duì)儲(chǔ)液箱的要求
混粉電火花加工對(duì)工作液中的粉末有較嚴(yán)格的要求，粉末的形狀、粒度應(yīng)均勻一致，以免有粗大或雜質(zhì)顆粒進(jìn)人放電間隙。另外，要求工作液中的粉末濃度分布應(yīng)均勻，要避免產(chǎn)生粉末聚團(tuán)等現(xiàn)象，因此，一體化混粉電火花加工裝置的功能要涵蓋以下兩個(gè)方面:
(1)工作液中的粉末可在攪拌作用下均勻地懸浮在工作液中。
(2)添加的粉末要全部混合到工作液中，儲(chǔ)液箱底部不沉積或盡量少沉積粉末顆粒。
2儲(chǔ)液箱內(nèi)工作液攪拌方式設(shè)計(jì)
2.1粉末顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析
固體穎粒在液體中自由沉降時(shí)，作用在顆粒上的力有重力、浮力和液體對(duì)固體顆粒的移動(dòng)阻力。為了使粉末顆粒均勻懸浮，就要求不斷有液流從底部向上運(yùn)動(dòng)，且液流分布要均勻。在工作液不流動(dòng)的狀態(tài)下，粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)形式屬于微細(xì)顆粒在液體中的沉降運(yùn)動(dòng)，斯托克斯方程給出了液體雷諾數(shù)Re<1的情況下，該類型運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算公式:
由于固體顆粒在液體中的下降速度為一相對(duì)值，因此，當(dāng)液體向上流動(dòng)的速度大于等于vo時(shí)，固體顆粒將在液體中保持懸浮。
2.2攪拌方式的確定
為使液體產(chǎn)生向上的流動(dòng)速度，需進(jìn)行攪拌，攪拌方式主要有葉輪攪拌、氣流攪拌、射流混合、管道混合4種。攪拌器所處的環(huán)境是摻有微細(xì)鋁粉末的煤油工作液;工作液處理系統(tǒng)的液泵組件可形成高速射流，由于平行射流的紊流脈動(dòng)比自由射流大，因此，采用平行射流攪拌作為攪拌器使用的攪拌方式，射流壓力為供液泵出口壓力。
3儲(chǔ)液箱體內(nèi)液流仿真
SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)完全基于Window。平臺(tái)開發(fā)的三維機(jī)械CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，創(chuàng)造了Feature Manager特征管理員的設(shè)計(jì)思想，集成了Motion Works(動(dòng)態(tài)仿真軟件),Cosmos Works(工程分析軟件)、Surf CAM(數(shù)控加工軟件)及Smar Team Works(工程數(shù)據(jù)管理軟件)等功能，能方便地繪制出復(fù)雜的實(shí)體及造型特征。因此，采用SolidWorks軟件對(duì)混粉電火花加工工作液流場及其顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，從而確定供液泵排量、射流攪拌器結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)混粉電火花加工裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.1建立仿真簡化模型
在SolidWorks軟件中構(gòu)建射流攪拌器的數(shù)字模型，儲(chǔ)液箱為圓形內(nèi)腔，射流攪拌器共由4根射流管組成，每根射流管上單向均布4個(gè)射流孔，使其形成平行射流，其簡化模型如圖1所示。
仿真的目的是為了了解平行射流器產(chǎn)生的液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài).并進(jìn)行平行射流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此在簡化模型的基礎(chǔ)上建立了A和B兩套射流器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化模型，形成兩個(gè)對(duì)比的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，A,B模型的唯一區(qū)別在于射流孔的噴液角度不同:模型A中噴液為水平方向，模型B中噴液為從水平方向向下傾斜15°。仿真過程中，A, B兩套模型采用同樣的初期設(shè)定:每個(gè)射流孔截面的邊界條件是人口的速度方向都為垂直于孔截面，射流速度為1 000 mm/s;箱體上方空間的邊界條件設(shè)定為:開口壓力和靜壓力大小為一個(gè)大氣壓;設(shè)定計(jì)算精度為3級(jí)，使用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能。本模型共劃分網(wǎng)格單元37 620個(gè)，其中流體網(wǎng)格單元13 876個(gè)、固體網(wǎng)格單元5674個(gè)、其他局部網(wǎng)格單元18 050個(gè);設(shè)定箱體內(nèi)流動(dòng)的液體為煤油，工作溫度為室溫。
3.2液流仿真
為了使微細(xì)粉末顆粒在工作液中保持均勻懸浮，需使垂直向上的液流分布保持均勻。射流攪拌器進(jìn)人穩(wěn)定工作狀態(tài)后液流的分布狀態(tài)見圖2。
從圖2上可看出，主箱體側(cè)壁附近的液流分布，A,B兩個(gè)模型區(qū)別較小，其液流軌跡是先隨初速度流動(dòng)，而后盤旋上升的同時(shí)流場整體上是中心對(duì)稱的，其橫截面為同心圓。但儲(chǔ)液箱中部位置的液流運(yùn)動(dòng)則有很大的分別:模型A中產(chǎn)生了幾個(gè)明顯的集中上升液流，上升液流呈柱狀;而模型B中雖然也產(chǎn)生了上升液流，但上升液流分布很均勻，且較分散。仿真結(jié)果說明，模型B中的液流呈均勻分布狀態(tài)，從而得出結(jié)論，在儲(chǔ)液箱內(nèi)部液流運(yùn)動(dòng)的均勻性方面，模型B比模型A更有優(yōu)勢。
3.3粉末顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真
混粉電火花加工的關(guān)鍵是保證液流中的粉末能均勻懸浮，因此，考察鋁粉顆粒是否可在液流作用和自身重力下保持良好的懸浮狀態(tài)具有重要意義。由于攪拌的流場是中心對(duì)稱的同心圓，為方便起見，我們對(duì)攪拌器一根管中噴出的液流中的微粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，顆粒隨工作液從射流孔中噴射出來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3所示。
從圖3可看出，粉末顆粒能隨液流運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)液箱邊緣。在模型A中，距離射流器對(duì)稱中心遠(yuǎn)的3個(gè)射流孔中射出的鋁粉微粒在液流帶動(dòng)下盤旋向上，可上升到儲(chǔ)液箱的上部邊緣.即能向上運(yùn)動(dòng)。但距離中心最近的孔中射出的鋁粉微粒由于受儲(chǔ)液箱內(nèi)液體阻礙，到達(dá)箱壁后轉(zhuǎn)而向平行方向運(yùn)動(dòng)，從而仍浮動(dòng)在液體下層，不能向上運(yùn)動(dòng);模型B中，全部4個(gè)射流孔中射出的鋁粉微粒都在液流帶動(dòng)下盤旋向上至液體上層邊緣，而距離中心最近的孔中射出的鋁粉微粒僅比其他孔噴出的略低一點(diǎn)，這說明模型B中所有粉末顆粒都能向上運(yùn)動(dòng)，從而能全部懸浮在儲(chǔ)液箱內(nèi)。通過仿真結(jié)果對(duì)比可得出，從平行射流組中噴射出的鋁粉顆粒在懸浮性能方面，模型B也比模型A更有優(yōu)勢。
3.4箱體底部液流沖刷狀態(tài)仿真
為了防止粉末顆粒在儲(chǔ)液箱底部沉淀，射流攪拌器應(yīng)具有沖刷、攪動(dòng)功能，因此，對(duì)初期靜止并沉積在箱體底部的粉末顆粒受到液流沖擊后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究同樣具有重要意義，其模型模擬仿真結(jié)果如圖4所示。
從圖4a中可看出，在模型A中，粉末在側(cè)壁方向的分散程度較均勻，這是由于沉淀的粉末被射流從主箱體中心向側(cè)壁方向推動(dòng)，從而產(chǎn)生移動(dòng)并盤旋向上運(yùn)動(dòng)。但在圖4c中可看到，液流在中間部位速度減慢，出現(xiàn)了橙色區(qū)域，這部分液流部分可能會(huì)產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象，靠近中心位置的射流是不能到達(dá)上層的。由此可推斷，模型A中液流對(duì)箱底的沖刷是不完全的，部分粉末顆粒將會(huì)因液流速度變慢而最終沉淀，從而不能使沉積的粉末完全浮起，形成死角;從圖4b中可看出，在模型B中，粉末在側(cè)壁方向的分散程度雖然沒有模型A中的均勻，但并沒有產(chǎn)生橙色即流速減慢的現(xiàn)象，因此，由于液流速度減慢而形成粉末沉積死角的可能性將會(huì)比模型A少很多。為了解決粉末沉積死角間題，我們?cè)谄叫猩淞鹘M的上方設(shè)置了一個(gè)手動(dòng)的旋轉(zhuǎn)撥桿，在射流啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)平行射流組，可使粉末全部懸浮起來。
4平行射流組噴射孔角度確定
綜合上述仿真結(jié)果及分析，本課題采用模型B為最終方案，即平行射流攪拌器的射流孔向下傾斜15°。由于向下傾斜15°僅是為了分析A,B兩種模型優(yōu)劣，具體加工時(shí)還要最終確定傾斜角度，因此對(duì)射流孔傾斜角度進(jìn)行多次仿真模擬，以10°,15°,20°噴射液流的仿真結(jié)果如圖5所示。
從圖5可看出，向下傾斜200時(shí)液流分散效果最好。但考慮實(shí)際加工情況，經(jīng)過綜合對(duì)比分析，最終選定向下傾斜15°-20°作為最終實(shí)際加工參數(shù)。
5結(jié)論
通過對(duì)混粉電火花加工裝置儲(chǔ)液箱體內(nèi)粉末顆粒的沉降過程進(jìn)行分析，選用COSMOS/FloWorks軟件對(duì)儲(chǔ)液箱內(nèi)的平行射流攪拌器射流場及粉末顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字模擬仿真。結(jié)果表明，射流攪拌器可使混粉電火花加工工作液粉末保持均勻懸浮，并通過仿真結(jié)果對(duì)平行射流攪拌器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使箱體內(nèi)的粉末顆粒全部懸浮起來，為進(jìn)一步優(yōu)化混粉電火花加工裝置設(shè)計(jì)提供很好的參考依據(jù)。
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