混粉电火花加工中储液流场及颗粒运动状态的模拟仿真

混粉电火花加工中储液流场及颗粒运动状态的模拟仿真

混合粉末工艺是近几十年来国际开发的一项新技术。在恒温水力发电中混合一定的组件、粒度和粉末后，可以显著改善加工产品的表面质量。混粉电火花加工与普通电火花加工相比,最明显的不同是混粉电火花加工所用工作液中加入了大量粉末状固体颗粒,由于固体粉末会发生沉淀,使过滤装置阻塞、失效,因此必须使用专门的过滤装置。哈尔滨工业大学特种加工研究所设计了混粉电火花加工一体化装置,该装置能将混粉工作液中的固体粉末进行均匀混合,并能有效分级、分离,以便较好地满足混粉电火花加工要求。本文对该装置储液箱体内的工作液液流及颗粒运动状态进行模拟仿真分析,从仿真的角度验证了加工装置可保持粉末颗粒分布的均匀性和悬浮性,为混粉电火花加工一体化装置的优化设计提供了参考依据,该数学模型可作为设计混粉电火花加工一体化装置的技术支持软件。1体化混粉电火花加工装置的功能混粉电火花加工对工作液中的粉末有较严格的要求,粉末的形状、粒度应均匀一致,以免有粗大或杂质颗粒进入放电间隙。另外,要求工作液中的粉末浓度分布应均匀,要避免产生粉末聚团等现象,因此,一体化混粉电火花加工装置的功能要涵盖以下两个方面:(1)工作液中的粉末可在搅拌作用下均匀地悬浮在工作液中。(2)添加的粉末要全部混合到工作液中,储液箱底部不沉积或尽量少沉积粉末颗粒。2内储液室的液搅拌方法设计2.1颗粒沉降速度的计算固体颗粒在液体中自由沉降时,作用在颗粒上的力有重力、浮力和液体对固体颗粒的移动阻力。为了使粉末颗粒均匀悬浮,就要求不断有液流从底部向上运动,且液流分布要均匀。在工作液不流动的状态下,粉末颗粒的运动形式属于微细颗粒在液体中的沉降运动,斯托克斯方程给出了液体雷诺数Re<1的情况下,该类型运动速度的计算公式:v0=29(ρ1−ρ2)gα2/μv0=29(ρ1-ρ2)gα2/μ(1)式中:v0为沉降速度,m/s;ρ1为粒子密度,kg/m3;ρ2为煤油密度,kg/m3;μ为煤油绝对粘度;α为球形粒子半径,m;g为重力加速度,m/s2。由于固体颗粒在液体中的下降速度为一相对值,因此,当液体向上流动的速度大于等于v0时,固体颗粒将在液体中保持悬浮。2.2除尘器所处环境为使液体产生向上的流动速度,需进行搅拌,搅拌方式主要有叶轮搅拌、气流搅拌、射流混合、管道混合4种。搅拌器所处的环境是掺有微细铝粉末的煤油工作液;工作液处理系统的液泵组件可形成高速射流,由于平行射流的紊流脉动比自由射流大,因此,采用平行射流搅拌作为搅拌器使用的搅拌方式,射流压力为供液泵出口压力。3基于物理特征的微观设计SolidWorks软件是世界上第一个完全基于Windows平台开发的三维机械CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,创造了FeatureManager特征管理员的设计思想,集成了MotionWorks(动态仿真软件)、CosmosWorks(工程分析软件)、SurfCAM(数控加工软件)及SmarTeamWorks(工程数据管理软件)等功能,能方便地绘制出复杂的实体及造型特征。因此,采用SolidWorks软件对混粉电火花加工工作液流场及其颗粒运动进行数字化模拟仿真,从而确定供液泵排量、射流搅拌器结构参数,最终实现混粉电火花加工装置的优化设计。3.1射流器结构模型建立在SolidWorks软件中构建射流搅拌器的数字模型,储液箱为圆形内腔,射流搅拌器共由4根射流管组成,每根射流管上单向均布4个射流孔,使其形成平行射流,其简化模型如图1所示。仿真的目的是为了了解平行射流器产生的液流运动状态,并进行平行射流器的优化设计,因此在简化模型的基础上建立了A和B两套射流器结构参数变化模型,形成两个对比的设计结构,A、B模型的唯一区别在于射流孔的喷液角度不同:模型A中喷液为水平方向,模型B中喷液为从水平方向向下倾斜15°。仿真过程中,A、B两套模型采用同样的初期设定:每个射流孔截面的边界条件是入口的速度方向都为垂直于孔截面,射流速度为1000mm/s;箱体上方空间的边界条件设定为:开口压力和静压力大小为一个大气压;设定计算精度为3级,使用自动划分网格功能。本模型共划分网格单元37620个,其中流体网格单元13876个、固体网格单元5674个、其他局部网格单元18050个;设定箱体内流动的液体为煤油,工作温度为室温。3.2主实际液流场分布为了使微细粉末颗粒在工作液中保持均匀悬浮,需使垂直向上的液流分布保持均匀。射流搅拌器进入稳定工作状态后液流的分布状态见图2。从图2上可看出,主箱体侧壁附近的液流分布,A、B两个模型区别较小,其液流轨迹是先随初速度流动,而后盘旋上升的同时流场整体上是中心对称的,其横截面为同心圆。但储液箱中部位置的液流运动则有很大的分别:模型A中产生了几个明显的集中上升液流,上升液流呈柱状;而模型B中虽然也产生了上升液流,但上升液流分布很均匀,且较分散。仿真结果说明,模型B中的液流呈均匀分布状态,从而得出结论,在储液箱内部液流运动的均匀性方面,模型B比模型A更有优势。3.3粉末颗粒的运动规律混粉电火花加工的关键是保证液流中的粉末能均匀悬浮,因此,考察铝粉颗粒是否可在液流作用和自身重力下保持良好的悬浮状态具有重要意义。由于搅拌的流场是中心对称的同心圆,为方便起见,我们对搅拌器一根管中喷出的液流中的微粒运动进行分析,颗粒随工作液从射流孔中喷射出来的运动状态如图3所示。从图3可看出,粉末颗粒能随液流运动到储液箱边缘。在模型A中,距离射流器对称中心远的3个射流孔中射出的铝粉微粒在液流带动下盘旋向上,可上升到储液箱的上部边缘,即能向上运动。但距离中心最近的孔中射出的铝粉微粒由于受储液箱内液体阻碍,到达箱壁后转而向平行方向运动,从而仍浮动在液体下层,不能向上运动;模型B中,全部4个射流孔中射出的铝粉微粒都在液流带动下盘旋向上至液体上层边缘,而距离中心最近的孔中射出的铝粉微粒仅比其他孔喷出的略低一点,这说明模型B中所有粉末颗粒都能向上运动,从而能全部悬浮在储液箱内。通过仿真结果对比可得出,从平行射流组中喷射出的铝粉颗粒在悬浮性能方面,模型B也比模型A更有优势。3.4侧壁方向的分散为了防止粉末颗粒在储液箱底部沉淀,射流搅拌器应具有冲刷、搅动功能,因此,对初期静止并沉积在箱体底部的粉末颗粒受到液流冲击后的运动状态进行研究同样具有重要意义,其模型模拟仿真结果如图4所示。从图4a中可看出,在模型A中,粉末在侧壁方向的分散程度较均匀,这是由于沉淀的粉末被射流从主箱体中心向侧壁方向推动,从而产生移动并盘旋向上运动。但在图4c中可看到,液流在中间部位速度减慢,出现了橙色区域,这部分液流部分可能会产生沉淀现象,靠近中心位置的射流是不能到达上层的。由此可推断,模型A中液流对箱底的冲刷是不完全的,部分粉末颗粒将会因液流速度变慢而最终沉淀,从而不能使沉积的粉末完全浮起,形成死角;从图4b中可看出,在模型B中,粉末在侧壁方向的分散程度虽然没有模型A中的均匀,但并没有产生橙色即流速减慢的现象,因此,由于液流速度减慢而形成粉末沉积死角的可能性将会比模型A少很多。为了解决粉末沉积死角问题,我们在平行射流组的上方设置了一个手动的旋转拨杆,在射流启动时适当地旋转平行射流组,可使粉末全部悬浮起来。4多次仿真模拟综合上述仿真结果及分析,本课题采用模型B为最终方案,即平行射流搅拌器的射流孔向下倾斜15°。由于向下倾斜15°仅是为了分析A、B两种模型优劣,具体加工时还要最终确定倾斜角度,因此对射流孔倾斜角度进行多次仿真模拟,以10°、15°、20°喷射液流的仿真结果如图5所示。从图5可看出,向下倾斜20°时液流分散效果最好。但考虑实际加工情况,经过综合对比分析,最终选定向下倾斜15°～20°作为最终实际加工参数。5储液充压机的数字模拟通过对混粉电火花加