【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (5)磨粒流加工技巧。磨粒流加工是一種特殊的表面處理工藝，自然有其與眾不同的特點(diǎn)。如果充分注意這些特點(diǎn)并加以利用，將獲得最佳效果。比如磨粒流無(wú)論粘度如何，在夏天都會(huì)變稀，要達(dá)到相同的目的必須適當(dāng)增 加擠動(dòng)次數(shù)，當(dāng)然如果加工參數(shù)選擇過(guò)高，將導(dǎo)致磨粒發(fā)熱，使其切削性下降。從小孔徑流量理論來(lái)說(shuō)，狹窄空間流量快，故在工藝設(shè)計(jì)時(shí)要注意這一因素，例如對(duì)大徑或盲孔的磨粒流加工最好設(shè)計(jì)專(zhuān)用噴嘴，如圖 16 所示，以此來(lái)形成狹窄空間。這里需要強(qiáng)調(diào)的是去毛刺，拋光，倒圓角用磨粒流不一樣，建議不要使用同一種磨粒流完成不同工藝過(guò)程。此外，還要倡導(dǎo)綠色制造，加強(qiáng)磨粒收集，進(jìn)行環(huán)保處理。對(duì)于完成磨粒流加工的零 件內(nèi)殘存的磨粒，只需經(jīng)過(guò)液體浸泡，震動(dòng)即可清除，然后再清洗，吹干 【 10】 。 圖 16 磨粒流加工技巧應(yīng)用 磨 粒流 技術(shù) 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1. 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 由 德國(guó) 制造的 Perfect Finish GmbH 磨粒流流體動(dòng)力研磨系統(tǒng) ， 主要運(yùn)用在航天及汽車(chē)工業(yè) ,有著復(fù)雜幾何圖形合金含量較高的部件拋光及去毛剌 【 12】 。這種全自動(dòng)研磨技術(shù)可以替代以前各種費(fèi)時(shí)的人工去毛剌和拋光工序，人工操作通常無(wú)法達(dá)到長(zhǎng)久一致的表面質(zhì)量保證?，F(xiàn)在，磨粒流體動(dòng)力研磨技朮作為一種加工方法 ,適用于在內(nèi)外部都需要高質(zhì)量表面的產(chǎn)品。 打破以傳統(tǒng)手工研磨拋光工序 : 適用于在內(nèi)外部都需要高質(zhì)量表面的產(chǎn)品例如 ： 渦輪機(jī)內(nèi)部零件 /航天 /汽車(chē) /各類(lèi)精密工件 【 13】 。擠壓工業(yè) :平面 /分流 /多孔 /精細(xì)復(fù)雜模具。藥用業(yè) /紡織業(yè) /液壓 /壓縮 /氣動(dòng)工件。 7 圖 17 德國(guó) Perfect Finish Gmbh 磨粒流流體動(dòng)力研磨系統(tǒng) SPKS 擠壓研磨流體拋光機(jī)械為微精處理機(jī)械，對(duì)于凹陷面與彎曲孔道等通常刀、磨具達(dá)不到的復(fù)雜形狀優(yōu)為有效，該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的手工研磨拋光工序，使微孔、多孔、長(zhǎng)孔、彎孔、異形孔的工件拋光研磨便利、輕松，特別是在氣體、液體類(lèi)的導(dǎo)通管內(nèi)進(jìn)行鏡面拋光，使研磨痕和流體通過(guò)方向一致，有效的提高模具或工件的性能、質(zhì)量、光潔度，達(dá)到鏡面等級(jí)，同時(shí)延長(zhǎng)模具及工件 的使用壽命，更能提升產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)能 【 15】 。 圖 18 SPKS 擠壓研磨流體拋光機(jī)械 2. 國(guó)內(nèi) 的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)很早就引進(jìn)了磨粒流光整技術(shù)，并用于鋁型材模具的拋光。引進(jìn)的鋁型材生產(chǎn)線上一般都配有磨粒流設(shè)備通稱(chēng)擠壓研磨設(shè)備。國(guó)內(nèi)有幾家研究單位已將該工藝用于不同類(lèi)型零件的光整加工，在夾具設(shè)計(jì)及加工控制方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)。已在航空、航天、汽車(chē)、紡機(jī)、模具等領(lǐng)域取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但由于對(duì)這項(xiàng)光整技術(shù)宣傳不夠，很多人至今還不了解 ，在一些領(lǐng)域里處于空白狀態(tài)。另外，由于該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚不廣泛，經(jīng)驗(yàn)也不足， 工藝上也不成熟，自動(dòng)化程度不高，未能達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模，磨粒流加工的優(yōu)勢(shì)尚未充分發(fā)揮出來(lái)。 北京航空工藝研究所經(jīng)過(guò)幾年的探索和研究，現(xiàn)在已取得了可惜的進(jìn)展。自 8 行開(kāi)發(fā)的磨粒流介質(zhì)，性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。 圖 19 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 近年來(lái)， Fletcher 等研究了磨料流加工中應(yīng)用的高分子聚合物的熱特性和流變性，認(rèn)為介質(zhì)的流變性對(duì)磨料流加工的成敗具有重要的作用。 Davies 和 Fletcher研究了幾種配料的流變性與其相應(yīng)加工參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明粘度和磨料的比例都會(huì)影響溫 度和介質(zhì)通過(guò)工件的壓力下降，在磨料加工過(guò)程中溫度是影響介質(zhì)粘度的一個(gè)重要因素 【 16】 。 Williams 和 Rajurkar 的研究表明，介質(zhì)的粘度和擠壓力主要決定著表面的粗糙度和材料去除率，表面粗糙度精度的改善主要發(fā)生在磨料介質(zhì)的前幾個(gè)擠壓往復(fù)進(jìn)程中，并提出了估算動(dòng)態(tài)有效切削磨粒數(shù)目的方法和每個(gè)行程中磨粒損傷的計(jì)算方法。他們還提出了多孔拋光中金屬出去分布的實(shí)驗(yàn)方法與定量分析方法，發(fā)現(xiàn)用磨粒流加工一個(gè)具有中心孔和 四個(gè)外圍孔的工件時(shí)，中心孔的金屬去除率比外圍孔的金屬出去率高 30%。 Williams 和 Rajurkar研究探索了磨料流加工過(guò)程特性的一些方面和表面的特性化以及過(guò)程建模，研究了工藝輸入?yún)?shù)對(duì)工藝性能參數(shù)的影響，利用 DDS 隨機(jī)建模與分析技術(shù)研究了磨料流加工表面 。磨料流加工表面輪廓模型的格林函數(shù)揭示了其特性形狀是雙指數(shù)的疊加。 Williams 等還研究提出了基于監(jiān)控策略和磨料流加工的聲發(fā)性特性的磨料流加工聲發(fā)射在線監(jiān)控和自適應(yīng)控制系統(tǒng)，但是這些研究工作僅僅考慮了一部分過(guò)程參數(shù)而忽略了其他一些關(guān)鍵參數(shù)。磨料流加工去除了傳統(tǒng)以及特種加工對(duì)工件表面的影響，使表面更加均勻一致；磨料流加工與磨削加工有很多相似之處。 在國(guó)內(nèi) 王純、楊建明和王潔針對(duì)傳統(tǒng)的磨料流加工在磨料介質(zhì)流速增大的情 9 況下容易出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象從而易失效的不足，研究開(kāi)發(fā)出了磨料流振動(dòng)拋光機(jī)床和相應(yīng)的加工技術(shù)，從而有利于較大幅度提高拋光效率，并提出了磨料流加工流動(dòng)新的邊界條件假設(shè)，用簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種假設(shè)。湯勇等對(duì)磨料流加工存在的壁畫(huà)滑動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：磨料平均速度存在著臨界值，在于平均速度時(shí)存在 壁面 滑動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)壁 滑速度隨磨料平均速度增加而增大；磨料粘度升高，會(huì)使平均速度臨界減少，而壁滑速度增加的程度卻增大，存在壁滑是實(shí)現(xiàn)磨料流加工的前提條件。 小結(jié) 本節(jié)我們回顧了磨料流加工的形成及其加工特點(diǎn)，研究了其目的和意義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，使我們對(duì)其有了一個(gè)大致而清晰的了解。 10 第 2 章 Fluent軟件 GAMBIT軟件介紹 GAMBIT 是面向 CFD 的幾何建模和網(wǎng)格生成軟件 ， 是目前 CFD 分析中最優(yōu)秀 的前置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法。 用戶 既可以在GAMBIT 中 直接建立點(diǎn)、線、面、體的幾何模型，也可以從 PRO/E、 UG、 CATIA、SOLIDWORKS、 ANSYS 等主流的 CAD/CAE 軟件中導(dǎo)入創(chuàng)建好的實(shí)體與 網(wǎng)格。GAMBIT 與 CAD 軟件的 接口和功能強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力 可使用戶方便的建立復(fù)雜 幾何模型。借助 其 功能靈活、完全集成和易于操作的界面， GAMBIT 軟件 可以顯著減少 CFD 應(yīng)用中前置處理的時(shí)間。復(fù)雜的模型可直接采用 GAMBIT 固有幾何模塊生成，或由 CAD/CAE 構(gòu)型系統(tǒng)導(dǎo)入。高度自動(dòng)化的網(wǎng)格生成工具保證其最佳 質(zhì)量的網(wǎng)格生成，如結(jié)構(gòu)化的、非結(jié)構(gòu)化的、多塊的、 混合 的 網(wǎng)格。 GAMBIT可以生產(chǎn) FLUENT、 FIDAP、 POLYFLOW 等求解器所需要的網(wǎng)格， 它提供的非結(jié)構(gòu) 化的 網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效 。 FLUENT 還可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格 ， 這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間 。 GAMBIT 是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué) （ CFD） 模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件 ， GAMBIT 通過(guò)它的用戶界面 （ GUI） 來(lái)接受用戶的輸入。 GAMBIT GUI 具有 簡(jiǎn)單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等 功能。計(jì)算機(jī)網(wǎng)格根據(jù)性質(zhì)的不同，可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格 。 對(duì)于二維平面系統(tǒng) 模型 而言，四邊形網(wǎng)格屬于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而三角形網(wǎng)格則屬于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。三維立體系統(tǒng) 模型 則較復(fù)雜，有四面體、五面體、六面體和楔形等等立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。其中，六面立方體或六面長(zhǎng)方體皆屬于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他則皆屬于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。 因?yàn)榱鲃?dòng)域的幾何模型比較復(fù)雜， 噴油嘴零件的 計(jì)算網(wǎng)格主要采用非結(jié)構(gòu)化的三角形、四邊形的面網(wǎng)格以及非結(jié)構(gòu)化的四面體、五面體和六面體的體網(wǎng) 格，在靠近壁面的流動(dòng)區(qū)域采用了棱柱型的邊界層網(wǎng)格，以便準(zhǔn)確地模擬流動(dòng)和換熱情況 。圖 21給出了 GAMBIT 中常用的網(wǎng)格類(lèi)型。 相對(duì)四邊形的面網(wǎng)格和六面體的 體網(wǎng)格而言，在流動(dòng)域內(nèi)生成三角形的面網(wǎng)格和四面體的體網(wǎng)格更容易一些，而且網(wǎng)格數(shù)相對(duì)也少。但采用四邊形面網(wǎng)格可以允許網(wǎng)格單元的變形更大一些，而三角形、四面體網(wǎng)格單元會(huì)因?yàn)榫W(wǎng) 格的變形過(guò)大而增加網(wǎng)格的扭曲率，從而影響計(jì)算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性。 需要指出的是如果采用非結(jié)構(gòu)化的三角形 、 四面體網(wǎng)格模型來(lái)求解，需要采用二階求解精度。 11 為了提高求解精度，防止數(shù)值離散， 對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)最好還是采用四邊形 、 六面體網(wǎng)格來(lái)劃分 。而對(duì)于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)采用三角形、 四面體網(wǎng)格來(lái)劃分，此類(lèi)網(wǎng)格 容易生 成網(wǎng)格單元并且可以減少網(wǎng)格數(shù)，比較適用 于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的噴油嘴噴孔 結(jié)構(gòu)。 噴油嘴二維及三維網(wǎng)格劃分如圖 2 2 所示。 圖 21 GAMBIT 常用網(wǎng)格類(lèi)型 當(dāng) 影響網(wǎng)格大小的因素較 多，主要有以下幾個(gè)方面：幾何實(shí)體的大小是決定網(wǎng)格尺寸的主要因素；理想的三角形網(wǎng)格是等邊的，面網(wǎng)格的尺寸將影響體網(wǎng)格的 大小進(jìn)而影響邊界層的求解；相鄰結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸也會(huì)影響網(wǎng)格的大小，若 與凹坑處相鄰邊界面的尺寸較大，那么凹坑處生成的網(wǎng)格只有一個(gè)體網(wǎng)格，這樣 該處的網(wǎng)格質(zhì)量就會(huì)變差 。 無(wú)論采用何種方式來(lái)劃分計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格的類(lèi)型、尺度和質(zhì)量都會(huì)直接影響到 CFD 分析結(jié)果的 準(zhǔn)確性 和穩(wěn)定 性 。 噴油嘴二維網(wǎng)格劃分 噴油嘴三維網(wǎng)格劃分 圖 22 噴油嘴模型網(wǎng)格劃分 磨粒流加工過(guò)程屬于 復(fù)雜的湍流流動(dòng) ， 復(fù)雜的湍流流動(dòng)在傳輸平均動(dòng)量和其它標(biāo)量過(guò)程中起著主要作用，如果要實(shí) 現(xiàn)對(duì)湍流流動(dòng)的正確模擬，那么對(duì)靠近壁面流動(dòng)區(qū)域劃分 計(jì)算網(wǎng)格是有要求的。由于湍流的平均流動(dòng)和脈動(dòng)之間存在著很強(qiáng)的相互作用，湍流的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果 比層流流動(dòng)更容易受到網(wǎng)格 的影響。為 12 了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，對(duì)于靠近壁面區(qū)域湍流的求解最好選擇在平均流動(dòng)變化快而且平均應(yīng) 力較大的邊界層所在的區(qū)域。在計(jì) 算網(wǎng)格的處理上，在流動(dòng)域靠近壁面 部分要采用加附面層的方法，在流體流動(dòng)區(qū)域的表面網(wǎng)格和內(nèi)部網(wǎng)格之間再劃分出一個(gè)特定區(qū)域，用以保證壁面附近的湍流計(jì)算的準(zhǔn)確性 。 磨粒流加工過(guò)程屬于 復(fù)雜的湍流流動(dòng) ， 復(fù)雜的湍流流動(dòng)在傳輸平均動(dòng)量和其它標(biāo)量過(guò)程中起著主要作用，如果要實(shí) 現(xiàn)對(duì)湍流流動(dòng)的正確模擬，那么對(duì)靠近壁面流動(dòng)區(qū)域劃分 計(jì)算網(wǎng)格是有要求的。由于湍流的平均流動(dòng)和脈動(dòng)之間存在著很強(qiáng)的相互作用，湍流的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果 比層流流動(dòng)更容易受到網(wǎng)格 的影響。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，對(duì)于靠近壁面區(qū)域湍流的求解最好選擇在平均流動(dòng)變化快而且平均 應(yīng) 力較大的邊界層所在的區(qū)域。在計(jì)算網(wǎng)格的處理上，在流動(dòng)域靠近壁面 部分要采用加附面層的方法，在流體流動(dòng)區(qū)域的表面網(wǎng)格和內(nèi)部網(wǎng)格之間再劃分出一個(gè)特定區(qū)域，用以保證壁面附近的湍流計(jì)算的準(zhǔn)確性 。噴油嘴模型的網(wǎng)格劃分如圖 2 24 所示。 圖 23 噴油嘴二維網(wǎng)格劃分 可 用 GAMBIT 軟件生成混合型四面體網(wǎng)格，在 靠 近壁面的邊界層內(nèi)生成一層很薄的三棱柱網(wǎng)格，在流體內(nèi)部區(qū)域生成 四面體網(wǎng)格 。 與在整個(gè)流動(dòng)域全部生成四面體網(wǎng)格相比， 此種方法 在靠近壁面流動(dòng)區(qū)域?yàn)槔庵?型 混合網(wǎng)格 ， 可以更好的模擬流體接近壁面區(qū)域的流場(chǎng) 的情況 ， 計(jì)算結(jié)果也更為 準(zhǔn)確可靠。 圖 24 噴油嘴三維網(wǎng)格劃分 需要指出的是，本章網(wǎng)格劃分采用指定網(wǎng)格間距（ interval size）模式，支路網(wǎng)格密度大于干路網(wǎng)格密度。當(dāng)網(wǎng)格劃分成功后，將創(chuàng)建成功的模型導(dǎo)出保存為*mesh 文件，啟動(dòng) FLUENT 讀取此文件，選擇恰當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)即可進(jìn)行數(shù)值分析。 13 FLUENT軟件概述 FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè) CFD軟件包之一，最初由 FLUENT 。 20xx 年 2 月 ANSYS FLUENT 大的 CAE 軟件公司。 就是由 ANSYS ， CFD軟件通常都包含 3 個(gè)主要功能部分：前處理器、求解器、后處理器。 FLUENT 是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專(zhuān)用軟件。 FLUENT 提供了靈活的網(wǎng)絡(luò)熱性，可以支持多種網(wǎng)絡(luò)。用戶可以自由選擇使用結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)來(lái)劃分復(fù)雜的幾何區(qū)域，例如針對(duì)二維問(wèn)題支持三角形網(wǎng)絡(luò)或者四邊形網(wǎng)絡(luò)；針對(duì)三維問(wèn)題支持四面體 .六面體 .凌錐 .多面體網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)也支持混合網(wǎng)絡(luò)。用戶也可以利用 FLUENT 提供的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)特性在求解 過(guò)程中根據(jù)所獲得的計(jì)算結(jié)果來(lái)優(yōu)化網(wǎng)格。 FLUENT 是使用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，支持并行計(jì)算，支持 UNIX 和 WINDOWS等多平臺(tái)，采用用戶 .多服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，能夠在安裝不同操作系統(tǒng)的工作站和服務(wù)器之間協(xié)同完成同一個(gè)任務(wù)。 FLUENT 通過(guò)菜單界面和用戶進(jìn)行交互，用戶可以通過(guò)多窗口的方式隨時(shí)觀察計(jì)算的進(jìn)步和計(jì)算結(jié)果 【 11】 。 FLUENT 軟件包主要由 GAMBIT、 Tgrid、 Fliters、 FLUENT 幾部分組成。 （ 1） 前處理器。包括 GAMBIT、 Tgrid 和 Fliters。其中 GAMBIT 是由 FLUENT CFD 前置處理器，用于模擬對(duì)象的幾何建模以及網(wǎng)格組成。 Tgrid 是一個(gè)附加前置處理器，它可以從 GAMBIT 或其他 CAD/CAE 軟件包中讀入所生成的模擬對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格開(kāi)始生成由三角形、四