文懷興，馬朝陽

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 西安 710021)

數(shù)控車床高壓冷卻噴嘴的優(yōu)化設(shè)計

文懷興，馬朝陽

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 西安 710021)

為了研究高壓冷卻噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體射流的影響，文章針對高壓冷卻系統(tǒng)的執(zhí)行部件錐形噴嘴的收縮角、入口直徑與出口直徑的比值兩個主要因素進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。采用計算流體動力學(xué)的分析軟件Fluent對噴嘴的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過仿真研究和分析對比其噴嘴流場的特性曲線獲取了噴嘴的優(yōu)化參數(shù)?；贛ixture多相流模型理論對其優(yōu)化后的噴嘴進(jìn)行了外部流場的氣液兩相模擬實驗和車削斷屑實驗。研究結(jié)果表明：隨著收縮角的增大，噴嘴射流的動壓值先增大后減小，在α=25°時動壓力達(dá)到了最大值；距噴嘴出口60 mm處截面上的徑向速度隨著距離的增加而下降，在α=25°時截面上的徑向速度變化幅度最?。划?dāng)噴嘴的直徑比Cd=3時，射流初始段的軸向速度達(dá)到最大值，能產(chǎn)生更好的斷屑效果。

數(shù)控車床；高壓斷屑；錐形噴嘴；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

在現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)中，切削液問題往往被人們忽視，常規(guī)的澆注方式冷卻效果不佳，也很難實現(xiàn)斷屑的功能。近年來，出現(xiàn)一種全新的冷卻技術(shù)：高壓冷卻技術(shù)(HPC)。高壓冷卻技術(shù)是將原有車床的冷卻液壓力經(jīng)過獨立的高壓冷卻系統(tǒng)升至特定壓力，再通過內(nèi)部通道，由噴嘴噴射到加工區(qū)域，從而達(dá)到冷卻斷屑的目的，有效避免了車削過程中的纏屑現(xiàn)象，提高了工件的加工精度和生產(chǎn)效率。隨著高壓冷卻技術(shù)的推廣，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此展開了深入的研究工作，研究的成果均促進(jìn)了加工過程中的冷卻和排屑。然而影響高壓冷卻技術(shù)的因素有很多，大部分研究者著重考慮選用液壓泵來獲取高壓[1-3]，卻往往忽略了對執(zhí)行機(jī)構(gòu)噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本文主要針對高壓冷卻噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，文獻(xiàn)[4]采用Fluent軟件只對高壓噴嘴的氣體流場進(jìn)行了仿真分析，未能對氣液兩相流進(jìn)行模擬分析。文獻(xiàn)[5]采用兩相流理論對氣動噴丸噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析，未能對外部流場和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行模擬分析。本文在數(shù)值模擬方面，采用CFD仿真軟件Fluent獲得射流特性，比較分析不同噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)下對噴嘴射流的速度、動壓力等的影響[6]。通過模擬實驗和車削實驗分析研究噴嘴收縮角、入口直徑與出口直徑的比值對車床斷屑能力的影響，從而優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 材料性質(zhì)確定

在建立數(shù)學(xué)模型之前非常關(guān)鍵的一步便是正確設(shè)定所研究物質(zhì)的物性參數(shù)，主要包括密度和粘度等。數(shù)控車床使用的QL型乳化液，在20℃的環(huán)境下其運動粘度為32 cSt，按照1:20的兌水比例，即1 kg乳化液與20 kg水混合調(diào)配，將混合調(diào)配后的混合物稱為切削液。20℃時水的運動粘度為1.005 cSt[7]，調(diào)配后的切削液的運動粘度的計算公式為：

vm=φavaeφbαb+φbvbeφaαa

(1)

(2)

(3)式中,vm為切削液的運動粘度，va為水的運動粘度，vb為乳化液的運動粘度，φa為切削液中水的體積分率，φb為切削液中乳化液的體積分率，αa為切削液中水的特征參數(shù)，αb為切削液中乳化液的特征參數(shù)。聯(lián)立公式(1)～公式(3)可得切削液的運動粘度vm=1.11 cSt。因為調(diào)配后的切削液中水的含量約為90%，因此，切削液的物性參數(shù)與純水具有相似性，為了便于研究，用純水介質(zhì)的物性參數(shù)作為本次數(shù)值模擬的研究物質(zhì)。

1.2 物理模型的確定

液體在管道中流動存在層流和紊流兩種流動狀態(tài)，選擇合適的物理模型就要明確液體在管道中是處于層流還是湍流。液體的兩種流態(tài)可用雷諾數(shù)來判別，即：

(4)

式中，Re為雷諾數(shù)，V為管內(nèi)切削液的平均速度，dH為水力直徑。

在圓管流動中，當(dāng)Re≤2300時，該液體流動一定處于層流狀態(tài)，當(dāng)Re≥8000時，該液體流動一定處于湍流狀態(tài)[8]。在數(shù)控車床的高壓冷卻系統(tǒng)中液壓泵的流量q=20 L/min,壓力p=1.25 MPa，圓管的內(nèi)直徑為15 mm，即dH=15 mm，則：

(5)

所以由公式(4)和公式(5)可得Re=28350>8000，因此處于湍流狀態(tài)，采用湍流流動的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型是通過求解湍流流動動能k方程和湍流耗散率ε方程得到k和ε的解，k和ε的方程為：

(6)

(7)

其中：

式中，k為湍動能，ε為耗散速率，Gk為平均速度梯度引起的湍動能，Gb為浮力影響引起的湍動能，YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，σk為湍動能的湍流普朗特數(shù)，σz為耗散率的湍流普朗特數(shù)，ρ為流體的密度，ut為湍流粘性系數(shù)。系數(shù)取值[9]：C1z=1.44，C2z=1.92，C3z=0.09，σk=1.0，σz=1.3。

1.3 噴嘴出口直徑的確定

高壓冷卻系統(tǒng)中的液壓泵的流量是固定的，切削液由管路進(jìn)入噴嘴形成高壓供應(yīng)機(jī)床加工，為了達(dá)到斷屑的目的，必須使經(jīng)過噴嘴小孔的切削液具有一定的速度，當(dāng)高壓泵的壓力和流量等參數(shù)確定之后，噴嘴的出口直徑也就確定下來：

(8)

式中，d為噴嘴的出口直徑，q為射流流量，u為噴嘴流量系數(shù),p為射流壓力。流量系數(shù)表征了噴嘴的能量傳輸效率，錐形噴嘴的流量系數(shù)u=0.95[10]，所以由公式(8)可得噴嘴的出口直徑d=3 mm。

2 噴嘴的結(jié)構(gòu)與仿真模型

數(shù)控車床所使用的是錐形噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，D為噴嘴的入口直徑，d為噴嘴的出口直徑，α為噴嘴的收縮角，L為噴嘴長度。錐形噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是收縮角α、入口直徑與出口直徑的比值，為了便于研究，定義Cd=D/d。所以影響噴嘴性能的參數(shù)主要是收縮角α和直徑比Cd。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)

為了獲取錐形噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作性能之間的關(guān)系，采用數(shù)值仿真分析的方法，根據(jù)流體動力學(xué)建模方法和軸對稱性特征建立如圖2所示的噴嘴仿真模型。線段AB定義為噴嘴的壓力入口，線段EC、EF和FG定義為壓力出口，線段CD為噴嘴的出口處，線段AD為噴嘴的對稱軸，線段DG為模擬的外部流場的對稱軸，線段BC為噴嘴內(nèi)壁面的邊界條件，其中β=α/2。

圖2 仿真模型

3 噴嘴性能仿真

3.1 收縮角對噴嘴射流特性的影響

噴嘴的射流加速主要取決于噴嘴的收縮角，因此先研究收縮角α的改變對射流特性的影響，保持其他參數(shù)不變，只改變收縮角α的值。如圖3所示，為α分別取10°，20°，25°，30°下噴嘴軸線上的射流動壓值曲線。從圖中可以看出，不同α下的噴嘴軸線上的動壓值具有很好的相似性，噴嘴的動壓值都是呈增長趨勢，當(dāng)射流射入空氣中時，其動壓值趨于穩(wěn)定。對比不同收縮角下噴嘴軸線上的動壓值曲線，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴收縮角α的不斷增大，動壓值先增大后減小，在α=25°時噴嘴的射流動壓值最大。

圖3 不同α下噴嘴軸線上的動壓值曲線

水射流射入空氣中之后，由于存在較大的速度差，兩種流體之間會產(chǎn)生間斷面。該間斷面并不穩(wěn)定，會將周圍空氣卷入射流中，使得射流邊界逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，由于這種摻混，將使徑向的射流速度受到阻力，使其流速降低。故取距噴嘴出口60 mm處截面上速度的徑向分布曲線，如圖4所示，為α分別取10°、20°、25°、30°下截面上的徑向射流速度分布曲線。從圖中可以看出，不同α下的噴嘴的徑向射流速度都隨著距離的增大而減小。在α=20°和α=30°時，其徑向射流速度具有相似性，區(qū)別在于當(dāng)收縮角α=20°的徑向射流速度高于α=30°。在α=25°和α=10°時，其軸線上的速度(即X=0時)基本相同，但隨著徑向距離的增大，在α=10°時徑向射流速度下降過快。綜上所述，當(dāng)噴嘴的收縮角α=25°時，其徑向速度的變化幅度最小。

圖4 不同α下距噴嘴出口60 mm處截面上的射流速度曲線

3.2 直徑比對噴嘴射流特性的影響

為了獲取不同直徑比下噴嘴出口的射流特性，保持其他參數(shù)不變，取α=25°，只改變?nèi)肟诎霃紸B的值。如圖5所示，分別為直徑比Cd=2，2.5，3，4四種情況下的噴嘴出口軸線上的速度射流特性曲線[11]。切削液從機(jī)床噴嘴射出后與環(huán)境介質(zhì)接觸發(fā)生劇烈的紊動和擴(kuò)散。在射流初始段，其射流速度迅速上升后基本保持不變，稱之為射流核心區(qū)。在射流基本段，其射流軸向速度逐漸減小。射流的最后一段為消散段，切削液基本與環(huán)境介質(zhì)融合，其軸向速度很小[12]。從圖中可以看出，軸向射流速度曲線的主要區(qū)別在于：在直徑比Cd=3時，其初始段的軸向速度最大，可用于車削過程中的冷卻斷屑。在直徑比Cd=4時，其基本段的軸向速度最大，可用于沖洗機(jī)床排屑。這主要是因為射流速度取決于射流功率的大小，當(dāng)直徑比Cd較小時，在噴嘴出口產(chǎn)生的射流壓力較小，所以在射流初始段速度增長緩慢；而當(dāng)直徑比Cd較大時，在噴嘴入口處獲得的速度較小，噴嘴內(nèi)部流動產(chǎn)生的摩擦阻力增大，從而限制了射流速度的增長?？紤]到其主要目的是為了避免機(jī)床的纏屑現(xiàn)象，因此選取直徑比Cd=3。

圖5 不同Cd下噴嘴出口軸向射流速度曲線

4 兩相流模擬結(jié)果

切削液射出后與空氣之間發(fā)生劇烈的動量交換和紊動擴(kuò)散，所以模擬氣液兩相混合運動，采用多相流模型中的Mixture模型，湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，1.25MPa的入口壓力，無滑動的壁面條件，操作環(huán)境為大氣壓，取噴嘴的收縮角α=30°，直徑比Cd=3，分析優(yōu)化后的噴嘴對外部流場的影響。如圖6所示為本次模擬的動壓力和速度等值線云圖，由圖中可以看出，射流經(jīng)過收縮段后其壓力和速度都比原始值大。當(dāng)射入空氣中后，與周圍空氣發(fā)生摩擦，動壓值和速度值明顯減小且呈現(xiàn)尖帽狀分布。隨著射流離出口的距離變遠(yuǎn)，射流分布呈現(xiàn)膨脹發(fā)散的趨勢。本次模擬p=1.25MPa，噴嘴出口速度的理論計算公式為：

(9)

而模擬結(jié)果的噴嘴出口速度也為50 m/s，與公式(9)的計算結(jié)果完全吻合，噴嘴出口的動壓力值可提高到1.3MPa。

(a)動壓等值線云圖

(b)速度等值線云圖 圖6 噴嘴兩相流模擬實驗

5 結(jié)論

本文通過研究高壓冷卻噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體射流特性的影響，采用計算流體動力學(xué)的分析軟件Fluent對噴嘴的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而得到以下結(jié)論：

(1)高壓冷卻噴嘴的收縮角α和直徑比Cd決定了噴嘴的射流特性，在高壓冷卻車削加工中，對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計極其重要。

(2)隨著收縮角α的增大，噴嘴軸線上的動壓值先增大后減小。當(dāng)α=25°時，其軸線上的動壓值達(dá)到最大值，截面上的徑向速度變化幅度最小。

(3)在射流初始段，直徑比Cd越大，噴嘴出口的軸向速度先增大后減小。當(dāng)Cd=3時，其軸向速度達(dá)到最大值，可有效用于車床的有效斷屑。

(4)模擬結(jié)果表明：當(dāng)α=25°，Cd=3時，噴嘴的射流特性較好。

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(編輯 李秀敏)

Optimum Design of High Pressure Cooling Nozzle for CNC Lathe

WEN Huai-xing，MA Chao-yang

(School of Mechanical Engineering,Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

In order to study the influence of structure parameters of high pressure cooling nozzle on the jet of fluid,In this paper, the optimization design of the contraction of conical nozzle angle 、the ratio of the contraction angle, the inlet diameter and the outlet diameter of the structure parameters of the high pressure cooling system is carried out.The flow field of the nozzle was numerically simulated by Fluent, The optimization parameters of the nozzle were obtained by simulating and analyzing the characteristics of the nozzle flow field. Based on Mixture multiphase flow model theory, the optimized nozzle was simulated by two-phase gas-liquid two-phase flow.The results show that with the increase of the angle of contraction, the dynamic pressure value of nozzle jet first increases and then decreases, and the dynamic pressure reaches the maximum value atα=25°;the radial velocity at the section of nozzle exit 60 mm When the diameter of the nozzle is smaller thanCd=3, the axial velocity of the initial section of the jet reaches the maximum value, which can produce a better value of the radial velocity. Chip breaking effect.

CNC lathes;high pressure chip breaking;cone nozzle; optimal design

1001-2265(2017)05-0139-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.037

2016-12-12；

2017-01-17

文懷興(1957—)，男，陜西武功人，陜西科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計與制造，先進(jìn)制造技術(shù)，機(jī)電一體化設(shè)備與控制，數(shù)控技術(shù)以及成型工藝,(E-mail)wenhx@sust.edu.cn；通訊作者：馬朝陽(1991—)，男，河南南陽人，陜西科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為機(jī)械工程，(E-mail)994860452@qq.com。

TH122；TG659

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