介觀尺度下磨粒流拋光溫度對發(fā)動機噴油嘴質量影響研究

李俊燁， 衛(wèi)麗麗， 張心明， 喬澤民，2

(1.長春理工大學 機電工程學院， 吉林 長春 130022; 2.山西省計量科學研究院, 山西 太原 030002)

介觀尺度下磨粒流拋光溫度對發(fā)動機噴油嘴質量影響研究

李俊燁1， 衛(wèi)麗麗1， 張心明1， 喬澤民1，2

(1.長春理工大學 機電工程學院， 吉林 長春 130022; 2.山西省計量科學研究院, 山西 太原 030002)

磨粒流拋光作為一項精密加工技術，其拋光溫度對工件質量的影響在宏觀尺度和微觀尺度上已有較多的研究，而在介觀尺度內的模擬仍很少涉及。通過構建以原子團簇為主的磨粒，在介觀尺度下以耗散粒子動力學的方法研究不同溫度下磨粒對發(fā)動機噴油嘴內表面的碰撞磨損行為。研究結果表明：溫度越高，磨粒流拋光質量越好，在拋光溫度為300～310 K區(qū)域內可獲得最佳的磨粒流拋光質量,但拋光溫度高于310 K后，磨粒流拋光質量有所下降；磨粒流拋光試驗與數值分析的結果一致，磨粒流拋光技術可有效實現對細小孔結構的拋光，并可有效提高拋光精度和表面質量。

機械制造工藝與設備； 耗散粒子動力學； 磨粒流； 介觀尺度； 碰撞磨損行為； 拋光溫度

0 引言

隨著我國的經濟發(fā)展，航空航天器件、國防高技術武器、微機電系統(tǒng)元件及民用各類型智能探測器方面得到迅猛的發(fā)展，微小孔零件在制造業(yè)中的應用越來越廣泛，其加工精度及表面性能要求越來越高，故對微小孔超精密加工的需求越來越迫切[1-2]。磨粒流拋光技術這一個新的加工工藝具有良好的表面精加工能力，特別適合于各類復雜異型孔、微小孔、復雜內部型腔結構等零件的超精密加工。

Wan等[3]對雙向管的磨粒流加工進行了建模分析，選取帶有橢圓孔的直線管為目標模型，進行了仿真模擬，描述了動壓力、湍動能云圖，并對工件表面粗糙度進行了測試分析，結果表明，磨粒流技術可提高其精度和有效改善表面粗糙度。

圖1 DPD中的粒子Fig.1 Dissipative particle dynamics of particles

耗散粒子動力學 (DPD) 是在模擬介觀尺度內流體中的粒子運動，展現出其前所未有的有效性及精準性，它可以用來對復雜流體的動態(tài)行為和靜態(tài)行為進行模擬[4]。在DPD體系內，它的基本單元是通過模擬出一些動量載體(其屬性為離散性)，即“粒子”，來實現介觀模擬及分析，其形態(tài)如圖1所示。這些被稱為“粒子”的動量載體，其運動是基于連續(xù)的空間和離散的時間，通過互相作用產生內部的作用力，進而表現出宏觀方面的性質，如圖2所示。

圖2 粒子之間的相互作用范圍Fig.2 Interaction among particles

Jamali等[5]通過輔助非穩(wěn)態(tài)溫控器DPD模擬，基于高斯分布的動態(tài)粒子速度的流體，證明了恒溫器在寬范圍的剪切速率和耗散參數下保持溫度的能力，提出影響DPD液體黏度的方法以及性能改善的黏溫測量。

圖3 顆粒原子團磨削工件示意圖Fig.3 Schematic diagram of ground workpiece

介觀尺度下的原子團是研磨液顆粒的最初形式，在壓力作用下，顆粒在工件流道內流動，原子團與工件壁面之間發(fā)生激烈的微磨削碰撞作用，從而達到去除工件內表面毛刺及倒圓角的效果，可以獲得介觀尺度下研磨液磨粒晶胞團簇模型對磨削的影響[6]，如圖3所示。

本文通過選取介觀尺度內的磨粒晶格進行磨削拋光數值分析，分析磨粒磨削壁面溫度場的影響，再進行不同拋光加工條件下磨粒對壁面的介觀模擬分析，觀察在介觀尺度下磨粒流拋光工件的質量影響，以此來研究磨粒流加工微切削機制。

1 拋光溫度對噴嘴質量影響的數值分析

隨著車輛工業(yè)的發(fā)展，國家對發(fā)動機的需求越來越多，噴油嘴是發(fā)動機的核心部件[7-8]，而磨粒流拋光技術可以有效地改善噴油嘴小孔內通道表面質量，該技術有著重要的現實意義，目前該技術已廣泛應于航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造、精密模具制造、農業(yè)機械等行業(yè)[9-11]。為了研究不同拋光溫度對工件拋光質量的影響，這里選取不同拋光溫度進行磨粒流拋光分析[12-13]。在磨粒流拋光過程中伴隨熱傳遞，溫度在介質內隨位置變化，由于介質內部存在溫度梯度而引起熱交換，在笛卡爾坐標下，傳熱率遵循傅里葉定律，即

(1)

(2)

(3)

(4)

當運動的流體接觸到溫度不同的壁面時就會出現對流換熱，流體和壁面間的總傳熱率遵從牛頓冷卻定律，即

q=hA(Ts-Tf),

(5)

式中：h為傳熱系數；Ts為壁面的溫度；Tf為流動流體的溫度。根據實地加工環(huán)境及晝夜加工環(huán)境溫度變化，選取290 K、300 K、310 K、320 K(即常溫17 ℃、27 ℃、37 ℃、47 ℃)作為數值模擬的拋光溫度，通過改變拋光溫度觀察不同溫度條件對壓力場、湍流黏度、湍流動能以及加工速度的影響。選取的SiC體積分數比例20%、磨粒粒徑為200 nm、入口速度為25 m/s進行數值分析。當磨粒粒徑為納米尺度時，可以定義為磨粒流是在介觀尺度下進行拋光作用。

1.1 拋光溫度對動壓力的影響

首先對噴油嘴進行了壓力場的分析，得到了不同拋光溫度下動壓力云圖，如圖4所示。

圖4 不同拋光溫度下動壓力云圖Fig.4 Dynamic pressures at different polishing temperatures

觀察圖4可知，在不同拋光溫度條件下，動壓力仿真云圖基本相似，磨料從入口開始進入噴油嘴，經過對噴油嘴工件的磨削加工之后，從噴油嘴前端的6個小孔流出。動壓力在入口處最小，在進入噴油嘴后，壓力沒有明顯的變化，在通道變窄時，動壓力逐漸增大，在6個交叉口處的動壓力進一步增大，說明交叉口處的磨粒運動較為激烈，加工效率較好，在進入小孔內時，動壓力達到最大，說明此時在小孔流道內孔磨粒運動最為激烈，加工效率最好，從而提高了噴油嘴工件小孔的加工精度。

將以上數據進行分析，選取大孔區(qū)域為數據1區(qū)、交叉口處為數據2區(qū)，小孔中心為數據3區(qū)，小孔壁面為數據4區(qū)，得到不同拋光溫度下工件動壓力數據分布表，如表1所示。

表1 不同拋光溫度下工件動壓力數據分布表

由表1可以看到：1)在同一溫度條件下，以300 K為例，動壓力在入口處最小，其動壓力為0.666 MPa，在交叉口的動壓力維持在147 MPa，動壓力顯著增加，因為在交叉口處的橫截面積減小，從而影響動壓力的數值，隨著磨料進入小孔內部，小孔中心壓力為13 200 MPa，在小孔壁面壓力再次減弱到2 180 MPa，說明磨料對小孔的磨削增強；2)隨著拋光溫度不斷上升，動壓力隨之增大，在數據1區(qū)增加幅度最小，數據3區(qū)較大，小孔內部動壓力變化較大，拋光溫度對磨料黏彈性及加工動壓力有較大的影響。3)通過數值比較發(fā)現，在320 K時數值有所下降，310 K時為峰值。

1.2 拋光溫度對湍流黏度以及湍流動能的影響

選擇同樣的初始條件，對磨粒流拋光過程中的湍流黏度進行分析，得到湍流黏度的云圖如圖5所示。

圖5 不同拋光溫度下湍流黏度云圖Fig.5 Turbulent viscosities at different polishing temperatures

從圖5可以看出：隨著磨料進入噴油嘴，290 K時大孔處湍流黏度逐漸減小，大孔壁面處基本為低值，說明對壁面拋光較均勻，在交叉口附近湍流黏度逐漸增強，在小孔區(qū)域逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；300 K至310 K時入口處的湍流黏度最強，隨之呈現拋物線狀形式減弱，并且湍流黏度在噴油嘴內壁四周最先開始減弱，在小孔區(qū)域基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明此時的溫度狀態(tài)下對小孔處拋光效果更好；在320 K狀態(tài)下與290 K時基本保持一致。在相同的初始條件下，對湍流動能進行分析，如圖6所示。

由圖6可知，隨著磨料流動，大孔的型腔湍流動能最小，當在交叉口處，湍流動能增大，隨著磨料進入小孔，湍流動能繼續(xù)增強，這說明磨粒對交叉口及小孔內壁的磨削力最大，磨削效果最好。磨料在進入大孔前端時，湍流動能有所減小，這是因為在整個磨料流動加工過程中，隨著磨料對壁面的磨削作用，磨粒能量降低，由初始動能轉化為磨削力的功和內能，根據以上數值分析結果，選取小孔入口處為數據1區(qū)、小孔中部為數據2區(qū)、小孔出口為數據3區(qū)，得到不同加工速度下工件湍流動能數據分布數據，如表2所示。

從表2中可以看出：1)同一拋光溫度下，小孔徑區(qū)域數據1區(qū)為最大，其次是數據2區(qū)，最后是數據3區(qū)；而每一區(qū)的能量損耗都較快；整個下降過程能量損耗也很多，能量轉化為磨削工件的功也多；2)隨著拋光溫度不斷增大，從290 K到310 K湍流動能隨著溫度升呈逐漸高遞增趨勢，從310 K到320 K湍流動能隨著溫度升高呈遞減趨勢。經大量數值分析證實對于噴油嘴的拋光，磨粒拋光溫度在310 K左右湍流動能達到最大，磨粒流拋光效果最佳，獲得的工件拋光質量最高。

圖6 不同拋光溫度下湍流動能云圖Fig.6 Turbulence kinetic energies at different polishing temperatures

表2 不同拋光溫度下工件湍流動能數據分布表

1.3 拋光溫度對磨粒流動速度的影響

不同溫度下的加工速度比較，對研究噴嘴的質量較為有意義，因為速度對磨粒流的拋光效果影響較大，不同拋光溫度下的加工速度云圖如圖7所示。

由圖7可知，不同溫度下的加工速度對噴油嘴小孔處影響較為明顯，在大孔入口處幾乎無明顯變化，說明此時的拋光較為均勻，在交叉口處時大孔近前端及小孔部分變化較為明顯，小孔中心處的拋光效果變化最大，因此在小孔處的磨粒流拋光效果最好，可有效實現去毛刺和倒圓角功能。

將以上數據進行分析，選取交叉口處為數據1區(qū)，小孔內部分為3個數據區(qū)，即小孔中心為數據2區(qū)、小孔中心外延為數據3區(qū)、小孔壁面為數據4區(qū)，得到不同拋光溫度下工件動壓力數據分布表，如表3所示。

表3 不同拋光溫度下工件磨料流動數據分布表

由表3中的數據可知：1)在同一種加工速度不同拋光溫度條件下，隨著磨料從大孔入口處開始，速度逐漸增大，在小孔交叉口處有明顯增大趨勢，在小孔中心處速度再次增大，說明對小孔的磨削增強；2)隨著溫度的升高，速度呈增大趨勢，同樣在小孔內增大率明顯，說明增大加工速度能夠提高磨料動壓力，繼而提升對小孔內壁的磨削作用；3)在溫度290～310 K之間同一區(qū)域的數值呈上升趨勢，而在320 K溫度下的速度卻低于310 K，說明在320 K的加工效果沒有310 K條件下的加工效果好。不同加工溫度下的速度矢量圖，如圖8所示。

圖7 不同拋光溫度下加工速度云圖Fig.7 Processing speeds at different polishing temperatures

圖8 不同拋光溫度下加工速度矢量云圖Fig.8 Processing velocity vector nephograms at different polishing temperatures

由圖8同樣可看出：根據粒子箭頭所示方向，磨粒從大孔入口開始進入，經大孔型腔，在小孔交叉口處轉入，進而進入小孔內部，再從小孔出口流出，整個流動路線符合實際加工的情況，說明磨粒在流經工件內部時會對大孔壁面、小孔交叉口及內壁產生碰撞，進而磨削，達到對交叉口處的去毛刺、倒圓角及表面光整加工的目的；在大孔型腔處無明顯變化，可對大孔型腔進行均勻磨削，當進入交叉口處時，速度明顯變大，幾乎增加了一個數量級，由此說明對小孔的磨削更加光整。

1.4 不同溫度下的溫度場云圖

為了保證數值分析的動壓力、湍流黏度、湍流動能以及速度場的真實性，本文將對溫度場進行數值分析，得到如圖9所示的溫度云圖。

圖9 不同拋光溫度下的溫度云圖Fig.9 Nephograms of polishing temperaturess

由圖9可以看出：溫度從290 K到320 K，溫度云圖沒有特別明顯變化，小孔處的溫度場在噴油嘴中呈現明顯的均勻分布，小孔加工質量也會較均勻；大孔型腔中心部分的溫度值略有變化，溫度略高；而總體看，溫度保持一個恒定值，沒有發(fā)生較明顯的變化，這與本文設置的初始溫度有關。

2 拋光溫度對磨粒流加工質量影響試驗

根據數值分析的結果進行磨料制備，選取相同的流體介質在拋光溫度分別為290 K、300 K、310 K和320 K條件下進行磨粒流拋光試驗，在拋光溫度分別為290 K、300 K、310 K和320 K條件下試驗樣件分別記作樣件1、樣件2、樣件3和樣件4，利用掃描電鏡對噴油嘴工件表面形貌進行檢測，經磨粒流拋光后噴油嘴小孔內表面形貌如圖10所示。

圖10 噴油嘴小孔內磨粒流加工后內壁 表面形貌(放大倍數1 000)Fig.10 Surface morphology of inner wall after abrasive particle flow polishing in the nozzle(1 000×)

從圖10中可看出，經磨粒流拋光后的噴油嘴小孔內表面也呈現差異，隨著磨粒流拋光的進行工件內表面紋路變得清晰，表面形貌變好，在拋光溫度為310 K時噴油嘴工件的表面質量最好，而在拋光溫度為320 K時噴油嘴工件表面出現了劃痕。

為了觀測噴油嘴小孔經磨粒流拋光前后表面質量變化效果，采用光柵掃描儀對噴油嘴小孔進行三維粗糙度檢測、采用高倍電子顯微鏡對噴油嘴交叉孔輪廓進行檢測、采用掃描電鏡對噴油嘴交叉孔進行表面形貌檢測，這里選用溫度為290 K和310 K條件下磨粒流研拋噴油嘴工件的情況進行對比分析，如圖11、圖12和圖13所示。

圖11 光柵掃描三維測試圖Fig.11 Raster scan 3D test results

圖12 噴油嘴工件交叉孔磨粒流拋光前后去毛刺對比Fig.12 Comparison of burr removal before and after abrasive flow polishing in nozzle

圖13 噴油嘴交叉口處表面形貌圖(放大1 000倍)Fig.13 Surface topography at intersection of nozzle (1 000×)

從圖11的光柵掃描三維測試圖可以看出：當磨粒流拋光溫度在290 K時，噴油嘴工件的表面粗糙度Ra值為374.64 nm；在拋光溫度為310 K時，噴油嘴工件的表面粗糙度Ra值降低到了334.64 nm，磨粒流拋光技術有效地改善了噴油嘴工件的表面粗糙度。從圖12的高倍電子顯微鏡檢測圖和圖13的噴油嘴交叉孔處的表面形貌圖可以得出，當磨粒流拋光溫度在310 K時噴油嘴小孔處的表面粗糙度得到明顯改善，經磨粒流拋光后的噴油嘴小孔實現了倒圓角和去毛刺的精密加工，表面變得光滑，噴油嘴小孔的噴射性能將得到提升。磨粒流拋光試驗獲得了較好的試驗效果，可為磨粒流在介觀尺度下對噴油嘴工件拋光提供理論參考依據和技術支持。

3 結論

1)通過以DPD為研究手段對噴油嘴小孔通道的磨粒流拋光研究可知，介觀尺度下的磨粒流拋光可獲得與宏觀尺度一致的拋光效果， 獲得了磨粒流拋光噴油嘴的最佳拋光溫度區(qū)間為300～310 K.

2)通過對固體與液體兩相磨粒流拋光的試驗研究發(fā)現，隨著拋光溫度的升高，當拋光溫度為310 K時噴油嘴小孔表面質量得到明顯改善，小孔通道內表面光整度提高，噴油嘴交叉孔處的毛刺得到有效去除，噴油嘴的噴射性能將會有良好的改進，有利于提升發(fā)動機整體的霧化性能和噴射性能，進而提升發(fā)動機的整體性能。

3)基于DPD的原子團顆粒在工件流道內流動，原子團與工件壁面之間發(fā)生激烈的碰撞微磨削拋光作用，從而達到去除噴油嘴內表面的毛刺及倒圓角的效果，可獲得介觀尺度下研磨液磨粒晶胞團簇模型對磨削的影響，試驗證明此種方法可用于對工件的超精密加工研究，可為磨粒流拋光噴油嘴工件質量控制提供技術支持，為磨粒流拋光技術的發(fā)展提供技術保障。

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ImpactofAbrasiveFlowPolishingTemperatureonNozzleQualityunderMesoscopicScale

LI Jun-ye1， WEI Li-li1， ZHANG Xin-ming1， QIAO Ze-min1,2
(1.College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China; 2.Shanxi Province Academy of Metrological Sciences, Taiyuan 030002, Shanxi, China)

The influence of the polishing temperature on the quality of workpiece during abrasive flow polishing as a precision machining technology has been studied in the macroscopic and microscopic scales, and the simulation in the mesoscopic scale is still rarely involved. By constructing the abrasive grains mainly composed of atomic clusters, the dissipative particle dynamics method is used to study the impact wear behavior of abrasive grains on the inner surface of engine injector at different temperatures. The results show that the higher the temperature is, the better the polishing quality of abrasive flow is, and the best abrasive grain polishing quality at the polishing temperature of 300～310 K is achieved. However, when the polishing temperature is higher than 310 K, the abrasive flow polishing quality is declined. The results show that the abrasive flow polishing technology can be used effectively to achieve the polishing of fine pore structure, and improve the polishing accuracy and surface quality.

manufaturing technology and equipment; dissipative particle dynamics; abrasive flow; mesoscopic scale; impact wear behavior; polishing temperature

2017-04-06

國家自然科學基金項目(51206011); 吉林省科技發(fā)展計劃項目(20160101270JC、20170204064GX); 吉林省教育廳項目(吉教科合字[2016]第386號)

李俊燁(1981—)，男，副教授，博士生導師。E-mail：ljy@cust.edu.cn

張心明(1967—)，男，研究員，博士生導師。E-mail：zxm@cust.edu.cn

TH161+.1； TH117.1

A

1000-1093(2017)10-2010-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.018