田曄,鄭清平*,張德福,劉曉日,游建民

( 1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.天津理工大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，天津 300384；3.北京亞新科天緯油泵油嘴股份有限公司，北京 100166)

針閥體噴孔的制造精度直接影響噴油量，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性有著顯著的影響。對(duì)噴油器噴油嘴的去毛刺、倒孔、倒圓等加工，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難保證加工精度，造成噴孔流量偏差較大，擠壓研磨作為一種新的加工工藝，為解決這一問(wèn)題提供了有效的途徑[1-4]。

擠壓研磨技術(shù)利用流體中的磨粒作為切削刀具，對(duì)于一些精密、細(xì)小或者難以接觸的零件表面，有著很好的拋光作用[5-6]。對(duì)于擠壓研磨加工工藝，國(guó)內(nèi)外許多人進(jìn)行了研究。Tsai等[7]利用CFD數(shù)值模擬方法，在AFM復(fù)雜孔中設(shè)計(jì)出光滑的粗糙通道，揭示了拋光過(guò)程中的剪切力和介質(zhì)的流動(dòng)特性對(duì)控制粗糙度的作用。朱天奎等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究了噴孔結(jié)構(gòu)對(duì)研磨強(qiáng)度和位置的影響，并以某種型號(hào)噴油器分析了不同磨料配比對(duì)研磨的影響。楊淑珍[9]通過(guò)分析不同加工參數(shù)對(duì)研磨的影響，給出了加工參數(shù)的次序，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明，給出了最優(yōu)參數(shù)。

噴油器液壓研磨加工中加工壓力、顆粒直徑、顆粒濃度、顆粒形狀及加工時(shí)間等均對(duì)研磨效果有影響，但目前對(duì)這些參數(shù)影響機(jī)理的理論和試驗(yàn)研究都比較少，相關(guān)的研究大多停留在流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)研磨效果的影響上，而對(duì)于磨粒對(duì)靶材的磨蝕規(guī)律的研究很少。本文中以磨蝕率為指標(biāo)，采用離散相磨蝕模型進(jìn)行不同加工壓力下噴孔液力研磨加工CFD模擬，從壓力場(chǎng)、顆粒速度和湍流加以分析，合理地解釋了不同加工壓力下磨粒對(duì)噴油器噴孔的磨蝕機(jī)理。

1 模型建立

1.1 磨蝕率模型

磨粒流加工中使用的黏性磨料主要由載體、磨粒和添加劑3部分組成。其中，載體以彈性的有機(jī)硅聚合物為主，添加抗氧化劑、軟化劑、潤(rùn)滑劑等配制而成，磨粒為碳化硅顆粒，研磨液為液體和固體的混合體，固體體積分?jǐn)?shù)在10%以內(nèi)，在CFD模擬計(jì)算時(shí)采用離散相模型。

實(shí)際研磨加工過(guò)程中，磨粒以一定的壓力和角度作用于零件表面，噴油器內(nèi)腔表面的凸起部分由于受到高速流動(dòng)的磨粒的切割達(dá)到材料斷裂極限，特別是在零件的壁面、拐角等流速變化較大的位置容易出現(xiàn)粒子同壁面的碰撞，由此造成零件材料的磨蝕切削[10]。本文中采用磨蝕率(單位時(shí)間單位面積上研磨掉的零件表面材料的質(zhì)量)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)壁面質(zhì)量損失描述研磨加工的效果。

磨蝕率受顆粒速度和碰撞角度等多種因素的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)諸多關(guān)于磨蝕公式研究，目前較為典型的有美國(guó)侵蝕腐蝕研究中心針對(duì)合金板材提出的(E/CRC)公式[11]、挪威船級(jí)社針對(duì)不同靶材提出的DNV公式[12]、辛辛提那大學(xué)提出的Tabakoff公式[13]以及廣島大學(xué)Oka等[14-15]提出的磨蝕公式。本文中選用基于大量顆粒沖擊靶材的實(shí)驗(yàn)提出的磨蝕率公式：

(1)

式中:ρω為靶材的密度；Hv為材料的維氏硬度，GPa；v和d分別為顆粒的速度和粒徑；vref和dref分別為顆粒的參考速度和參考粒徑；k2和k3分別為顆粒的速度和粒徑指數(shù);f(γ)是顆粒碰撞壁面的沖擊角函數(shù)，其表達(dá)式如下：

f(γ)=(sinγ)n1[1+Hv(1-sinγ)]n2，

(2)

式中:γ為角度；n1、n2為沖擊角函數(shù)的指數(shù)。

1.2 噴孔模型

計(jì)算噴油器共7個(gè)噴孔，噴孔直徑為0.16 mm，有一定的錐度，出口直徑小于入口?？紤]到在實(shí)際噴孔出流過(guò)程中，在噴孔出口會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)突闊區(qū)域，為提高出口模擬精度，在每個(gè)噴孔出口處分別加一個(gè)出口腔體。對(duì)模型進(jìn)行抽殼并進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖1所示，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格。

1.3 計(jì)算設(shè)置

圖1 噴油器內(nèi)腔流域網(wǎng)絡(luò)

研磨加工過(guò)程的流動(dòng)計(jì)算采用fluent軟件，湍流為RNGk-ε模型，將模擬過(guò)程分為2個(gè)階段：第1階段以獲得純流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬的定常解，計(jì)算采用SIMPLE算法，離散格式為二階差分。第2階段加入顆粒的離散相進(jìn)行磨蝕計(jì)算，以獲得較高的收斂效果精度，并選用離散相中的Oka磨蝕模型。

載體液的黏度為0.016 kg/m·s，密度為870 kg/m3，噴油器材料密度為7 900 kg/m3，硬度為6.22 GPa，顆粒直徑為10 μm，磨料顆粒體積流量為3%，出、入口邊界條件設(shè)置為壓力入口(加工壓力)和壓力出口，用湍流強(qiáng)度和水力直徑定義出入口湍流，壁面邊界定義為固壁，碰撞行為設(shè)置為reflect，磨粒的形狀系數(shù)為0.5，代表非球形。

2 模型驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

將同一種方法生成的網(wǎng)格進(jìn)行不同程度的加密，在10 MPa壓力下以柴油為唯一相分別進(jìn)行模擬，輸出流量參數(shù)如表1。

表1 不同數(shù)量網(wǎng)格輸出流量對(duì)比

在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到130萬(wàn)以后，隨著網(wǎng)格的加密，輸出流量基本不變，說(shuō)明130萬(wàn)的網(wǎng)格已達(dá)到精度要求，故取130萬(wàn)網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。

圖2 模擬與實(shí)際流量對(duì)比

2.2 模型有效性驗(yàn)證

在相同的計(jì)算設(shè)置下，只改變流場(chǎng)入口壓力，對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行研磨過(guò)程的模擬，將模擬的輸出流量參數(shù)與實(shí)際研磨過(guò)程的流量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2，計(jì)算流量和實(shí)測(cè)流量最大誤差為5%左右，說(shuō)明模型是有效的。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同加工壓力下的流場(chǎng)壓力分布

加工壓力是主要加工參數(shù)，分別設(shè)置11.5、13.5、15.5 MPa進(jìn)行研究。圖3為不同加工壓力下的壓力云圖(圖中標(biāo)尺數(shù)據(jù)為壓力，單位為MPa)。

a)11.5 MPa b)13.5 MPa c)15.5 MPa圖3 壓力云圖

由圖可見(jiàn)，在流道內(nèi)壓力一直保持著穩(wěn)定狀態(tài)，均處于加口壓力上下。由于噴油嘴流道直徑與小孔直徑相差很大，壓力在接近小孔的入口處發(fā)生明顯變化，說(shuō)明流場(chǎng)在此處產(chǎn)生劇烈變化，噴孔內(nèi)由于孔徑保持不變，故壓力基本保持均勻。

3.2 加口壓力對(duì)顆粒速度的影響

圖4為不同加工壓力下顆粒速度云圖(圖中標(biāo)尺數(shù)據(jù)為速度，單位為m/s)。

a)11.5 MPa b)13.5 MPa c)15.5 MPa圖4 不同壓力下顆粒速度云圖

由圖可見(jiàn)，顆粒跟隨性很好，大部分顆粒能跟著流體的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，且隨著壓力的變化，粒子的軌跡不發(fā)生變化，但粒子的速度提高，最大速度發(fā)生在噴孔流道內(nèi)，最高速度分別是152、165、177 m/s。

3.3 加口壓力對(duì)流場(chǎng)湍動(dòng)能的影響

圖5為不同壓力下湍流動(dòng)能分布圖(圖中標(biāo)尺數(shù)據(jù)為湍動(dòng)能，單位為m2/s2)。

由圖可見(jiàn)，隨著壓力升高，各處流場(chǎng)的湍流動(dòng)能有所增加，尤其是孔的入口處，粒子速度相在這里發(fā)生劇烈變化，說(shuō)明在入口處顆粒與壁面發(fā)生碰撞機(jī)率最大，流動(dòng)更為強(qiáng)烈，該處相應(yīng)的磨削作用也可能隨之增強(qiáng)，使磨蝕程度更深。

a)11.5 MPa b)13.5 MPa c)15.5 MPa圖5 不同壓力下流場(chǎng)湍流動(dòng)能圖

3.4 加口壓力對(duì)研磨效果的影響

圖6為不同壓力下磨蝕率云圖(圖中標(biāo)尺數(shù)據(jù)為磨蝕率，單位為kg/(m2·s)。

a)11.5 MPa b)13.5 MPa c)15.5 MPa圖6 不同壓力下磨蝕率云圖

由圖可見(jiàn)，壓力的變化沒(méi)有使磨蝕分布規(guī)律發(fā)生變化，即最大磨蝕部位都是噴孔入口，由于噴油嘴噴孔出口直徑小于進(jìn)口，孔壁上的侵蝕主要發(fā)生在出口端，但壓力對(duì)磨蝕程度有較大的影響。為了更好觀察磨蝕率的大小，表2給出不同壓力下孔壁及噴孔入口處部位的平均磨蝕率對(duì)比。

表2 不同壓力下噴孔壁面及入口處平均磨蝕率

由表可見(jiàn)，在相同的位置處，隨著壓力升高，由于磨粒對(duì)壁面的相對(duì)速度增加和湍動(dòng)能增加，碰壁幾率越大，使噴孔入口和壁面平均磨蝕率增加，即在一定加工時(shí)間內(nèi)磨削金屬程度更深，故在研磨時(shí)要選擇合適的壓力，并與加工時(shí)間精確配合，在保證一定的加工效率和流量提升量的同時(shí)，避免噴孔入口和壁面的過(guò)量研磨。

4 結(jié)論

1)基于磨蝕模型和多相流離散相模型建立了柴油機(jī)噴油器液力研磨過(guò)程的CFD計(jì)算模型，驗(yàn)證了網(wǎng)格的一致性和模型的有效性。

2)不同加工壓力下的磨蝕分布基本一致，即各噴孔入口處的磨蝕都明顯高于噴孔壁面上的磨蝕，噴孔壁面的磨蝕主要分布在出口處，且不同噴孔的磨蝕率有較大差異。

3)加工壓力的變化對(duì)磨蝕程度有著一定的影響，壓力越大使流場(chǎng)壓力和磨粒速度增大，流動(dòng)更為強(qiáng)烈，切削作用增強(qiáng)，各處平均磨蝕率隨之增大。