混粉电火花加工工作液流场及颗粒运动仿真研究

副标题#e#    混粉电火花加工技术是近十年来国际上出现的一门新技术，通过在电火花加工工作液中混人一定成分、粒度和数量的粉末颗粒后，可显著改善被加工工件的表面质量。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人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颖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混粉电火花加工对储液箱的要求
   
    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人放电间隙。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储液箱内工作液搅拌方式设计
   
    2.1粉末颗粒运动状态分析
   
    固体颖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:

    
    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vo时，固体颗粒将在液体中保持悬浮。
   
    2.2搅拌方式的确定
   
    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储液箱体内液流仿真
   
    SolidWorks软件是世界上第一个完全基于Window。平台开发的三维机械CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，创造了Feature Manager特征管理员的设计思想，集成了Motion Works(动态仿真软件),Cosmos Works(工程分析软件)、Surf CAM(数控加工软件)及Smar Team Works(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建立仿真简化模型
   
    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人口的速度方向都为垂直于孔截面，射流速度为1 000 mm/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37 620个，其中流体网格单元13 876个、固体网格单元5674个、其他局部网格单元18 050个;设定箱体内流动的液体为煤油，工作温度为室温。