李俊燁，吳紹菊，尹延路，張心明，徐成宇

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的顆粒沖蝕磨損研究

李俊燁，吳紹菊，尹延路，張心明，徐成宇

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

伺服閥是伺服控制系統(tǒng)中的一種核心伺服控制元件，閥芯噴嘴的內(nèi)表面質(zhì)量往往會(huì)直接影響伺服閥的使用性能。目前傳統(tǒng)的加工工藝方法難以保證其質(zhì)量及合格率，磨粒流拋光技術(shù)為改善伺服閥閥芯噴嘴的表面質(zhì)量提供了有效的技術(shù)方案。以磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴為研究對(duì)象，根據(jù)沖蝕磨損機(jī)理采用離散相模型對(duì)閥芯噴嘴通道內(nèi)的顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究分析了不同入口速度、顆粒粒徑以及溫度對(duì)顆粒沖蝕磨損性能的影響，得出顆粒的沖蝕磨損量隨著入口速度、顆粒粒徑以及溫度的增加而增加，對(duì)閥芯噴嘴磨粒流拋光技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

伺服閥閥芯噴嘴；磨粒流拋光；離散相模型；顆粒沖蝕磨損

0　引言

在一個(gè)完整的伺服閥控制系統(tǒng)中，伺服閥是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它的使用性能會(huì)直接影響到控制系統(tǒng)的工作質(zhì)量，閥芯噴嘴與擋板構(gòu)成可變節(jié)流孔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯的位移控制，是伺服閥的前置級(jí)重要零件。當(dāng)噴嘴體小孔的內(nèi)壁存在毛刺、不夠光滑或者殘留有污染物時(shí)，就容易使閥芯噴嘴在射流時(shí)產(chǎn)生散射和螺旋現(xiàn)象或者發(fā)生堵塞，從而對(duì)整個(gè)伺服閥控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害[1,2]。所以提高閥芯噴嘴體小孔的表面質(zhì)量，對(duì)噴嘴體小孔進(jìn)行精密光整加工研究具有非常重要意義。

磨粒流拋光工藝是一種經(jīng)濟(jì)有效的新型精密光整加工工藝，它具有很好的研磨拋光能力，尤其適用于對(duì)復(fù)雜零件內(nèi)表面、微小通道內(nèi)表面的精密拋光加工，以及零件內(nèi)部隱蔽部位的孔及型腔、模具的復(fù)雜曲面等精密光整加工[3]，因此可以采用磨粒流拋光技術(shù)來改善伺服閥閥芯噴嘴的流道表面質(zhì)量。

1　磨粒流拋光中顆粒沖蝕磨損機(jī)理

磨粒流拋光過程中磨料介質(zhì)中的離散固體顆粒在加工通道內(nèi)做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生顆粒與顆粒之間以及顆粒與加工壁面之間的無規(guī)則碰撞[4,5]。沖蝕磨損是一種材料破壞損耗現(xiàn)象，是指流場中松散的固體顆粒以一定的速度對(duì)材料表面產(chǎn)生沖擊所造成的顆粒磨損[6]。許多因素影響著沖蝕磨損的程度，例如固體顆粒的尺寸、形狀、顆粒的沖擊速度和角度、溫度以及被沖擊材料的強(qiáng)度等[7]。磨粒流拋光技術(shù)的加工實(shí)質(zhì)是磨料介質(zhì)中的磨粒在與加工壁面的滑擦、沖擊等綜合作用下實(shí)現(xiàn)光整加工，其加工機(jī)理與采礦、管道運(yùn)輸和冶金等領(lǐng)域中的沖蝕磨損相似。顆粒沖蝕磨損模型的具體表達(dá)式為：

式中：C(dp)為離散相顆粒直徑的關(guān)系式，f(a)為固相顆粒碰撞角的關(guān)系式，a為離散相與加工壁面的沖擊角度，b(v)為相對(duì)速度的關(guān)系式，v為流場內(nèi)加工壁面與離散相之間的相對(duì)速度。

2　仿真模型的建立以及參數(shù)設(shè)置

本文以伺服閥閥芯噴嘴為研究對(duì)象，依據(jù)伺服閥閥芯噴嘴的實(shí)物模型，構(gòu)建閥芯噴嘴通道內(nèi)流體區(qū)域模型，并對(duì)其進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，伺服閥閥芯噴嘴模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1　閥芯噴嘴模型的網(wǎng)格劃分

假定磨粒流拋光介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)為湍流狀態(tài)，采用kε-湍流模型和離散相模型；液體相選用航空液壓油，離散相選用碳化硅顆粒，進(jìn)出口條件分別為速度進(jìn)口和自由出口條件，其余條件為固壁條件。

3　數(shù)值模擬結(jié)果與分析

根據(jù)加工工況設(shè)定好分析參數(shù)之后，對(duì)磨粒流拋光閥芯噴嘴采用離散相模型進(jìn)行數(shù)值分析，經(jīng)過求解計(jì)算得到磨粒流拋光的收斂殘差曲線，如圖2所示。

圖2　收斂殘差曲線圖

由收斂殘差圖可知，在離散相模型下計(jì)算求解的各項(xiàng)參數(shù)大約迭代至160次左右達(dá)到收斂，同樣說明了閥芯噴嘴磨粒流拋光求解參數(shù)和模型設(shè)置是合理的。

根據(jù)磨粒流拋光技術(shù)和沖蝕磨損的理論知識(shí)分析可知，磨粒流拋光過程中顆粒的運(yùn)動(dòng)大致可以分為兩部分：一是顆粒在流體連續(xù)相的驅(qū)動(dòng)作用下，跟隨流體靠近壁面進(jìn)行磨削的過程；二是顆粒由于沖擊和碰撞而發(fā)生摩擦、磨損的沖擊磨損過程。

當(dāng)大量顆粒對(duì)某一局部區(qū)域進(jìn)行不斷的碰撞時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖蝕磨損現(xiàn)象，顆粒的不斷沖擊導(dǎo)致工件的體積或質(zhì)量不斷流失直至趨向穩(wěn)定狀態(tài)。從圖3閥芯噴嘴的顆粒沖蝕磨損云圖可以看出，閥芯噴嘴的小孔區(qū)域沖蝕磨損現(xiàn)象比較明顯，這是由于在這一區(qū)域零件的通道尺寸發(fā)生改變使得磨粒流的流動(dòng)速度瞬時(shí)增加，從而導(dǎo)致此處顆粒的無序運(yùn)動(dòng)加劇，使得顆粒與壁面間的碰撞更加激烈。

圖3　閥芯噴嘴的顆粒沖蝕磨損云圖

磨粒的粒徑、硬度、初始速度、入射角度以及加工溫度等均影響其對(duì)工件的沖擊磨損的程度，依據(jù)磨粒流拋光技術(shù)的特點(diǎn)，現(xiàn)從磨粒流拋光的初始速度、溫度以及顆粒粒徑三個(gè)方面入手，研究分析各參數(shù)因子對(duì)閥芯噴嘴的交叉孔區(qū)域及小孔區(qū)域的拋光作用的影響。

3.1不同初始入口速度的沖蝕磨損數(shù)值分析

選用入口速度分別為30m/s、40m/s、50m/s、60m/s對(duì)磨粒流拋光閥芯噴嘴過程中顆粒的沖蝕磨損現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得了不同入口速度條件下的顆粒沖蝕磨損云圖，如圖4所示。

圖4　不同速度下的顆粒沖蝕磨損云圖

從圖4可以看出顆粒的沖蝕磨損效果主要體現(xiàn)在小孔交叉孔區(qū)域，不同的入口初始速度會(huì)導(dǎo)致不同的顆粒沖蝕磨損速率，為了能夠更加清晰的觀察交叉孔區(qū)域處入口速度對(duì)磨粒流拋光閥芯噴嘴的影響，現(xiàn)分析得出了交叉孔區(qū)域處，不同入口速度與顆粒沖蝕磨損速率之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5　入口速度與磨損速率的關(guān)系曲線圖

從圖5不同入口速度與磨損速率的關(guān)系曲線圖可以清晰地看出，在磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴的過程中，隨著入口速度的增加，顆粒的沖蝕磨損速率也呈現(xiàn)增加的狀態(tài)。這種現(xiàn)象主要是由于當(dāng)入口速度增大時(shí)，顆粒相的速度隨著流體相速度的增加也同時(shí)增大，流速的增加使單位時(shí)間內(nèi)，沖擊加工表面的顆粒數(shù)目增加，在流體相的攜帶作用下顆粒與加工壁面的接觸碰撞率隨之增大，從而導(dǎo)致了顆粒對(duì)加工壁面的碰撞、沖蝕磨損量增加；而且顆粒的動(dòng)能隨入口速度的增加而增加，這就導(dǎo)致了顆粒對(duì)加工壁面的碰撞沖擊能量增大，進(jìn)而對(duì)加工壁面的沖擊磨損量增大，使得加工作用更明顯。

3.2不同顆粒粒徑的沖蝕磨損數(shù)值分析

在磨粒流拋光過程中，考慮到固體顆粒作為離散相，顆粒的跟隨性和顆粒的無序運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顆粒對(duì)加工壁面的頻繁碰撞沖擊，因此顆粒的直徑大小很有可能會(huì)影響沖蝕磨損量，現(xiàn)分別選取粒徑為20μm、40μm、60μm、80μm的顆粒對(duì)閥芯噴嘴進(jìn)行沖蝕磨損數(shù)值模擬，得到不同粒徑條件下的顆粒沖蝕磨損云圖，如圖6所示。

圖6　不同粒徑條件下的顆粒沖蝕磨損云圖

從圖6不同顆粒粒徑條件下的磨損云圖可以看出顆粒對(duì)交叉孔區(qū)域的磨削作用，為了能更加清楚體現(xiàn)兩者之間的關(guān)系，給出其關(guān)系曲線圖如圖7所示。圖7可以清晰地顯示出，不同粒徑條件下的磨粒流對(duì)閥芯噴嘴的不同拋光作用，隨著顆粒粒徑的增加，顆粒對(duì)交叉孔區(qū)域壁面的磨損速率也隨之增加，即顆粒的微磨削作用隨著顆粒粒徑的增加而增強(qiáng)，顆粒對(duì)壁面的微磨削量增加。

圖7　顆粒直徑與磨損速率關(guān)系曲線圖

通過分析可知，顆粒的沖蝕磨損速率隨著顆粒粒徑的增加而增加，是因?yàn)楫?dāng)顆粒粒徑較小時(shí)，顆粒的質(zhì)量相對(duì)較小，其對(duì)加工壁面的沖擊力小，且沒有顆粒的破碎，不存在顆粒的二次磨削，所以顆粒產(chǎn)生的磨損??；隨著顆粒粒徑的增大，顆粒的沖擊力變大，且存在顆粒的二次沖蝕磨損，所以使得顆粒對(duì)加工壁面的沖蝕磨損量也相應(yīng)地增加。

3.3不同溫度條件下顆粒沖蝕磨損數(shù)值分析

當(dāng)顆粒與壁面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生摩擦和磨損，在拋光過程中會(huì)伴隨著溫度的升高。閥芯噴嘴通道內(nèi)溫度的升高是由于加工表面受到作用力而產(chǎn)生摩擦熱，溫度的升高會(huì)影響流體和顆粒的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，進(jìn)而影響拋光效果。本文分別選取初始拋光溫度為290K、300K、310K、320K，進(jìn)行閥芯噴嘴的磨粒流拋光數(shù)值模擬分析，獲得了不同溫度條件下的顆粒磨損云圖和溫度與磨損速率曲線關(guān)系圖，分別如圖8和圖9所示。

圖8　不同初始溫度條件下的顆粒沖蝕磨損云圖

圖9　初始溫度與磨損速率的關(guān)系曲線圖

從圖8可以看出，在不同初始溫度條件下，顆粒對(duì)噴嘴的磨損量不同，主要表現(xiàn)為對(duì)交叉孔區(qū)域及小孔處的沖蝕磨損。由圖9初始溫度與顆粒沖蝕磨損關(guān)系曲線圖可以看出：隨著溫度的升高，顆粒沖蝕磨損速率也逐漸增大。通過分析可知，在磨粒流拋光閥芯噴嘴的過程中，拋光通道內(nèi)的溫度升高，導(dǎo)致研磨介質(zhì)的流動(dòng)性增強(qiáng)，進(jìn)而使顆粒之間的活躍性增強(qiáng)，最終導(dǎo)致顆粒的運(yùn)動(dòng)激烈程度加劇，從而使顆粒對(duì)加工壁面的磨損率上升，加工效果也因此得到改善。

4　結(jié)論

本文以磨粒流拋光伺服閥閥芯噴為對(duì)象，采用離散相模型，結(jié)合伺服閥閥芯噴嘴在磨粒流拋光技術(shù)中的顆粒軌道模型以及流體和磨粒間的耦合作用，對(duì)磨粒流顆粒沖蝕磨損過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，從中獲得了以下結(jié)論：

1）從伺服閥閥芯噴嘴的磨粒流拋光技術(shù)數(shù)值分析可知，磨粒流拋光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服閥閥芯噴嘴小孔的精密光整加工，尤其是對(duì)小孔區(qū)域的拋光效果比較明顯，預(yù)測(cè)磨粒流拋光技術(shù)對(duì)小孔區(qū)域的拋光質(zhì)量較好。

2）從數(shù)值分析結(jié)果可以看出，隨著入口速度、顆粒粒徑和初始溫度的增加，磨料顆粒的沖蝕磨損速率大致呈現(xiàn)增加的狀態(tài)，磨粒對(duì)小孔區(qū)域的沖蝕磨損量增加。所以，在進(jìn)行伺服閥閥芯噴嘴磨粒流拋光時(shí)，可以適當(dāng)?shù)脑黾铀俣?、顆粒粒徑以及溫度，從而獲得較好的表面粗糙度。通過仿真分析磨粒流拋光伺服閥閥芯噴嘴內(nèi)通道的顆粒磨損情況，可以為磨粒流拋光參數(shù)的優(yōu)化選取提供一定的借鑒意義。

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Study on particle erosion in abrasive fl ow polishing nozzle servo valve spool

LI Jun-ye, WU Shao-ju, YIN Yan-lu, ZHANG Xin-ming, XU Cheng-yu

TH117.1

A

1009-0134(2016)07-0069-04

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51206011）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20130522186JH，20160101270JC）

李俊燁（1981 -），男，副教授，博士，主要從事精密與超精密加工、微摩擦與多相流技術(shù)研究。