謝 重，齊 歡，楊 杰

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺州 318000)

0 引 言

超精密加工技術(shù)的發(fā)展推動了國防、航空航天、光電信息等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也改變了人類的生活方式[1-2]。隨著原子級超光滑表面在微電子、光學(xué)、生物等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使原子級超光滑表面加工技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中變得日益重要。

流體拋光方法是獲得超光滑表面的重要方法。該方法通過改變磨粒與工件之間的接觸方式，使磨粒懸浮在流體中，并借助流體的流動使磨粒獲得沖擊速度和能量，從而實(shí)現(xiàn)了工件表面材料的去除。以此為基礎(chǔ)的流體拋光方法備受國內(nèi)外的學(xué)者的廣泛關(guān)注，并相繼進(jìn)行了浮法拋光[3]、彈性發(fā)射加工[4]、動壓浮離拋光[5]等方面的研究。徐釘?shù)热薣6]利用CFD軟件對液動壓懸浮拋光中拋光盤與下盤面間的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了拋光盤底部流道的液體壓力分布狀況；朱勝偉等人[7]針對帶有約束邊界的新型液動壓懸浮拋光，采用CFD數(shù)值模擬方法，討論了在懸浮拋光加工過程中和不同加工工況下，對流場動壓力及磨粒與壁面撞擊狀況的影響；鄭子軍等人[8]采用CFD數(shù)值模擬方法，分析了液動壓懸浮拋光中，拋光工具盤各結(jié)構(gòu)參數(shù)對加工區(qū)域流體動壓力的大小和均勻性的影響。

本文建立新型液動壓懸浮拋光的流體三維模型，應(yīng)用FLUENT軟件，采用固液兩相流中的歐拉—?dú)W拉模型，研究拋光盤底部工件平面內(nèi)固相顆粒撞擊工件平面的速度大小與撞擊角度；并討論轉(zhuǎn)速和濃度對撞擊速度和撞擊角度分布的影響，通過粒子圖像測速方法，觀測固相顆粒在不同轉(zhuǎn)速下顆粒撞擊工件表面的速度分布。

1 液動壓懸浮拋光的CFD模擬

1.1 三維流體模型建立

徐釘?shù)热颂岢龅囊簞訅簯腋伖獗P結(jié)構(gòu)呈周期性分布，共10個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)結(jié)構(gòu)分為4個(gè)區(qū)域：蓄流槽、楔形區(qū)域、平行區(qū)域和約束邊界。當(dāng)拋光盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體在蓄流槽部分聚集，經(jīng)過楔形區(qū)域的增壓作用與約束邊界的穩(wěn)壓作用，使平行區(qū)域動壓力均勻分布。

液動壓懸浮拋光盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液動壓懸浮拋光盤結(jié)構(gòu)D1—拋光盤內(nèi)徑;D2—拋光盤外徑;L1—蓄流槽;L2—楔形區(qū)域;L3—平行區(qū)域;L4—約束邊界;α1—楔形角度;α2—約束角度;H—加工間隙

拋光盤的幾何尺寸如表1所示。

表1 拋光盤幾何尺寸

為了獲得CFD模擬的流體三維模型，本文以實(shí)際拋光過程為基礎(chǔ)，將新型拋光工具盤的三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，進(jìn)行實(shí)體布爾運(yùn)算，獲得懸浮拋光的流體三維模型(其中，加工間隙H=2 mm)，最后將流體三維模型導(dǎo)入gambit2.4.6中，生成三維流場網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 三維流場網(wǎng)格模型

由圖2可知，該三維流場的網(wǎng)格質(zhì)量良好，網(wǎng)格數(shù)量為1 392 272。

1.2 邊界條件設(shè)置

筆者設(shè)置流體出口邊界為Pressure Outlet，Gauge Pressure(Pascal)的給值為1.01 MPa；與拋光盤接觸的流體表面設(shè)置為Moving Wall，將Rotational Speed分別設(shè)置為200 r/min、400 r/min和600 r/min；其他表面設(shè)置為Static Wall。

本文采用的是固液兩相流中的歐拉—?dú)W拉模型，其中，第一相是液相，采用的是水；第二相是固相，采用的是直徑為7 μm的氧化鋁顆粒，密度為3 700 kg/m3，拋光液中固相顆粒的濃度分為2%、5%和8%共3種。

1.3 數(shù)值仿真結(jié)果與分析

本文主要研究不同轉(zhuǎn)速n和拋光液濃度φ對顆粒撞擊工件的角度和速度的影響。

結(jié)合實(shí)際，選擇拋光的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

表2中選取了9組仿真參數(shù)，由于拋光盤結(jié)構(gòu)呈周期性，則獲得的拋光流場也是呈周期性。

同時(shí)，為了便捷地分析整個(gè)拋光三維流，本文只需要具體地分析三維流體的單元結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

圖3 三維流場單元結(jié)構(gòu)

圖3中，通過對整個(gè)拋光流場的分割獲取三維流場的單元結(jié)構(gòu)，選取單元結(jié)構(gòu)中平行區(qū)域沿徑向的中心位置即線段AB為研究對象，線段AB在不同Z平面上的投影位置作為固相顆粒速度采集位置，Z的取值范圍為0～2 mm。

為了真實(shí)地反映固相顆粒與工件撞擊的速度和角度，本文選取AB線段投影在z=1.95的平面內(nèi)的位置進(jìn)行分析。

在不同工況下獲取的固相顆粒合速度如圖4所示。

圖4 固相顆粒合速度

圖4中，固相顆粒撞擊工件平面的合速度沿徑向呈線性分布，符合圓周運(yùn)動不同半徑上的線速度分布情況；同時(shí)，拋光液濃度對固相顆粒的運(yùn)動速度影響非常小，后續(xù)的研究中將拋光濃度都設(shè)為5%。

由此，通過CFD數(shù)值模擬獲取該濃度下的固相顆粒Z向分速度，如圖5所示。

圖5 固相顆粒Z向分速度

圖5中，沿徑向方向顆粒速度分布比較均勻，拋光盤平行區(qū)域的內(nèi)外兩側(cè)的結(jié)構(gòu)突變使兩側(cè)的顆粒速度紊亂，Z向分速度的大小隨轉(zhuǎn)速的增加而有所增加，在600 r/min時(shí)，達(dá)到了約1 mm/s。

由獲得的固相顆粒合速度與Z向分速度分析可得出，液動壓懸浮拋光中固相顆粒與工件表面的撞擊角度如圖6所示。

圖6 固相顆粒撞擊角度

圖6中，固相顆粒撞擊角度的分布規(guī)律與Z向的分速度類似，但沿徑向方向有一定減小的趨勢，在400 r/min時(shí)，撞擊角度約為0.03°。固相顆粒與工件平面撞擊的角度小且均勻，為拋光加工中實(shí)現(xiàn)工件表面材料的均勻去除和獲取更好的表面質(zhì)量創(chuàng)造了有利條件；同時(shí)，從撞擊速度和角度的均勻性以及結(jié)合實(shí)際拋光工件尺寸出發(fā)，確定拋光工件放置在橫坐標(biāo)20 mm～30 mm的范圍，即單元結(jié)構(gòu)圖中的正方形區(qū)域，大小為10 mm×10 mm。

2 PIV觀測試驗(yàn)

2.1 觀測裝置

為了驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，本文進(jìn)行了2D的PIV觀測實(shí)驗(yàn)。

筆者分析實(shí)際液動壓懸浮拋光中，在不同拋光轉(zhuǎn)速下固相顆粒與工件表面撞擊的速度分布情況，PIV實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 PIV實(shí)驗(yàn)裝置

圖7中，PIV實(shí)驗(yàn)裝置主要包括PIV粒子成像測速系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置平臺，其中PIV粒子成像測速系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射部分、成像部分和圖像分析部分；實(shí)驗(yàn)裝置平臺由鋁合金型材料底座和液動壓懸浮拋光機(jī)床組成。

PIV觀測實(shí)驗(yàn)中，對示蹤粒子與流體的跟隨性、光學(xué)特性以及粒子散布的均勻性要求很高，尤其是示蹤粒子與流體的跟隨性，其絕大程度上決定了流場的測量精度[10-13]。該試驗(yàn)使用的示蹤粒子是直徑為7 μm的氧化鋁，粒子大小均勻分布，能夠?qū)嶋H地反應(yīng)拋光中固相顆粒的運(yùn)動狀況。

2.2 觀測結(jié)果與分析

根據(jù)PIV測試原理，在測量試驗(yàn)開始前，需要對圖像進(jìn)行標(biāo)定，即拍攝圖像里的真實(shí)距離判定，標(biāo)定完后進(jìn)行粒子圖像拍攝，筆者選取100張連續(xù)的粒子圖像進(jìn)行Adaptive Correlation分析得出示蹤粒子的速度矢量，從而獲取PIV觀測速度。

單元區(qū)域粒子圖像如圖8所示。

圖8 單元區(qū)域粒子圖像

圖8中，暗黑色部位為實(shí)際液動壓懸浮拋光中拋光工件的位置，呈白色點(diǎn)狀的為示蹤粒子，分布比較均勻，與實(shí)際拋光加工中情況相符合。

由CFD模擬得知，相比固相顆粒在拋光中的合速度，其在Z向的分速度非常小，所以用PIV觀測得到的工件平面的速度來替代固相顆粒在整個(gè)拋光中的合速度。

同時(shí)，為了更加直觀地對比不同轉(zhuǎn)速下的CFD模擬值和PIV觀測值，本文利用Igor工具得到不同轉(zhuǎn)速下固相顆粒的合速度比較，如圖9所示。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下固相顆粒合速度比較

從圖9可以看出：在不同轉(zhuǎn)速下，PIV觀測值與CFD模擬值都有較小的誤差；由于CFD仿真中并未考慮固相磨粒之間的撞擊效應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨粒之間的撞擊效應(yīng)對實(shí)際PIV觀測值的影響也增大。

3 結(jié)束語

針對液動壓懸浮拋光，本文進(jìn)行了固液兩相流的CFD數(shù)值模擬，研究在不同轉(zhuǎn)速和拋光液濃度下，固相顆粒撞擊工件的速度和角度。

通過PIV觀測驗(yàn)證可知：在液動壓懸浮拋光中，固相顆粒在Z向的分速度非常小，所以拋光液中固相顆粒撞擊工件表面的角度非常?。灰越扑降姆绞阶矒艄ぜ砻?，有利于液動壓懸浮拋光加工，從而實(shí)現(xiàn)工件表面材料的微量去除，獲得更好的表面質(zhì)量。

同時(shí)，由于固相顆粒與工件表面這種“軟”接觸，為以后液動壓懸浮拋光加工改善工件表面應(yīng)力的研究提供了有利條件。

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