基于ANSOFT的復(fù)合靜電霧化切削的建模與性能優(yōu)化

摘要：本文提出復(fù)合靜電噴霧切削的建模與性能優(yōu)化的構(gòu)想。通過對(duì)復(fù)合噴霧的噴嘴出口處場(chǎng)強(qiáng)分布情況的有限元分析，確定同軸噴嘴角度、電壓以及內(nèi)噴嘴直徑對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律，進(jìn)而為后續(xù)復(fù)合靜電噴霧霧化形態(tài)分析以及其在切削加工應(yīng)用的霧化參數(shù)的選取提供依據(jù)。結(jié)果表明，采用45°與60°，噴嘴出口處工件側(cè)與刀具側(cè)場(chǎng)強(qiáng)差值較大，60°時(shí)，噴嘴與工件距離較近，電場(chǎng)較大，液滴無(wú)法噴射到切削區(qū)域;而45°時(shí)，相同電壓下產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)較小，同樣不利于液滴的驅(qū)動(dòng)。因此相對(duì)于45°與60°，采用噴嘴角度為35°時(shí)，有利于復(fù)合液滴向切削區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合靜電霧化;有限元分析;同軸噴嘴角度;電壓

引言

微量潤(rùn)滑（Minimal quantity lubrication， MQL）是將微量綠色潤(rùn)滑劑和壓縮空氣混合霧化，噴射至加工區(qū)，對(duì)刀具的加工部位實(shí)施冷卻潤(rùn)滑[1]。因其良好的綜合性能，MQL備受學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注，被認(rèn)為是極具推廣前途的準(zhǔn)干式切削技術(shù)。但MQL以壓縮空氣為霧化動(dòng)力和油霧顆粒傳送載體，油霧顆粒噴出后不再受到約束，導(dǎo)致霧粒飛散從而破壞工作環(huán)境[2-5]。研究表明，采用MQL冷卻時(shí)空氣中油霧微粒產(chǎn)生的重要來(lái)源是將油霧輸送到加工區(qū)的傳送過程。以此為依據(jù)，國(guó)內(nèi)外研究人員相繼提出了機(jī)械降霧、化學(xué)降霧、MQL供給參數(shù)優(yōu)化等方法來(lái)降低MQL使用過程中的油霧濃度。雖然這些方法在一定程度上改善了工作環(huán)境空氣質(zhì)量，但仍存在需要附加油霧回收裝置與特殊噴霧系統(tǒng)及影響MQL冷卻潤(rùn)滑性能充分發(fā)揮等缺陷。與氣動(dòng)霧化相比，靜電霧化具有設(shè)備簡(jiǎn)單、霧滴粒徑小而均勻、運(yùn)動(dòng)可控等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文提出復(fù)合靜電噴霧切削的建模與性能優(yōu)化的構(gòu)想。通過對(duì)噴嘴出口處的場(chǎng)強(qiáng)分布情況的仿真，研究了噴嘴空間角度、電壓以及電極間距對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

1 靜電霧化切削靜電場(chǎng)仿真

1.1幾何模型

采用三維繪圖軟件UG繪制噴嘴和刀具的幾何模型，并在Ansoft Maxwell導(dǎo)入繪制的三維圖。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置模型的各個(gè)材料屬性，對(duì)噴嘴施加直流負(fù)高壓，對(duì)刀具施加0kV電壓。其中θ1為噴嘴與XY平面之間的夾角，θ2為噴嘴與XZ平面之間的夾角。電極間距（h）為沿著噴嘴軸線方向上從噴嘴出口至紫銅棒表面的距離。將整體裝配圖以step中間格式導(dǎo)入至Ansoft Maxwell中，各部件之間的空間關(guān)系與整個(gè)裝配體保持不變。

1.2仿真條件與電場(chǎng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

由于電場(chǎng)強(qiáng)度是影響靜電霧化最重要的參數(shù)，而電場(chǎng)強(qiáng)度由噴嘴空間角度、電極電壓、電極間距等共同決定。本章在噴嘴直徑固定的情況下，重點(diǎn)分析噴嘴角度、電壓以及電極間距對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。經(jīng)過多次的思考和探討，結(jié)合實(shí)際情況及有限元軟件，最終確定靜電霧化仿真的具體方案。

2 結(jié)果與討論

2.1靜電場(chǎng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

靜電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖絕大部分包圍在噴嘴周圍，而場(chǎng)強(qiáng)矢量線分布很不均勻，在噴嘴出口附近電力線比較密集，因此很難從場(chǎng)強(qiáng)分布云圖和場(chǎng)強(qiáng)矢量分布圖定量評(píng)價(jià)噴嘴與刀具的靜電場(chǎng)分布。

畫8條指定路徑且與噴嘴軸線平行長(zhǎng)度為1mm的線段Line1～Line5，其中Line2～Line4均布在圓d1/4的圓柱面上。line1為在噴嘴軸線方向上噴嘴出口至刀具直線，長(zhǎng)度為10mm。刀具至噴嘴出口處分別顯示line1上場(chǎng)強(qiáng)變化。離噴嘴出口1mm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)急劇上升而后下降?？梢?，在噴嘴軸線方向上噴嘴與刀具間場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，刀面附近場(chǎng)強(qiáng)較小，噴嘴附近場(chǎng)強(qiáng)較高。

2.2電壓對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)的影響

為了獲得較好的霧化效果，需要對(duì)噴嘴施加合適的電壓。從不同電壓下指定路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)靠近刀具側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度均大于遠(yuǎn)離刀具側(cè)。

2.3電極間距對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)的影響

不同電極間距下指定路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度可以看出，當(dāng)電極間距由20mm增加到30mm時(shí)，指定路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由此可見，隨著電極間距的增加，平均電場(chǎng)強(qiáng)度近似呈線性減小的趨勢(shì)。

2.4噴嘴空間角度對(duì)靜電場(chǎng)強(qiáng)的影響

θ1改變對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響。可以看出，采用不同的噴嘴角度θ1時(shí)，指定路徑下平均電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。隨著噴嘴角度θ1的增大，噴嘴角度θ2 =35°的平均電場(chǎng)強(qiáng)度最大。噴嘴角度θ2改變對(duì)場(chǎng)強(qiáng)分布的影響?？梢钥闯?，隨著噴嘴角度θ2增加，指定路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度顯著減小，尤其是從45°增加到65°時(shí)。

3 結(jié)論

（1） 在噴嘴軸線方向上噴嘴與刀具間場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，刀面附近場(chǎng)強(qiáng)較小，噴嘴附近場(chǎng)強(qiáng)較高;

（2） 靠近刀具側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度均大于遠(yuǎn)離刀具側(cè);隨著電極間距的增加，平均電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

（3） 隨著噴嘴角度θ1的增大，噴嘴角度θ2 =35°的平均電場(chǎng)強(qiáng)度最大;隨著噴嘴角度θ2增加，指定路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度顯著減小，尤其是從45°增加到65°時(shí)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

湯正成（1993-），男，碩士研究生，助教。

（江蘇大學(xué)京江學(xué)院?江蘇?鎮(zhèn)江?212000）