喷丸过程中颗粒在靶材上的分布特性

(西南交通大学 先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川 成都 610031)

引言

喷丸处理是利用高速丸粒击打在工件表面，使得工件表面质量获得大幅提升，其中气动喷丸是目前使用最为广泛的喷丸处理方式之一，其工作过程是利用高压气体携带颗粒经喷嘴加速后，获得高速颗粒流，以完成清理工作；针对喷丸过程的研究对喷丸工艺的优化有重要意义，能够合理的降低喷丸成本，提高喷丸效率。

贾光政等[1]进行了气动喷砂喷嘴内部颗粒运动特性分析，并给出了设计和选择喷嘴收缩角的依据；肖旭东[2]利用正态分布规律代表单道次喷打后宽度方向的颗粒分布规律，并以此计算多喷嘴、变喷嘴移速下的靶材覆盖率；MIAO H Y等[3]通过实验的方式，分析了多层颗粒喷打靶材时，喷打层数与覆盖率及表面质量之间的关系；NGUYEN V B等[4]通过使用Fluent软件分析了多层颗粒喷打时靶材时，喷打层数与覆盖率的关系；边飞龙等[5]同样对喷丸过程进行了两相流场分析，研究了气动喷丸自由射流流场的动力特性，并分析了入口压力、喷管形状对喷丸过程的影响；罗静等[6]分析了收缩型、文丘里型、流线型喷嘴的喷丸特性，发现流线型喷嘴对磨料的加速性能最好，文丘里型喷嘴性价比更高；强斌等[7]利用MATLAB软件开发了基于喷丸随机模型的覆盖率计算程序；黄河等[8]利用有限元方法，模拟了多个丸粒随机撞击和氧化层去除的过程；刘雪梅等[9]基于CFD-DEM仿真对喷丸工艺进行参数优选，并获得一组最优参数；盛湘飞等[10]利用图像处理技术分析了单道次喷丸表面覆盖率在喷丸宽度方向上的分布特征；以上研究均围绕着喷丸过程进行了实验及理论研究，并获得相关成果，但对颗粒在靶材上的分布特性及其影响因素的研究较少。

随着计算能力的大幅提高，CFD已经成为流体机械设计的主流方法之一，在各个重要领域都发挥着重要作用[11-12]；本研究通过CFD获得了单层颗粒在靶材上定点喷打时的分布情况，然后通过MATLAB对单层颗粒的分布情况进行处理，得到任意时刻下颗粒在靶材上的分布特性，并分析了相同喷打时间下喷嘴类型、入口压力、靶材距离对颗粒分布特性的影响。

1 模型的建立

为准确分析颗粒在靶材上的分布，仿真采用三维模型，主要分为喷嘴和外部流域，其二维结构如图1所示；为比较不同喷嘴下靶材上的颗粒分布情况，选用了分析中较为常见的收缩型、文丘里型以及流线型3种喷嘴，3种喷嘴的二维结构如图2所示，喷嘴的结构主要分为入口段、收缩段、扩散段3部分；其中除收缩型喷嘴的扩散段为等直径结构外，其余喷嘴均有收缩角；而收缩型及文丘里型喷嘴的收缩段外轮廓为直线，流线型喷嘴的收缩段外轮廓为1条曲线，该曲线为维托辛斯基曲线，曲线方程见式(1)：

(1)

式中,r0，re—— 分别为起始和终止点半径

l—— 起始和终止点轴向距离

x—— 壁面上任一点至喷嘴入口的轴线距离

喷嘴几何参数及外部流域的几何参数见表1。

图1 仿真模型二维结构示意图

图2 喷嘴二维结构示意图

表1 模型结构尺寸表

2 网格划分

利用3D绘图软件Solidworks建立喷嘴及外部流域的三维模型，利用Meshing软件进行网格划分，并在喷嘴内部壁面进行加密处理，生成较好的边界层，以捕获更为精确的壁面流动信息；所建立CFD模型及网格结构如图3所示。

图3 喷嘴及外部流场网格模型

3 边界条件

仿真模拟中湍流模型采用Standard模型，流体作为理想气体计算，采用压力基求解器，做稳态计算；固体相模拟采用遵循欧拉-拉格朗日方法的DPM模型。

喷嘴入口设为压力入口边界，外部流域柱面为压力出口边界，其值设为环境大气压力(表压)，其余表面设为无滑移壁面边界，其中圆柱底面假想为靶材表面；颗粒由喷嘴入口射入，考虑到颗粒流在到达喷嘴前经过一定距离水平及垂直输送，假设喷嘴入口处颗粒均匀分布；为模拟颗粒的随机分布情况，颗粒在喷嘴入口处不采用网格点插入，而是在入口圆面上均匀插入，并且为保证颗粒在空间上的均匀分布，根据式(2)给出的颗粒在入口处间隔与颗粒消耗量的关系，整理后得到颗粒在入口处的间隔的计算式(3)，将z作为间隔距离，均匀插入颗粒，所有颗粒以同一速度射入，这里忽略颗粒在靶材上反射后的存在，所以将靶材表面对颗粒的作用方式设为逃逸，以获得颗粒在靶材上的撞击位置点，其余壁面对颗粒的作用方式均设为弹性作用。

(2)

(3)

式中，ρ—— 颗粒密度

d—— 颗粒直径

D—— 入口处圆面直径，即模型中的d1

v—— 颗粒入射速度

H—— 颗粒消耗量

具体边界条件设定值如表2所示。

4 仿真结果及分析

利用Fluent进行仿真，图4为单层颗粒由喷嘴进

表2 边界条件设定值

入，并经过一系列加速后，最后与靶材表面接触的轨迹图；获取靶材表面上的颗粒信息，其中包括每个轨迹点的位置、速度信息等，其中所有轨迹点的位置信息，即可代表单层颗粒喷打的分布情况，利用MATLAB作为计算工具，根据颗粒的入射速度及颗粒消耗率可以确定出任意时刻喷打在靶材上的层数，然后进行颗粒的叠加覆盖(其中颗粒喷打层数计算出如果不是整数，小数部分代表的层数则以单层颗粒的对应百分比进行覆盖)，叠加过程对每个颗粒做绕喷打中心随机旋转处理，保证了喷打的随机性，即可获得任意时刻靶材受到喷打的颗粒量及其分布，为方便对比各参数对分布情况的影响，以下分析均取t=0.1 s时的喷打结果，主要包括靶材上的颗粒分布与沿径向(R)的颗粒分布密度(ρ′)的变化曲线。

图4 颗粒运动轨迹图

4.1 不同喷嘴情况下的颗粒分布

保持设置参数不变，分别对3种喷嘴进行仿真实验，采用收缩型、文丘里型、流线型喷嘴时颗粒分布如图5所示，图6为颗粒分布密度变化曲线，由图中分析，3种喷嘴的颗粒分布区域大小基本相同，收缩型喷嘴和流线型喷嘴的颗粒分布情况沿径向方向有较大波

图5 不同喷嘴下靶材上颗粒分布

图6 不同喷嘴下颗粒分布密度变化曲线

动，收缩型喷嘴的颗粒分布密度在圆心及离圆心15 mm 处均存在波峰，且两处峰值差异较大，整体波动巨大，这种分布特性使得靶材清理不均匀，且中心位置容易出现过喷丸现象，但对于需要高强度清理的小型零件有一定优势；流线型喷嘴在离圆心10 mm处存在一个较大波峰，波峰两侧明显低于波峰处密度，同样具有较大波动，这种分布特性同样使得靶材清理不均，且该类喷嘴外围颗粒分布最为稀疏，因此在移动过程中，其有效扫掠宽度最小，影响清理效率；而文丘里型喷嘴的颗粒分布最为均匀，在离圆心12 mm以内颗粒分布密度基本相同，为均匀分布区间，外围则沿径向逐渐降低，不会出现喷丸不均情况，并且其外围分布情况利于多喷嘴组合或是多道次喷打；所以通过比较三种喷嘴下颗粒在靶材上的分布情况可以发现，喷嘴类型对靶材上颗粒分布密度的影响很大，流线型及收缩型喷嘴存在较大波动，不适用于大面积的工件处理，仅对附污程度大、小面积的工件有一定优势，而文丘里型喷嘴拥有最优的颗粒分布特性。

4.2 入口压力对颗粒分布的影响

为分析入口压力对颗粒分布的影响，获得入口的压力变化对颗粒分布密度的影响，以文丘里型喷嘴为仿真对象，更改入口压力值进行仿真实验；入口压力为0.4, 0.6, 0.8, 1 MPa下靶材上的颗粒分布如图7所示，图8为颗粒分布密度变化曲线，由图中可以看出，随着压力的增加，颗粒的分布区域略微减小，在径向分布上，其中心的颗粒分布密度增大，且压力越大对颗粒分布密度的影响越小，而其中心的均匀分布区间略微缩小；所以压力越大，颗粒的分布越向中心靠拢，但这种影响随着压力的增加逐渐减弱，因此使用此类喷嘴时，压力高于0.6 MPa后，压力对颗粒分布的影响较小，所以在压力选取上，入口压力保证足够的喷丸强度即可，无需更高的压力提高颗粒分布特性。

图7 不同入口压力下靶材上颗粒分布

图8 不同入口压力下颗粒分布密度变化曲线

4.3 靶材距离对颗粒分布的影响

选用文丘里型喷嘴为仿真对象，压力值设定为0.6 MPa，其余参数不变，更改喷嘴与靶材之间的距离进行仿真实验；靶材距离为200, 250, 300, 350 mm时靶材上的颗粒分布如图9所示，图10为颗粒分布密度变化曲线，由图中可以看出，随着靶材距离的减小，颗粒的分布区域大幅减小，在径向分布上，中心位置的颗粒密度大幅度增加，中心的均匀分布区间同时减小，值得注意的是当减小到200 mm时中心的均匀分布区间消失，其中心区域的颗粒密度已不再平缓，而是呈现出快速下降的趋势；而当等于350 mm时，其中心区域颗粒密度虽然较为平缓，却出现了缓慢上升的趋势；所以随着距离的减小，喷丸范围大幅减小，而过小的喷丸距离使得中心处的颗粒密度远大于外围，而过大的喷丸距离使得颗粒密度沿径向方向呈现出先增大后减小的趋势； 对于多喷嘴组合或是多道次喷打，上述两种情况，均会导致在垂直于喷嘴路径方向上颗粒分布不均的情况，所以就颗粒分布而言，喷丸距离不能太大也不能太小，存在一个最佳的靶材距离，此处为300 mm，这时在小于12 mm的中心范围上的颗粒基本均匀分布，外围逐渐稀疏，该值为保证颗粒分布最优的最佳喷丸距离。

图9 不同靶材距离下靶材上颗粒分布

图10 不同靶材距离下颗粒分布密度变化曲线

5 结论

(1) 利用CFD的方法能对喷丸过程中靶材上颗粒的分布情况进行直观的描述，通过计算可以获得靶材上任意时刻的颗粒分布情况；

(2) 收缩型、流线型喷嘴在靶材上径向的颗粒分布密度有较大波动，会造成喷丸不均、过喷丸现象，仅在附污程度大、小面积的工件处理上有一定优势，文丘里型喷嘴密度分布变化梯度小，更为均匀，性能优于其余两种喷嘴；以文丘里型喷嘴为实验对象，入口压力越大，颗粒分布越向中心靠拢，而增加到一定值时，压力对颗粒分布的影响较小，而压力小于该值时，颗粒范围大幅增加、颗粒密度大幅减小，此处该值为0.6 MPa；喷丸距离过小或过大均会引起多喷嘴组合或是多道次喷打时沿垂直于喷打路径方向上的喷丸不均，所以存在一个最优值使得颗粒分布特性最优，以适用于多喷嘴组合组合或是多道次喷打，此处该最优值为300 mm。