基于ANSOFT的复合静电雾化切削的建模与性能优化

摘要：本文提出复合静电喷雾切削的建模与性能优化的构想。通过对复合喷雾的喷嘴出口处场强分布情况的有限元分析，确定同轴喷嘴角度、电压以及内喷嘴直径对静电场强度的影响规律，进而为后续复合静电喷雾雾化形态分析以及其在切削加工应用的雾化参数的选取提供依据。结果表明，采用45°与60°，喷嘴出口处工件侧与刀具侧场强差值较大，60°时，喷嘴与工件距离较近，电场较大，液滴无法喷射到切削区域;而45°时，相同电压下产生的场强较小，同样不利于液滴的驱动。因此相对于45°与60°，采用喷嘴角度为35°时，有利于复合液滴向切削区域运动。

關键词：复合静电雾化;有限元分析;同轴喷嘴角度;电压

引言

微量润滑（Minimal quantity lubrication， MQL）是将微量绿色润滑剂和压缩空气混合雾化，喷射至加工区，对刀具的加工部位实施冷却润滑[1]。因其良好的综合性能，MQL备受学术界和工程界的普遍关注，被认为是极具推广前途的准干式切削技术。但MQL以压缩空气为雾化动力和油雾颗粒传送载体，油雾颗粒喷出后不再受到约束，导致雾粒飞散从而破坏工作环境[2-5]。研究表明，采用MQL冷却时空气中油雾微粒产生的重要来源是将油雾输送到加工区的传送过程。以此为依据，国内外研究人员相继提出了机械降雾、化学降雾、MQL供给参数优化等方法来降低MQL使用过程中的油雾浓度。虽然这些方法在一定程度上改善了工作环境空气质量，但仍存在需要附加油雾回收装置与特殊喷雾系统及影响MQL冷却润滑性能充分发挥等缺陷。与气动雾化相比，静电雾化具有设备简单、雾滴粒径小而均匀、运动可控等一系列优点。本文提出复合静电喷雾切削的建模与性能优化的构想。通过对喷嘴出口处的场强分布情况的仿真，研究了喷嘴空间角度、电压以及电极间距对静电场强度的影响。

1 静电雾化切削静电场仿真

1.1几何模型

采用三维绘图软件UG绘制喷嘴和刀具的几何模型，并在Ansoft Maxwell导入绘制的三维图。根据实际情况，设置模型的各个材料属性，对喷嘴施加直流负高压，对刀具施加0kV电压。其中θ1为喷嘴与XY平面之间的夹角，θ2为喷嘴与XZ平面之间的夹角。电极间距（h）为沿着喷嘴轴线方向上从喷嘴出口至紫铜棒表面的距离。将整体装配图以step中间格式导入至Ansoft Maxwell中，各部件之间的空间关系与整个装配体保持不变。

1.2仿真条件与电场强度的评价方法

由于电场强度是影响静电雾化最重要的参数，而电场强度由喷嘴空间角度、电极电压、电极间距等共同决定。本章在喷嘴直径固定的情况下，重点分析喷嘴角度、电压以及电极间距对静电场强度的影响。经过多次的思考和探讨，结合实际情况及有限元软件，最终确定静电雾化仿真的具体方案。

2 结果与讨论

2.1静电场强度的评价方法

静电场强度分布云图绝大部分包围在喷嘴周围，而场强矢量线分布很不均匀，在喷嘴出口附近电力线比较密集，因此很难从场强分布云图和场强矢量分布图定量评价喷嘴与刀具的静电场分布。

画8条指定路径且与喷嘴轴线平行长度为1mm的线段Line1～Line5，其中Line2～Line4均布在圆d1/4的圆柱面上。line1为在喷嘴轴线方向上喷嘴出口至刀具直线，长度为10mm。刀具至喷嘴出口处分别显示line1上场强变化。离喷嘴出口1mm时，场强急剧上升而后下降。可见，在喷嘴轴线方向上喷嘴与刀具间场强分布不均匀，刀面附近场强较小，喷嘴附近场强较高。

2.2电压对静电场强的影响

为了获得较好的雾化效果，需要对喷嘴施加合适的电压。从不同电压下指定路径的平均电场强度可以发现靠近刀具侧的电场强度均大于远离刀具侧。

2.3电极间距对静电场强的影响

不同电极间距下指定路径的平均电场强度可以看出，当电极间距由20mm增加到30mm时，指定路径的平均电场强度呈现减小趋势。由此可见，随着电极间距的增加，平均电场强度近似呈线性减小的趋势。

2.4喷嘴空间角度对静电场强的影响

θ1改变对场强分布的影响。可以看出，采用不同的喷嘴角度θ1时，指定路径下平均电场强度出现逐渐增加的变化趋势。随着喷嘴角度θ1的增大，喷嘴角度θ2 =35°的平均电场强度最大。喷嘴角度θ2改变对场强分布的影响。可以看出，随着喷嘴角度θ2增加，指定路径的平均电场强度显著减小，尤其是从45°增加到65°时。

3 结论

（1） 在喷嘴轴线方向上喷嘴与刀具间场强分布不均匀，刀面附近场强较小，喷嘴附近场强较高;

（2） 靠近刀具侧的电场强度均大于远离刀具侧;随着电极间距的增加，平均电场强度呈现减小的趋势。

（3） 随着喷嘴角度θ1的增大，喷嘴角度θ2 =35°的平均电场强度最大;随着喷嘴角度θ2增加，指定路径的平均电场强度显著减小，尤其是从45°增加到65°时。

参考文献

[1]李景良. 电雾化液滴运行轨迹仿真及沉积实验研究[D]. 大连理工大学硕士学位论文， 2013.

[2]王家青. 静电涂油机中油液荷电雾化机理及其关键技术研究[D]. 武汉科技大学博士学位论文，2007.

[3]王辉. 纳米流体导热及辐射特性研究[D]. 浙江大学硕士学位论文， 2010.

[4]吴金星， 曹玉春， 李泽， 魏新利. 纳米流体技术研究现状与应用前景[J]. 化工新型材料， 2008（10）：10～12.

[5]朱爱军. 纳米流体的稳定及其对流传热特性的研究[D]. 江苏大学硕士学位论文，2010.

作者简介：

汤正成（1993-），男，硕士研究生，助教。

（江苏大学京江学院 江苏 镇江 212000）