喷油嘴微小孔磨流流加工数值设计.docx

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喷油嘴微小孔磨流流加工数值设计

编号

本科生毕业论文

喷油嘴微小孔磨粒流加工数值模拟

Micro-holeofNozzleAbrasiveFlowMachiningNumericalSimulation

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

喷嘴嘴作为电喷发动机的关键部件，它的工作好坏将严重影响发动机的性能。

随着人们对于产品小型化和加工过程微型化的追求，磨料流加工技术随之应运而生。

本文介绍磨料流加工的基本工作原理及其特点，利用GAMBIT进行模型创建及网格划分工作，利用FLUENT软件对喷油嘴零件进行数值模拟，通过数值

模拟获得磨粒流加工喷油嘴的动态压强、静态压强、速度等仿真曲线，并对其进行了分析与总结。

通过对零件进行数值模拟技术，我们可以检验设计中的失误，提高设计的效率和减少设计成本，实现零件的最优化设计。

关键词：

磨料流工FLUENTGAMBIT数值模拟

Abstract

NozzleisthekeycomponenttoEFIengine,itsqualityofworkwillseriouslyaffecttheengineperformance.Withtheproductminiaturizationandthepursuitofminiaturizationprocess,itcomeintobeingalongAbrasiveFlowMachiningtechnology.ThisarticledescribestheAFMbasicworkingprincipleandfeatures,weuseGAMBITmeshtocreateandwork,simulatethenozzlepartinfluent,bynumericalsimulationwecanobtainthesimulationcurvewhichisaboutthedynamicpressure.staticpressure.velocityeandsoon,andgetitsanalysisandsummary.ThroughthenumericalsimulationofParts,wecantestthedesignerrors,improvedesignefficiencyandreducedesigncosts,andgetstheoptimaldesignofthepartsatlast.

Keywords:

AbrasiveFlowMachining；FLUENT；GAMBIT；Simulation

目录

第1章绪论

1.1引言

尽管磨料流加工技术已有50余年的研究和应用历史，而且国内外的一些研究工作者从20世纪70年代以来一直在不懈地从事着该技术的研究工作，但该技术的研究和应用基本上还停留于实验研究方面，或者说仍处于研究和应用的初级阶段，由于其加工过程只能由工程技术人员主动地进行控制，所以目前主要还是适于单件加工生产，很难推广应用于大规模生产。

这主要是因为目前还缺乏对磨料流加工过程的综合复杂特性的支持。

而磨料流叫那个所用夹具的设计是决定磨料流加工效果甚至是决定磨料流加工成败的一个关键因素。

如夹具上磨料流的进出口位置、大小、方向、数量等的设计确定，对于磨料流在工件行腔或者夹具型腔的压力与流速分布具有重要影响，从而影响其加工的质量和效率。

这样的一些设计问题目前基本完全依赖于设计人员个人的实践经验，其结构设计是否合理甚至是否达到最优设计，尚不能在设计阶段作出可靠的分心评价，而只能通过实际加工，根据加工的结果对其结构设计进行可行性评价【1】。

实际中大多数的设计尤其是复杂的设计很难保证一次设计的成功率，往往要经过多次的实验和反复修改，这不仅严重影响了加工生产周期的缩短，而且在无法进行结构设计修改的情况下容易造成夹具或模具的报废，从而造成很大的浪费，增加生产成本，延误市场竞争的战机。

从现代市场竞争的观点来看，也就是制约着企业对市场需求反应的灵敏性，即从硬件技术方面制约先进制造技术的理念在一个企业的实施。

实际中需要用磨料流进行表面抛光加工的工件的表面形状和尺寸各异，且差异很大，如何根据其材料、形状和尺寸大小以及表面质量初始状态等来合理地选用磨料流中磨料类型、粒度及其粘结剂、润滑剂等的合理配比以及磨料流加工的合理压力、流速、往复行程次数等目前尚不能从理论上给出一个合理的答案，主要还是根据经验和实验来决定。

这些问题正是磨料流加工技术目前难以应用于大批量生产以及推广应用的主要困难和技术障碍，可以相信这些问题如能较好给予研究解决，一定能够大大推动磨料流加工技术的实际使用，从而产生巨大的经济和社会效益。

要深入理解和控制磨料流加工过程，就必须更多地了解金属去除与表面生成的机理，过程模型、加工能力和控制方法，而要做到这些并解决上述存在的主要问题，就必须一方面借助于磨料流加工的传统实验研究方法、大量从事磨料流加工机理和工艺规律的实验研究和数据积累，同时在此基础上充分利用现代数值计算和计算机虚拟仿真技术，开着磨料流加工虚拟技术的研究，从理论上对磨料流加工的进行虚拟仿真，实现虚拟制造。

利用磨料流加工虚拟技术可在设计阶段实现对磨料流加工夹具设计方案的可行性评价以至实现其结构性和磨料流加工过程的优化和监控【2】。

随着产品的不断精密化，人们对产品表面质量及功能性边缘的要求不断提高，传统的加工工艺已无法达到其精度要求。

在加工过程中，工件的加工稳定性如同公差一样要尽量完美，并且有着同样程度的要求。

精密零件制造中的最终精加工是一种劳动强度大而不易控制的过程，它在全部制造成本中所占的比重非常高。

磨粒流加工技术是一种能够保证精度、效率、经济的自动化光整加工方法，是解决精密零件最终精加工的一种有效手段。

它是以一定的压力强迫含磨料的粘弹性物质性体，称其为柔性磨料或粘弹性磨料，通过被加工表面，利用其中磨粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料而达到对工件表面光整加工的目的。

磨粒流加工技术是国外20世纪70年代以来开始推广应用的一种先进光整加工技术，宇航用的液压阀体孔道多，孔道相互交叉，台阶孔，交叉孔内的毛刺很难去除，柔性磨体加工技术就是为解决宇航用液压阀体孔道内的毛刺去除问题从美国发展起来的【3】。

这项技术出现后很快在液压、模具、航空、纺织机械、汽轮机、齿轮等机械行业中获得应用。

后来，日本、西欧和前苏联都引进和采用了磨粒流加工技术。

我们国家曾将磨料流加工技术列为七五攻关技术项目之一进行了研究，取得了一定的实验研究成果，在20世纪80年代初成功的研究开发了磨料流加工机床、加工所用的柔性磨料及加工技术，成果推广应用于多个企业。

磨粒流工艺的发明，可以说创立了内外表面边角处理的新概念，使得金属表面处理更具特色。

其更大优势在于，随着现代制造技术微型化，密集化，越来越多的零件结构呈现出封闭的无规则的同时又要求高质量表面的各种型腔、通道等，磨粒流工艺在这些部位的微量加工和抛光方面可谓独树一帜。

不但如此，磨粒流工艺还可以成功地对各种材料进行微量研磨加工，包括较软的有色金属直至坚韧的镍合金、陶瓷和硬质合金等制作的零件，非常适应现代制造材料和制造技术的发展【4】。

磨粒流加工是利用磨粒流中的磨砂充作无数的切削刀具（自锐性），以其坚硬的锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的。

在工艺实施中，通常采用两个相对的磨粒缸使磨粒在零件和夹具所形成的通道中来回挤动。

磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。

当磨粒均匀而渐进地对通道表面或边角进行工作时，产生去毛刺、抛光及倒角的作用。

磨粒流加工工艺中有3个重要环节。

（1）挤压研磨机床。

固定工件和夹具，在一定的压力作用下，使磨粒通过被加工表面，达到研磨，去毛刺，倒角及抛光的目的（图1-1）。

由机床控制挤出压力，压力范围从7一224kg/cm。

（2）磨粒。

由柔性的半固态载体和一定量磨砂拌制而成，有不同粘度、流变、磨砂粒度和密度。

最常用的磨砂是碳化硅。

根据被加工材料，还可选择立方氮化硼、氧化铝和金钢砂。

砂粒尺寸为0.005^'1.5mma高粘度磨粒可用来对零件的壁面和大通道进行均匀研磨。

低粘度磨粒可用来对零件边角倒圆和小通道的研磨【5】。

磨粒的粘度，挤压压力和通道的大小决定了磨粒的流速，影响到研磨量，磨削均匀性和边角倒圆大小。

（3）夹具。

使零件定位。

并引导磨粒通达被加工部位。

堵住不需要加工的部位。

有些零件的磨粒流加工不需要夹具辅助，如模具等。

有些加工仅需简单夹具（图1-2）。

大批量零件生产所用的夹具，要设计得易于装、卸、清洗，通常须安装在分度台上。

这样的夹具，一次可加工许多零件【6】。

图1-1磨粒流的加工原理图和去毛刺

图1-2不同粘度的磨粒流

1.2研究磨粒流的目的和意义

当今材料、计算机、精密零件的不断发展，将带动制造技术整体推进。

特别以航天、航空工业为标志的高精技术密集行业，出现了许多应用新材料，新技术设计的各种零件精度更高，重量更轻，结构更复杂。

而制造这些零件的高端工艺也给我们带来了挑战，使我们的光整工艺不断完善。

尤其在航天领域，几乎所有大型飞机制造公司的发动机厂和维修厂都使用磨粒流工艺加工各种各样的零件。

除了作为一种抛光手段，磨粒流工艺还可以对那些形状公差、质量要求极其严格的零件进行微量磨削加工。

主要应用场合分布在以下几个领域:

调整叶片、叶轮、油嘴、化油器和定子的气流阻力，增大涡流数值，去除激光和电火花加工所产生的重铸层，改善压缩机和涡轮零件翼形表面状态，去除毛刺，对零件的内外边角进行倒圃，齿轮去毛刺和超精抛光，对旧零件讲行修招.去除积碳.以及改善表面的招休完雄性。

具体应用介绍如下。

（1）调整喷油嘴小孔流量。

以下是喷油嘴图片。

图7为电火花加工后小孔状况;图8为同一小孔经微孔磨粒流加工后的状况[7]。

可以看出光滑的孔边缘和均匀的表面（图1-3）。

图1-3粗加工和磨粒流加工的表面对比

喷油嘴经微孔磨粒流加工，减小了流量散差，使流量更为精确。

孔的出口保持锐利，而在内径处产生均匀的圆角，并使表面光滑，轮廓完整。

进口处的光洁和圆角，使小孔流量增大，寿命提高，这些经微孔磨粒流处理过的油嘴，其流量散差可控制在1%以内。

（2）改善疲劳强度。

微孔磨粒流均匀倒圆了油道与油腔的交叉处，改善了疲劳强度，如图9所示。

喷油器体、高压泵壳体、增压器、阀和针阀体等柴油机零件经过磨粒流加工后，在高压孔交叉处产生大的圆角（（0.1mm到0.5mm以上），改善了高脉冲产生的疲劳强度。

柴油机中的高压油管，要不断经受很高压力的冲击，达1000Ba以上。

因此在一些应力集中的地方会产生疲劳损坏。

磨粒流方法光整表面，去除疵点，倒圆锐角，大大增加了零件的可靠性，延长了使用寿命[8]。

（3）提高性能。

汽车进气管，手工抛光其内表面时，只能先切割开，抛好以后再焊接起来。

而用磨粒流加工方法，不需要切割打开，就可以使磨粒挤压通过所有的管道（图1-4）。

磨粒流除了使进气管道的壁面得到抛光外，还使管道内部空间增大，气流量增高。

经空气推力测试，抛光后推力增加17%到23%。

研磨量的多少，很大程度上取决于零件浇铸表面的粗糙度。

图1-4磨粒流加工处理管道

磨粒流工艺己广泛用于汽车零件的精加工:

进排气管、进气门、增压腔、喷油器、喷油嘴、泵、二冲程、四冲程汽缸头、涡轮壳体、涡轮叶片、花键、油头和齿轮等,下图（图1-5）就是一个涡轮发动机中涡轮抛光的例子。

各种机械结构中的传动齿轮，包括涡轮、涡杆和伞齿轮都可以用磨粒流加工。

可以提高齿轮使用寿命，减少传动嗓音。

图1-5磨粒流涡轮抛光前后对比

铸件可直接在专门的生产性磨粒流系统上抛光。

这个磨粒流系统每小时抛光3U个汽缸头。

计算机控制所有加工参数。

旋转台面上有两个工位。

当一个部件在加工时，另一个工位做装卸、准备工作。

，

（4）用于模具抛光。

模具需要光洁的表面，以便于成型、脱模，确保产品的表面质量。

这种要求很高的工序，传统上是由熟练的技术工人进行手工研磨，其不稳定性是不可避免的。

磨粒流的出现使通道、型腔的高精度成为现实。

磨粒流使模具表面光洁度提高而更为可靠并降低劳动成本[9]。

由电火花加工而成的三通道铝挤出模，在磨粒流机床上经过约六分钟的加工，其表面粗糙度从Re0.4提高到Ra0.1。

这类模具使用细磨粒磨削，不会改变工作带形状，每个齿廓都经抛光，能保持均衡的挤出速度。

电火花成形、线切割、铣削以及磨削加工的零件表面，经磨粒流加工，其表面粗糙度可提高10个数量级，该图是模具表面经电火花加工后的金相图，每一张图的状态经过2分钟抛光，其粗糙度等级可提高10个数量级。

磨粒流加工可用于抛光各种模具:

挤出模、成型模、拉丝模、锻压模和冷锻模具等。

（5）磨粒流加工技巧。

磨粒流加工是一种特殊的表面处理工艺，自然有其与众不同的特点。

如果充分注意这些特点并加以利用，将获得最佳效果。

比如磨粒流无论粘度如何，在夏天都会变稀，要达到相同的目的必须适当增加挤动次数，当然如果加工参数选择过高，将导致磨粒发热，使其切削性下降。

从小孔径流量理论来说，狭窄空间流量快，故在工艺设计时要注意这一因素，例如对大径或盲孔的磨粒流加工最好设计专用喷嘴，如图1-6所示，以此来形成狭窄空间。

这里需要强调的是去毛刺，抛光，倒圆角用磨粒流不一样，建议不要使用同一种磨粒流完成不同工艺过程。

此外，还要倡导绿色制造，加强磨粒收集，进行环保处理。

对于完成磨粒流加工的零件内残存的磨粒，只需经过液体浸泡，震动即可清除，然后再清洗，吹干【10】。

图1-6磨粒流加工技巧应用

1.3磨粒流技术国内外的发展现状

1.国外的发展现状

由德国制造的PerfectFinishGmbH磨粒流流体动力研磨系统，主要运用在航天及汽车工业,有着复杂几何图形合金含量较高的部件抛光及去毛剌【12】。

这种全自动研磨技术可以替代以前各种费时的人工去毛剌和抛光工序，人工操作通常无法达到长久一致的表面质量保证。

现在，磨粒流体动力研磨技朮作为一种加工方法,适用于在内外部都需要高质量表面的产品。

打破以传统手工研磨抛光工序:

适用于在内外部都需要高质量表面的产品例如：

涡轮机内部零件/航天/汽车/各类精密工件【13】。

挤压工业:

平面/分流/多孔/精细复杂模具。

药用业/纺织业/液压/压缩/气动工件。

图1-7德国PerfectFinishGmbh磨粒流流体动力研磨系统

SPKS挤压研磨流体抛光机械为微精处理机械，对于凹陷面与弯曲孔道等通常刀、磨具达不到的复杂形状优为有效，该技术打破了传统的手工研磨抛光工序，使微孔、多孔、长孔、弯孔、异形孔的工件抛光研磨便利、轻松，特别是在气体、液体类的导通管内进行镜面抛光，使研磨痕和流体通过方向一致，有效的提高模具或工件的性能、质量、光洁度，达到镜面等级，同时延长模具及工件的使用寿命，更能提升产品的品质和产能【15】。

图1-8SPKS挤压研磨流体抛光机械

2.国内的发展现状

我国很早就引进了磨粒流光整技术，并用于铝型材模具的抛光。

引进的铝型材生产线上一般都配有磨粒流设备通称挤压研磨设备。

国内有几家研究单位已将该工艺用于不同类型零件的光整加工，在夹具设计及加工控制方面积累了一些经验。

已在航空、航天、汽车、纺机、模具等领域取得了可观的经济效益。

但由于对这项光整技术宣传不够，很多人至今还不了解，在一些领域里处于空白状态。

另外，由于该技术在国内应用尚不广泛，经验也不足，工艺上也不成熟，自动化程度不高，未能达到一定的生产规模，磨粒流加工的优势尚未充分发挥出来。

北京航空工艺研究所经过几年的探索和研究，现在已取得了可惜的进展。

自行开发的磨粒流介质，性能达到了国际先进水平，可以替代进口产品。

图1-9中航工业北京航空制造工程研究所

近年来，Fletcher等研究了磨料流加工中应用的高分子聚合物的热特性和流变性，认为介质的流变性对磨料流加工的成败具有重要的作用。

Davies和Fletcher研究了几种配料的流变性与其相应加工参数之间的关系，结果表明粘度和磨料的比例都会影响温度和介质通过工件的压力下降，在磨料加工过程中温度是影响介质粘度的一个重要因素【16】。

Williams和Rajurkar的研究表明，介质的粘度和挤压力主要决定着表面的粗糙度和材料去除率，表面粗糙度精度的改善主要发生在磨料介质的前几个挤压往复进程中，并提出了估算动态有效切削磨粒数目的方法和每个行程中磨粒损伤的计算方法。

他们还提出了多孔抛光中金属出去分布的实验方法与定量分析方法，发现用磨粒流加工一个具有中心孔和四个外围孔的工件时，中心孔的金属去除率比外围孔的金属出去率高30%。

Williams和Rajurkar研究探索了磨料流加工过程特性的一些方面和表面的特性化以及过程建模，研究了工艺输入参数对工艺性能参数的影响，利用DDS随机建模与分析技术研究了磨料流加工表面;磨料流加工表面轮廓模型的格林函数揭示了其特性形状是双指数的叠加。

Williams等还研究提出了基于监控策略和磨料流加工的声发性特性的磨料流加工声发射在线监控和自适应控制系统，但是这些研究工作仅仅考虑了一部分过程参数而忽略了其他一些关键参数。

磨料流加工去除了传统以及特种加工对工件表面的影响，使表面更加均匀一致；磨料流加工与磨削加工有很多相似之处。

在国内王纯、杨建明和王洁针对传统的磨料流加工在磨料介质流速增大的情况下容易出现剪切变稀现象从而易失效的不足，研究开发出了磨料流振动抛光机床和相应的加工技术，从而有利于较大幅度提高抛光效率，并提出了磨料流加工流动新的边界条件假设，用简易实验验证了这种假设。

汤勇等对磨料流加工存在的壁画滑动现象进行了实验研究，结果表明：

磨料平均速度存在着临界值，在于平均速度时存在壁面滑动现象，同时壁滑速度随磨料平均速度增加而增大；磨料粘度升高，会使平均速度临界减少，而壁滑速度增加的程度却增大，存在壁滑是实现磨料流加工的前提条件。

1.4小结

本节我们回顾了磨料流加工的形成及其加工特点，研究了其目的和意义以及国内外发展现状，使我们对其有了一个大致而清晰的