文章编号
第3期
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
D01：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 03.004
组合机床与自动化加工技术
No. 3
Mar. 2017
：1001 -2265(2017)03 -0014 -03
用于薄壁件辅助支撑的脉冲射流动态特性研究
(江南大学机械工程学院，江苏无锡2M122)
摘要：为解决射流支撑工艺背后射流稳定性难题，基于流体体积函数模型和Realizable k - s模型，运
用ANSYS/Fluent对理想条件下单脉冲射流和双脉冲射流的形成过程、流场结构和冲击特性进行数 值模拟，同时采用基于弹性光顺法和局部重构法的CFD动网格技术研究实际工况下隔板对截断式脉 冲射流流场结构的影响规律。结果表明：连续的脉冲射流冲击力波形与薄壁件铣削力波形具有很好 的一致性，脉冲射流作为薄壁件铣削的辅助支撑是可行的；理想双脉冲射流情况下前面射流束会影 响到后面射流束的冲击力幅值、持续时间和作用范围；双隔板布置相比于单隔板能产生流场结构更 好、可控性更高的脉冲射流。关键词：脉冲射流；流场结构；冲击特性;数值模拟；动网格技术 中图分类号:TH166 ;TG506 文献标识码:A
熊小涛，吕彦明
Research on the Dynamic Characteristics of Pulsed Water Jet for
the Auxiliary Support of Thin-walled Parts
Abstract
XIONG Xiao-tao, LV Yan-ming
(School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)：To solve the problem of jet stability behind the technology of jet support, ANSYS/Fluent was
used to study the formation process, flow-field structure and impact characters of single and double pulsed water jet under ideal conditions, based on volume of the fluid model and Realizable k-s model. Moreover, the influence of one baffle or two baffles on the flow-field structure of pulsed water jet was simulated by using dynamic mesh technique combining flexible smoothing with local re-drawing. The results show that the waveform of impact force caused by continuous pulsed water jet has good consistency with the waveform of milling force and it is feasible that pulsed water jet is used as the auxiliary support of thin-walled parts. The first water jet beam's wake can affect the magnitude, the duration and the scope of impact force caused by the second water jet beam. Compared with a single baffle, double baffle arrangement can produce a pulsed water jet to be better in flow-filed structure and more controllable.
：pulsed water jet； flow-field structure； impact characters； numerical simulation； dynamic mesh
Key words
〇引言
薄壁件大多具有精度要求高、相对刚度低等特点，
在数控加工中易受到切削力、切削热、残余应力、装夹 条件等因素的耦合作用，产生加工变形和振动[1]。本 文应用冷却液为介质的高效脉冲射流作为薄壁件铣削 的随动约束。但到目前为止，脉冲射流形成机制、流场 结构以及冲击特性的研究仍不能解决射流支撑技术背 后射流稳定性和射流精确控制问题。有的学者试图基 于有限差分法建立射流从喷嘴射出的数学模型，以预 测不同工况下喷嘴外的流场特征，但是理论模型中存 在很多假设和约定，因此理论计算方法所得结果可信 度一般较低[2_3]。近年来，高速摄像机、相位多普勒粒 子分析仪、粒子影像测速等新兴技术的发展为脉冲射 流瞬态流场信息的捕获提供了新的途径[4_6]，但是这些
测试方法对于高速紊动、射流内部流场演变的研究还
存在一定的困难。随着计算流体力学的不断发展，流 场结构可视化、流速与压力分布、能量交换与紊动扩散 研究都能获得精度较高的数值解[74°]。因此，本文在 考虑了环境空气、流体湍动和隔板截断的情况下，通过 数值模拟方法，研究理想单脉冲射流、理想双脉冲射流 和隔板截断式单脉冲射流的形成过程、流场结构和冲 击特性，为射流辅助支撑工艺稳定性问题的解决提供 重要依据。
1脉冲射流形成装置搭建
l.i
恒压的连续射流发生装置研究
目前市场上的中高压泵大多数为柱塞泵，其增压原 理决定了其脉动特性，虽然通过增设蓄能器可以在一定程 度上减小脉动幅度，但其作为射流支撑技术的压力源是不
收稿日期修回日期
作者简介:熊小涛一），男，河南信阳人，江南大学硕士研究生，研究方向为金属切削及先进制造技术，（
者：吕彦明（），男，山西合胜人，江南大学教授，博士，研究领域为和工装夹具计算机辅助设计，（
:2016 -06 -28;
（1991 1966—
jiangnan. edu. cn0
=2016-07 -26
CAD/CAM
E-mail)xxt201009@163.C〇m;通讯作
E-mail)lyming@
2017年3月
熊小涛，等:用于薄壁件辅助支撑的脉冲射流动态特性研究
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可行的。本文采用先进数字液压伺服技术，拟开发如图1 所示何服直躯压力源。高精度交流伺服电机通过滚珠丝
杠驱动施压活塞，并借助弹性机构连接到高压活塞，改变 驱动活塞与窩压活塞间的距离（即改变弹性力）,进而调 节高压缸中射流介质的压力。另外,整个压力源系统通过 主控计算机进行®环控制，实现稳压及快速变压的功能。 此何服直駆压力源可从源头上减小压力的波动，从而提 畜雛的稳定性。
1 2 3 4 5 6 7 8
T1.丝杆.2.伺服电机3,球关机4,.施压活塞1■调定弹變',6.高压活塞
.:射流介»
8.高
_
图1伺服直驱调压机构示意图
1.2脉冲射流发生装置研究
针对射流辅助支撑工艺的特定要求,在连续射流的 基础上，在喷嘴出口处増设一个音圈电机驱动的隔板装 .查，以实现机械截断式脉冲射流。通过调节压力源的、压 力，来控制脉冲射流的冲街压力;通过控制音圈电机运 动，来控制脉冲的频率和能量|通过改变隔断板的结构 尺寸和布置方式，来改变脉冲射流的结构形貌。.搭建脉
冲射流综合实验装置如图2所漭，其中音圈电机驱动的 加速度可达到300g，以lmm开关移动量计算，可以实现
2700
HZ以上的脉冲发生，完全可满足要求。
|计算机控制系统
I
WmmW
伺
给定信号系统主
服控服电控制器
D/A
制器机
|图2伺服稳压脉冲射流发生装置原理图
2脉冲射流冲击过程建模
使用PISO算法耦合压力-速度场，并通过PRESTO!
格式对压力项进行差分求解，动量项、湍动能项、湍流耗 散项、能量项等都采用二阶迎风差分格式来离敢连续方 輕，相界面踉踪方法选用Geo-Reconstruct.方法'0仿真模型将喷嘴人口定义为K力人口边界条件， 并将喷嘴人口处压力随时间的变化关系写入DDF函 数，空气区域的侧面定义为压力出礼喷嘴内壁和距喷 嘴出口 180mm(即90倍喷嘴直径)处的靶板面设定为 无滑移光滑壁面。数值计算模型如图3所示。
隔板
，耙板
喷嘴
空气域
图3数值计算模型
3脉冲射流冲击过程分析
3.1
理想单脉冲射流的冲击特性
射流压力设定为
l5〇MPa、脉冲长度为20mm的单
脉冲射流，它对Ti-6A14V钛合金靶板的冲©力曲线如
图4所示，可以看出；水锤阶段射流冲击力峰值为
3163. 8
N，持续时间约为滞止阶段射流冲击力均 值为920N,且具有良好的时均稳定性。如图5所活为
螺旋立铣刀铣削薄壁件的铣削力波形,其中铣削深度 为3mm
，铣削宽度为30mm,每齿进给量为0. 2mm
，座
轴转速为
500〇r/Diin，可以看出:立铣刀高速铣削薄壁
件过程中，由午刀齿不断地铣进和铣出工件材料，铣削 力曲线呈厨期性波动状态。因此，连续的脉冲射流冲 击力波形与薄壁件铣削力波形具有较高的相似性，脉
冲射流作为薄壁零件铣削的辅助支撑是可行的。
本文利用连续的脉冲射流冲击工件的滞止;压力来 抵消周斯性波动的切削力，从而抑制切削过程中工件 的变形和振动„为了能达到较好的支撑效果，应该尽 量减小水锤压力与滞止压力间的差值,防止水锤压力 过大所带来的新的变形和振动问题，甚至是损伤工件。 怛是，铣削力是沿曲面分布的时变非线性力，射流冲击 力也是沿冲击面分布的时变非线性力，很难在时域上 实现两个力的完全对等。本文将当量原理引人到射流 参数控制和优选适配中，即以I
件或刀具变形量及
J
：
艺系统振动为控制目标，在某种切削条件下，射流冲击
力或力阵作用在
i
件某位置上时，能够使控制目标在
设定精度范围内波动。
^ ' 0 0.013 0.026 0,039 时间
0.0S2 0.065 0.078 0.091 0.104
图5立铣刀铣削薄壁件的铣削力波形
3.2理想双脉冲射流的流场结构与冲击特性
射流压力设定为150
MPa,脉冲长度为20mm，脉冲
频率为2500Hz。图6为1000Ms时刻双脉冲射流的体
积分数云图，可以看出前面射流束在传播过程中产生
的尾流会对后面射流束的头部结构产生较大影响，导 致后面射流束的头部出现“分岔”现象，而射流头部的
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组合机床与自动化加工技术
第3期
结构和尺寸都会影响到射流水锤库力的幅值、持续时 间和作用范围
这种传播过程中的不稳定因素无疑给脉冲射流辅 助支撑工艺带来巨大挑战，可以从射流介质方面考虑， 也可从截断装置方面考虑，保证一定距离范围内，前面 射流束产生的尾流不对后面射流束的头部结构产生影 响。
图6双脉冲射流体积分数云图
3.3隔板截断式单脉冲射流的流场结构
在音圈电机的驱动下，隔板在距离喷嘴出□ 4mm 处做周期性运动，致使连续射流在受其干扰后形成一 系列具有一定长度的射流束^考虑到射流在隔板截断 卞滿量损失较大，通过改变隔板运动规律将射流脉冲 长度调整为40mm，其它条件保持不变;考虑到实际I 作条件下两隔板不能完全接触，设置两隔板y方向的 最近距离为〇. 2i聊。
图7a为单隔板截断下脉冲射流的体积分数云图， 不难发现射流束在隔板的引导下出现了较大程度的偏 斜，这对射流支撑工艺是非常不利的；图为双隔板 截断下脉冲射流的体积分数云图，可以看出射流的流 场结构要规整一些，但是相比于理想状况下脉冲射流 的流场结构还存在差距。后续可通过研究隔板的形状 尺寸、布*方式和运动规律等对脉冲射流流场结构的 影响规律，实现射流的精确控制和精准定位P
(b)_ :m
隔板布置
图7隔板运动对射流场的影响
4结论
(1) 连续的脉冲射流冲击力波形与薄壁件铣削力 波形具有较高的相似性，可利用廣量射流冲击I件的 力去实时地抵消铣削力，达到改善薄壁件工艺刚性、减 小弹性变形、抑制工艺系统振动的目的。
(2) 理想双脉冲射流情形下，前面射流束在传播 过程中形成的尾流效应会致使后面射流束的头部出现 “分岔”，从而影响到射流冲击力的峰值、持续时间和 有效作用范围。
(3) 为实现截断式脉冲射流对脉冲长度、脉冲频 率等具有较好的可控性，本文采用音圈电机驱动隔板 装置g单隔板在距离喷嘴出口 4mm处进行往复运动 会致使流场结构改变和流暈损失，而双隔板布置则可 以达到相对较好的效果。
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(编辑李秀敏）
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