数控车床高压冷却喷嘴的优化设计

文怀兴，马朝阳

(陕西科技大学 机电工程学院, 西安 710021)

数控车床高压冷却喷嘴的优化设计

文怀兴，马朝阳

(陕西科技大学 机电工程学院, 西安 710021)

为了研究高压冷却喷嘴结构参数对流体射流的影响，文章针对高压冷却系统的执行部件锥形喷嘴的收缩角、入口直径与出口直径的比值两个主要因素进行了结构参数的优化设计。采用计算流体动力学的分析软件Fluent对喷嘴的流场进行了数值模拟，通过仿真研究和分析对比其喷嘴流场的特性曲线获取了喷嘴的优化参数。基于Mixture多相流模型理论对其优化后的喷嘴进行了外部流场的气液两相模拟实验和车削断屑实验。研究结果表明：随着收缩角的增大，喷嘴射流的动压值先增大后减小，在α=25°时动压力达到了最大值；距喷嘴出口60 mm处截面上的径向速度随着距离的增加而下降，在α=25°时截面上的径向速度变化幅度最小；当喷嘴的直径比Cd=3时，射流初始段的轴向速度达到最大值，能产生更好的断屑效果。

数控车床；高压断屑；锥形喷嘴；优化设计

0 引言

在现代数控加工技术中，切削液问题往往被人们忽视，常规的浇注方式冷却效果不佳，也很难实现断屑的功能。近年来，出现一种全新的冷却技术：高压冷却技术(HPC)。高压冷却技术是将原有车床的冷却液压力经过独立的高压冷却系统升至特定压力，再通过内部通道，由喷嘴喷射到加工区域，从而达到冷却断屑的目的，有效避免了车削过程中的缠屑现象，提高了工件的加工精度和生产效率。随着高压冷却技术的推广，国内外众多学者对此展开了深入的研究工作，研究的成果均促进了加工过程中的冷却和排屑。然而影响高压冷却技术的因素有很多，大部分研究者着重考虑选用液压泵来获取高压[1-3]，却往往忽略了对执行机构喷嘴的结构优化设计。本文主要针对高压冷却喷嘴的结构参数进行优化设计，文献[4]采用Fluent软件只对高压喷嘴的气体流场进行了仿真分析，未能对气液两相流进行模拟分析。文献[5]采用两相流理论对气动喷丸喷嘴内部流场进行了模拟分析，未能对外部流场和结构的优化进行模拟分析。本文在数值模拟方面，采用CFD仿真软件Fluent获得射流特性，比较分析不同喷嘴结构参数下对喷嘴射流的速度、动压力等的影响[6]。通过模拟实验和车削实验分析研究喷嘴收缩角、入口直径与出口直径的比值对车床断屑能力的影响，从而优化喷嘴的结构。

1 理论基础

1.1 材料性质确定

在建立数学模型之前非常关键的一步便是正确设定所研究物质的物性参数，主要包括密度和粘度等。数控车床使用的QL型乳化液，在20℃的环境下其运动粘度为32 cSt，按照1:20的兑水比例，即1 kg乳化液与20 kg水混合调配，将混合调配后的混合物称为切削液。20℃时水的运动粘度为1.005 cSt[7]，调配后的切削液的运动粘度的计算公式为：

vm=φavaeφbαb+φbvbeφaαa

(1)

(2)

(3)式中,vm为切削液的运动粘度，va为水的运动粘度，vb为乳化液的运动粘度，φa为切削液中水的体积分率，φb为切削液中乳化液的体积分率，αa为切削液中水的特征参数，αb为切削液中乳化液的特征参数。联立公式(1)～公式(3)可得切削液的运动粘度vm=1.11 cSt。因为调配后的切削液中水的含量约为90%，因此，切削液的物性参数与纯水具有相似性，为了便于研究，用纯水介质的物性参数作为本次数值模拟的研究物质。

1.2 物理模型的确定

液体在管道中流动存在层流和紊流两种流动状态，选择合适的物理模型就要明确液体在管道中是处于层流还是湍流。液体的两种流态可用雷诺数来判别，即：

(4)

式中，Re为雷诺数，V为管内切削液的平均速度，dH为水力直径。

在圆管流动中，当Re≤2300时，该液体流动一定处于层流状态，当Re≥8000时，该液体流动一定处于湍流状态[8]。在数控车床的高压冷却系统中液压泵的流量q=20 L/min,压力p=1.25 MPa，圆管的内直径为15 mm，即dH=15 mm，则：

(5)

所以由公式(4)和公式(5)可得Re=28350>8000，因此处于湍流状态，采用湍流流动的标准k-ε模型。标准的k-ε模型是通过求解湍流流动动能k方程和湍流耗散率ε方程得到k和ε的解，k和ε的方程为：

(6)

(7)

其中：

式中，k为湍动能，ε为耗散速率，Gk为平均速度梯度引起的湍动能，Gb为浮力影响引起的湍动能，YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，σk为湍动能的湍流普朗特数，σz为耗散率的湍流普朗特数，ρ为流体的密度，ut为湍流粘性系数。系数取值[9]：C1z=1.44，C2z=1.92，C3z=0.09，σk=1.0，σz=1.3。

1.3 喷嘴出口直径的确定

高压冷却系统中的液压泵的流量是固定的，切削液由管路进入喷嘴形成高压供应机床加工，为了达到断屑的目的，必须使经过喷嘴小孔的切削液具有一定的速度，当高压泵的压力和流量等参数确定之后，喷嘴的出口直径也就确定下来：

(8)

式中，d为喷嘴的出口直径，q为射流流量，u为喷嘴流量系数,p为射流压力。流量系数表征了喷嘴的能量传输效率，锥形喷嘴的流量系数u=0.95[10]，所以由公式(8)可得喷嘴的出口直径d=3 mm。

2 喷嘴的结构与仿真模型

数控车床所使用的是锥形喷嘴，其结构如图1所示，D为喷嘴的入口直径，d为喷嘴的出口直径，α为喷嘴的收缩角，L为喷嘴长度。锥形喷嘴的主要结构参数是收缩角α、入口直径与出口直径的比值，为了便于研究，定义Cd=D/d。所以影响喷嘴性能的参数主要是收缩角α和直径比Cd。

图1 喷嘴结构

为了获取锥形喷嘴的结构参数与工作性能之间的关系，采用数值仿真分析的方法，根据流体动力学建模方法和轴对称性特征建立如图2所示的喷嘴仿真模型。线段AB定义为喷嘴的压力入口，线段EC、EF和FG定义为压力出口，线段CD为喷嘴的出口处，线段AD为喷嘴的对称轴，线段DG为模拟的外部流场的对称轴，线段BC为喷嘴内壁面的边界条件，其中β=α/2。

图2 仿真模型

3 喷嘴性能仿真

3.1 收缩角对喷嘴射流特性的影响

喷嘴的射流加速主要取决于喷嘴的收缩角，因此先研究收缩角α的改变对射流特性的影响，保持其他参数不变，只改变收缩角α的值。如图3所示，为α分别取10°，20°，25°，30°下喷嘴轴线上的射流动压值曲线。从图中可以看出，不同α下的喷嘴轴线上的动压值具有很好的相似性，喷嘴的动压值都是呈增长趋势，当射流射入空气中时，其动压值趋于稳定。对比不同收缩角下喷嘴轴线上的动压值曲线，发现随着喷嘴收缩角α的不断增大，动压值先增大后减小，在α=25°时喷嘴的射流动压值最大。

图3 不同α下喷嘴轴线上的动压值曲线

水射流射入空气中之后，由于存在较大的速度差，两种流体之间会产生间断面。该间断面并不稳定，会将周围空气卷入射流中，使得射流边界逐渐向两侧扩展，由于这种掺混，将使径向的射流速度受到阻力，使其流速降低。故取距喷嘴出口60 mm处截面上速度的径向分布曲线，如图4所示，为α分别取10°、20°、25°、30°下截面上的径向射流速度分布曲线。从图中可以看出，不同α下的喷嘴的径向射流速度都随着距离的增大而减小。在α=20°和α=30°时，其径向射流速度具有相似性，区别在于当收缩角α=20°的径向射流速度高于α=30°。在α=25°和α=10°时，其轴线上的速度(即X=0时)基本相同，但随着径向距离的增大，在α=10°时径向射流速度下降过快。综上所述，当喷嘴的收缩角α=25°时，其径向速度的变化幅度最小。

图4 不同α下距喷嘴出口60 mm处截面上的射流速度曲线

3.2 直径比对喷嘴射流特性的影响

为了获取不同直径比下喷嘴出口的射流特性，保持其他参数不变，取α=25°，只改变入口半径AB的值。如图5所示，分别为直径比Cd=2，2.5，3，4四种情况下的喷嘴出口轴线上的速度射流特性曲线[11]。切削液从机床喷嘴射出后与环境介质接触发生剧烈的紊动和扩散。在射流初始段，其射流速度迅速上升后基本保持不变，称之为射流核心区。在射流基本段，其射流轴向速度逐渐减小。射流的最后一段为消散段，切削液基本与环境介质融合，其轴向速度很小[12]。从图中可以看出，轴向射流速度曲线的主要区别在于：在直径比Cd=3时，其初始段的轴向速度最大，可用于车削过程中的冷却断屑。在直径比Cd=4时，其基本段的轴向速度最大，可用于冲洗机床排屑。这主要是因为射流速度取决于射流功率的大小，当直径比Cd较小时，在喷嘴出口产生的射流压力较小，所以在射流初始段速度增长缓慢；而当直径比Cd较大时，在喷嘴入口处获得的速度较小，喷嘴内部流动产生的摩擦阻力增大，从而限制了射流速度的增长。考虑到其主要目的是为了避免机床的缠屑现象，因此选取直径比Cd=3。

图5 不同Cd下喷嘴出口轴向射流速度曲线

4 两相流模拟结果

切削液射出后与空气之间发生剧烈的动量交换和紊动扩散，所以模拟气液两相混合运动，采用多相流模型中的Mixture模型，湍流模型中的标准k-ε模型，1.25MPa的入口压力，无滑动的壁面条件，操作环境为大气压，取喷嘴的收缩角α=30°，直径比Cd=3，分析优化后的喷嘴对外部流场的影响。如图6所示为本次模拟的动压力和速度等值线云图，由图中可以看出，射流经过收缩段后其压力和速度都比原始值大。当射入空气中后，与周围空气发生摩擦，动压值和速度值明显减小且呈现尖帽状分布。随着射流离出口的距离变远，射流分布呈现膨胀发散的趋势。本次模拟p=1.25MPa，喷嘴出口速度的理论计算公式为：

(9)

而模拟结果的喷嘴出口速度也为50 m/s，与公式(9)的计算结果完全吻合，喷嘴出口的动压力值可提高到1.3MPa。

(a)动压等值线云图

(b)速度等值线云图 图6 喷嘴两相流模拟实验

5 结论

本文通过研究高压冷却喷嘴结构参数对流体射流特性的影响，采用计算流体动力学的分析软件Fluent对喷嘴的流场进行了数值模拟，从而得到以下结论：

(1)高压冷却喷嘴的收缩角α和直径比Cd决定了喷嘴的射流特性，在高压冷却车削加工中，对喷嘴的结构参数进行优化设计极其重要。

(2)随着收缩角α的增大，喷嘴轴线上的动压值先增大后减小。当α=25°时，其轴线上的动压值达到最大值，截面上的径向速度变化幅度最小。

(3)在射流初始段，直径比Cd越大，喷嘴出口的轴向速度先增大后减小。当Cd=3时，其轴向速度达到最大值，可有效用于车床的有效断屑。

(4)模拟结果表明：当α=25°，Cd=3时，喷嘴的射流特性较好。

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(编辑 李秀敏)

Optimum Design of High Pressure Cooling Nozzle for CNC Lathe

WEN Huai-xing，MA Chao-yang

(School of Mechanical Engineering,Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

In order to study the influence of structure parameters of high pressure cooling nozzle on the jet of fluid,In this paper, the optimization design of the contraction of conical nozzle angle 、the ratio of the contraction angle, the inlet diameter and the outlet diameter of the structure parameters of the high pressure cooling system is carried out.The flow field of the nozzle was numerically simulated by Fluent, The optimization parameters of the nozzle were obtained by simulating and analyzing the characteristics of the nozzle flow field. Based on Mixture multiphase flow model theory, the optimized nozzle was simulated by two-phase gas-liquid two-phase flow.The results show that with the increase of the angle of contraction, the dynamic pressure value of nozzle jet first increases and then decreases, and the dynamic pressure reaches the maximum value atα=25°;the radial velocity at the section of nozzle exit 60 mm When the diameter of the nozzle is smaller thanCd=3, the axial velocity of the initial section of the jet reaches the maximum value, which can produce a better value of the radial velocity. Chip breaking effect.

CNC lathes;high pressure chip breaking;cone nozzle; optimal design

1001-2265(2017)05-0139-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.037

2016-12-12；

2017-01-17

文怀兴(1957—)，男，陕西武功人，陕西科技大学教授，博士生导师，博士，研究方向为数字化产品设计与制造，先进制造技术，机电一体化设备与控制，数控技术以及成型工艺,(E-mail)wenhx@sust.edu.cn；通讯作者：马朝阳(1991—)，男，河南南阳人，陕西科技大学硕士研究生，研究方向为机械工程，(E-mail)994860452@qq.com。

TH122；TG659

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