水射流穿丝喷嘴设计

Hydraulics Pneumatics & Seals/No.1.2011 水射流穿丝喷嘴设计 隋志平 1 韩福柱 2 （1.北京华德液压工业集团技术中心，北京，100176） （2.清华大学精密仪器与机械学系，北京，100084） 摘 要：本文针对慢走丝线切割机床的自动穿丝系统设计了一款新型喷嘴。 利用 Fluent 软件对该喷嘴进行了仿真，确定了会聚角度对 射流流场的影响。对喷嘴进行喷水试验，确定不同速度下射流的形态以及穿丝时射流的形态，验证了该喷嘴的可行性，为线切割自动穿 丝喷嘴设计提供了一条新的思路。 关键词：线切割；水射流；喷嘴；FLUENT 中图分类号：TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1008-0813（2011）01-0043-03 The Design of Threading Water-jet Nozzle SUI Zhi-ping1 HAN Fu-zhu2 （1.Beijing HuaDe Hydraulic industrial Group Co., LTD., Beijing， 100176 China） （2.School of Mechanical Engineering Tsinghua University, Beijing， 100084 China） Abstract: This article is about the new design on the nozzle structure of WEDM automatic wire threading system.The numerical simulation of water jet is conducted by FLUENT and the influence of convergent angle is ascertained on water jet.The modality of the differ velocity water jet is ascertained by experimental study and the threading feasibility is substantiated applying the nozzle.A new method is provided for the design of automation wire threading nozzle. Key Words: WEDM; water jet; nozzle structure; FLUENT 0 前言 随着线切割机床的发展， 对水射流自动穿丝提出 了更高的要求。 其中影响最大的是导丝嘴的变革，导丝 嘴包括三点接触式导丝嘴、 组合式导丝嘴和眼模式导 丝嘴（见图 1）等，随着对曲面加工精度要求的不断提 高，眼模导丝嘴已成为线切割机的主流。 眼模导丝嘴将 电极丝完全包裹，间隙在 0～3μm 之间，孔的两端呈喇 叭口形，作为穿丝导向和斜度切割中电极丝转向使用。 采用眼模导丝嘴的最大不同在于， 由于导丝嘴为一整 体，要完成自动穿丝，喷嘴就需要完全包裹导丝嘴。 由 于斜加工的需要， 水射流喷嘴口径需要足够大或者可 以开合，大口径水射流喷嘴就成为了此类研究的重点。 穿丝喷嘴不同于普通的喷嘴,它有着比一般喷嘴更复杂 的结构，射流的形成也更加复杂，从而导致射流的质量 比普通喷嘴差。 首先，喷嘴中间含有导丝嘴，导丝嘴的 位置会干扰射流的形态，使射流更易于发散。 其次，由 于线切割机斜加工的需要，喷嘴的口径要足够大，不然 喷嘴就会和电极丝发生接触，干扰斜加工。 针对上述情 况，本文设计了一款会聚射流喷嘴。 图 1 眼模导丝嘴 1 会聚喷嘴仿真分析 会聚喷嘴（见图 2）完全不受导丝嘴和斜加工的影 响。 会聚喷嘴将整流槽和喷嘴收缩段进行了整合，水流 从整流槽进入同时进行整流和加速， 然后在喷嘴外进 行会聚。 图 3为会聚喷嘴结构简图，α为会聚角，β为收 缩角，导丝嘴从预留孔中插入。 如图 4所射流在喷嘴外 会聚变细，这样会聚喷嘴的口径就没有了严格的限制。 图 2 会聚喷嘴 收稿日期：2010-12-01 作者简介：隋志平（1980-），男，工程师，一直在华德液压从事液压元件的 研究与应用。 43 液压气动与密封/2011年第 1期 1-导丝嘴孔 2-水流入口 图 3 会聚喷嘴结构示意图 图 4 会聚射流形态图 仿真主要是看会聚角对射流流场的影响， 不考虑 压缩角的影响，所以在仿真中简化掉压缩角，会聚角度 分别为 5°、10°、30°、45°和 60°，入口速度设定为 10m/s。 采用四边形结构化网格。 网格间距的分布规律是在射 流自由面自由面和喷口附近密， 远离自由面和喷口处 疏。 下面对有代性的 45°和 60°仿真结果进行介绍。 仿真结果如下： 由图 5 可以看出，会聚角为 10°时，喷管内的静压 图 5 会聚喷嘴静压云图 较低，在会聚点的上方存在大面积的负压区，这个负压 区将射流向喷嘴中心位置挤压，射流不容易发生散射， 所以会聚效果很好。 会聚角为 45°时，喷管内的静压比 会聚角为 10°时高好几倍，在会聚点的上方存在的大面 积的正压区， 这个正压区将射流从喷嘴中心位置向外 挤压，射流较容易发生散射，会聚效果会变差。 所以，随 着会聚角度变大，要想获得相同的速度，就需要提供更 高的压力，汇聚点上方也会从负压区慢慢变为正压区。 从图 6 可以看出，随着会聚角的缩小，周围空气的 卷吸在迅速增加，会聚角为 45°时，喷口附近空气的速 度明显大于 10°时，射流周围受到扰动空气的范围也大 很多。 所以，会聚角度越大，环境空气的速度就越大，对 射流的扰动就越强。 从图 7可以看出，射流会聚点上方 空气的速度方向与射流方向正好相反， 这也是形成负 压区的原因，这种现象很利于射流的会聚。 图 6 会聚喷嘴流场速度云图 图 6 会聚喷嘴流场速度云图 图 7 会聚喷嘴流场速度矢量图 2 会聚喷嘴喷水穿丝试验 对不同速度下的锥直喷嘴射流进行快速拍照，以 观察射流在不同速度下的流态变化。 射流速度从左到 右依次为 10、20、30、40、50m/s。 从照片（见图 8）可以看 44 Hydraulics Pneumatics & Seals/No.1.2011 出射流速度在超过 30m/s后，射流的断裂破碎变的开始 不对称，射流变得越来越粗。 图 8 不同速度下射流的形态 流体在流动时会表现出黏性， 静止流体不呈现黏 性。 黏性的作用表现为阻滞流部的相对滑动，从而阻滞 流体的流动。 在穿丝时，这种阻滞作用会将一定范围内 的水保持在电极丝附近， 使电极丝附近的流场变得连 续。 对不同速度下水射流穿丝时的射流形态进行快速 拍照，对电极丝的影响进行分析。 射流速度从左到右依 次为 10、20、30、40、50、60m/s（见图 9）。 值得注意的是， 有电极丝时， 射流形态对速度的反应和无丝射流的对 速度的反应正好相反。在 10m/s时，射流勉强是连续的， 射流中存在着一个个大的液滴。 随着速度的增加射流 变得越来越连续，波动变得越来越均匀，在高速的情况 下完全不呈现散射状态，反而变得异常稳定连续。 这说 明速度越高，电极丝对水的阻滞作用越明显。 这种的特 性的前提是， 射流在从喷嘴出来后可以发生小范围的 不对称性破碎，但是不可以发生大范围的散射，发生散 射后液滴距离太远， 这种阻滞作用就无法发挥它的吸 附作用了。 图 9 不同速度下穿丝时射流的形态 会聚喷嘴的优点是喷口对斜加工没有任何限制， 可以很好的完成任何锥度加工的需要。 会聚喷嘴的缺 点是形成的射流略粗，对速度反应比较敏感，射流不能 达到很高的速度， 这就对电极丝的垂直度有了更高的 要求。 3 结论与认识 本文利用 FLUENT软件对会聚喷嘴内外的射流流 场进行了仿真，在仿真的基础作了穿丝专用喷嘴，利用 自制的喷嘴进行了射流形态分析以及穿丝试验。 现总 结如下： （1）对湍流模型进行了比较，除大涡模拟外，RNG k-ε湍流模型对射流仿真是最适用的，配合 VOF多相 流模型可以很好的模拟出射流在空气当中的破碎形 态。 （2）对于会聚穿丝喷嘴，模拟了不同会聚角度对喷 口附近流场的影响。 会聚角为 10°时，在喷口外围会形 成一个负压区，使射流向内回收，所以会聚穿丝喷嘴的 会聚角应该控制在 10°左右。 （3）会聚喷嘴对射流速度有一定的要求，速度在 30m/s以下射流形态很好。 （4）在一定速度范围内，射流在有丝的情况下表现 出来的特性与无丝时正好相反，速度越快射流越光滑。 参 考 文 献 [1] 李明辉.电火花线切割技术的研究现状及发展趋势 [M].模具 技术,2002. [2] 薛胜雄等.高压水射流技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 1998. [3] 于亚非 .双压电晶片在喷嘴挡板机构上的应用 [J].液压气动 与密封，1989（1）. [4] 吴百海，等.射流效应用于小料口容器自动清洗的实用技术 [J].液压气动与密封，1997（3）. [5] 张勇.基于液压和 VB 技术的船舶细水雾灭火喷嘴的设计计 算[J].液压气动与密封，2006（4）. [6] 孟筠青，等 .矿用前混合磨料水射流喷嘴设计 [J].煤矿机械， 2009（4）. [7] 姜国辉 ，等 .高压水除鳞喷嘴的分析 [J].液压气动与密封 ， 2000（1）. [8] 卢云丹，陈兵.高压除磷喷嘴性能测试系统设计[J].液压气动 与密封，2010（4）. 45