超高速磨削砂轮气流场的基础研究

摘要

超高速磨削突破了传统磨削的概念，它集极高的加工效率和加工质量于一身。同时，它能够高效率地对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性和难磨材料也有良好磨削表现。因此，使用CBN磨料磨具的超高速磨削技术是最新的高效率磨削技术，被誉为现代磨削技术的高峰，是先进制造技术的前沿之一。 超高速磨削与同普通磨削加工相比的一个重要特点就是砂轮速度有了成几倍的提高。这带来了超高速磨削的优越表现，但同时也产生了实际应用中的一些技术难题。其中，高速气流阻碍冷却液供给的“气障”问题，即成为超高速磨削的瓶颈技术问题。本文以超高速磨削气流场为核心，围绕气流场的数学建模与仿真和气流场分布以及影响因素等进行了系统的基础性理论和实验研究，以期为实现超高速磨削液有效供给提供研究基础。本文主要研究工作包括以下几个方面： (1)论述了国内外超高速磨削技术的发展概况，以及国内外超高速磨削技术实际应用和最新成就。对超高速磨削气流场的研究方法和进展以及相关理论进行了系统的分析和综合评述，阐述了课题的意义。 (2)在对超高速磨削砂轮气流空气动力学和磨削机理的分析基础上，就流体计算公式N-S方程进行了简化处理，给出了超高速磨削砂轮气流场的计算公式。结合流体力学和仿真技术的研究成果，利用ANSYS软件，对2维和3维超高速磨削气流场进行了计算机模拟和仿真研究，其仿真结果与实验结果相接近，为超高速磨削气流场的仿真研究提供了方法。 (3)分析了冷却液在磨削区的流体动压效应，并提出润滑引入力的概念，通过有限差分法进行计算机程序求解。使用VC++程序设计语言，结合OpenGL函数库编制出了计算磨削区中的流体动压力的三维分布的通用软件，并对其进行了理论分析和仿真。仿真结果与有关研究结果相一致。 (4)在国内首次进行了基于粒子速度成象(PIV)仪的超高速磨削气流场实验研究。设计了实验方案和相关实验装置，并进行了多变化条件的大量实验和数据采集，提出实验数据和图象的处理方法。其实验结果可为超高速磨削气流场研究提供重要参考性的实验数据。 (5)在理论分析和实验的基础上，对采用粒子速度成像仪进行实验获得的数据使用FlowMap、Tcplot、Matlab软件系统进行处理，将其转化为可供定性和定量分析的矢量图、流线图、等值速度场图和三维速度场图以及不同截面的速度分布曲线图。对其实验结果进行了综合对比分析与讨论，初步验证了本文的理论分析和仿真研究的正确性，得到多种因素对于超高速磨削气流场影响的一般规律。 (6)综合本文的理论分析和实验研究，参考前人的研究工作，讨论了气障对超高速磨削液供给的影响，并提出了削减气障影响的措施。总结全文，得出部分理论分析和实验研究结论，可为研究超高速磨削气流场和寻找有效的冷却润滑方法提供有价值的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1超高速磨削技术发展概述

1.1.1超高速磨削技术的沿革

1.1.2超高速磨削的特点和优越性

1.1.3超高速磨削的相关技术

1.2超高速磨削主要实际应用及加工效果

1.2.1高速快进给深磨HEDG

1.2.2超高速外圆磨削

1.2.3超高速点磨削

1.2.4硬脆材料与难加工材料超高速磨削

1.3超高速磨削砂轮气流场研究概况

1.3.1超高速磨削冷却与砂轮气流场概述

1.3.2国外超高速磨削砂轮气流场研究现状

1.3.3我国超高速磨削砂轮气流场研究现状

1.4课题的提出和研究意义

1.5学位论文的主要研究工作

2超高速磨削砂轮气流场理论分析与计算

2.1引言

2.2超高速磨削砂轮二维气流场理论分析

2.3二维气流场分析计算

2.3.1二维气流场计算的有限元方法

2.3.2二维气流场软件求解分析

2.3.3对磨削区气流场有限元计算求解

2.4三维气流场分析计算

2.4.1三维气流场数学模型

2.4.2三维气流场边界值初始化

2.5三维气流场的有限元计算

2.5.1磨削区三维气流场计算

2.5.2磨削液引入区三维气流场计算

2.5.3磨削液引出区三维气流场计算

2.6本章小结

3磨削区流体动压理论研究与仿真

3.1磨削区流体动压效应

3.2润滑引入力的理论模型

3.2.1磨削区雷诺方程

3.2.2润滑引入力的常用理论模型

3.2.3平面磨削润滑引入力采用的理论模型

3.2.4膜厚方程的建立

3.2.5模型的边界条件

3.3润滑引入力的理论模型的数值解

3.4润滑引入力的仿真

3.4.1仿真程序及其功能模块

3.4.2仿真数据的传输

3.4.3仿真程序的数据处理

3.4.4仿真程序的显示模块

3.5仿真结果与分析

3.6本章小结

4超高速磨削砂轮气流场实验研究

4.1磨削砂轮气流场实验原理

4.1.1粒子成像速度测量原理

4.1.2粒子矢量图的PIV处理

4.1.3软件相关处理技术

4.1.4测量粒子浓度

4.2磨削砂轮气流场实验装置

4.2.1 PIV流场测量系统

4.2.2超高速磨削砂轮模拟装置

4.2.3实验系统的选择

4.2.4实验粒子的选择

4.3实验方案的设计

4.3.1实验磨削砂轮的形状

4.3.2砂轮实验的速度

4.3.3砂轮测量的位置

4.3.4砂轮与工件的间隙

4.3.5测量光屏的位置

4.3.6砂轮挡板的选择

4.3.7砂轮流场测量区域图及其标定

4.4实验数据的处理

4.5本章小结

5超高速磨削砂轮气流场实验结果分析

5.1砂轮气流场实验数据处理方法

5.2砂轮气流场实验影响因素分析

5.2.1测量区域影响分析

5.2.2光屏位置影响分析

5.2.3砂轮速度隙影响分析

5.2.4砂轮与工件接触间隙影响分析

5.2.5有无挡板影响分析

5.2.6砂轮形状影响分析

5.3砂轮气流场实验结果综合分析

5.4本章小结

6气障对磨削液供给影响的研究

6.1砂轮表面气障分析

6.2磨削区气流场对磨削液供给的影响

6.3减小气障对磨削液供给影响的措施

6.3.1调整磨削液喷嘴的位置

6.3.2提高磨削液供给压力

6.3.3改变气流运动方向

6.3.4增大磨削液流量

6.3.5砂轮内部供给磨削液

6.3.6自加速法供给磨削液

6.4本章小结

7结论及建议

7.1结论

7.2建议

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文和论著