纳米粒子射流微量润滑磨削高温镍基合金对流热传递机理与实验研究

摘要

磨削是机械加工中不可或缺的加工工艺，加工过程中砂轮与工件相互作用，在磨削界面产生大量的磨削热，工件表面由于产生较高磨削温升易造成烧伤。为了降低磨削热对工件表面质量和使用性能的影响，采用了各种冷却润滑技术。浇注式使用大量磨削液造成了严重的污染，不适用于当前绿色生产的时代要求，干磨削和微量润滑满足环保的要求但冷却润滑效果较差，难以获得较好的工件表面质量。纳米粒子射流微量润滑的出现，通过添加纳米粒子增大磨削液的导热系数，提高了磨削液的换热能力，可以有效的解决磨削区换热问题，同时又增强了磨削区的润滑特性。
　　本论文针对磨削镍基合金GH4169材料，研究了浇注式、干磨削、微量润滑和纳米粒子射流微量润滑四种冷却润滑方式的冷却润滑性能，重点研究了纳米粒子射流微量润滑。根据磨削机理，通过分析磨削过程和热传递机理，建立了相应的热源模型和传热模型，并借助ABAQUS软件平台进行有限元仿真，通过仿真结果分析磨削热传入工件后形成的温升趋势，制定实验方案，并通过实验验证理论分析和仿真结果，对比不同冷却润滑方式下得到的能量比例系数、比磨削能及工件表面质量，得到冷却润滑效果较好的冷却润滑方式，并得到一种选择最佳冷却润滑效果的方案。具体的研究工作如下:
　　1、针对镍基合金磨削产生大量的磨削热和换热问题，分析了具有代表性的冷却润滑技术，总结了关于磨削热和新型冷却润滑技术的国内外研究现状，为强化磨削过程换热能力提出本论文的研究课题。
　　2、根据磨削过程，通过表征磨削的基本参数理论分析了磨削热的来源，根据磨削过程中不同的磨削深度分别建立了不同的磨削热源模型。
　　3、针对磨削界面的热传递机理，通过积分的形式建立了“点—线—面”热源温度场的传热模型，根据不同的边界条件，分析了磨削界面的热量分配，根据磨削界面的对流换热分析，建立传入工件的能量比例系数数学模型。
　　4、结合磨削热源模型、温度场对流换热模型，采用有限元仿真软件完成了磨削温度场的建模仿真，并研究了不同冷却润滑条件对磨削温度场的影响规律。
　　5、对不同冷却润滑条件进行了平面磨削实验研究，重点对纳米粒子射流微量润滑进行了研究，通过对能量比例系数、比磨削能、摩擦系数和表面粗糙度值等实验结果的评定，确定最佳冷却润滑方式。
　　6、通过实验研究对有限元仿真的验证，最终得到纳米粒子射流微量润滑优良的冷却润滑性能，总结出选择最佳冷却润滑方式的方案。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 冷却润滑方式的发展

1．3．1 浇注式

1．3．2 干磨削

1．3．3 低温冷却

1．3．4 微量润滑

1．3．5 纳米粒子射流微量润滑

1．4 镍基合金的磨削特性

1．5 国内外研究现状

1．5．1 磨削温度场研究现状

1．5．2 微量润滑的研究现状

1．5．3 镍基合金磨削研究现状

1．6 课题研究的主要内容

1．7 课题研究的意义

1．8 本章小结

第2章 磨削热的理论分析

2．1 平面磨削加工

2．2 磨削基本参数

2．2．1 磨削接触弧长

2．2．2 有效磨刃数

2．2．3 未变形磨屑厚度

2．3 磨削力

2．4 比磨削能

2．5 磨削热

2．6 磨削热源模型

2．6．1 平面热源模型

2．6．2 圆弧热源模型

2．7 本章小结

第3章 磨削温度场的热传递机理

3．1 磨削温度场传热模型

3．1．1 瞬时点热源传热模型

3．1．2 瞬时线热源传热模型

3．1．3 瞬时面热源传热模型

3．2 磨削边界条件

3．2．1 边界条件

3．2．2 对流换热

3．3 磨削热分配

3．3．1 热量分配

3．3．2 能量比例系数

3．4 本章小缩

第4章 平面磨削镍基合金温度场有限元分析

4．1 磨削温度场有限元仿真模型的建立

4．1．1 工件材料属性

4．1．2 分析步的确定

4．1．3 边界条件

4．1．4 加载载荷

4．1．5 有限元网格划分

4．2 平面磨削温度场仿真温度结果分析

4．2．1 磨削运动方向温度解析

4．2．2 磨削深度方向温度解析

4．2．3 磨削宽度方向温度解析

4．3 对流换热对磨削温度场的影响

4．3．1 冷却润滑方式对磨削温度场的影响

4．3．2 纳米粒子射流微量润滑对磨削温度场的影响

4．4 本章小结

第5章 平面磨削加工镍基合金的实验研究

5．1 实验设备与材料

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验材料

5．2 实验方案

5．3 实验测量

5．4 结果分析

5．4．1 冷却润滑方式对冷却润滑效果的影响

5．4．2 纳米粒子射流微量润滑对冷却润滑效果的影响

5．4．3 纳米粒子体积浓度对冷却润滑效果的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢