行星滚筒滚磨加工中液固两相湍流运动机理的计算和实验研究

摘要

做为一种高效率的金属表面光整加工方法，离心式自由磨粒研磨工艺及设备在小型异形零件的去毛刺和光整加工生产领域得到广泛应用。该工艺的加工机理属于流体力学中液固两相湍流流动的理论范畴。长期以来，针对自由磨粒研磨技术的研究仅限于工艺实验，对研磨过程的本质特征尚无根本性的认识。目前离心式自由磨粒研磨设备的设计参数及研磨工艺参数完全凭经验确定，无理论依据。离心自由研磨过程中，受液固两相湍流流场的作用，磨料运动的流态特征对工件的加工质量和生产效率有明显影响。而研磨机行星传动比将直接改变湍流流场的分布，是影响整团磨料态特征的重要因素。研磨过程中受湍流流场的作用，磨料的物理特性和相对运动状态对零件的抛光效果有着直接的影响和控制。通过实验观察发现磨料在滚筒内的运动是极为复杂的，至今磨料运动特征对抛光过程影响机制尚不十分了解，深入研究磨料运动特征以及它对抛光过程影响对于优化机器的设计参数和加工工艺参数，进一步提高加工效率具有重要意义。 本文以在离心场中运动的整团磨料为研究对象，从理论和实验两方面分析了离心式自由磨粒研磨生产过程中整团磨料在不同参数下运动的流态特征，指出整团磨料的流态特征是影响加工效果的关键因素。 理论方面建立了基于液固两相流理论的描述整团磨料运动流态特征的数学模型，利用液固两相流动力学模型分析了不同行星传动比时磨料的流态特征。用计算流体力学的方法描绘出典型行星传动比下磨料运动特征，包括磨料的体积分数分布、压力分布、速度矢量分布等。这些特征反映出磨料团在运动过程中的变化规律。理论分析与实验结果是基本相符。指出这种理论分析方法能够代替大量的实验对做离心运动的整团磨料不同区域的浓度、速度和加速度进行分析，对于优化设计参数、提高生产率十分经济有效。 实验方面应用高速摄影手段获得了对行星整团磨料加工时磨料液固两相流运动的感性认识，描述了不同行星传动比时磨料的流态特征。通过对高速摄影结果的分析，了解了整团磨料在离心场中的运动规律，指明整团磨料在运动过程中，其滑移层的运动及前沿界面曲线的变化是影响加工效果的重要因素。改变行星传动比可以有效地改变滑移层的运动特征，从而提高生产效率。根据工件粗糙度和磨损率的测定，说明了不同行星传动比对加工过程的影响。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、重要符号表

声明

第一章引言

1.1光整加工技术概述

1.1.1光整加工技术的含义

1.1.2光整加工技术的分类

1.2自由磨粒研磨加工简介

1.2.1滚磨加工

1.2.2振磨加工

1.2.3喷送磨料加工

1.2.4主轴抛光

1.2.5涡流式研磨加工

1.3自由磨粒加工中的流体力学问题

1.4离心自由磨粒研磨加工原理

1.5本文研究的主要内容及国内外现状

1.5.1本文研究的主要内容

1.5.2技术发展及国内外研究现状

第二章行星滚磨过程中两相流模型的建立

2.1两相流计算方法简介

2.1.1计算方法

2.1.2计算区域及网格划分

2.2自由磨粒运动的计算模型

2.2.1磨料颗粒运动时的受力情况

2.2.2磨料运动的基本假设

2.2.3计算模型

2.3描述整团磨料颗粒运动特征的两相流模型

2.3.1两相流模型假设条件

2.3.2磨料颗粒的体积分数分布

2.3.3质量守恒方程

2.3.4动量守恒方程

2.3.5剪切输运过程的K-ω湍流模型(SST κ-ω模型)

第三章自由磨粒运动特征的计算结果及力学分析

3.1计算参数和初边值条件

3.1.1计算参数的选择

3.1.2离心力的相对比值和传动比的关系

3.1.3计算模拟工况条件的选择

3.2计算结果及其力学分析

3.2.1计算结果

3.2.2常规运行条件下的动态模拟结果

3.2.3计算结果的力学分析

3.3理论分析结论

第四章行星滚磨过程中自由磨粒运动特征的实验研究

4.1高速摄影实验研究

4.1.1实验方案

4.1.2实验结果及分析一

4.1.2实验结果及分析二

4.2工件研磨表面粗糙度测定实验研究

4.2.1实验方案及过程

4.2.2实验结果及分析

4.3工件磨削率测定实验研究

4.3.1实验条件及工艺参数

4.3.2实验步骤

4.3.3实验结果及分析

4.4实验研究结论

第五章总结与展望

5.1理论研究的进展及方向

5.2实验研究综述

5.3应用前景

参考文献

发表论文和参加教学科研情况

致谢