基于Preston方程的软性磨粒流加工特性

针对模具的细小尺度结构化表面难以进行光整加工的问题,提出一种基于固—液两相软性磨粒流精密加工新方法。利用软性磨粒流的湍流壁面效应,并配以约束模块,能够实现对模具结构化表面的无工具光整加工。基于对Preston方程及其修正系数的分析研究,确定了软性磨粒流加工中的颗粒选择条件,并得到适用于软性磨粒流的切削经验公式。采用可实现k-ε湍流模型以及SIMPLEC算法,对软性磨粒流的压力、速度分布及运动曲线进行数值分析;通过对不同规格颗粒对壁面的压力进行仿真研究,得到适用于软性磨粒流加工的最佳颗粒尺寸。基于上述理论分析与数值模拟结果,搭建软性磨粒流加工试验平台,进行不同入口条件下的加工对比试验,并详细分析入口条件对工件表面形貌的影响。试验结果表明,软性磨粒流加工方法可以实现细微尺寸结构化表面的光整加工,有效提高加工的精度。     

软性磨粒流精密加工的仿真及实验

为改进现有磨粒流加工技术存在的缺陷,提出了软性磨粒流加工技术,并将其应用于各种微小型腔及通道的加工中.首先针对加工表面配置了相应的约束模块从而构成密封的加工流道,建立了欧拉双流体数值分析的数学模型,利用Fluent开展了流道中软性磨粒流固-液两相流动特性的分析,然后通过对工件表面进行喷漆的方法,观察了软性磨粒流的实际加工效果,并进行了相应的软性磨粒流加工试验.试验结果表明,加工表面喷漆磨损的分布比较均匀,表面细腻,体现了软性磨粒流加工的先进性与有效性.研究结果表明,实际工件表面喷漆磨损的分布与仿真中颗粒相压力的分布比较接近,这为软性磨粒流的加工提供了一种预测方法.     

结构化表面软性磨粒流精密光整加工方法及其磨粒流动力学数值分析

提出一种基于软性磨粒流的模具结构化表面无工具精密光整加工新方法,通过在被加工的结构化表面附近配置约束模块,使结构化表面成为一条截面几何形状可设计的约束流道的内壁面,利用液固两相软性磨粒流在约束流道内的湍流壁面效应实现对约束流道内壁面的微力微量切削,从而克服光整加工工具难以接触结构化表面的困难,完成对结构化表面的无工具化精密光整加工.基于液固两相流体耦合理论,建立面向结构化表面精密加工的约束流道内液固两相磨粒流动力学模型,利用标准k-ε湍流模型和离散相模型相结合的求解方法,以环形截面约束流道为研究对象,选择不同的约束模块配合参数,对流道内压力/速度分布及湍流动能进行数值分析研究,通过该数值分析方法,可以观察约束流道进口压力、入口与出口截面尺寸的相对变化等工艺参数对湍流形态的影响,为研究软性磨粒流湍流形态调控的基本规律和磨粒流特性提供一种理论工具.     

软性磨粒流双入口约束流场数值分析及加工试验研究

针对软性磨粒流精密加工中单入口加工装置加工不均匀问题,提出一种基于流体碰撞理论的双入口加工新方法。借助计算流体力学软件,结合剪切输运(Shear stress transport, SST) k-ω湍流模型及Mixture混合模型,分析两种加工装置内磨粒流动力学特性,数值模拟结果显示：单入口加工装置内磨粒流流场固定分布,双入口加工装置内磨粒流流场呈现周期性摆动,提高约束流道内磨粒流流动无序性。加工试验进行35 h后,单入口加工装置加工工件表面粗糙度Ra值分散,工件表面存在严重加工不均匀性;双入口加工装置工件表面各处粗糙度Ra集中且各方向粗糙度值均小于单入口加工装置,表面加工效果均匀。上述研究结果表明：双入口加工装置有效地扰乱约束流道内磨粒流流场,提高磨粒流流动的无序性,改善表面加工质量。     

面向软性磨粒流加工的流速模糊控制

针对软性磨粒流加工过程中因粘度变化导致工件表面加工质量不均匀的问题,提出了一种通过实时的调节流速来提高表面加工均匀度的方法.针对软性磨粒流加工流速调控的复杂性以及高度非线性的特点,设计了一套面向软性磨粒流加工的模糊控制系统,利用模糊控制不需要知道控制对象的精确数学模型的特点,较好地实现了对软性磨粒流流速的控制,达到了传统的控制方式所无法实现的控制目的;根据软性磨粒流的加工特点和加工经验,设计了合理的隶属度函数和模糊控制规则,从而使模糊控制器的设计更为合理;利用Matlab软件中的模糊逻辑工具箱和Simulink模块对模糊控制器和模糊控制系统进行了仿真.仿真结果表明,模糊控制可以很好地实现对软性磨粒流加工流速的调速,并且能获得较为满意的控制精度.     

基于超声波激振强化的软性磨粒流光整加工模拟与试验研究

为了提高软性磨粒流加工过程中的湍流强度分布均匀性与材料去除率,提出一种基于超声波激振湍流强化的软性磨粒流光整加工方法。在磨粒流约束流道内引入超声激励,利用超声波的空化效应控制流道内的流体流态。建立考虑液固及声场耦合的磨粒流加工动力学模型,对其加工过程中的流场特性进行了模拟研究,并搭建超声强化磨粒流加工试验平台进行验证。数值仿真结果表明,非定常流场可获得更为均匀的速度矢量和湍动能分布,超声波激振引起空化效应能够有效地增强软性磨粒流的湍流强度和避免加工死角的出现,同时揭示湍流增强导致磨粒流动轨迹复杂多变是加载超声波激振抑制磨粒流的过加工和粗糙度值翘尾现象形成的原因。加工试验表明,该方法可减小加工时间约6 h,能够得到更为均匀的表面质量。     

软性磨粒流加工特性及近壁区域微切削机理

软性磨粒流加工是一种能够有效解决模具结构化表面光整加工的新方法。基于软性磨粒流光整加工的特点,对软性磨粒流中颗粒对壁面的微切削机理进行研究。以普林斯顿方程为基础,对固体相颗粒在流体中的受力进行分析,进而分析颗粒对壁面的微切削机理。通过对汽车模具中的典型结构化表面进行结构简化,得到用于数值模拟及加工试验的流道的物理模型,采用可实现k-ε湍流模型对软性磨粒流在流道中的压力、速度流场的分布进行数值分析;搭建软性磨粒流加工试验平台并进行20 h加工试验,加工结果证明微切削机理分析的正确性,试验对比结果证明软性磨粒流加工方法可以实现细微尺寸结构化表面的光整加工,有效提高加工的精度。     

基于软性磨粒流抛光超声波激振湍流强化的初步研究

在固-液两相软性磨粒流加工方法中固定的约束模块中存在湍动能和动压力的分布不均匀、加工时间偏长、加工效率偏低等问题,为解决以上问题,将超声波激振技术应用于固—液两相软性磨粒流加工中.针对超声波激振在液体中产生的压力场改变,在高幅和高频的交变压力场的激励下,分析了流场产生的周期性空化现象,建立了超声波激振与固—液两相软性磨粒流之间的关系;在软性磨粒流加工方法的基础上,提出了在约束流道中耦合超声波激振的方法,从而达到了扰动流场增强湍流强度的目的;在减少加工时间,提高加工效率和减少能耗上对新提出的方法进行了评价;通过大量的仿真,得到不同时刻约束流道内的压力、速度和湍动能分布图,并与定常流道内的压力、速度和湍动能分布图进行了对比.研究结果表明,超声波激振带来的压力场变化能够实现提高加工效率和加工质量的目的.     

软性磨粒流磨粒入射壁面过程及其加工特性研究

针对利用两相流模型无法计算高浓度固—液两相流固相颗粒撞击壁面时颗粒速度的问题,提出一种边界层内颗粒运动轨迹计算模型,基于Mixture两相流模型和Realizable k-ε湍流模型仿真计算结果,通过分析提取颗粒入射前速度、计算边界层厚度、建立边界层内速度场和颗粒运动分析可以得到颗粒撞击壁面时的速度和入射角度。分析加工表面动压力分布和磨粒体积分数分布,结合两种结构约束流道验证仿真结果与加工效果的对应关系。通过对试验结果的分析,为约束模块的设计提供依据。研究结果表明:磨粒入射速度、磨粒体积分数和加工表面所受动压力大小直接影响工件加工效果,并与材料去除量成正相关关系;在本次试验中选择的工艺参数导致加工材料去除量小,适合初始粗糙度低的工件表面加工,对于此次试验的初始粗糙度应在0.2μm以下;约束模块的设计除了要考虑磨粒流流场特性之外,还要对加工表面的原始加工痕迹作详细了解,为约束模块的设计及加工工艺参数提供参考。     

低黏度液-固两相磨粒流湍流调控与结构化表面光整加工技术研究

针对结构化表面不易采用工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于低黏度液-固两相磨粒流的精密光整加工新方法。该方法采用约束模块与被加工结构化表面构成磨粒流流道,将低黏度液体与微细磨粒按照一定体积分数混合形成液-固两相磨粒流,当磨粒流以湍流状态流经所构建的流道时,通过磨粒微力微量切削的频繁作用实现流道表面的逐步光整加工。由于磨粒流在湍流状态下易于实现表面加工纹理无序化,从而提高表面质量,因此对比研究了约束模块优化前后所构成的流道中磨粒流的压力分布、速度分布和湍动能分布,得出优化设计后的约束模块易于形成均匀湍流的结论。在自行搭建的低黏度液-固两相磨粒流加工装置上进行了光整加工试验,结果表明,经过50h的光整加工,工件表面粗糙度由Ra=93.28nm减小到Ra=42.78nm,从而证明了该方法的可行性和有效性。     

大涡模拟Smagorinsky模型用于磨粒流精密加工喷嘴的质量控制研究

为研究固液两相磨粒流加工喷嘴小孔过程中的流场分布、涡旋形成规律及涡旋的存在对磨粒流加工的影响机制,采用Smagorinsky亚格子模型对磨粒流加工喷嘴小孔的流道进行大涡数值模拟,并使用磨粒流对变直径喷嘴工件进行加工试验。数值模拟发现磨粒流流体中磨粒与壁面的碰撞与剪切作用随流体的速度增大而增大,同一截面的速度存在速度差,其中还伴随涡旋的存在;通过试验研究发现:经固液两相磨粒流加工后的喷嘴小孔表面质量得到明显提高,喷嘴经过四次不同入口速度的磨粒流加工后大孔处表面粗糙度Ra由1.24μm降至0.542μm,小孔处表面粗糙度Ra由1.21μm降至0.437μm。结论显示固液两相磨粒流加工技术可有效提高被加工喷嘴工件的内表面质量,加工时同一截面的速度存在速度差,速度差的存在利于涡旋的形成,涡旋的存在利于提高磨粒流加工过程的剪切作用,有助于获得高质量的喷嘴小孔内通道表面。     

异形内孔曲面的磨料流均匀加工方法研究

针对磨料流加工异形曲面一致性较差的问题,提出通过设置相似模芯结构以改善剪切应力分布的状态,从而实现均匀化加工异形曲面的方法。根据磨料流的剪切率与黏度的关系建立了幂律模型,通过COMSOL Multiphysics软件的 CFD模块计算得到置入模芯时磨料介质在加工表面的速度、剪切率和剪切应力的分布。仿真与实验表明:置入相似的模芯后可形成等宽的流道,各曲面受到的剪切应力趋向一致。工件内壁表面粗糙度Ra最大差值由无模芯时的0.376μm降为置入模芯后的0.017μm。     

钛合金曲面磨粒流加工扰流流道仿真与试验研究

针对具有复杂曲面的钛合金工件磨粒流抛光后表面粗糙度Ra不均匀问题,提出一种具有扰流结构的仿型约束加工流道。借助计算流体动力学（CFD）分析软件,结合SST k-ω湍流模型、离散相模型（DPM）和Oka冲蚀模型,仿真分析原始流道和5种不同扰流角度的扰流流道内磨粒流动力学特性。数值模拟结果表明：扰流流场中的磨粒流相较于原始流场在工件表面具有更大的湍流动能、动压力和冲蚀速率,其中扰流角度为30°时冲蚀均匀性较好。基于仿真条件搭建了磨粒流加工试验平台,使用原始流道和30°扰流流道分别进行了加工试验。试验结果表明：使用原始流道加工5 h后,工件表面曲率不同区域的表面粗糙度Ra值分散,加工效果均匀性较差;使用扰流流道加工5 h后,工件表面各区域表面粗糙度Ra的均匀性明显优于无扰流流场的加工均匀性。     

磨粒流加工的固液两相流模型及压力特性模拟

以FLUENT软件为计算平台,采用Spalart-Allmaras固液两相Mixture湍流模型对磨粒流加工过程中磨粒流的流动形态进行了数值模拟,结果表明：增大压力差可提高通道中流体的平均速度,增大边界层与壁面流速差可提高加工效率;通过改变进口压力得到非稳态流场,能够使近壁面处的磨粒数目增多,有利于加工效率的提高。同时,模拟结果还反映了黏度对磨粒流加工有重要影响。数值模拟结果为磨粒流加工过程中的参数选择提供了参考依据。     

喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验

以喷油嘴喷孔为研究对象,采用kε固液两相Mixture湍流模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟,并通过正交试验探索了抛光压力、磨料浓度、磨粒粒径及加工时间等工艺参数对被抛光微孔表面粗糙度的影响规律。结果表明：喷油嘴微孔磨粒流单向循环抛光加工有利于改善喷孔结构;流道表面粗糙度与各加工参数均成负相关关系,且受抛光压力及磨料浓度影响显著。通过试验获得了最优参数组合,在此条件下喷油嘴微孔表面粗糙度值(Ra)由初始的1.16μm降至0.20μm。     

磨料流加工技术现状及展望

磨料流加工技术是机械光整加工中新发展起来的一项新工艺、新技术。简要介绍了磨料流加工技术研究的现状和基本机理，并在此基础上对磨料流加工技术的研究进行了展望，首次提出了磨料流加工虚拟技术的概念。     

异形截面孔磨粒流精密加工质量分析

采用磨粒流精密加工技术对异形截面深孔进行数值模拟及实验研究,通过大涡模拟方法对钛合金异形截面孔零件进行数值分析,并进行相关实验研究以揭示磨粒流抛光异形曲面的表面创成机理.磨粒流精密加工数值分析揭示了磨粒流动态压力、速度、磨粒对壁面压力和壁面剪切力对壁面作用规律,获得了异形截面孔内流向截面的漩涡位置分布与漩涡产生原因以及...     

微磨料气射流加工的混砂器磨料雾化数值模拟

在微磨料气射流加工技术领域,微磨料混砂器是加工装备中的一个非常重要的功能部件。为了得到在混砂过程中混砂器内的颗粒雾化状态,基于气固两相流理论中的欧拉法和拉格朗日法,结合三维数值模拟技术对气喷射混砂器内的气固二相流进行数值模拟的研究,获得了不同的时间、压强等对混砂器内磨料的雾化混砂状态与规律。结果显示,当输入的气体时间在4s时,混砂器内颗粒雾化进入稳定状态;在时间以及气体流量不变的情况下,压强在0.5MPa-0.6MPa的范围,混砂器内颗粒的雾化效果较好。并通过实验对仿真得到的参数进行验证,结果证实了仿真的正确性。