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.     

气-液-固三相磨粒流光整加工及其工艺参数优化

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题,本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡,利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动,从而有效提升抛光效率。实验显示:在加工过程中,离心泵的发热会导致流体黏度下降,进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布,而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果,文中基于对磨粒流抛光机理的研究,提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法,实验求得了抛光流体温度从20℃到60℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明,相对未加入气泡时,该抛光方法的加工效率得到提高,而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。     

固液两相流体流速热力学数值分析

以磨粒流加工非直线管为研究对象,通过对固液两相流热力学能量平衡方程的数学分析和非直线管内部通道固液两相磨粒流抛光的流动传热特性及相应的表面加工特性进行数值模拟,可获得不同入口速度条件下的非直线管通道近壁面处的湍流动能、湍流强度、湍流粘度、动态压强分布云图及速度与湍流动能、速度与温度之间的对应关系,藉此研究多物理耦合场条件下固液两相磨粒流加工热力学特性,为实现磨粒流抛光表面质量控制技术提供理论基础。     

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。     

磨粒流抛光弯管的数值模拟与试验优化

针对当前复杂零件难以精密加工的问题,运用磨粒流技术进行光整加工,考虑入口压力和颗粒浓度双因素对磨粒流加工的影响,以弯管为研究对象,依据流体力学理论,对不同入口压力和颗粒浓度下的速度、湍流动能和总压进行了仿真分析,经过对比分析得出结论:当入口压力为6MPa,颗粒浓度为10％,磨粒流的抛光效果最好,并根据此参数进行了磨粒流抛光试验.试验结果表明:弯管内表面的粗糙度降低,但是出口处的表面粗糙度要高于入口处的表面粗糙度,因此选择以出口为磨粒流入口,重复进行试验,最终得到均匀一致的表面.     

柴油机电控单体泵油道孔磨粒流加工数值模拟及挤磨压力优选

针对某柴油机电控单体泵泵体油道孔的孔径小、精度高导致的加工难题,在深入分析精密孔磨粒流加工机理的基础上,通过构建油道孔磨粒流挤磨加工的仿真模型,分析了磨粒流加工过程中油道孔内流体磨料的运动状态,并进一步对比分析了不同挤磨压力(5.1、5.7和6.9MPa)下油道内的压力、速度和湍动能的变化及其对加工效果的影响。结果表明:采用6.9MPa的挤磨压力时,流体磨料对交叉圆角及油道孔内壁面的加工效果最好,加工的效率和表面均匀性均达到最佳。该研究成果可为下一步泵体油道的磨粒流加工试验验证提供理论指导。     

基于Fluent的喷油嘴倒锥孔磨粒流加工数值模拟

针对发动机喷油嘴零件内腔表面质量差和加工效率低下的问题,对发动机喷油嘴倒锥孔的磨粒流加工工艺参数进行研究.利用流体力学软件Fluent模拟不同磨粒流压力、浓度等工艺参数下,喷油嘴倒锥孔内流道的稳态压强、湍动能分布及速度分布情况.结果 表明,要想获得较理想的内表面质量,应适当增加入口压力并选取黏度较低的磨粒流液相介质.模拟结果为磨粒流加工参数的优化提供了理论依据.     

共轨管磨粒流加工介质黏温特性数值模拟分析

基于固-液两相流体耦合理论,利用相关磨料介质黏温特性数学模型,采用固一液两相Mixture模型和标准k-8湍流模型相结合的求解方法,以共轨管小孔为研究对象,选择不同的初始温度和加工工艺规程,对流道壁面温度及湍动能进行数值分析。通过数值模拟分析,得到共轨管孔壁温度、湍动能对磨粒流加工过程的影响,为磨粒流光整加工提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

基于FLUENT的后混合磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟

以后混合磨料水射流喷嘴为研究对象,基于多相流动的欧拉模型,应用FLUENT流体分析软件对几种典型后混合磨料喷嘴的内流场进行数值模拟和仿真,得到压力分布、速度分布、湍流能量分布.结果表明:喷嘴内由于涡旋的形成损耗了部分能量,使得射流出口速度和动能明显降低;存在一个最优圆柱长度使得磨料出口速度达到最大值,其长度为喷嘴出口直径的23～37倍时,磨料得到最高的出口速度;喷嘴内流体紊动能的分布主要集中在喷嘴近壁区和几何形状变化较大的区域.     

耦合超声场的气液固三相磨粒流多物理场数值模拟研究

针对气液固三相磨粒流抛光研究中流场分布不均问题,对气液固三相磨粒流中的湍流分布、湍流峰值分布、能量分布、温度分布和加工质量等方面进行了研究,对气液固三相磨粒流的抛光方法和抛光问题进行了归纳,提出了一种耦合超声场的气液固三相磨粒多物理场数值模拟方法,利用超声场的交变声压增加了气液固三相磨粒流流场的扰动,改变了流场分布。研究结果表明:不同的超声频率和声压幅值会带来不同的流场分布,其中频率为20 k Hz、声压幅值为30 k Pa的超声场所得的流场分布最优。该研究成果对气液固三相磨粒流抛光方法的推广与实际运用具有重要意义。     

往复运动速度规划算法对曲线磨削的影响研究

往复加工常见于磨削和刨削等金属切削中,加工过程的平稳性直接影响到产品的加工质量、能源效率乃至机床的寿命。首先探究往复(冲程)运动速度规划对运动过程平稳性的影响,在分析了常见速度规划运动学性能的基础上,针对磨削冲程运动的特点,提出通过改变急动度空间分布来降低柔性冲击对加工表面质量的影响,并设计了两种基于急动度连续的速度规划算法。在此基础上,研究了速度规划算法和磨削力平稳性、加工表面粗糙度和加工能耗间的关系,提出了通过改变加速度空间分布来降低加工能耗的方法。试验结果表明,往复运动速度规划和磨削力平稳性、加工表面粗糙度以及加工能耗均相关,通过改变急动度和加速度空间分布提高了磨削力平稳性和加工表面质量,降低了加工能耗。所提出的Ⅱ型速度规划综合表现优于其他规划,与梯形速度规划相比,切削力波动、加工表面粗糙度和电机驱动能耗均有较为显著的下降。     

螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟

为了提高环形射流泵的输送效率,本文提出了一种利用导叶结构形成螺旋流的螺旋流环形射流泵。利用数值模拟的方法研究不同工作压力下的螺旋流环形射流泵和原型泵的速度、压力和湍动能分布计算结果,来分析螺旋流对环形射流泵的性能影响。数值模拟结果表明：在工作压力为130 kPa时,螺旋流使环形射流泵的流量比增加了43.1%,压力比降低了22.8%。螺旋流降低了环形射流泵喉管内的静压,更容易引起空化。螺旋流使得环形射流泵的效率在工作压力低于160 kPa时大于原型泵。螺旋流环形射流泵内具有更大的湍动能分布区域。随着工作压力升高,两种结构的环形射流泵湍动能分布差别减小。导叶阻力对螺旋流环形射流泵的效率有着重要的影响。     

钛合金薄壁曲面液态金属-磨粒流加工仿真与试验研究

针对钛合金薄壁曲面工件磨粒流抛光后表面粗糙度分布不均匀的问题,提出一种基于液态金属的磨粒流加工方法。基于SST k-ω模型、OKA冲蚀模型,流体流动颗粒追踪模型,采用COMSOL有限元软件对不同电场布置下的液态金属-磨粒流动力学特性开展深入研究。仿真结果表明,通过电场的合理布置可以控制液态金属颗粒在流场中运动;合理的电场布置可以有效提高工件表面加工均匀性,并通过仿真得出了一组冲蚀较好的试验参数。基于仿真结果开展了液态金属-磨粒流加工试验,试验结果表明：液态金属-磨粒流加工方法可有效提高工件表面加工的均匀性。在加工14 h后,不加电场的磨粒流加工表面不同区域的粗糙度分布不均,工件凹陷处粗糙度明显大于凸起处,各区域表面粗糙度极差达到66.1 nm。使用液态金属-磨粒流加工后的工件表面各区域粗糙度的均匀性明显提高,各区域表面粗糙度极差减小为20.3 nm,为液态金属-磨粒流加工的开展及其调控提供了理论和试验依据。     

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漩涡与磨粒相互作用关系。经过磨粒流精密加工后,异形曲面的表面粗糙度由Ra=7.136 μm、Rz=40.103 μm减小到Ra=1.822 μm、Rz=8.964 μm,异形截面孔内表面凸起、球化现象去除,表面质量明显改善,漩涡使异形曲面的表面质量得到大幅改善。