软性磨粒流精密加工工艺参数优化方法

针对固-液两相软性磨粒流加工中随着磨粒流温度的升高而导致流体黏度下降,进而导致湍动能和动压力分布不均匀的问题,提出一种新型的加工方法,即通过改变流速来补偿温度变化对湍动能和动压力的影响。基于对加工机理的研究,认为湍动能和动压力分别影响加工表面的加工纹理和材料去除率,确定了一种评价湍流形态的标准。对同一速度下不同温度时的湍动能和动压力的大小分布进行对比,研究了温度对湍动能和动压力大小和分布的影响;对同一温度下不同速度时的湍动能和动压力的大小分布进行对比,研究了速度对湍动能和动压力大小和分布的影响。通过大量仿真求得了9个不同温度下的最优温度,并作出了温度-速度曲线,为以后的湍流调控和自动控制系统的设计提供参考。实验结果表明,调速后工件表面的加工均匀度有明显的提升。     

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.     

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。     

共轨管微小孔磨粒流加工数值分析与研究

采用固-液两相Mixture模型和标准k??湍流模型相结合的求解方法,以共轨管小孔为研究对象,选择不同的加工方法,通过流体力学软件FLUENT对压力,速度进行数值仿真,分析对加工均匀性的影响,为实际中的磨粒流加工提供理论基础。     

共轨管磨粒流加工大涡数值模拟

以磨粒流加工共轨管为研究对象,以大涡模拟的方法对磨粒流加工共轨管进行数值分析。通过对磨粒流加工共轨管过程中磨粒流的流动形态进行数值模拟,可获得在不同温度和进出口压力条件下共轨管各个支路的静态压强、动态压强和速度分布。以此来分析温度以及进出口压力对磨粒流加工效果的影响,为磨粒流加工工艺的研究提供更加准确的依据。     

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。     

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.     

软性磨粒流超声强化机理及试验研究

针对固液两相软性磨粒流加工时间长,效率低的缺陷,提出一种软性磨粒流超声强化方法。该方法基于流场的欧拉-欧拉多相流模型和k??双方程湍流模型,将Navier-Stokes方程的声场模型与流场模型进行耦合。利用CFD流体分析软件,在有无加载超声波的两种情况下,对两者流场内的压力、速度及湍动能等相关参数进行对比研究分析,通过流体方程的求解得到流道内磨粒流的压力和速度分布情况。运用canny边缘检测算法对模拟图进行轮廓提取,结合Bwmorph等功能函数对轮廓图降噪去毛刺,得到处理后的数值模拟分析图,在数值模拟的基础上,利用粒子成像测速(Particle image velocimetry,PIV)系统观测流道内的流场变化,同时设计软性磨粒流循环加工系统,搭建其试验平台,对有无加载超声波两种情况下的加工效果进行对比试验。数值模拟和试验结果显示:数值模拟中加载超声波的矩形流道出现了大量速度较小、压力较大的空化区域,不断发展撞击壁面,并且数值模拟结果与PIV试验结论相一致;超声波作用于软性磨粒流,明显缩短了加工时间、提高了加工精度及效率。     

基于Fluent的毛细管磨粒流加工三维数值模拟

通过对磨粒流加工原理的分析,探讨毛细管磨粒流加工特性。本文基于流体力学软件Fluent平台,以内燃机毛细管为研究对象,采用固液两相Mixture湍流模型进行动态数值模拟,模拟结果为倒锥孔加工参数的选择及其优化提供理论指导。     

固液两相流研抛内齿轮齿面夹具的设计和分析

磨粒流机床夹具是保证磨粒流机床加工精度的一个重要组成部分。设计了一种磨粒流加工内齿轮齿面的研抛夹具,可实现对内齿轮齿面的研抛,提出了一种解决内齿轮工件齿面的精密研抛方法,提高了表面几何稳定性,延长了内齿轮的使用寿命,节省了加工成本和研抛时间。通过对固液两相流研抛内齿轮夹具进行三维数值分析,获得夹具在磨粒流机床的整体总变形、整体应力、稳态压力、流道磨料密度、速度矢量、湍流动能、及湍流粘度云图,获得了理想的固液两相流研抛内齿轮齿面的研抛夹具。     

复杂曲面软性磨粒流抛光可行性研究

提出基于软性磨粒流的复杂曲面与约束模块相配合的高精密抛光加工方法。使磨料高速高压通过经过设计的流道,利用液固两相软性磨粒流中磨粒的微量切削力加工复杂曲面,从而克服复杂曲面直接接触抛光的困难。以计算流体力学(CFD)的理论作为进行流体仿真的理论基础。建立了复杂曲面与约束模块组成的流道三维模型。通过前处理软件ICEM CFD画出三维模型的网格。将网格文件导入流体分析软件FLUENT。在FLUENT中采取Mixtrue两相流和k-ε湍流模型对涡轮整体叶盘的磨粒流抛光进行流场的三维数值模拟,获得流场中磨料的流动模式。主要对不同压力差下流场的压力场和湍流动能进行分析,得到出入口压强差对磨料的流动细节和特性的影响,从而达到对流场进行分析的目的。     

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。     

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1.24 μm降至0.542 μm,小孔处表面粗糙度Ra由1.21 μm降至0.437 μm。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。     

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。     

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。     

基于相位场模型的稀疏液固两相流场特性分析方法

针对在模具结构化表面精密加工过程中稀疏液固两相流场特性参数难以求解的问题,提出了一种基于相位场模型的稀疏液固两相流场特性分析方法。相位场模型中速度场和压力通过Navier-Stokes方程控制,两相流的分界面动力学方程由Cahn-Hilliard方程控制,从而建立了面向软性磨粒两相流流型分析的动力学模型;采用传统的二阶中心差分格式逼近粘性项和表面张力项,同时采用五阶WENO格式近似的对不可压缩两相流进行了空间离散化重构,并采用TVD Runge-Kutta方法提高了求解过程中时间的离散精度;以加工常用的长方形直流道为具体仿真实验对象,研究了稀疏液固两相流流经不同尺寸流道过程中的速度场与压力场变化。研究结果表明,两相流数值仿真结果与理论分析相符,且与国外仿真结果相吻合,从而验证了该方法的有效性,为软性磨粒流精密加工方面的研究提供了可靠的理论依据。     

基于ABAQUS的单个颗粒与加工面碰撞对固液两相流加工的影响研究

针对固液两相流加工过程中磨粒如何影响加工效果的问题,提出了磨粒与工件之间的摩擦状况是直接影响抛光过程与抛光质量的重要因素的假设。根据实际加工的实验材料数据,利用ABAQUS非线性有限元分析软件,研究了单磨粒对工件表面的接触作用与材料去除的关系;然后搭建了固液两相流实验平台,对试验钢条进行了软性磨粒流加工。实验结果表明,加工表面的磨损分布比较均匀,表面的粗糙度明显降低,体现了固液两相流加工的有效性。研究结果表明,实际加工中加工表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生了塑性变形继而发生切削磨损,最终提高了加工表面的抛光效果,达到了镜面级加工效果的目的,同时通过使用ABAQUS软件可从微观直接说明固液两相流无工具精密加工机理。     

锥盘底和平底搅拌槽固液混合特性的CFD研究

利用CFD软件分别对固液混合的锥盘底搅拌槽和平底搅拌槽内的固相浓度场进行数值模拟,研究了搅拌槽底部形状对固液混合时间、搅拌功率、湍动能和固相速度的影响。研究表明:平底搅拌槽中的循环流不能到达槽底中央和槽底与槽壁的交接处,在这两个部位易产生固体颗粒的沉积,锥盘底搅拌槽的固液相混合时间比平底搅拌槽的省时22%,平底搅拌槽和锥盘底搅拌槽的功率消耗几乎相同,锥盘底搅拌槽3个监测点的湍动能都大于相应的平底搅拌槽的,锥盘底搅拌槽的监测点固相速度也比相应的平底搅拌槽的大。综合考虑锥盘底搅拌槽的各个固液混合参量都优于相应的平底搅拌槽。     

共轨管微小孔磨粒流加工装备的设计与数值模拟

通过对磨粒流加工技术的研究,提出了解决共轨管零件微小孔结构的精密加工方法.设计了一种磨粒流加工装备,可实现对共轨管零件微小孔的精加工,并对该装备的关键部件进行了有限元分析.利用流体力学软件Fluent对磨粒流微小孔加工的加工状态进行了数值模拟,通过比较分析,得到了理想的磨粒流加工方案.     

增材制造弯孔道的磨粒流抛光仿真与试验

以增材制造弯孔道工件为研究对象,采用固液两相磨粒流抛光技术对弯孔道内壁面进行抛光。基于Realizable k-ε模型的Mixture固液两相流模型对于不同的进口压力之下磨粒流精密抛光弯孔道内部的过程进行了数值模拟,并且通过正交试验探索了进口压力、磨料浓度及磨粒粒度等工艺参数对表面抛光质量的影响。试验结果表明,进口压力的增大有利于磨粒流对于增材制造弯孔道的内壁面进行更好的抛光;各个工艺参数对于磨粒流抛光增材制造弯孔道内表面粗糙度的影响从强到弱的顺序依次为进口压力、磨料浓度和磨粒粒度;最后通过试验得出了抛光的最佳工艺参数进口压力为6 MPa,磨料浓度为0.20,磨粒粒度为400目,表面加工质量得到了显著提高。