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。     

结构化表面环境下软磨粒流的流场数值分析

为了研究模具结构化表面环境下软性磨粒流的流场加工特性,应用单颗动力学模型(SPD)通过数值模拟求解了颗粒在不同形态的湍流场中的运动特性.以U形流道为例,利用N-S方程、湍流的Realizable(k-ε)模型以及压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,求解了软性磨粒两相流场中流体的速度、压力等特性参数;接着利用S...     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

基于湍流分散的磨粒流场分析及加工实验研究

针对钛合金人工关节表面软性磨粒流加工问题,对磨粒流加工流场中的磨粒运动仿真方法进行了实验研究。首先,根据欧拉法,在经典N-S方程的基础上推导出了RANS方程,结合标准k-ε湍流补充方程共同构建了湍流模型;然后,根据拉格朗日法,建立了单颗磨粒的运动方程,在此基础上提出了一种湍流分散方法来重新构建湍流速度脉动,运用欧拉-拉格朗日法对固液两相进行了耦合,借助COMSOL软件对磨粒流加工流场进行了模拟仿真,对流场速度分布、压力分布以及磨粒运动轨迹等仿真结果进行了讨论和分析;最后,搭建实验平台进行了加工实验。研究结果表明:湍流分散方法能有效还原湍流的速度脉动特征,磨粒的运动仿真结果在一定程度上符合实验中磨粒的运动情况,磨粒流对钛合金人工关节表面具有良好的加工效果。     

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.     

基于Hilbert-Huang变换的软性磨粒流抛光流道压力脉动分析

针对软性磨粒流加工方法的加工效率和抛光均匀性等问题,提出了一种基于HHT的约束流道压力脉动监测方法。采用Hilbert-Huang变换(HHT)时频分析方法,对软性磨粒流约束流道内的压力脉动特性进行了研究,建立了约束流道内的湍流发展与压力脉动信号的内在联系,通过对压力脉动信号的监测,对流道内的湍流进行了调控;搭建了压力脉动测控实验平台,进行了磨粒流在线调控加工对比实验。研究结果表明:利用HHT变换方法分析获得的软性磨粒流抛光流道内压力脉动信号频谱信息,能充分体现流道入口磨粒流速度的频率和幅度等信息,通过监测压力脉动信号可以实现湍流调控;该方法不仅可以提高软性磨粒流加工的效率和抛光均匀性,还为软性磨粒流加工实现定向可控抛光提供了可能。     

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。     

基于改进的低雷诺数湍流模型的软性磨粒流加工仿真与实验

针对模具结构化表面软性磨粒流精密加工中壁面特性求解困难的问题,基于改进的低雷诺数湍流模型提出了一种对软性磨粒流壁面特性进行分析的方法。该模型仿真的湍流可以从充分发展的高雷诺数湍流到低雷诺数湍流,所以,对于壁面区域的求解精度更高。以机械加工中常见的U形沟槽为仿真对象,数值模拟了其内部流场,尤其是壁面区的流场特征参数。分析结果表明:当初始压力p0在2.5～4.5MPa之间时,流道的内部流动是不完全发展的湍流,详细分析了p0为4.5MPa时渐变截面流道的内部流动,压力与速度分布均是中心高、两侧低,而且越靠近U形底部,压力值和速度值越高;磨粒流速度一直增大,磨粒受到的驱动力增大,使得单位时间内颗粒与壁面的碰撞增加。通过碰撞观测实验发现磨粒对壁面的碰撞速度与仿真结果相符,加工实验进一步验证了仿真结果。     

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。     

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。     

三相旋流抛光磨粒运动的测量与微气泡补偿

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道,对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台,并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数,获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示:在微气泡补偿区域,磨粒速度主要集中在30m/s到80m/s,同一测量点高速磨粒出现频率明显增加,少数磨粒速度达到100m/s以上;磨粒平均速度从33.8m/s增大到44.2m/s,经4h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4μm下降到1.3μm。理论和试验研究表明,气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能,提高抛光效率,实现B区域的均匀化抛光。     

三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题,本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群,利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法,建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型,数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性,得到了工件表面气泡溃灭的分布规律,并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明,通入微尺度气泡群后,平均速度从12.50~13.50m/s提升至15.00~17.00m/s,最高平均速度可达20.00m/s以上。对比加工实验显示,经8h加工后,粗糙度从0.50μm降低到0.05μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。     

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动.仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响.数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快.加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度Ra=0.35 μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65 μm,加工效率明显提高.     

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。     

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。