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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于修正Preston方程的百页轮抛光材料去除深度建模

由于百页轮具有一定的柔性,故实际材料去除深度与名义抛光深度不一致,直接影响抛光效率及表面质量的控制。基于Hertz弹性接触理论建立了抛光接触区抛光压力和切削速度分布函数,并依据修正的Preston方程建立了材料去除深度模型,据此确定了影响材料去除深度的关键抛光工艺参数(磨粒粒度、主轴转速、百页轮变形量和进给速度),获得了百页轮抛光接触区的材料去除深度分布规律和关键抛光工艺参数对材料去除深度的影响规律。最后,通过模拟仿真和抛光实验验证了所建模型和影响规律的正确性,结果表明,该模型可以较好地预测百页轮柔性抛光的材料去除深度。     

基于Preston方程的不锈钢曲面抛磨工艺参数分析

介绍了一种基于自动抛光系统的不锈钢抛磨工艺,以取代不锈钢电水壶手工抛光,实现抛光产品品质稳定、高效生产。在假设抛磨过程服从椭圆赫兹接触的前提下,利用Preston法分析得到影响不锈钢曲面抛磨过程中材料去除量的因素:磨料与不锈钢曲面的相对速度、接触压力。同时为保证抛磨品质均匀,选择了螺旋抛光路径的合适螺距。利用所得结论指导工艺实验,得到了效果良好的镜光表面。     

磨料流加工的流动分析

本文根据磨料流加工的原理建立了简化的固体塞分析模型，并按非牛顿流体分析理论对典型的圆孔加工进行了压力和流速的分析，获得了一些有用的结论。利用本文的分析结果，可以对磨料流加工的特性作进一步的分析和研究，具有一定的实际意义。     

基于CFD的淹没磨料射流的数值模拟与流动特性研究

针对淹没磨料射流的切割模拟实验，在分析其物理模型的基础上，建立了二维平面轴对称数学模型，利用商用软件PHOENICS，选用双流体模型和k-ε湍流模型，在无法直接测量流场参数的情况下，计算了实验室条件下模拟大水深水域环境淹没磨料射流的淹没流场，得到了淹没条件下液固两相射流流体的速度与压力分布规律，并与实验结果相比较，从理论上探寻了淹没磨料射流冲蚀效果与上述参数之间的关系及影响磨料射流在水下最佳冲蚀效果的因素，为进一步的实验提供理论依据和实际的预报作用。     

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。     

椭圆内腔表面磨粒流均匀化光整加工研究

针对磨粒流加工中椭圆孔腔表面加工质量因表面曲率半径变化而不一致的问题,提出通过置入相似模芯实现磨粒流均匀化光整加工的新方法。运用非牛顿流体的幂律方程,建立了磨粒流加工的微元体动力模型,分析磨粒流加工中表面剪切应力分布不均的影响因素,而后通过COMSOL软件进行了数值计算与模拟仿真论证;最后,开展实验研究,对椭圆孔腔壁面压力及表面粗糙度等进行相关数据测量。研究结果显示：置入相似模芯后,椭圆流道的长、短轴方向剪切应力的理论值误差由置入模芯前的9.87%降为0.39%,长、短轴方向剪切应力分布趋于一致;椭圆流道的轴向、径向平均压力差仅为0.03 MPa、0.11 MPa,且表面粗糙度(Ra)差值由置入芯轴前的0.212μm下降为0.005 μm,加工压力与表面粗糙度的变化趋势均趋于一致。置入相似模芯的方法改善了磨粒流加工中剪切应力分布不均的状况,为椭圆孔的高质量精密加工提供了重要参考依据。     

硅铝合金切削加工性的研究

介绍了硅铝合金的应用,论述了硅铝合金切削加工性差的原因,简介了硅铝合金国内外加工的现状,提出了改善硅铝合金切削加工性的措施。