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。     

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。     

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。     

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.     

面向固-液两相软性磨粒流嵌入式实时测控系统

针对固-液两相软性磨粒流精密抛光方法中流道微小,无法采用常规直接信号传感器的问题,提出了一种基于二次信号-加速度振动信号的软性磨粒流监测方法。通过小波包分析提取了振动信号的特征。结合基于有限状态机理论与基于嵌入式实时操作系统的并发多任务的程序设计方法,采用面向对象技术开发了一种测控软件框架。采用Linux和DSP／BIOSRTOS实施了双操作系统信号处理技术,开发实现了一个面向软性磨粒流的,具有通用多通道高速数据采集功能的智能化嵌入式实时测控平台。研究结果表明,该系统具有易扩展与易交互的优点。     

基于oldroyd-B本构模型的磨料流加工壁面滑移仿真分析

基于oldroyd-B粘弹性本构模型,应用POLYFLOW软件对流体磨料在圆管中的壁面滑移状态进行了模拟仿真。将得到的圆管中流体磨料的压力值与磨料流加工机床上测试点的压力值进行比较,得到二者的相对误差不超过5%,验证了模拟仿真的可行性。通过仿真可知,流体磨料在工件壁面上的滑移存在速度临界点。通过比较不同管道入口流量、流体磨料黏度和壁面滑移系数对壁面滑移速度的影响可知,当管道入口流量越大、流体磨料的黏度越高,以及壁面滑移系数越小时,加工过程中的壁面滑移速度越大。     

Simulation of abrasive flow machining process for 2D and 3D mixture models

Improvement of surface finish and material removal has been quite a challenge in a finishing operation such as abrasive flow machining (AFM). Factors that affect the surface finish and material removal are media viscosity, extrusion pressure, piston velocity, and particle size in abrasive flow machining process. Performing experiments for all the parameters and accurately obtaining an optimized parameter in a short time are difficult to accomplish because the operation requires a precise finish. Computational fluid dynamics (CFD) simulation was employed to accurately determine optimum parameters. In the current work, a 2D model was designed, and the flow analysis, force calculation, and material removal prediction were performed and compared with the available experimental data. Another 3D model for a swaging die finishing using AFM was simulated at different viscosities of the media to study the effects on the controlling parameters. A CFD simulation was performed by using commercially available ANSYS FLUENT. Two phases were considered for the flow analysis, and multiphase mixture model was taken into account. The fluid was considered to be a Newtonian fluid and the flow laminar with no wall slip.     

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.     

磨料水射流仿真分析与试验研究

为有效保持油田的稳产增产,磨料水射流技术逐渐被应用于油田生产.磨料水射流切割利用高速混砂液体的射流来完成切割作业,具有安全、多能、环保、便捷、高效的特点.本文对前混式磨料水射流切割的喷嘴结构进行了优化设计计算,采用计算流体力学的方法,利用CFD仿真软件,对不同喷嘴类型﹑喷嘴长度和不同锥角角度的喷头的工作情况进行数值模拟...     

基于大涡数值模拟的磨粒流流场仿真分析

针对磨粒流在非直线管类零件中磨削效果受速度影响及磨削不均匀的问题,应用流体力学软件Fluent,采用Eulerian-Eulerian（欧拉—欧拉）固-液两相流大涡模拟湍流模型与SIMPLE算法,对不同入口速度条件下U型管内磨粒流的流动状态进行了数值模拟研究。对比分析了6种不同速度入口条件下的静态压强、壁面剪切力以及湍流粘度的分布,并分析了入口条件不变情况下的速度分布矢量图和U型管不同位置的速度分布截面图。研究结果表明,增大磨粒流的入口速度有利于提高其对U型管内表面的磨削效果,且在U型管的入口段部分磨削效果较均匀,在弯管部分的0°~30°截面间对内侧壁面的磨削效果要好于外侧壁面,在弯管部分的60°~180°截面间以及在出口段部分,对外侧壁面的磨削效果要好于内侧壁面。     

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。     

模具结构化表面SAF精密光整技术

针对模具结构化表面难以采用传统抛光工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于软性磨粒流(SAF)的模具结构化表面无工具精密加工新技术.该技术通过约束模块与结构化表面组合构成特定形状的磨粒流流道,利用SAF在流道中的湍流流动使磨粒对结构化表面进行微力微量切削,进而实现光整加工.介绍了SAF加工技术原理、SAF流体力学特征...     

Particle movement patterns and their prediction in abrasive flow machining

Abrasive particle movement pattern is an important factor in estimating the wear rate of materials, especially, as it is closely related to the burring, buffing and polishing efficiency of the abrasive flow machining (AFM) process. There are generally two kinds of particle movement patterns in the AFM process, i.e. sliding–rubbing and rolling. In mechanism, AFM grain–workpiece interaction is taking place in any one or a combination of the possible modes: elastic/plastic deformation by sliding–rubbing grain movement; elastic/plastic deformation by rolling grain movement; chip formation (micro‐cutting) by rubbing grain movement; ridges formation by rubbing and rolling grain movement; and low‐cycle fatigue wear. Therefore, the machining efficiency of a machine part is predominantly dependent upon the particle movement patterns. In this paper, normal load, particle size and hardness of machine parts were investigated to understand the involved parameters of particle movement patterns and propose a computer statistic prediction of particle movement patterns. It has been found that there are two cases. In case of large‐size particles, the ratio of rolling particles is increased with increasing normal load. For small‐size particles, the ratio of grooving particles is increased with increasing normal load and vice versa. When normal load is light, the particle size cannot usually give an effect on movement patterns. That influence will be predominant under heavy normal load. Most of the particles will tend to groove when the particle size is below a certain value. Hardness of the material and their hardness difference for tribological pairs are other important monitors in predicting particle movement patterns. In this research, increasing hardness of materials results in more rolling particles, which results in much less cutting particles. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

磨料水射流除锈技术仿真研究

针对钢材的锈蚀广泛存在于工业生产中并造成了很大的经济损失这一问题,从磨料水射流除锈技术角度出发,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了多粒子侵蚀靶板模型,对多粒子连续冲击靶板过程进行了仿真模拟,分析研究了靶板材料去除机理.为磨料水射流除锈工艺提供了一定的理论基础.通过对各种不同算例进行仿真模拟,得到了不同冲击速度、冲击角度等情况下粒子对目标靶板侵蚀情况,通过对结果进行分析比较,研究了粒子冲击参数对冲蚀过程的影响.研究结果表明,材料侵蚀率随着冲击次数的增加而增加,但是经过一定次数冲击后,目标靶板去除量达到了一种相对稳定的状态.随着冲击角度的增加,侵蚀深度增加但是侵蚀面积减小.随着磨粒直径的增加,侵蚀深度及侵蚀体积均逐渐增加.