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.     

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...     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于CFD-DEM耦合的面约束软性磨粒流加工特性研究

软性磨粒流加工能有效解决复杂结构曲面的抛光问题。基于该技术特点,针对硬脆性材料加工存在的技术问题,提出一种面约束软性磨粒流加工方法,即通过在工件表面设置窄缝约束流道,利用多向磨粒流注入法,在流道中形成高速涡旋磨粒流抛光工件。同时,针对传统磨粒流建模无法描述磨粒-壁面碰撞行为的不足,提出一种基于计算流体力学与离散元法耦合的磨粒流建模方法(Computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM),并通过该方法得到了磨粒-壁面碰撞分布及工件表面材料去除分布,在此基础上研究了面约束软性磨粒流加工的均匀性。结果表明:入口直径是影响磨粒-壁面碰撞均匀性的关键因素,随着直径的增大,碰撞分布存在最优值;当磨粒流处于不同的流态时,流体黏度对材料去除的作用原理不同,低黏度流体下材料去除均匀性有明显提升。最后搭建试验平台,通过对比试验验证了建模方法及抛光方法的有效性,试验结果显示,面约束软性磨粒流抛光方法能够使得单晶硅表面粗糙度从506.71 nm降低到10.17 nm。     

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。     

Improved Soft Abrasive Flow Finishing Method Based on Turbulent Kinetic Energy Enhancing

Soft abrasive flow(SAF) finishing can process the irregular geometric surfaces, but with the matter of low processing efficiency. To address the issue, an improved SAF finishing method based on turbulent kinetic energy enhancing is proposed. A constrained flow passage with serration cross-section is constructed to increase the turbulence intensity. Taking the constrained flow passage as the objective, a two-phase fluid dynamic model is set up by using particle trajectory model and standard k-ε turbulence model, and the flow field characteristics of the flow passage are acquired. The numerical results show that the serration flow passage can enhance the turbulence intensity, uniform the particles distribution, and increase the particle concentration near the bottom wall. The observation results by particle image velocimetry(PIV) show that the internal vortex structures are formed in flow passage, and the abrasive flow takes on turbulence concentrating phenomenon in near-wall region. The finishing experiments prove that the proposed method can obtain better surface uniformity, and the processing efficiency can be improved more 35%. This research provides an abrasive flow modeling method to reveal the particle motion regulars, and can offer references to the technical optimization of fluid-based precision processing.     

Study of the rheological properties and the finishing behavior of abrasive gels in abrasive flow machining

Abrasive flow machining (AFM) is an effective method to finish the smooth surface in the complex holes. Abrasive media are key elements which dominate the polished results in AFM. But it is hard to develop the machining model of these abrasive gels because of its complicated mechanism. In this research, a non-Newtonian flow is used to set up the abrasive mechanism of the abrasive media in AFM. Power law is a main equation of the non-Newtonian flow to describe the motion of the abrasive media. Viscosities vs. shear rates of different abrasive gels are used to establish the power law in CFD-ACE⁺ software first. And the working parameters of AFM were applied as input to study the properties of the abrasive gels in AFM. Finally, the relationships between the simulations and the experiments were found. And the abrasive mechanism of the abrasive gels was set up in AFM. The simulated results show that the abrasive gel with high viscosity can entirely deform in the complex hole than the abrasive gel with low viscosity. And the abrasive gel with high viscosity generates a larger shear force than the abrasive gel with low viscosity in the same area. Moreover, the strain rate is seriously changed when the abrasive gel cross over the narrow cross-section of the complex hole. It also means that abrasive gel will produce large finish force in that area. And these results indeed consist with the experiments in AFM.     

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。     

Softness abrasive flow method oriented to tiny scale mold structural surface

Tiny scale mold structural surface finishing is of high difficulty. In allusion to the problem, a new no-tool precision finishing method based on solid–liquid two-phase softness abrasive flow (SAF) is brought forward. By setting restrained component for the structural surface machined, the restrained flow passage is constructed. Using the wall effect of SAF, no-tool precision finishing for tiny scale structural surface can be realized. According to the Nikuradse’s experimental principles, the motion regulars of SAF are studied, and the friction coefficient formulas suited for SAF finishing are obtained. Taking U-shaped restrained flow passage as instance, standard k-ε model and Euler multiple-phase model are used to describe the SAF flow field, and the kinetic model of SAF is established based on discrete phase model. Then, the variation trends of SAF turbulent parameters and flow passage pressure distribution with different inlet velocities are acquired by semi-implicit method for pressure-linked equations consistent algorithm. Numerical simulation results derived that pressure attenuation of solid phase in flow passage is inversely proportional to inlet velocity, and the motion trails are disordered and stochastic, which are the sufficient conditions of SAF finishing. By analyzing pressure distribution and turbulent characteristics of SAF, the best finishing area in restrained flow passage is gained. Observational experiment of particles motion had been carried out; experimental results showed particles’ motion satisfied requirements of SAF finishing, and feasibility of SAF could be proved theoretically. SAF experimental platform oriented to module structural surface finishing is constructed, and the nano-level finishing can be realized. Experiment results show that SAF method can increase mold structural surface precision more than ten times, and the roughness machined in Ra value is less than 62?nm.     

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。     

磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴的冲蚀磨损分析

为了研究固液两相磨粒流对伺服阀阀芯喷嘴的研抛性能,从冲蚀磨损的角度对比分析了不同磨粒硬度下的磨粒流研抛效果。利用计算流体力学方法,求解分析了磨粒流研抛伺服阀阀芯喷嘴时流场中的冲蚀磨损特性,采用电子显微镜以及扫描电镜仪检测伺服阀阀芯喷嘴零件经磨粒流研抛前后的表面粗糙度和表面形貌。实验结果表明:采用碳化硅磨粒和白刚玉磨粒加工后的伺服阀阀芯喷嘴主干通道、交叉孔以及小孔区域的粗糙度分别由1.1μm、0.823μm、0.743μm降低为0.735μm、0.721μm、0.571μm和1μm、0.747μm、0.696μm。在本试验中碳化硅磨粒的加工效果优于白刚玉磨粒,即具有高磨粒硬度的磨粒研抛效果好。检测结果显示,磨粒流研抛技术可有效改善伺服阀阀芯喷嘴的表面质量;提高磨粒硬度可提高磨粒流的研抛效果;伺服阀阀芯喷嘴的交叉孔以及小孔区域的表面质量要高于主干通道的表面质量。     

湍流对磨料水射流中磨料颗粒受力的影响

为了弄清磨料水射流中磨料颗粒的受力情况,考察了不同湍流模型对淹没冲击射流计算结果的影响,从中选取表现较优越的雷诺应力模型对球形磨料颗粒附近的湍流流动进行数值模拟。计算中,湍流强度为5%～70%,湍流黏度比为1～1200。计算发现,在该计算范围内,随着湍流强度的增大,固相颗粒所受曳力逐渐增大,颗粒的曳力系数增大;随着湍流黏度比的增大,固相颗粒所受的曳力逐渐增大,相应的曳力系数也增大。     

双列螺旋槽液膜密封的相变流动特性

为研究高速、低温工况下的液膜密封气液两相流现象,基于均相流体理论,构建了液膜密封相变模型,分析了流体膜两相流动特性和工况参数对相态转变的影响.结果表明:流动空间发散是槽区相变的主要因素,相变的吸热散热导致温度场显著变化;转速升高时,流体动压增强,温度升高,相变范围扩展,相变速率增大;介质温度升高使流体动压减弱,汽化吸热...     

一种基于气压悬浮磨料池光整加工方法的研究

针对复杂曲面难加工零件,提出一种基于气压悬浮磨料池光整加工方法:采用气压悬浮磨料的混合方式,工件表面与流态化磨料产生相对运动速度,从而使固体颗粒与工件表面发生微观二体磨料磨损.通过对磨粒进行动力分析以及气固二相流加工机理分析,揭示了磨料池内部气体和磨料混合及扩散规律.利用光整加工实验确定了光整加工过程中最佳的主轴转速和...     

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。