軟性磨粒流近壁區(qū)域微切削機理及其控制方法研究.pdf

1、模具制造過程中常會出現(xiàn)尺寸細(xì)微,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異型面,可將其稱之為模具的結(jié)構(gòu)化表面。傳統(tǒng)有工具拋光加工方法難以對模具結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行全面的精密加工,而現(xiàn)有的流體加工方法受到加工工具及裝備結(jié)構(gòu)的限制,在面向模具結(jié)構(gòu)化表面加工時仍存在難以克服的困難。
　　 針對此問題,本文提出一種基于近壁區(qū)理論的軟性磨粒流加工分析方法。以這種加工方法為基礎(chǔ),本文首先基于可實現(xiàn)湍動能-耗散率(κ-ε)湍流模型對軟性磨粒流在流道中的運動進(jìn)行建模,并分析軟性磨

2、粒流在近壁區(qū)的運動特性,對可實現(xiàn)κ-ε湍流模型進(jìn)行改進(jìn);其次通過計算流體力學(xué)方法對軟性磨粒流在流道內(nèi)的流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析;然后以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行了磨粒運動觀測實驗;最后搭建軟性磨粒流加工實驗臺,進(jìn)行工件的光整加工實驗。本文內(nèi)容主要從以下幾個方面展開:
　　 (1)針對可實現(xiàn)κ-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型所應(yīng)用場合、描述特點的不同,對兩者進(jìn)行分析,前者對描述射流和混合流的自由流動,以及復(fù)雜流道中的流動都有著更好的表現(xiàn),

3、所以本文選擇可實現(xiàn)κ-ε湍流模型作為軟性磨粒流的基本物理模型;對軟性磨粒流近壁區(qū)的特征進(jìn)行分析,并對由軟性磨粒流加工特性所引起的湍流耗散進(jìn)行研究,基于研究結(jié)果,對可實現(xiàn)κ-ε湍流模型中的耗散率方程進(jìn)行修正,所得到修正后的可實現(xiàn)κ-ε湍流模型能夠較為完整的對軟性磨粒流在加工流道中的特性進(jìn)行描述;對固體顆粒的受力情況進(jìn)行分析,進(jìn)而對軟性磨粒流在近壁區(qū)的微切削機理進(jìn)行研究。
　　 (2)基于可實現(xiàn)κ-ε湍流模型,采用離散相模型建立軟性

4、磨粒流動力學(xué)模型,基于該模型對加工中所涉及到的影響因素進(jìn)行仿真實驗研究。首先以U型流道為例,主要對軟性磨粒流的速度、壓力、顆粒特性,湍動能、湍流耗散率等湍流參數(shù),以及影響工件加工后表面紋理的顆粒運動軌跡等進(jìn)行數(shù)值模擬分析。通過對上述因素進(jìn)行研究后得到,軟性磨粒流離散相的壓力衰減程度與入口速度成反比,且在流道內(nèi)的運動軌跡呈無序狀態(tài);并得到了適用于軟性磨粒流加工的最佳顆粒尺寸;然后以汽車模具中的典型結(jié)構(gòu)化表面所構(gòu)成約束流道進(jìn)行數(shù)值模擬分析,

5、通過對不同體積分?jǐn)?shù)的軟性磨粒流在流道中動壓力分布、速度矢量分布以及湍流耗散率分布的研究,證明了軟性磨粒流加工方法的有效性。
　　 (3)以數(shù)值模擬分析結(jié)果為基礎(chǔ),采用不同配比的切削液、分散劑和水,對軟性磨粒流溶液進(jìn)行調(diào)配,并設(shè)計了軟性磨粒流離散顆粒相的觀測實驗。對軟性磨粒流試劑進(jìn)行調(diào)配實驗;利用高速攝像機對軟性磨粒流在流道中的固體顆粒進(jìn)行運動軌跡觀測運動進(jìn)行觀察;采用粒子圖像測速方法對軟性磨粒流的流場進(jìn)行測量,通過區(qū)域分析法得到

6、了流場的速度矢量、渦量分布等信息,證明了在此條件下,軟性磨粒流的運動形態(tài)符合湍流特征,能夠?qū)崿F(xiàn)對模具結(jié)構(gòu)化表面的光整加工。軟性磨粒流觀測實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符,為下一步基于軟性磨粒流的加工實驗奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 (4)基于理論分析、數(shù)值模擬及觀測實驗結(jié)果,搭建基于變頻調(diào)速系統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)化表面光整加工平臺,該加工平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵的精確調(diào)速,使軟性磨粒流流態(tài)過渡更加準(zhǔn)確。經(jīng)過20小時的光整加工后,加工結(jié)果表明:軟性磨粒流能

7、夠在不改變工件原有形貌的基礎(chǔ)上,有效改善模具結(jié)構(gòu)化表面的表面質(zhì)量,并且能夠去除原有機械加工的痕跡,使得工件表面更加平整,加工后工件入口處粗糙度為0.312μm,出口處粗糙度為0.556μm,工件整體質(zhì)量減少0.2g。加工實驗結(jié)果證明了軟性磨粒流加工方法應(yīng)用在模具結(jié)構(gòu)化表面光整加工上的可行性和有效性。
　　 (5)基于普林斯頓方程對影響軟性磨粒流加工的顆粒硬度、尺寸、顆粒與壁面碰撞角度、加工時間等因素進(jìn)行分析,并對普林斯頓方程進(jìn)行