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《中北大学》 2017年
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超声振动外圆珩磨磨削区温度场及单空化泡溃灭温度研究

张小强  
【摘要】:超声振动外圆珩磨是基于传统超声珩磨的基础上为进一步提高圆柱体外表面质量而提出的一种精密加工方式,珩磨过程中油石条上附加了大振幅、高频率的机械振动,油石条与工件之间受到珩磨压力的作用会产生大量珩磨热,致使珩磨磨削区温度升高,工件表面温度的升高会影响工件质量。目前针对传统磨削加工中磨削区温度场的研究主要集中于建模和温度测量,但以超声振动珩磨加工为背景所展开的研究还较为罕见。空化效应是磨削区常见的基本现象,空化泡在珩磨磨削区内生长、膨胀直至溃灭,在这个过程中空化泡内会聚集大量高温高压能量,然后伴随空化泡溃灭瞬间释放,该能量会对磨削区周围尤其是工件表面造成严重的热损伤,甚至在工件表面形成热损伤微坑。目前针对空化泡的研究主要集中于空化泡动力学,而对空化泡热力学方面的研究还处于起步阶段。因此,本文以超声振动外圆珩磨为基础,提出了以珩磨机理、热源模型理论、空化泡动力学、热力学平衡原理等为理论基础对超声振动外圆珩磨磨削区温度场及单空化泡热力学进行了基础研究,主要工作包括:(1)探讨了超声振动外圆珩磨基本机理。以珩磨本质磨粒-工件间的作用为基点,对珩磨磨粒进行了筛选;根据磨粒在工件上的磨削作用,对磨粒与工件之间的接触长度进行了理论推导,结合超声振动外圆珩磨过程中油石条同时进行往复和旋转运动的特性,将磨粒的复合运动纳入接触长度的计算过程中,从微观机理上揭示了外圆珩磨磨粒与工件之间的摩擦关系。(2)建立了超声振动外圆珩磨磨削区温度模型和磨削区热量分配模型。基于超声振动外圆珩磨这种特殊的加工方式,其珩磨油石条与工件之间的磨削接触长度及珩磨加工时间都与普通磨削有所不同,在传统热源模型理论的基础上,建立了对数热源分布的超声振动外圆珩磨磨削区热源模型;在珩磨磨削区内油石条与工件进行珩磨加工时会产生珩磨热量,传统磨削中,磨削热会以一定的比例分配到磨削区内,其中主要分配的有工件、磨削砂轮、冷却液以及磨屑,在超声珩磨的磨削区内,空化效应的存在会改变传统磨削热的分配形式,建立了考虑空化效应下珩磨热的分配比例模型,并分析了空化效应的对流换热系数。(3)对珩磨热量分配比例和珩磨磨削区温度场进行了数值计算。在空化效应下珩磨热的分配比例发生了变化,在比例分配模型中,多个磨削参数及珩磨参数都影响分配比例,首先计算了不同参数对模型中其余相关参数的影响,然后逐个分析各珩磨参数对珩磨热传入空化泡热量比例的影响,在超声主轴转速、超声波振动幅值、珩磨深度逐渐增大的过程中,传入空化泡的珩磨热比例也逐渐增加,但增大幅度和趋势有所不同,而当超声频率、油石往复速度和珩磨压力逐渐增大时,传入空化泡的珩磨热比例却逐渐减小,比较发现,珩磨压力对其影响最大;珩磨参数对磨削区温度场的影响各有不同,从变化趋势上,不同参数下珩磨磨削区温度基本呈现上升趋势,但在不同的珩磨参数组下其上升趋势和幅度不同,且在某些参数组下,珩磨磨削区温度在上升到一定程度后会有反弹趋势,这是由于珩磨时间短造成的,在珩磨参数中,超声波振动幅值的影响较为特殊,在其影响下磨削区温度并未表现出规律性的变化趋势,但在整体变化过程中,珩磨磨削区温度始终保持在一定范围,最低温度约为350k,而最高温度可以达到约1000k。(4)研究了超声振动外圆珩磨磨削区单空化泡动力学和溃灭温度。空化泡在珩磨磨削区内发生一系列动力学行为,在不同珩磨参数组下,其运动中所表现出的振动形式及振动幅度不同,建立了超声振动外圆珩磨磨削区单空化泡动力学模型;数值计算各珩磨参数对空化泡运动半径的影响,在参数变化时,空化泡会在磨削区振荡,在不同参数下,其振荡幅度不同,甚至在同一参数变化时,空化泡也会表现出不同的振动幅度甚至只发生微弱的振荡;在珩磨参数变化中,空化泡的最大振动半径可以达到初始半径的50倍;建立了珩磨磨削区单空化泡的溃灭温度模型,该模型以能量平衡为理论基础,建立在空化泡运动半径的基础上,并理论计算了空化泡溃灭时溃灭半径与溃灭温度之间的关系。(5)试验验证了超声空化泡溃灭热效应。分别在水和煤油两种不同的液体中对超声空化效应发生的强度进行了试验,不同环境下空化效应的产生时间和强度均不同,而相同环境下不同珩磨油石条上所表现出的空化状态也不同;利用铝箔纸对超声空化形成的热损伤进行了试验,在铝箔纸表面会形成形状、大小不一的空蚀坑,这与超声空化效应下空化泡溃灭时所释放的能量有关,且空化泡间相互作用对所形成空蚀坑的大小有明显影响;磨粒与空化耦合作用于铝箔纸表面时,磨粒会在冲击过程中粘结在铝箔纸表层,而所形成的空蚀坑与空化独立形成的相差较小,这表明与超声空化相比,磨粒所形成的冲击作用较小。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG580.67;TG663

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