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行星滚筒滚磨加工中液固两相湍流运动机理的计算和实验研究

王浩程  
【摘要】: 做为一种高效率的金属表面光整加工方法,离心式自由磨粒研磨工艺及设备在小型异形零件的去毛刺和光整加工生产领域得到广泛应用。该工艺的加工机理属于流体力学中液固两相湍流流动的理论范畴。长期以来,针对自由磨粒研磨技术的研究仅限于工艺实验,对研磨过程的本质特征尚无根本性的认识。目前离心式自由磨粒研磨设备的设计参数及研磨工艺参数完全凭经验确定,无理论依据。离心自由研磨过程中,受液固两相湍流流场的作用,磨料运动的流态特征对工件的加工质量和生产效率有明显影响。而研磨机行星传动比将直接改变湍流流场的分布,是影响整团磨料态特征的重要因素。研磨过程中受湍流流场的作用,磨料的物理特性和相对运动状态对零件的抛光效果有着直接的影响和控制。通过实验观察我们发现磨料在滚筒内的运动是极为复杂的,至今磨料运动特征对抛光过程影响机制尚不十分了解,深入研究磨料运动特征以及它对抛光过程影响对于优化机器的设计参数和加工工艺参数,进一步提高加工效率具有重要意义。 本文以在离心场中运动的整团磨料为研究对象,从理论和实验两方面分析了离心式自由磨粒研磨生产过程中整团磨料在不同参数下运动的流态特征,指出整团磨料的流态特征是影响加工效果的关键因素。 理论方面建立了基于液固两相流理论的描述整团磨料运动流态特征的数学模型,利用液固两相流动力学模型分析了不同行星传动比时磨料的流态特征。用计算流体力学的方法描绘出典型行星传动比下磨料运动特征,包括磨料的体积分数分布、压力分布、速度矢量分布等。这些特征反映出磨料团在运动过程中的变化规律。理论分析与实验结果是基本相符。指出这种理论分析方法能够代替大量的实验对做离心运动的整团磨料不同区域的浓度、速度和加速度进行分析,对于优化设计参数、提高生产率十分经济有效。 实验方面应用高速摄影手段获得了对行星整团磨料加工时磨料液固两相流运动的感性认识,描述了不同行星传动比时磨料的流态特征。通过对高速摄影结果的分析,了解了整团磨料在离心场中的运动规律,指明整团磨料在运动过程中,其滑移层的运动及前沿界面曲线的变化是影响加工效果的重要因素。改变行星传动比可以有效地改变滑移层的运动特征,从而提高生产效率。根据工件粗糙度和磨损率的测定,说明了不同行星传动比对加工过程的影响。


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