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高效磨削用热管砂轮设计与换热性能仿真分析

张冰峰  
【摘要】:在磨削加工过程中,去除材料所消耗的功几乎全部转化为热量,这些热量大部分都积聚在加工区,特别是对于难加工材料的高效磨削而言,高的材料去除率需要大的能量输入,这时在加工区的将会产生更多的热量,此时如不能采取适当的冷却方法及时地将热量疏导出去,将导致加工区的温度显著升高,影响工件的加工质量,严重时将导致工件烧伤。事实上,正是加工区工件的高温烧伤问题在很大程度上限制了高效磨削技术在难加工材料中应用。 热管作为一种高效的传热组件,利用其内部工质的相变,能以较小的温度梯度快速地传递热量,具有很高的传热效率,被称为“热超导体”。由于其优良的传热性能,热管技术已广泛应用与能源、航空、机械加工等领域。 本文针对高效磨削加工工程中高温致使工件烧伤的问题,根据径向回转热管的工作原理,设计并制作了热管砂轮,期望借助热管优良的传热性能,有效控制磨削弧区的温度,促进高效磨削技术在难加工材料中的应用和发展。主要研究内容如下: (1)设计制作了热管砂轮基体,根据热管制造的工艺特点,设计并制作了热管砂轮抽真空、注液及封尾装置,完成了对热管砂轮的抽真空、注液及封尾试验,验证了热管砂轮基体的真空密封性能。 (2)根据热管砂轮的工作情况,采用专用流体数值计算软件FLUENT建立热管砂轮磨削温度场数值计算模型,对模型网格进行检查,设置所需的边界条件,选择合适的求解器及控制方程。 (3)仿真过程主要分析弧区热流密度、冷流体参数、砂轮转速、砂轮外圆壁厚等对热管砂轮温度场的影响,并通过对比同参数条件时,水冷及风冷两种不同冷却端冷却方式对砂轮温度场的影响可以发现,现有实验室条件下,冷却端采用水冷方式较风冷可以获得更好的冷却效果,为试验选择合适的参数组合提供依据。


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