呂自強(qiáng) 李華 李想

(1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南鄭州 450007;2.蘇州科技學(xué)院,江蘇蘇州 215001;3.河南科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,河南洛陽 471023)

磨削區(qū)壓力場速度場的建模仿真分析

呂自強(qiáng)1李華2李想3

(1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南鄭州 450007;2.蘇州科技學(xué)院,江蘇蘇州 215001;3.河南科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,河南洛陽 471023)

在砂輪高速磨削時(shí)，砂輪周圍的空氣隨著砂輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入磨削引入?yún)^(qū)，一部分出現(xiàn)返回流阻礙磨削液的有效進(jìn)入，另一部分發(fā)散掉和通過砂輪和工件的帶動(dòng)到達(dá)磨削引出區(qū)。本文仿真主要建立砂輪氣流場仿真模型，通過仿真觀察砂輪高速旋轉(zhuǎn)周邊氣流場的壓力和速度變化規(guī)律，從而為本課題的納米汽霧突破氣流場的實(shí)驗(yàn)作鋪墊。

磨削 氣流場 壓力 速度

1 引言

砂輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)砂輪周圍空氣隨砂輪的表面一起運(yùn)動(dòng)使砂輪的表面產(chǎn)生了一個(gè)空氣附面層，即氣流場。在磨削引入?yún)^(qū)，高速氣流場會(huì)在此區(qū)域產(chǎn)生較高的動(dòng)壓力場并產(chǎn)生與砂輪回轉(zhuǎn)方向相反的氣流層，形成氣障使磨削液難以進(jìn)入磨削區(qū)，起不到降溫工件和砂輪的作用，這不僅對工件的加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，還大大縮減了砂輪的使用壽命，使的加工條件惡化，制約磨削技術(shù)的發(fā)展。東北大學(xué)李長河教授，鞏亞東教授，英國學(xué)者S.Ebbrell和武漢理工大學(xué)的鄭鈞宜教授等[1-5]通過不同角度對磨削區(qū)氣流場進(jìn)行研究。工件表面粗超度大時(shí)磨削液會(huì)隨著工件表面的溝壑潤濕接觸，表面光滑時(shí)磨削液會(huì)與工件表面的附著力減小，減小磨削液對其流場的影響，因此縮小磨削液尺寸有利于達(dá)到降溫效果[6]，達(dá)到綠色加工。能夠?qū)ι拜喼車臍饬鞯膲毫龊退俣确植家?guī)律作詳細(xì)的研究，和砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)周圍氣流的特性，使冷卻液有效的避開返回流，以至于達(dá)到對磨削液有效利用。

2 平面砂輪的磨削引入?yún)^(qū)和引出區(qū)的氣流場仿真分析

2.1 模型仿真分析

本仿真中仿真條件：砂輪直徑200mm，厚度20mm，不考慮氣體的粘度，忽略環(huán)境的溫度變化，由于工件進(jìn)給速度和砂輪的轉(zhuǎn)速相比很小，忽略工件進(jìn)給速度。如圖1是建立的砂輪氣流場仿真模型。

從圖2，3可以看出在在砂輪旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，砂輪的周圍有很薄的氣流隨著砂輪一起旋轉(zhuǎn)，到達(dá)砂輪的旋轉(zhuǎn)間隙對氣流形成阻礙作用很大一部分氣流沿著工件反向流動(dòng)，因此，在磨削引入?yún)^(qū)有很明顯的返回流，形成“氣障”，同時(shí)在磨削引入?yún)^(qū)形成一個(gè)范圍較大的正壓力區(qū)，在引出區(qū)形成范圍稍小的強(qiáng)負(fù)壓區(qū)。

2.2 速度形成的規(guī)律分析

由圖4，不同間隙相同砂輪轉(zhuǎn)速方面看，在砂輪的磨削引入?yún)^(qū)氣流場的速度逐漸增大，隨著間隙的減小速度的峰值逐漸增大，速度曲線也越來越窄且間隙的大小對水平速度方向影響不大。相同間隙不同砂輪轉(zhuǎn)速方面看，可以分析：看出隨著砂輪的轉(zhuǎn)速的增加，周邊的氣流速度變化很大，水平方向的寬度變大，特別是在磨削點(diǎn)的速度值最大，可見此時(shí)的氣流會(huì)向水平方向運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)磨削液向砂輪邊運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象會(huì)減少磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。

由圖5，不同間隙相同砂輪轉(zhuǎn)速，砂輪的轉(zhuǎn)速不變，改變間隙的大小，在磨削引入?yún)^(qū)隨著間隙的減小，速度峰值增大，但是與砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，因此阻礙磨削液的注入。相同間隙不同砂輪轉(zhuǎn)速方面看，可以分析：隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，在磨削引入?yún)^(qū)，速度峰值越來越大，速度方向與砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，阻礙了磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。

圖1 砂輪氣流場仿真模型

圖2 速度矢量局部放大圖

圖3 壓力局部放大圖

圖4 X向流場速度對比

圖5 Y向流場速度對比

2.3 壓力形成的規(guī)律分析

由圖6，不同間隙相同轉(zhuǎn)速方面看，在砂輪的引入?yún)^(qū)，隨著間隙的減小壓強(qiáng)逐漸增大，而引出區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)壓，而且隨著間隙的減小負(fù)壓的絕對值減小，這是因?yàn)殚g隙減小通過的氣流越少，產(chǎn)生的負(fù)壓也隨之減小。相同間隙不同轉(zhuǎn)速方面看，隨著砂輪的轉(zhuǎn)速的增加，磨削引入?yún)^(qū)的壓力逐漸增加，而且增加的趨勢很大，越靠近最小間隙壓力越大，在磨削引出區(qū)的負(fù)壓絕對值也增加很快，這說明隨著速度的增加通過間隙的氣流有所增加。由圖7從不同間隙相同轉(zhuǎn)速方面看，在砂輪與工件的最小間隙位置間隙大小改變，動(dòng)壓力的峰值大小變化不是很大，砂輪周圍的流場動(dòng)壓力變化不是很明顯。相同轉(zhuǎn)速不同間隙方面看，隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加，在間隙位置的動(dòng)壓力增大，說明在相同間隙時(shí)，隨著砂輪的轉(zhuǎn)速的增加，砂輪周圍的空氣流速變快，所以間隙周圍的流場動(dòng)壓力增加很快，對于磨削液的進(jìn)入有很大的影響。

圖6 流場靜壓力對比

圖7 流場動(dòng)壓力對比

3 結(jié)語

本文是在超高速磨削區(qū)氣流場的理論基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，利用FLUENT軟件建立了二維模型。分析了改變砂輪和工件的間隙，砂輪的轉(zhuǎn)速對磨削氣流場的影響。

仿真結(jié)果表明：

隨著砂輪的轉(zhuǎn)速的增加，砂輪圓周的氣流層厚度沒有明顯的變化。氣流隨在砂輪進(jìn)入磨削區(qū)，經(jīng)過間隙的阻礙作用，氣流沿著工件反向流動(dòng)，且隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，氣流強(qiáng)度增加。在磨削引入?yún)^(qū)隨著砂輪的轉(zhuǎn)速的增加壓強(qiáng)逐漸增大，在引出區(qū)壓強(qiáng)的絕對值增大，并且呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。隨著間隙的減小引入?yún)^(qū)的壓強(qiáng)逐漸增大，引出區(qū)逐漸減小，這是由于間隙減小流過間隙的氣流減小。通過觀察發(fā)現(xiàn)氣流隨著砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，那么當(dāng)冷卻液噴到砂輪上的液體肯定有部分隨著砂輪進(jìn)入磨削區(qū)。

[1]鞏亞東,王宛山,于盛蓁．超高速磨削砂輪氣流場影響因素分析與研究[J].第三屆十省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)2007年年會(huì)論文(摘要)集,2007,7：110-115．

[2]Song Guiliang,Liu Wenzhi,Cai Guangqi．Grinder and Grinding，2(1997),P63．

[3]Song Guiliang,Gong Yadong,Cai Guangqi.Aviation precisions manufacture technique,3(2000),P16．

[4]鄭鈞宜.磨削射流冷卻的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2008年．

[5]鄭鈞宜,李楠,江征風(fēng).磨削液射流兩相流流場特性的應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓,2009,1(1)：20-23．

[6]蔣大林.固液界面潤濕的分子動(dòng)力學(xué)研究及實(shí)驗(yàn).江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007年．

呂自強(qiáng),男,學(xué)歷：研究生,職稱：在讀研究生,研究方向：機(jī)械工程。