磨削射流冷却的理论分析和实验研究

论文摘要

磨削液动压力是指磨削液流过旋转砂轮与工件表面之间的楔形空间时,在收敛的楔形域内形成的压力。该动压力的大小,一方面可以反映出磨削液供给是否充足;另一方面,表征作用于砂轮上的法向作用力大小。这两个方面都是磨削过程中重点关注的地方。因此,掌握磨削液动压力在楔形空间的变化规律具有重要意义。本文在对目前国内外有关磨削液动压力的研究现状及发展进行综述的基础上,指出了现存方法在流体力学理论的应用、数学模型的建立及建模假设三个方面所存在的局限性。围绕所存在的问题,本文在理论和实验两个方面进行了系统的研究。理论上,首先,根据磨削过程喷嘴供液的特点,采用气液两相流理论对该流动特性进行理论研究。然后,将VOF方法引入到磨削液动压力的数学模型中,建立了描述磨削液射入旋转砂轮周边空气流场时,所形成的磨削气液两相流的瞬态模型。最后,在不施加特殊的出口压力边界条件下,求解瞬态模型。实验上,自行设计了磨削射流系统,并在MM7125平面磨床上,采用三种不同型号喷嘴供液,进行了磨削射流冷却的实验研究。实验的目的有三个:一是通过实验验证本文所采用的流体力学理论、建立的气液两相流瞬态模型以及对出口压力边界条件的处理三个方面的合理性。二是通过实验获得磨削气液两相流的动压力与喷嘴射流速度之间的关系。三是获取各种实验条件下磨削气液两相流动压力的实验数据,为建立基于人工神经网络的磨削射流冷却预测模型提供训练样本和测试样本。在上述研究工作的基础上,提出以磨削气液两相流的最大动压力与磨削液供给充分时磨削液单相流的最大动压力之比作为评价指标,用于衡量磨削射流冷却的效果。建立了基于人工神经网络的磨削射流冷却预测模型。为了求取评价指标中使用的磨削液单相流的最大动压力,本文对磨削液单相流进行了理论研究。分别建立了磨削液单相层流数学模型和磨削液单相湍流数学模型。通过施加特殊的出口压力边界条件,求解数学模型获得了磨削液单相流的动压力变化规律及动压力的最大值。在确定喷嘴射流速度的临界值时,需要以空气的最大压力作为参考值。为此,本文建立了描述磨削空气流场特性的数学模型。仿真求解获得了磨削空气流场压力的变化规律及空气流场压力的最大值。本文理论模型的仿真结果与实验测试结果吻和得较好。这充分说明:将气液两相流理论用于磨削流场动压力的理论研究,方法是正确的。利用本文所建立的气液两相流瞬态模型模拟磨削流场特性时,获得以下结论:(1)磨削液在离开磨削区进入空闲区时,是贴着砂轮圆周面,而不是贴着工件的表面。(2)磨削区内的磨削液是贴着工件的表面而不是贴着砂轮的圆周面,这有利于对流换热。(3)当喷嘴射流速度达到一定值时,再继续提高射流速度对改善冷却效果无益。(4)MM7125平面磨床的原冷却系统在高速工作时冷却效果不佳,需要进行改进。(5)基于人工神经网络的磨削射流冷却预测模型不仅可用于磨削加工过程中在线监测而且还可用于冷却液供给方式的优化研究。总之,本文所进行的工作对未来智能磨削的应用和发展具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 磨削技术的发展概述
• 1.1.1 国内发展现状
• 1.1.2 国外发展现状
• 1.2 磨削液动压力的研究
• 1.3 课题的来源、目的和意义
• 1.4 课题的提出与任务
• 第2章 磨削空气流场特性的理论分析
• 2.1 磨削空气流场特性的数值模拟
• 2.1.1 空气边界层与 CFD
• 2.1.2 Sparlart-Allmaras湍流模型
• 2.1.3 几何模型与仿真参数
• 2.1.4 数学模型
• 2.2 磨削空气流场特性的分布
• 2.2.1 磨削空气流场的压力分布
• 2.2.2 磨削空气流场的速度分布
• 2.3 本章小节
• 第3章 磨削液流场特性的理论分析
• 3.1 磨削液层流的动压力分析
• 3.1.1 层流数学模型
• 3.1.2 磨削液动压力仿真软件
• 3.1.3 磨削液动压力仿真结果
• 3.2 磨削液湍流的动压力分析
• 3.2.1 RNG k-ε湍流模型
• 3.2.2 几何模型与仿真参数
• 3.2.3 湍流数学模型
• 3.2.4 磨削液动压力仿真结果分析
• 3.3 本章小节
• 第4章 磨削液射流的理论分析
• 4.1 磨削气液两相流及VOF方法
• 4.2 磨削平面紊动射流
• 4.3 磨削气液两相流的数值模拟
• 4.3.1 几何模型与仿真条件
• 4.3.2 数学模型
• 4.3.3 磨削气液两相流仿真结果分析
• 4.4 本章小节
• 第5章 磨削流场特性的实验研究及数据处理
• 5.1 磨削流场特性实验系统
• 5.1.1 磨削射流系统
• 5.1.2 传感器的连接
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 测试内容和实验原理
• 5.2.2 实验条件
• 5.2.3 测试步骤
• 5.3 磨削测试系统
• 5.3.1 测试系统软件
• 5.3.2 测试系统硬件
• 5.4 磨削实验数据处理
• 5.4.1 实验测试的噪声源
• 5.4.2 磨削实验数据的小波处理
• 5.4.3 实验测试结果分析
• 5.5 本章小节
• 第6章 磨削射流冷却效果的理论分析
• max⁰和V_j⁰'>6.1 定义无量纲参数 P_max⁰和V_j⁰
• 6.1.1 磨削液在最小间隙附近的流动
• 6.1.2 无量纲动压力和无量纲射流速度
• 6.2 磨削两相流动压力的分析
• max⁰-V_j⁰曲线'>6.2.1 P_max⁰-V_j⁰曲线
• 6.2.2 产生动压力的临界射流速度
• 6.2.3 最大动压力与射流量的关系
• 6.3 磨削射流冷却预测模型
• 6.3.1 射流冷却效果的评价指标
• 6.3.2 预测模型BP网络的程序设计
• 6.3.3 模型预测结果分析
• 6.3.4 磨削射流冷却预测模型的应用
• 6.4 本章小节
• 第7章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录一