MQL车削流场数值模拟及实验研究

论文摘要

随着制造科学与技术的迅速发展,工程技术人员及机械操作者对工作环境要求也越来越高,实施绿色制造已成为先进制造技术的主要发展趋势。最小量润滑(Minimum Quantity Lubrication,简称MQL)技术是一种具有极大发展潜力的绿色加工技术,倍受国内外机械工程专家和学者们的高度关注,该技术具有广阔的推广应用前景。本文在阐述绿色加工技术的国内外研究进展的基础上,以精密车削加工为应用背景,系统开展了MQL车削流场数值模拟及实验研究,其主要研究内容及创新工作为:首先,从理论上阐述了射流的定义和类型,探讨了射流模型,分析了MQL系统喷射的气液两相流中雾滴的受力情况;在考察切削液在加工过程中所担任角色的基础上,建立了MQL系统,采用三维粒子动态分析仪(PDA)对本研究中使用的外置式MQL供液系统雾化性能进行了测试,获得了粒子速度及尺寸分布的规律。其次,基于流体力学理论,研究了车削加工过程中工件旋转造成的流场对切削液雾滴运动的影响,采用计算流体动力学软件FLUENT计算模拟了外圆车削加工时工件周围流场的状态,证实了外圆车削加工时刀具后面负压力区域的存在,分析了工件转速、刀具后角、喷雾靶距等因素对其影响及其变化。第三,对MQL加工工艺效果的进行了实验研究,通过切削力、工件表面粗糙度和断屑效果的对比实验,表明:喷雾方位对加工效果影响显著,并给出了最佳喷雾方位的数值;同时,对切削液油雾的存在对自然环境和操作人员的影响进行了探讨,分析了有害油雾的产生机理及存在形式,进而详细阐述了控制MQL加工油雾的基本方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 传统冷却润滑方式及其缺陷
• 1.1.3 绿色加工技术
• 1.2 MQL加工的研究进展
• 1.3 尚待深入研究的主要问题
• 1.4 本文研究的主要内容及其意义
• 第二章 MQL喷雾的理论基础
• 2.1 射流的定义和类型
• 2.2 射流模型
• 2.2.1 液体的雾化
• 2.2.2 气液两相射流
• 2.3 雾滴的力学分析
• 2.3.1 雾滴受力分析
• 2.3.2 雾滴运动分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 MQL系统的构建及性能测试
• 3.1 MQL系统的建立
• 3.1.1 传统冷却方式中存在的问题
• 3.1.2 MQL系统
• 3.1.3 MQL供液系统的选择
• 3.2 MQL系统雾化特性PDA实验
• 3.2.1 MQL系统雾化性能测试系统
• 3.2.2 实验方案
• 3.3 实验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 MQL流场的CFD仿真
• 4.1 计算流体动力学分析软件
• 4.2 控制方程及边界条件
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 控制方程
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 CFD求解过程
• 4.3.1 实体建模
• 4.3.2 网格划分
• 4.3.3 数值模拟步骤
• 4.4 CFD计算结果与分析
• 4.4.1 转速对流场的影响
• 4.4.2 冷却液粒子能够到达旋转工件表面的速度临界值
• 4.4.3 刀具后角对流场的影响
• 4.4.4 靶距对流场的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 MQL车削加工实验
• 5.1 MQL车削加工实验系统及方案
• 5.1.1 实验系统
• 5.1.2 实验方案
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 喷嘴位置对加工的影响
• 5.2.2 靶距对加工的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 MQL喷雾加工中油雾的控制
• 6.1 金属切削液油雾的危害
• 6.2 MQL加工中油雾的形成及变化
• 6.2.1 MQL加工中油雾的产生及存在形式
• 6.2.2 MQL与浇注式切削油雾浓度对比
• 6.3 MQL加工油雾的控制
• 6.4 本章小结
• 第七章 研究结论与发展展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 发展展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的相关论文