面向模具结构化表面光整加工的磨粒流湍流调控及加工机理研究

论文摘要

针对模具零件上的微小孔、槽、棱柱、棱锥等结构化表面光整加工技术难题,传统光整加工方法存在很多缺陷很难用于微小结构化表面的光整加工,本文提出采用约束模块调控液-固两相“软性”磨粒流对模具微小结构化表面进行光整加工新方法,通过理论研究、加工模拟仿真和加工试验研究等途径,验证了该方法的可行性和有效性,达到了利用约束模块对磨粒流进行湍流调控实现模具结构化表面光整加工的目的。具体研究摘要如下：本文的研究内容来源于导师主持的国家自然科学基金面上项目和浙江省自然科学基金重点项目,在分析课题研究背景和意义基础上,综合叙述了国内外磨粒流光整加工方法和湍流理论的研究现状及发展趋势,提出本文的研究内容和拟采用的主要方法。通过分析固体磨粒在液体中的受力情况和磨粒流在近壁区的流动特性,揭示了“软性”磨粒流的加工机理：微细固体磨粒与液体混合形成“软性”（低粘度）磨粒流,磨粒流中的微细磨粒对流道粗糙壁面进行撞击和刮削,粗糙壁面在磨粒长时间微力微量切削作用下逐渐被整平,从而达到光整加工提高表面粗糙度的目的。由于“软性”磨粒流的有效光整加工是在湍流状态下进行的,因此介绍了几种充分发展的湍流模型（标准k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型）。对于近壁区和低雷诺数流动,可采用壁面函数法和低雷诺数k-ε模型处理。为了实现“软性”磨粒流的湍流调控,根据结构化表面的结构形状设计约束模块构建磨粒流流道,研究约束模块设计和磨粒流流道构建需要注意的问题,要获得充分发展的湍流,雷诺数必须满足Re≥8000,另外还要考虑磨粒不淤临界速度。设计了一些典型的结构化表面和约束模块设计构建了磨粒流流道。提出广义约束模块的概念和“软性”磨粒流辅助EDM/ECM复合加工微细结构化表面新方法。基于不同结构类型的结构化表面和约束模块构建磨粒流流道,对流道中的磨粒流进行模拟仿真。通过Gambit前处理器对磨粒流模型进行网格划分,利用Fluent软件对磨粒流流动进行仿真研究,分析磨粒流的动压力、湍动能、速度和壁面切应力等分布情况,通过软件仿真验证约束模块调控磨粒流流动的可行性,以期达到提高“软性”磨粒流光整加工质量的目的。为了进行“软性”磨粒流光整加工试验研究,搭建了“软性”磨粒流光整加工试验平台,配置了最佳组分的“软性”磨粒流,进行了约束模块调控下的“软性”磨粒流光整加工试验和“软性”磨粒流辅助EDM/ECM复合加工试验研究,证明了基于“软性”磨粒流的微细结构化表面光整加工的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 磨粒流光整加工研究现状
• 1.3.1 “硬性”磨粒流光整加工方法的研究现状
• 1.3.2 “软性”磨粒流光整加工方法研究现状
• 1.4 流体湍流理论的研究现状
• 1.4.1 湍流统计理论
• 1.4.2 湍流大涡模拟
• 1.4.3 湍流直接数值模拟
• 1.4.4 湍流模型
• 1.5 本论文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 “软性”磨粒流加工机理及湍流模型
• 2.1 引言
• 2.2 “软性”磨粒流加工机理
• 2.2.1 磨粒在液体中的受力分析
• 2.2.2 “软性”磨粒流在工件表面近壁区的流动特性分析
• 2.2.3 “软性”磨粒流的光整加工机理
• 2.3 适用于“软性”磨粒流的湍流模型
• 2.3.1 标准k-ε模型（Standard k-ε model）
• 2.3.2 重正化群k-ε模型
• 2.3.3 可实现k-ε模型
• 2.4 k-ε湍流模型在近壁区存在的问题及对策
• 2.4.1 近壁区流动特点
• 2.4.2 近壁区使用k-ε湍流模型存在的问题
• 2.4.3 壁面函数法
• 2.4.4 低雷诺数k-ε模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 面向“软性”磨粒流湍流调控的约束模块设计与流道构建
• 3.1 引言
• 3.2 面向“软性”磨粒流湍流调控的约束模块设计与流道构建
• 3.2.1 “软性”磨粒流流速的确定
• 3.2.2 约束模块的设计与“软性”磨粒流流道的构建
• 3.2.3 基于约束模块的“软性”磨粒流湍流调控
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于约束模块的“软性”磨粒流湍流调控与模拟仿真
• 4.1 引言
• 4.2 基于约束模块的“软性”磨粒流湍流调控与模拟仿真
• 4.2.1 基于棱柱凸台约束模块的“软性”磨粒流湍流调控模拟仿真
• 4.2.2 基于圆弧凸台约束模块的“软性”磨粒流湍流调控模拟仿真
• 4.2.3 基于广义约束模块的“软性”磨粒流调控模拟仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 “软性”磨粒流的光整加工试验
• 5.1 引言
• 5.2 “软性”磨粒流光整加工试验
• 5.2.1 “软性”磨粒流光整加工装置的搭建
• 5.2.2 “软性”磨粒流的配制
• 5.2.3 基于平板约束模块的“软性”磨粒流光整加工试验
• 5.3 基于圆弧形凸起约束模块的“软性”磨粒流光整加工试验
• 5.3.1 带有圆弧形凸起的约束模块
• 5.3.2 基于圆弧形凸起约束模块的“软性”磨粒流光整加工试验
• 5.4 基于广义约束模块的“软性”磨粒流辅助EDM/ECM复合加工试验
• 5.4.1 广义约束模块的设计
• 5.4.2 基于广义约束模块的“软性”磨粒流辅助EDM/ECM复合加工试验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果