超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)溫度場(chǎng)及單空化泡潰滅溫度研究.pdf

1、超聲振動(dòng)外圓珩磨是基于傳統(tǒng)超聲珩磨的基礎(chǔ)上為進(jìn)一步提高圓柱體外表面質(zhì)量而提出的一種精密加工方式，珩磨過程中油石條上附加了大振幅、高頻率的機(jī)械振動(dòng)，油石條與工件之間受到珩磨壓力的作用會(huì)產(chǎn)生大量珩磨熱，致使珩磨磨削區(qū)溫度升高，工件表面溫度的升高會(huì)影響工件質(zhì)量。目前針對(duì)傳統(tǒng)磨削加工中磨削區(qū)溫度場(chǎng)的研究主要集中于建模和溫度測(cè)量，但以超聲振動(dòng)珩磨加工為背景所展開的研究還較為罕見?？栈?yīng)是磨削區(qū)常見的基本現(xiàn)象，空化泡在珩磨磨削區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)、膨脹直至潰

2、滅，在這個(gè)過程中空化泡內(nèi)會(huì)聚集大量高溫高壓能量，然后伴隨空化泡潰滅瞬間釋放，該能量會(huì)對(duì)磨削區(qū)周圍尤其是工件表面造成嚴(yán)重的熱損傷，甚至在工件表面形成熱損傷微坑。目前針對(duì)空化泡的研究主要集中于空化泡動(dòng)力學(xué)，而對(duì)空化泡熱力學(xué)方面的研究還處于起步階段。因此，本文以超聲振動(dòng)外圓珩磨為基礎(chǔ)，提出了以珩磨機(jī)理、熱源模型理論、空化泡動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)平衡原理等為理論基礎(chǔ)對(duì)超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)溫度場(chǎng)及單空化泡熱力學(xué)進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，主要工作包括:
　　

3、(1)探討了超聲振動(dòng)外圓珩磨基本機(jī)理。以珩磨本質(zhì)磨粒-工件間的作用為基點(diǎn)，對(duì)珩磨磨粒進(jìn)行了篩選;根據(jù)磨粒在工件上的磨削作用，對(duì)磨粒與工件之間的接觸長(zhǎng)度進(jìn)行了理論推導(dǎo)，結(jié)合超聲振動(dòng)外圓珩磨過程中油石條同時(shí)進(jìn)行往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特性，將磨粒的復(fù)合運(yùn)動(dòng)納入接觸長(zhǎng)度的計(jì)算過程中，從微觀機(jī)理上揭示了外圓珩磨磨粒與工件之間的摩擦關(guān)系。
　　(2)建立了超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)溫度模型和磨削區(qū)熱量分配模型?；诔曊駝?dòng)外圓珩磨這種特殊的加工方式，其

4、珩磨油石條與工件之間的磨削接觸長(zhǎng)度及珩磨加工時(shí)間都與普通磨削有所不同，在傳統(tǒng)熱源模型理論的基礎(chǔ)上，建立了對(duì)數(shù)熱源分布的超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)熱源模型;在珩磨磨削區(qū)內(nèi)油石條與工件進(jìn)行珩磨加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生珩磨熱量，傳統(tǒng)磨削中，磨削熱會(huì)以一定的比例分配到磨削區(qū)內(nèi)，其中主要分配的有工件、磨削砂輪、冷卻液以及磨屑，在超聲珩磨的磨削區(qū)內(nèi)，空化效應(yīng)的存在會(huì)改變傳統(tǒng)磨削熱的分配形式，建立了考慮空化效應(yīng)下珩磨熱的分配比例模型，并分析了空化效應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)。

5、
　　(3)對(duì)珩磨熱量分配比例和珩磨磨削區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在空化效應(yīng)下珩磨熱的分配比例發(fā)生了變化，在比例分配模型中，多個(gè)磨削參數(shù)及珩磨參數(shù)都影響分配比例，首先計(jì)算了不同參數(shù)對(duì)模型中其余相關(guān)參數(shù)的影響，然后逐個(gè)分析各珩磨參數(shù)對(duì)珩磨熱傳人空化泡熱量比例的影響，在超聲主軸轉(zhuǎn)速、超聲波振動(dòng)幅值、珩磨深度逐漸增大的過程中，傳入空化泡的珩磨熱比例也逐漸增加，但增大幅度和趨勢(shì)有所不同，而當(dāng)超聲頻率、油石往復(fù)速度和珩磨壓力逐漸增大時(shí)，傳入空

6、化泡的珩磨熱比例卻逐漸減小，比較發(fā)現(xiàn)，珩磨壓力對(duì)其影響最大;珩磨參數(shù)對(duì)磨削區(qū)溫度場(chǎng)的影響各有不同，從變化趨勢(shì)上，不同參數(shù)下珩磨磨削區(qū)溫度基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在不同的珩磨參數(shù)組下其上升趨勢(shì)和幅度不同，且在某些參數(shù)組下，珩磨磨削區(qū)溫度在上升到一定程度后會(huì)有反彈趨勢(shì)，這是由于珩磨時(shí)間短造成的，在珩磨參數(shù)中，超聲波振動(dòng)幅值的影響較為特殊，在其影響下磨削區(qū)溫度并未表現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)，但在整體變化過程中，珩磨磨削區(qū)溫度始終保持在一定范圍，最低溫

7、度約為350K，而最高溫度可以達(dá)到約1000K。
　　(4)研究了超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)單空化泡動(dòng)力學(xué)和潰滅溫度。空化泡在珩磨磨削區(qū)內(nèi)發(fā)生一系列動(dòng)力學(xué)行為，在不同珩磨參數(shù)組下，其運(yùn)動(dòng)中所表現(xiàn)出的振動(dòng)形式及振動(dòng)幅度不同，建立了超聲振動(dòng)外圓珩磨磨削區(qū)單空化泡動(dòng)力學(xué)模型;數(shù)值計(jì)算各珩磨參數(shù)對(duì)空化泡運(yùn)動(dòng)半徑的影響，在參數(shù)變化時(shí)，空化泡會(huì)在磨削區(qū)振蕩，在不同參數(shù)下，其振蕩幅度不同，甚至在同一參數(shù)變化時(shí)，空化泡也會(huì)表現(xiàn)出不同的振動(dòng)幅度甚至只發(fā)

8、生微弱的振蕩;在珩磨參數(shù)變化中，空化泡的最大振動(dòng)半徑可以達(dá)到初始半徑的50倍;建立了珩磨磨削區(qū)單空化泡的潰滅溫度模型，該模型以能量平衡為理論基礎(chǔ)，建立在空化泡運(yùn)動(dòng)半徑的基礎(chǔ)上，并理論計(jì)算了空化泡潰滅時(shí)潰滅半徑與潰滅溫度之間的關(guān)系。
　　(5)試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲空化泡潰滅熱效應(yīng)。分別在水和煤油兩種不同的液體中對(duì)超聲空化效應(yīng)發(fā)生的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，不同環(huán)境下空化效應(yīng)的產(chǎn)生時(shí)間和強(qiáng)度均不同，而相同環(huán)境下不同珩磨油石條上所表現(xiàn)出的空化狀態(tài)也不同