超声振动外圆珩磨磨削区温度场及单空化泡溃灭温度研究

发布时间：2019-07-29 10:43

【摘要】：超声振动外圆珩磨是基于传统超声珩磨的基础上为进一步提高圆柱体外表面质量而提出的一种精密加工方式,珩磨过程中油石条上附加了大振幅、高频率的机械振动,油石条与工件之间受到珩磨压力的作用会产生大量珩磨热,致使珩磨磨削区温度升高,工件表面温度的升高会影响工件质量。目前针对传统磨削加工中磨削区温度场的研究主要集中于建模和温度测量,但以超声振动珩磨加工为背景所展开的研究还较为罕见。空化效应是磨削区常见的基本现象,空化泡在珩磨磨削区内生长、膨胀直至溃灭,在这个过程中空化泡内会聚集大量高温高压能量,然后伴随空化泡溃灭瞬间释放,该能量会对磨削区周围尤其是工件表面造成严重的热损伤,甚至在工件表面形成热损伤微坑。目前针对空化泡的研究主要集中于空化泡动力学,而对空化泡热力学方面的研究还处于起步阶段。因此,本文以超声振动外圆珩磨为基础,提出了以珩磨机理、热源模型理论、空化泡动力学、热力学平衡原理等为理论基础对超声振动外圆珩磨磨削区温度场及单空化泡热力学进行了基础研究,主要工作包括:(1)探讨了超声振动外圆珩磨基本机理。以珩磨本质磨粒-工件间的作用为基点,对珩磨磨粒进行了筛选;根据磨粒在工件上的磨削作用,对磨粒与工件之间的接触长度进行了理论推导,结合超声振动外圆珩磨过程中油石条同时进行往复和旋转运动的特性,将磨粒的复合运动纳入接触长度的计算过程中,从微观机理上揭示了外圆珩磨磨粒与工件之间的摩擦关系。(2)建立了超声振动外圆珩磨磨削区温度模型和磨削区热量分配模型。基于超声振动外圆珩磨这种特殊的加工方式,其珩磨油石条与工件之间的磨削接触长度及珩磨加工时间都与普通磨削有所不同,在传统热源模型理论的基础上,建立了对数热源分布的超声振动外圆珩磨磨削区热源模型;在珩磨磨削区内油石条与工件进行珩磨加工时会产生珩磨热量,传统磨削中,磨削热会以一定的比例分配到磨削区内,其中主要分配的有工件、磨削砂轮、冷却液以及磨屑,在超声珩磨的磨削区内,空化效应的存在会改变传统磨削热的分配形式,建立了考虑空化效应下珩磨热的分配比例模型,并分析了空化效应的对流换热系数。(3)对珩磨热量分配比例和珩磨磨削区温度场进行了数值计算。在空化效应下珩磨热的分配比例发生了变化,在比例分配模型中,多个磨削参数及珩磨参数都影响分配比例,首先计算了不同参数对模型中其余相关参数的影响,然后逐个分析各珩磨参数对珩磨热传入空化泡热量比例的影响,在超声主轴转速、超声波振动幅值、珩磨深度逐渐增大的过程中,传入空化泡的珩磨热比例也逐渐增加,但增大幅度和趋势有所不同,而当超声频率、油石往复速度和珩磨压力逐渐增大时,传入空化泡的珩磨热比例却逐渐减小,比较发现,珩磨压力对其影响最大;珩磨参数对磨削区温度场的影响各有不同,从变化趋势上,不同参数下珩磨磨削区温度基本呈现上升趋势,但在不同的珩磨参数组下其上升趋势和幅度不同,且在某些参数组下,珩磨磨削区温度在上升到一定程度后会有反弹趋势,这是由于珩磨时间短造成的,在珩磨参数中,超声波振动幅值的影响较为特殊,在其影响下磨削区温度并未表现出规律性的变化趋势,但在整体变化过程中,珩磨磨削区温度始终保持在一定范围,最低温度约为350k,而最高温度可以达到约1000k。(4)研究了超声振动外圆珩磨磨削区单空化泡动力学和溃灭温度。空化泡在珩磨磨削区内发生一系列动力学行为,在不同珩磨参数组下,其运动中所表现出的振动形式及振动幅度不同,建立了超声振动外圆珩磨磨削区单空化泡动力学模型;数值计算各珩磨参数对空化泡运动半径的影响,在参数变化时,空化泡会在磨削区振荡,在不同参数下,其振荡幅度不同,甚至在同一参数变化时,空化泡也会表现出不同的振动幅度甚至只发生微弱的振荡;在珩磨参数变化中,空化泡的最大振动半径可以达到初始半径的50倍;建立了珩磨磨削区单空化泡的溃灭温度模型,该模型以能量平衡为理论基础,建立在空化泡运动半径的基础上,并理论计算了空化泡溃灭时溃灭半径与溃灭温度之间的关系。(5)试验验证了超声空化泡溃灭热效应。分别在水和煤油两种不同的液体中对超声空化效应发生的强度进行了试验,不同环境下空化效应的产生时间和强度均不同,而相同环境下不同珩磨油石条上所表现出的空化状态也不同;利用铝箔纸对超声空化形成的热损伤进行了试验,在铝箔纸表面会形成形状、大小不一的空蚀坑,这与超声空化效应下空化泡溃灭时所释放的能量有关,且空化泡间相互作用对所形成空蚀坑的大小有明显影响;磨粒与空化耦合作用于铝箔纸表面时,磨粒会在冲击过程中粘结在铝箔纸表层,而所形成的空蚀坑与空化独立形成的相差较小,这表明与超声空化相比,磨粒所形成的冲击作用较小。
【图文】：

图 1.1 本文体系结构Figure 1.1 The structure of paper基于磨削理论及热源模型，结合外圆珩磨的独特性，建立了超声振动外圆珩磨磨热源模型，在传统磨削热分配比例的基础上，考虑了空化效应发生对磨削热

18图 2.1 超声振动外圆珩磨加工原理图hining princple graph of ultrasonic vibration cy保持固定不动，，但珩磨装置在往复运
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG580.67;TG663

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郑德友;孔凡霞;;超声振动扩孔纠偏研究[J];制造技术与机床;2013年03期

2 马世佩;;利用超声振动改善冷却液效率[J];航空工艺技术;1983年04期

3 黄文郁;朱炳森;;用超声波清洗机改装超声振动车削装置[J];机械开发;1984年04期

4 В·С·Лершun;刘作寰;;在拨管过程中应用超声振动[J];鞍山钢铁学院学报;1984年03期

5 张日升;;超声振动冲削[J];新技术新工艺;1984年06期

6 赵继;王立江;;超声振动车削表面的波谱分析[J];电加工;1986年04期

7 焦光明;汤铭权;;超声振动车削快速落刀装置的研制[J];电加工;1991年03期

8 张建中,于超,申奎东;超声振动扩孔的试验研究[J];电加工与模具;2000年06期

9 曾忠;微孔的超声振动钻削技术与工艺效果[J];机械工程师;2001年01期

10 张建中,李秀人,申奎东;超声振动干式扩孔的试验研究[J];电加工与模具;2004年01期

相关会议论文 前10条

1 赵继;王立江;;超声振动车削表面的波谱分析[A];第五届全国电加工学术年会论文集（特种加工篇与综合性论文篇）[C];1986年

2 招展;刘冠民;朱树新;;超声振动滚压45~#钢正交试验[A];第八届全国电加工学术年会论文集[C];1997年

3 祝锡晶;叙鸿均;;新型功率超声振动珩磨装置的研制[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年

4 杨继先;;陶瓷深孔加工的新方法——超声振动磨削[A];陕西省电加工学会第六届学术年会论文集[C];1996年

5 杨继先;杨素梅;张永宏;;超声振动车削铝基复合材料的研究[A];中国电子学会生产技术分会电加工专业委员会第六届学术年会论文集[C];2000年

6 杨继先;杨素梅;张永宏;;超声振动车削铝基复合材料的研究[A];陕西省机械工程学会电加工分会第七届学术年会论文集[C];2000年

7 陶国灿;王涛;邢栋梁;张建华;;超声振动辅助铣削表面纹理建模及其摩擦学性能优化[A];第15届全国特种加工学术会议论文集（下）[C];2013年

8 张洪丽;张金环;单绍福;;超声振动辅助磨削加工表面粗糙度[A];第15届全国特种加工学术会议论文集（下）[C];2013年

9 张勤河;张建华;张琪步;艾兴;;超声振动辅助气中放电加工实验分析[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年

10 张勤河;张建华;张琪步;艾兴;;超声振动辅助气中放电加工实验分析[A];2005年中国机械工程学会年会第11届全国特种加工学术会议专辑[C];2005年

相关博士学位论文 前10条

1 吕哲;超声振动辅助磨料水射流抛光冲蚀机理和工艺技术研究[D];山东大学;2015年

2 侯荣国;超声振动辅助磨料水射流脉动行为及其对加工机理影响机制研究[D];山东大学;2015年

3 孙智源;硬脆材料微结构光学功能表面的超声振动抛光技术研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

4 陶国灿;超声振动辅助铣削鱼鳞状表面成形机理及表面性能研究[D];山东大学;2016年

5 童景琳;基于非局部理论的超声振动磨削纳米复相陶瓷损伤机理研究[D];河南理工大学;2015年

6 王岩;轴向超声振动辅助磨削加工机理与试验研究[D];天津大学;2015年

7 张小强;超声振动外圆珩磨磨削区温度场及单空化泡溃灭温度研究[D];中北大学;2017年

8 齐海群;超声振动拉丝相关理论及其实验研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

9 张洪丽;超声振动辅助磨削技术及机理研究[D];山东大学;2007年

10 沈学会;超声振动辅助铣削加工技术及机理研究[D];山东大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 修晓;复合超声振动拉丝的理论与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

2 耿怡;金属外圆表面超声振动光整技术的研究[D];西安石油大学;2015年

3 刘小超;超声振动强化搅拌摩擦焊工艺及机理的研究[D];山东大学;2015年

4 张曼曼;超声振动辅助TA2纯钛箔板塑性变形行为与微冲裁机理研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

5 李华;基于超声减摩原理的气缸运动副摩擦特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 李华东;光学玻璃超声振动铣磨材料去除及表面质量研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

7 刘宇杰;基于超声振动辅助的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/C194铜合金的润湿及钎焊接头时效特性[D];河南科技大学;2015年

8 黄飞;超声振动微铣削动态仿真与实验分析[D];长春理工大学;2014年

9 汪强;Inconel 718超声振动辅助车削有限元仿真与实验研究[D];南昌航空大学;2014年

10 贾正首;功率超声振动珩磨技术应用研究[D];西南石油大学;2012年

本文编号：2520456