冷风纳米流体微量润滑磨削钛合金换热机理与实验研究

发布时间：2020-09-22 14:17

　　 磨削加工是机械加工中最基础且必不可缺的加工方式之一,在先进制造领域中占据重要地位。砂轮磨粒与工件之间的相对高速运动将会消耗大量的能量。而砂轮磨粒一般为负前角加工,所以材料磨除消耗的能量比其他加工方式大很多。而磨削过程中消耗的能量大多转化成热量聚集在磨削区形成局部高温,进而导致材料产生一定的表面热损伤(表面氧化和烧伤),甚至产生裂纹和残余应力,降低工件表面质量和完整性,特别是对于钛合金这类高硬度、低导热性的难加工材料而言。同时,集聚的高温会加剧砂轮磨损并降低砂轮的抗疲劳性,进而降低砂轮的加工精度和使用寿命。因此如何实现对磨削区有效地冷却和润滑具有重要意义。《中国制造2025》明确指出绿色可持续制造、清洁生产是当今制造业发展必然要求和发展趋势。纳米流体微量润滑技术具有优异的润滑效果,有效提高了切削液利用率和工件表面质量。但仍然存在着整体换热能力不足的瓶颈。而低温冷风技术则可以有效的带走加工区域的热量从而实现降低加工区域温度、控制磨削损伤的作用,但由于缺少润滑介质所以工件表面质量难以保证。结合低温冷风强大的冷却换热性能和纳米流体微量润滑优异的润滑效果,有望进一步提高磨削加工性能。鉴于此,在本文中将低温冷风和纳米流体微量润滑这两种绿色加工技术相结合,在保证优异润滑效果的同时,进一步增强磨削区的冷却换热能力,从而达到降低磨削区温度、提高工件加工质量的效果。本文针对冷风纳米流体微量润滑磨削进行了系统的理论分析和实验研究。主要研究内容如下:(1)依据磨削机理和磨削传热理论,以磨削区不同沸腾换热状态对应不同的换热能力为基础,建立了冷风纳米流体微量润滑磨削温度场换热系数数学模型。(2)研究了冷风纳米流体微量工况下钛合金磨削加工磨削区的换热性能。建立了磨削温度场有限差分模型,在模型基础上对不同冷却方式下磨削区温度场进行数值仿真和实验验证。并进一步从磨削区冷却换热机理上分析了不同方式下冷却换热性能。(3)研究了冷风纳米流体微量润滑对钛合金磨削加工比磨削能和摩擦系数的影响。得到了不同润滑方式下的比磨削能和摩擦系数,并进一步从粘度、接触角、润滑油膜的稳定性、液滴雾化效果以及工件表面形貌等方面分析了纳米流体微量润滑和冷风纳米流体微量润滑工况下磨削区的润滑机理。(4)研究了不同涡流管冷流比对冷风纳米流体微量润滑磨削换热机理的影响。对不同涡流管冷流比条件下磨削区温度场进行有限差分数值仿真和验证性实验,并对仿真和实验结果进行对比。进一步从比磨削能、纳米流体粘度、纳米流体表面张力和接触角、磨削区雾化及沸腾换热效果几方面对不同涡流管冷流比下磨削区的冷却润滑机理进行了分析,进而得出了磨削区冷却换热效果最优的冷流比。(5)研究了Al_2O_3纳米流体浓度对冷风纳米流体微量润滑磨削换热性能的影响。分析讨论了不同浓度Al_2O_3纳米流体条件下的比磨削能、纳米流体粘度和接触角、纳米粒子分散性及雾化效果等特性对冷却换热的影响,进而确定磨削区冷却换热效果最优的纳米流体浓度。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG580.6

【参考文献】

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本文编号：2824502