磨削區壓力場速度場的建模仿真分析

呂自強 李華 李想

(1.河南工業大學機電工程學院,河南鄭州 450007;2.蘇州科技學院,江蘇蘇州 215001;3.河南科技大學醫學院,河南洛陽 471023)

磨削區壓力場速度場的建模仿真分析

呂自強1李華2李想3

(1.河南工業大學機電工程學院,河南鄭州 450007;2.蘇州科技學院,江蘇蘇州 215001;3.河南科技大學醫學院,河南洛陽 471023)

在砂輪高速磨削時，砂輪周圍的空氣隨著砂輪的旋轉進入磨削引入區，一部分出現返回流阻礙磨削液的有效進入，另一部分發散掉和通過砂輪和工件的帶動到達磨削引出區。本文仿真主要建立砂輪氣流場仿真模型，通過仿真觀察砂輪高速旋轉周邊氣流場的壓力和速度變化規律，從而為本課題的納米汽霧突破氣流場的實驗作鋪墊。

磨削 氣流場 壓力 速度

1 引言

砂輪在高速旋轉時會帶動砂輪周圍空氣隨砂輪的表面一起運動使砂輪的表面產生了一個空氣附面層，即氣流場。在磨削引入區，高速氣流場會在此區域產生較高的動壓力場并產生與砂輪回轉方向相反的氣流層，形成氣障使磨削液難以進入磨削區，起不到降溫工件和砂輪的作用，這不僅對工件的加工精度和表面質量產生影響，還大大縮減了砂輪的使用壽命，使的加工條件惡化，制約磨削技術的發展。東北大學李長河教授，鞏亞東教授，英國學者S.Ebbrell和武漢理工大學的鄭鈞宜教授等[1-5]通過不同角度對磨削區氣流場進行研究。工件表面粗超度大時磨削液會隨著工件表面的溝壑潤濕接觸，表面光滑時磨削液會與工件表面的附著力減小，減小磨削液對其流場的影響，因此縮小磨削液尺寸有利于達到降溫效果[6]，達到綠色加工。能夠對砂輪周圍的氣流的壓力場和速度分布規律作詳細的研究，和砂輪轉動時周圍氣流的特性，使冷卻液有效的避開返回流，以至于達到對磨削液有效利用。

2 平面砂輪的磨削引入區和引出區的氣流場仿真分析

2.1 模型仿真分析

本仿真中仿真條件：砂輪直徑200mm，厚度20mm，不考慮氣體的粘度，忽略環境的溫度變化，由于工件進給速度和砂輪的轉速相比很小，忽略工件進給速度。如圖1是建立的砂輪氣流場仿真模型。

從圖2，3可以看出在在砂輪旋轉的時候，砂輪的周圍有很薄的氣流隨著砂輪一起旋轉，到達砂輪的旋轉間隙對氣流形成阻礙作用很大一部分氣流沿著工件反向流動，因此，在磨削引入區有很明顯的返回流，形成“氣障”，同時在磨削引入區形成一個范圍較大的正壓力區，在引出區形成范圍稍小的強負壓區。

2.2 速度形成的規律分析

由圖4，不同間隙相同砂輪轉速方面看，在砂輪的磨削引入區氣流場的速度逐漸增大，隨著間隙的減小速度的峰值逐漸增大，速度曲線也越來越窄且間隙的大小對水平速度方向影響不大。相同間隙不同砂輪轉速方面看，可以分析：看出隨著砂輪的轉速的增加，周邊的氣流速度變化很大，水平方向的寬度變大，特別是在磨削點的速度值最大，可見此時的氣流會向水平方向運動，會帶動磨削液向砂輪邊運動，這種現象會減少磨削液進入磨削區。

由圖5，不同間隙相同砂輪轉速，砂輪的轉速不變，改變間隙的大小，在磨削引入區隨著間隙的減小，速度峰值增大，但是與砂輪的轉動方向相反，因此阻礙磨削液的注入。相同間隙不同砂輪轉速方面看，可以分析：隨著砂輪轉速的增加，在磨削引入區，速度峰值越來越大，速度方向與砂輪的轉動方向相反，阻礙了磨削液進入磨削區。

圖1 砂輪氣流場仿真模型

圖2 速度矢量局部放大圖

圖3 壓力局部放大圖

圖4 X向流場速度對比

圖5 Y向流場速度對比

2.3 壓力形成的規律分析

由圖6，不同間隙相同轉速方面看，在砂輪的引入區，隨著間隙的減小壓強逐漸增大，而引出區會產生很大的負壓，而且隨著間隙的減小負壓的絕對值減小，這是因為間隙減小通過的氣流越少，產生的負壓也隨之減小。相同間隙不同轉速方面看，隨著砂輪的轉速的增加，磨削引入區的壓力逐漸增加，而且增加的趨勢很大，越靠近最小間隙壓力越大，在磨削引出區的負壓絕對值也增加很快，這說明隨著速度的增加通過間隙的氣流有所增加。由圖7從不同間隙相同轉速方面看，在砂輪與工件的最小間隙位置間隙大小改變，動壓力的峰值大小變化不是很大，砂輪周圍的流場動壓力變化不是很明顯。相同轉速不同間隙方面看，隨著砂輪轉速的增加，在間隙位置的動壓力增大，說明在相同間隙時，隨著砂輪的轉速的增加，砂輪周圍的空氣流速變快，所以間隙周圍的流場動壓力增加很快，對于磨削液的進入有很大的影響。

圖6 流場靜壓力對比

圖7 流場動壓力對比

3 結語

本文是在超高速磨削區氣流場的理論基礎上，采用有限元分析方法，利用FLUENT軟件建立了二維模型。分析了改變砂輪和工件的間隙，砂輪的轉速對磨削氣流場的影響。

仿真結果表明：

隨著砂輪的轉速的增加，砂輪圓周的氣流層厚度沒有明顯的變化。氣流隨在砂輪進入磨削區，經過間隙的阻礙作用，氣流沿著工件反向流動，且隨著砂輪轉速的增加而增加，氣流強度增加。在磨削引入區隨著砂輪的轉速的增加壓強逐漸增大，在引出區壓強的絕對值增大，并且呈現負壓狀態。隨著間隙的減小引入區的壓強逐漸增大，引出區逐漸減小，這是由于間隙減小流過間隙的氣流減小。通過觀察發現氣流隨著砂輪的轉動而轉動，那么當冷卻液噴到砂輪上的液體肯定有部分隨著砂輪進入磨削區。

[1]鞏亞東,王宛山,于盛蓁．超高速磨削砂輪氣流場影響因素分析與研究[J].第三屆十省區市機械工程學會科技論壇暨黑龍江省機械工程學會2007年年會論文(摘要)集,2007,7：110-115．

[2]Song Guiliang,Liu Wenzhi,Cai Guangqi．Grinder and Grinding，2(1997),P63．

[3]Song Guiliang,Gong Yadong,Cai Guangqi.Aviation precisions manufacture technique,3(2000),P16．

[4]鄭鈞宜.磨削射流冷卻的理論分析和實驗研究.武漢理工大學博士學位論文,2008年．

[5]鄭鈞宜,李楠,江征風.磨削液射流兩相流流場特性的應用研究[J].機床與液壓,2009,1(1)：20-23．

[6]蔣大林.固液界面潤濕的分子動力學研究及實驗.江蘇大學碩士學位論文,2007年．

呂自強,男,學歷：研究生,職稱：在讀研究生,研究方向：機械工程。