珩磨液的性能对在线气动测量精度影响的动态分析.pdf

珩磨液的性链对在线号动测量精度影响昀动态分析术 口宁会峰 1 ,2 1 ． 兰州理工大学 机电工程 学院 口王英达 1 , 2 口龚翔宇 兰 州7 3 0 0 5 0 2 ． 兰州理工大学 数字制造技术 与应用省部共建教育部重点实验室 兰州 7 3 0 0 5 0 3 ． 哈尔滨工业大学 航 天学院哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘 要 为 了研 究珩磨 液的性 能对在 线 气动测量精 度性 能的影 响 ，建 立 了珩磨 液 窄缝流场 的几何模 型 ，利 用 F L U E N T软件 中标准 k - e模型 ， 模拟 了湿珩状 态下珩磨 头的区域流场 ， 进行 了压 力场和速度 矢量场分析 ， 研 究结果得 出 提 高 气动 测 量 精 度 的 三 种 途 径 。 关键词 珩磨 液黏度流场分析测量精度 中图分类号 T B 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 9 0 0 8 8 - 0 3 在 珩 磨 加 工 时 为 了 减 少 工 件 的 发 热 ， 要 及 时 排 除 磨 屑 、 脱 落 的 油 石 磨 粒 ， 提 高 工 件 表 面 精 度 ， 防 止 工 件 、 工 具 积 瘤 ． 还 必 须 施 加 冷 却 润 滑 液 。珩 磨 加 工 过 程 中 所 用 的冷 却 润 滑 介 质 。 称 之 为 珩 磨 液 。 珩 磨 液 的 成 分 、 黏 度 、 供 油 方 式 、 输 送 压 力 、 流 量 、 流 向 、 温 度 对 珩 磨 加 工 的 工 艺 和 在 线 气 动 测 量 精 度 均 有 影 响 。 在 实 际 的 工 况 条 件 下 ，珩 磨 加 工 和 在 线 气 动 测 量 的 工 作 环 境 是 在 相 对 较 小 的 环 形 窄 缝 半 封 闭 空 间 ， 在 这 动 态 狭 小 的 工 作 空 间 内 ，各 种 工 作 参 数 均 会 对 测 量 气 体 的 运 动 形 态 产 生 影 响 ，并 且 相 关 工 作 参 数 极 易 产 生 耦 合 ， 甚 至 使 测 量 气 体 的 运 动 形 态 发 生 突 变 。 1 珩磨液 的概述 珩 磨 加 工 工 艺 通 常 采 用 组 合 配 方 珩 磨 液 ，并 可 根 据 珩 磨 加 工 工 件 的 材 质 等 条 件 灵 活 地 选 用 不 同 配 方 。 其 中 水 基 珩 磨 液 可 很 好 地 带 走 热 量 ， 冷 却 和 冲 洗 性 能 显 著 ， 适 用 于 粗 珩 和 高 硬 度 或 脆 性 材 料 的 加 工 。 油 基 珩 磨 液 宜 加 入 含 硫 添 加 剂 ，硫 与 铁 屑 中 的 铁 元 素 化 合 形 成 硫 化 铁 ， 具 有 抗 粘 焊 和 堵 塞 的 特 性 ， 可 消 除 粘 屑 现 象 ， 防 止 金 属 屑 粘 结 在 工 件 上 ， 造 成 珩 磨 表 面 国家重大科技专项 编 号 2 0 1 0 Z X 0 4 0 0 1 1 8 1 收稿 日期 2 0 1 1 年 6月 2 0 1 1 ／ 9 的 划 伤 或 出 现 裂 纹 ， 这 对 于 改 善 珩 磨 过 程 非 常 有 利 。 珩 磨 液 的 黏 度 影 响 珩 磨 效 率 ， 如 图 1所 示 。 黏 度 越 小 ， 珩 磨 金 属 切 削 率 越 大 ； 油 石 工 作 压 力 越 大 ， 珩 磨 金 属 切 削 率 越 大 。对 脆 性 材 料 或 高 硬 度 材 质 工 件 的 珩 磨 加 工 宜 选 用 低 黏 度 的 珩 磨 液 I 3 ] 。 2 珩磨 液的使用要点 1 珩 磨 液 的 给 油 方 式 。 有 常 规 供 油 和 压 力 供 油 两 种 方 式 。 为 保 证 珩 磨 液 流 量 充 足 且 有 足 够 冲 洗 力 ， 通 常 采 用 压 力 供 油 方 式 。 压 力 供 油 通 过 主 轴 、 法 兰 盘 、 侧 面 压 板 供 油 如 图 2所 示 等 几 种 形 式 ⋯。 图 3中 给 油 环 俗 称 水 环 ， 使 珩 磨 液 的 送 进 充 足 流 畅 ， 提 高 了珩 磨 质 量 。 2 珩 磨 液 的 过 滤 净 化 。 在 加 工 中 珩 磨 液 是 反 复 使 用 的 。 为 了 获 得 较 高 的 珩 磨 效 率 与 质 量 ， 须 注 重 珩 磨 液 的 过 滤 和 净 化 ； 否 则 会 使 油 石 堵 塞 ， 珩 磨 头 卡 死 、 划 伤 工 件 表 面 。 目前 常 用 的 过 滤 装 置 有 铜 纱 网 过 滤 沉 淀 装 置 、 磁 性 分 离 器 、 离 心 式 分 离 器 及 涡 流 分 离 器 等 。 当 过 滤 精 度 要 求 达 到 1 0 ～ 2 0 I ．z m， 须 采 用 精 过 滤 ， 即 采 用 磁 性 分 离 与 纸 带 过 滤 的 联 合 净 化 装 置 [ 1 ] 。 3 珩 磨 液 的 冷 却 。 珩 磨 液 的 工 作 温 度 超 过 3 5 ℃ 后 ， 容 易 使 珩 磨 产 生 振 动 ， 影 响 珩 磨 测 量 精 度 ． 从 而 降 低 珩 磨 表 面 质 量 。必 须 采 取 冷 却 措 施 ， 以 保 证 其 工 作 温 度 在 3 0 o C以 下 。 目前 常 用 的 冷 却 方 式 有 直 接 风 冷 、 水 机械制造4 9卷 第5 6 5 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冷 及 配 备 冷 却 装 置 等 。 3油石胀 出量 的确定 髓 麟 鹱 臻 缸 ‰ _ l 誊 一 I l。 ▲图 4珩磨头油石座胀出示意匿 左 『 初始位置 珩 磨 加 工 是 通 过 径 向 胀 出 的 油 石 与 工 件 内 壁 互 研 实 现 的 。 珩 磨 头 油 石 胀 出 前 后 的 形 态 如 图 4 所 刁 。 油 石 胀 出量 的 理 论 最 大 值 是 由 珩 磨 头 结 构 特 点 和 尺 寸 决 定 。 一 般 对 于 平 顶 珩 磨 头 来 说 ， 油 石 胀 出 量 a由 内置 大 、 小 锥 体 的 锥 度 和 尺 寸 大 小 决 定 的 。 ah t a n a ／ 2 1 式 中 a为 锥 体 的 锥 度 ； h为 实 际 锥 体 的 高 。 从 珩 磨 加 工 要 求 上 分 析 ，油 石 胀 出 量 a应 保 证 如 下 的 条 件 o ≥t a n O ／ 2 [ 1 r D n b ／ 2 ] 2 式 中 b为 油 石 宽 度 ； D 为 工 件 直 径 ； n为 油 石 数 量 ； 0 为 网 纹 交 叉 角 。 当 油 石 胀 出 量 小 于 式 2 的 计 算 值 时 ， 在 工 件 的 两 端 会 出 现 油 石 未 与 工 件 表 面 充 分 互 研 ． 从 而 造 成 工 件 的 鼓 形 误 差 。 综 合 式 1 、 2 可 得 油 石 胀 出 量 的 范 围 t a n 0 ／ 2 [ - r r D n b ／ 2 n ]≤口 ≤h t a n o d 2 3 式 3 可 方 便 地 确 定 油 石 胀 出量 范 围 ， 结 合 珩 磨 头 初 始 状 态 的 几 何 形 态 ，从 而 可 以确 定 湿 珩 状 态 下 珩 磨 液 流 场 的 几 何 形 态 以 及 气 动 测 量 气 体 流 场 的 几 何 形 态 。 4 基 于 F L UE N T的珩磨液流场分析 4 ． 1 珩 磨 液 窄 缝 流 场 的 几 何 模 型 珩 磨 头 上 在 护 板 左 右 交 替 排 列 着 粗 珩 油 石 座 和 精 珩 油 石 座 ， 其 上 分 别 安 装 着 粗 珩 油 石 条 和 精 珩 油 石 条 ， 机械制造4 9卷 第5 6 5 期 共 计 6组 。 珩 磨 头 长 1 0 0 h i m， 如 图 5所 示 。 珩 磨 头 与 工 件 内 壁 间 充 满 了 珩 磨 液 。 珩 磨 液 窄 缝 流 场 的 几 何 模 型 是 在 GAMB I T软 件 中 建 立 的 。 4I 2 网 格 划 分 流 域 模 型 建 立 完 成 之 后 对 整 个 流 域 使 用 F L UEN T 的 前 处 理 软 件 GAMB I T 中划 分 网 格 。 网格 划 分 时 采 用 混 合 网 格 T e t ／ Hy b r i d D 单 元 _ 2 _ ， 网 格 间 距 选 择 O ． 0 1 ， 如 图 3所 示 ， 网 格 总 数 约 为 21万 。 4． 3 数 值 模 型 及 边 界 条 4 4 - 采 用 F L UEN T 中 的 湍 流 模 型 选 用 标 准 k - e模 型 [ 。 1 材 料 设 置 本 实 验 工 作 液 体 为 珩 磨 液 Ho n i n g o i l 。密 度 8 3 0 k s ／ m ， 运 动 黏 度 2 ～ 8 mm2 ／ s 4 0 q C 。2 人 口边 界 条 件 设 置 珩 磨 液 的 给 油 速 度 为 3 m／ s 故 取 速 度 人 口 ； 3 出 口边 界 条 件 设 置 取 0UT F L OW E ； 4 壁 面 边 界 条 件 设 置 珩 磨 头 轮 廓 面 设 置 为 运 动 壁 面 MOVI NG WAL L ， 其 转 速 为 3 0 r a d ／ s ； 工 件 内 壁 壁 面 边 界 条 件 设 置 为 固壁 边 界 『 5 _ 。 4． 4模 拟 结 果 与 分 析 4 - 4 ． 1珩 磨 液 窄 缝 总 体 流 域 压 力 分 析 当 珩 磨 头 以 3 0 r a d ／ s的 速 度 绕 中 心 轴 高 速 旋 转 时 ， 珩 磨 液 以 3 r r d s的 流 速 均 匀 流 入 环 形 窄 缝 流 域 时 ． 珩 磨 液 环 形 窄 缝 流 场 的 压 力 分 布 并 未 发 生 紊 乱 。 珩 磨 液 的 压 力 沿 着 珩 磨 头 中 心 轴 向 下 的 方 向 以 一 定 压 力 梯 度 递 增 ， 珩 磨 头 表 面 区 域 如 图 7 a 和 整 个 环 形 窄 缝 区 域 如 图 7 b 的 压 力 分 布 稳 定 。 由于 气 动 测 量 喷 嘴 安 装 在 珩 磨 头 挡 板 上 ． 两 个 测 量 喷 嘴 位 置 呈 1 8 0 。 分 布 ，且 测 量 喷 嘴 中 心 位 于 珩 磨 头 的 笛 卡 尔 坐 标 系 Z 5 0处 ，进 行 珩 磨 液 窄 缝 流 域 Z 5 0 横 截 面 处 压 力 分 布 的 研 究 对 于 气 动 测 量 的 测 量 气 体 的 流 场 影 响 分 析 是 十 分 必 要 的 。 珩 磨 液 窄 缝 流 域 Z 5 0横 截 面 处 的珩 磨 液 的 动 压 分 布 如 图 8所 示 ． 可 以 看 出 ，挡 板 表 面 处 的 压 力 与 工 件 内 壁 处 的 压 力 是 极 为 接 近 的 。 而 紧 贴 工 件 内 2 0 1 1 ／ 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 壁 的 珩 磨 液 流 场 是 受 运 动 的 珩 磨 头 影 响 最 小 的 ，也 就 是 说 位 于 挡 板 中 心 的 测 量 喷 嘴 喷 出 的 气 体 ，在 喷 出 瞬 间 受 到 的 压 力 影 响 主 要 是 珩 磨 液 的 原 始 给 油 压 力 在 Z 5 0的 压 力 值 分 布 ， 与 珩 磨 头 高 速 运 动 产 生 珩 磨 液 的 动 压 变 化 关 系 很 小 。 由 此 可 知 ， 珩 磨 过 程 中 珩 磨 油 的 使 用 ， 在 压 力 方 面 对 安 装 在 珩 磨 头 上 的 气 动 测 量 仪 的 测 量 气 体 的 压 力 场 影 响 表 现 在 给 油 压 力 方 面 ；给 油 压 力 越 大 ， 则 测 量 气 体 的所 受 的 向 上 的 压 力 越 大 _ 3 ] 。 4 ． 4 ． 2珩 磨 液 窄 缝 总 体 流 域 速 度 矢 量 分 析 由 于 珩 磨 油 具 有 一 定 的 运 动 黏 度 一 般 在 2 ～ 8 mm2 ／ s 4 0 ℃ 之 间 ， 随 着 珩 磨 头 高 速 旋 转 ， 珩 磨 油 发 生 一 定 的径 向 运 动 ． 图 9 为 珩 磨 头 表 面 处 流 域 的 切 向 速 度 。 此 时 珩 磨 油 是 竖 直 向 下 的 流 动 和 一 定 的 径 向 旋 转 运 动 的 复 合 运 动 ． 但 从 总 体 来 看 ． 竖 直 向 下 的 流 动 是 珩 磨 油 的 主 体 运 动 ，故 矢 量 图 在 沿 着 珩 磨 头 中 心 轴 几 乎 没 有 速 度 梯 度 的 变 化 。 由 于 珩 磨 油 的 主 体 运 动 是 竖 直 向 下 的 流 动 ，并 在 时 间 上 没 有 梯 度 变 化 ．对 于 气 动 量 仪 的 测 量 气 体 只 是 单 方 向 的 影 响 ，这 使 研 究 测 量 气 体 在 该 工 况 条 件 下 的 运 动 分 析 得 到 很 大 程 度 上 的 简 化 。 Z 5 0横 截 面 处 的 珩 磨 液 质 点 速 度 与 窄 缝 流 域 的 间 隙 成 正 比 ， 间 隙 越 大 ， 速 度 越 大 ， 流 动 越 流 畅 。 在 实 际 湿 珩 状 态 中 ， 挡 板 与 工 件 壁 面 间 的 缝 隙 不 变 ， 由 于 油 石 的 胀 出 。 反 而 变 成 较 大 的 间 隙 ． 则 靠 近 测 量 喷 嘴 处 的 珩 磨 液 速 度 较 大 。 对 测 量 气 体 流 场 的 影 响 相 对 较 大 。 在 图 1 O所 示 的 局 部 放 大 图 中可 以 观 察 到 ． 在 流 域 2 0 1 1 ／ 9 集 中 的 较 大 区 域 出 现 了 速 度 激 增 现 象 ，但 挡 板 表 面 处 流 域 并 未 出现 速 度 激 变 ， 而 与 工件 壁 面 珩 磨 液 的 速 度 接 近 。 对 于湍 流 动 能 ， 总 体 处 于 较低 水 平 ， 进 一 步 说 明本 实验 给 定 条 件 下 的 珩 磨 液 环 形 窄 缝 流动 为层 流 流 动 。 4 ． 4 ． 3 极 限 情 况 分 析 为 了更 好 地 得 出珩 磨 油 运 动 粘 度 和 珩 磨 头 运 动 速 度 对 珩 磨 液 流 场 的 影 响 的 相 互 耦 合 关 系 ，设 置 了 一 系 列 极 限 情 况 1 珩 磨 液 流 量 大 幅 度 降 低 。 即 流 场 进 口 速 度 减 小 时 最 小 取 0 ． 5 m／ s ； 2 珩 磨 头 旋 转 速 度 提 高 ． 即 珩 磨 液 流 场 中 运 动 壁 面 速 度 提 高 时 最 高 取 5 0 r a d ／ s ； 3 珩 磨 液 运 动 黏 度 最 大 取 8 mm2 ／ s 4 0 C 仿 真 得 到 如 图 l l所 示 的 珩 磨 液 窄 缝 矢 量 局 部 放 大 图 ， 可 以 看 出 在 Z 5 0的 流 场 截 面 上 ． 珩 磨 液 的 径 向 运 动 十 分 明 显 。珩 磨 液 明 显 增 强 的 径 向 运 动 场 在 与 竖 直 向 下 的 流 动 场 复 合 时 。 必 会 改 变 珩 磨 液 向 下 流 动 的 主 体 运 动 ， 发 生 湍 流 现 象 。 这 对 于 气 动 测 量 仪 的 测 量 气 体 的 运 动 产 生 很 大 影 响 ， 从 而 降 低 气 动 测 量 的 测 量 精 度 ， 最 终 使 珩 磨 加 工 表 面 精 度 降 低 。 为 了 避 免 这 种 情 况 的 发 生 ， 提 高 测 量 精 度 ， 曲 丁 以 从 以 下 两 方 面 人 手 1 提 高 珩 磨 液 的 给 油 流 量 ， 即提 高 流 场 进 口速 度 ； 2 选 用 运 动 黏 度 较 小 的 珩 磨 液 。 5 结论 珩 磨 液 是 珩 磨 实 际 加 工 中 最 重 要 的 1 况 条 件 。 其 工 况 参 数 如 黏 度 、 流 量 、 给 油 压 力 、 温 度 都 对 珩 磨 在 线 测 量 有 着 较 为 重 要 的 影 响 。 因 此 对 于 珩 磨 液 环 形 窄 缝 流 场 的 分 析 是 十 分 必 要 的 ，本 文 分 析 了 该 流 场 的 压 力 场 和 速 度 场 ， 得 出 了提 高 测 量 精 度 的 3种 途 径 ． 1 珩 磨 加 工 前 的 初 次 测 量 可 考 虑 在 湿 珩 条 件 一 V 进 行 ． 以 消 除 干 珩 与 湿 珩 这 两 种 不 同 状 态 对 气 动 测 量 精 度 的 影 响 。 2在 较 高 的珩 磨 头 转 速 下 ， 应 相 应 提 高 珩 磨 液 的 给 油 流 量 或 压 力 来 保 证 测 量 精 度 。 3 在 满 足 珩 磨 加 工 要 求 的 前 提 下 ， 尽 量 选 用 运 动 黏 度 小 的 珩 磨 液 ， 保 证 测 量 精 度 ， 从 而 提 高 珩 磨 加 精 度 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张云电． 现代珩磨技术 [ M] ． 北京 科学 出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 王瑞金， 张凯 ， 王刚． F L U E N T技 术基础 与应 用实 例 [ M] ． 北 京 清华大学。 2 0 0 8 ． [ 3 ] 石淼森． 气 动测量 [ M] ． 北京 中国计量 出版社， 1 9 9 2 ． [ 4 ] 温正， 石 良辰， 任毅 如． 流体计 算应用教程 [ M] ． 北京 清华 大 学 出版社， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 韩 占忠， 王敬， 兰小平． F L U E N T 一流体工程仿真 计算实例 与 应 用[ M] ． 北 京 北京理工大学 出版社， 2 0 0 4 ． △ 编 辑 丁罡 机械制造4 9卷 第 5 6 5 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m