超高速磨削砂轮气流场影响因素分析与研究.pdf

超高速磨削砂轮气流场影响因素分析与研究 1 1 2 巩亚东 王宛山 于盛蓁 1东北大学机械工程与自动化学院 辽宁省机械工程学会2 摘 要：本文围绕超高速磨削气流场分布和影响因素进行了系统的理论分析和实验研究，采用了粒子速度 成象（PIV）的方法，进行了多变条件的大量实验和数据采集，提出实验数据和图象使用FlowMap 、Tecplot、 Matlab 软件系统进行处理的方法。对其实验结果进行分析，得到多种因素对于超高速磨削气流场影响的 一般规律，以期为实现超高速磨削液有效供给提供研究基础。 关键词：超高速磨削 气流场 粒子速度成像 气障 磨削砂轮 1、引言 近年来，磨削加工的生产率不断提高，并开始朝着超高速和自动化以及智能化方向发展。对于超高 速磨削的技术优势和经济效益，人们一直给予充分的关注和重视。在超高速磨削过程中，对于使用金属 基体的 CBN 砂轮的磨削中，因为金属基体中没有气孔存在，所以不存在内部流及浸透流，而只有圆周环 流、径向流。它们在磨削区前的楔形区域形成了非常复杂的气流场，S.Ebbrell[1-2] 通过实验测量了磨削区 附近气流的压力，发现压力随着砂轮速度变化很大。在高速磨削过程中，为突破气障的影响经常采用一 些方法，如使用刮板改变原来的气流场、提高冷却液供给的压力和流速及增加冷却液的流量等，而这些 措施的有效实施，必须依据对超高速磨削区气流场影响因素的正确分析。 2、超高速磨削砂轮表面的气流场测量实验 为研究消除超高速磨削气障，实现有效冷却润滑提供实验的依据，通过实验来测量磨削砂轮表面的 气流场,实验装置如图 1 所示。主要采用粒子成像速度 （Particle Image Velocity PIV）测量系统，如图 2 所示，测量砂轮和磨削区不同位置的速度矢量分布情况，同时将测量的数据进行相关处理后，获取更多 [3-4] 有用的信息进行超高速磨削砂轮气流场的研究 。 实验中通过粒子速度成像 （PIV）仪拍摄得到粒子星云图后，首先根据测量分析需要进行标记（Mark ） [5] 处理 ；然后使用FlowMap 对其进行一次或两次相关处理得到矢量图；再使用 Tecplot 处理成为流线图和 等值场图；最后使用 Matlab 处理成为三维速度分布图和横向、纵向截面曲线图，另外，还将同一变化参 数的不同条件的多个曲线处理成多曲线比较图。以方便后续进行实验结果的进一步的讨论与分析。 3、超高速磨削气流场影响因素分析 （1）砂轮圆周位置影响分析 通过测量砂轮圆周位置的气流场的分布情况分析其影响。图 3 为平形砂轮顶部气流场的分布情况， 而图 4 是砂轮旋转进入磨削区时的气流场分布情况。经过比较分析可以得出：在砂轮顶部，气流沿半径 方向速度逐渐增大，在接近砂轮外缘时速度急剧下降，因而由砂轮旋转引起的气流层的厚度不是很大， 这是由于气流层随着砂轮旋转，作离心运动。因而，可以看到在图 3 中气流作离心运动并引起涡流的扩 散，这样进入磨削区的气流实际上只是附着在砂轮圆周表面上的较薄的气流层，并由这层速度较高的气 流产生气障效应，阻止磨削液进入磨削区。另外由于在磨削引入区的楔形形状，对于气流有着阻挡和压 缩作用，从而使得裹附着在砂轮表面上的气流速度急剧降低，而压强增大，因此形成所谓的滞胀区。 图1 气流场测量实验装置 图2 PIV 测量系统 (a) 流线图 (b) 速度梯度图 图3 砂轮顶部气流场速度分布图 (a) 流线图 (b) 速度梯度图 图4 磨削区气流场速度分布图 （2）砂轮轴向位置影响分析 在不同的光屏测量位置测量得到的测量结果，分别代表着砂轮轴向位置的气流场特征。图 5 为平形 砂轮磨削引入区砂轮端面拍摄区域的砂轮气流场的分析结果，而图 6 则为平形砂轮磨削引入区砂轮中心 位置的砂轮气流场分布情况。 (a) 流线图