（机械设计及理论专业论文）纺织钢领新型抛光工艺及其抛光机理的研究.pdf

摘要 摘要 本文创造性地将化学机械抛光( c m p ) 技术应用于纺织钢领的抛光中。通过试验表 明：相对于传统的磨料流加工( a f m ) 技术，c m p 技术抛光钢领时具有抛光效率高、 表面光洁度好等优点。 通过正交试验的方法，找出了公转转速、磨料容积比等诸多因素影响下的最好水平 组合，并且，应用这种最好组合所做的抛光试验，也取得了令人满意的结果。 通过计算流体力学( c f d ) 的方法，发现料桶形状和转动比对抛光效率也存在着影 响。转动比控制着行星料桶内部液固两相的流念特征，而不同的流态特性影响着钢领的 抛光效率。将模拟结果与高速摄影的试验进行了对比，结果表明c f d 模拟结果是很可 靠的。通过对比各种转动比下的特征图，发现随着转动比的增大，行星料桶内部磨料经 历了由堆积在料桶一侧到弥散最后再到堆积在料桶四周的一系列的变化过程。而磨料在 料桶中的弥散程度对抛光效率的影响也是显著的，当磨料堆积在一侧时，分布在另一侧 的钢领难以达到与在磨料中的钢领同样的抛光效果：同样，当磨料紧贴在料桶壁面的四 周时，分布在料桶中间的部分钢领也难以很好的抛光，由此，得出了离心抛光机最佳转 动比的控制范围。 最后，论文主要分析了行星料桶中抛光钢领的抛光机理，并且研究了软质层的生成 对磨损率和抛光质量等重要参数的影响。试验及研究表明：在软质层的作用下，随着磨 损率的增加，钢领表面的质量相应得到了提高。 关键词：钢领，机械化学抛光，正交试验，计算流体力学，抛光机理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ra p p i i 骼c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ( c m p ) t e c h n o l o g yt 0 p o l i s h i n g p r o c 懿sf o rt e x t i l er i n gc r e a t i v e l y i ti sv 鲥6 e dt h a tc m pt e c i u l o l o g yh 舔t h ea d v a n t a g eo f h i g l l p o l i s l l i n ge 施c i e n c y 锄d9 0 0 ds u r f a c eq u a l i t yc o m p a r c d1 0a b r 捌v en o wm a c h i n i n g ( a f m ) t e c h n o l o g yt l l r o u 曲p o l i s h i n ge x p e r i m e n t o nt h eb 嬲i so fo n h o g o n a lt e s to fs p i n n i n gr i n g s ，t h eb e s tl e v e lc o m b i n a t i o nu n d c rt l l e f a c t o r so fr o t a t i o n a lv e l o c i 劬v o l u m er a t i oo fa b r a s i v e 锄ds oo na r eg a i n e da n dt h er e s u l t s 缸e s a t i s f a c t o d ，a c c o r d i n gt oe x p e r i m c n t a ld a t a u s i n gm e t h o do fc o m p u t a t i o n a ln u i dd y n 锄i c s ( c f d ) ，i ti sf o u n do u tm a tt h es h a p eo f b a 玎e l s 锄dt h ef l o w - p a t t e n lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b r a s i v en u i di np l a i l e t a 巧b a 玎e l sa r e c l o s e l yr e l a t e dt om eq u a l i t y 锄de 伍c i c n c yo fr i n g s a n di ti sa i li m p o r t a n tp a r a l l l e t e ro f p l a n e t a r yd r i v e rr a t i ot oc h a n g em en u i dc h a m c t e r i s t i c s i i lt h i sp a p e r a n a l y s i so ft h ei m p a c t s o fd i 行旨e n tp l a n e t a r y “v e r 阳t i oo n 虹n e m a t i cd l a r a c t e r i s t i c si s p r o v e da c c 印ta _ b l y 锄di n a c c o r d 肌c ew i t hm 印so 仆i g l ls p e e dp h o t o 莎a p h yb yc f dm e t h o d t h r o u 曲m i sc o m p 撕s o n ， i ti sf o u i l dt h a ta b r 弱i v ee x p 鲥e l l c e dt h r e es t a g e s ，舶ms t a c k i n gs t a g et 0d i s p e r s i o ns t a g e 锄d t os t a c k i n gs t a g ew i t hi n c r e a s i n go fr a t i o i ti sc l e a rt h a tm a c h i n i n ge 衔c i e n c yi sm o r e s e n s i t i v eb yd i s p e r s i o ne x t e n d ，a r l dr i n g sa w a yf 如ma b r a s i v ea f e h a r d l yp o l i s h e d t h es c o p e o ft h ep l a l l e t 龇yd f i v e rr a t i oi sd e t e n n i n e di nt h e 锄d f i n a l l y p o l i s h j n gm e c h a n i s mi sa 1 1 a l y z e d ，w h i c hs h o w sm a tas o rl a y c rf o m e db y 舭 p o l i s h i n gs o l u t i o no nt h es p i r m i n gf i n g ss u r f a c el e a d st oi n c r e a s ei nt h ep o l i s m n ge 街c i e l l c y k e y w o r d s ：s p i n n i n gr i n g s ，c m p o n h o g o n a lt e s t ，c f d ，p o l i s h i n gm e c h a n i s m n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的蠢己明并表示谢意。 签名： 斑蟛目 飙 丛必二暖 关于论文使用授机0 说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全一| ：j 气鄙分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段俅存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的肉容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：蟹暧筅 加罐，谚 导师签名：二多交文f 日 期： 一加d 。主必 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了纺织钢领的外观、型号、应用场合。通过分析目前钢领加工的主要 工艺，了解到钢领加工制造单位提高钢领抛光效率的迫切需求。在最后，说明了化学机 械抛光( c m p ) 技术应用于钢领抛光工艺中的方法及相关注意事项，为研究c m p 技术 在钢领抛光工艺中的应用作了必要的准备。 1 1 钢领简介 我国是世界纺织制造大国，拥有环锭细纱机锭数约8 0 0 0 万枚，数量位居世界第一。 坏锭纺纱机的“环”即指钢领，钢领是环锭纺纱机对纱线加捻和卷绕的关键元件其结构大 致有以下几种：p g 型、b c 型、d b 型、z m 型掣，如图1 1 所示。 ( a ) b c 型( b ) p g 型( c ) d b 型 ( a ) b cm o d e l( b ) p gm o d e l( c ) d bm o d e l 图卜l 钢领的各种型号 f i g 1 1k i n d so fm o d e lso fr i n g s 1 1 1 b c 型下支撑多点接触钢领 钢丝圈与其接触面积大，约是p g 型的2 倍； p g 型延长2 倍以上；纱线通道宽，也容易散热， 1 1 2 p g 型钢领 ( d ) z m 型 ( d ) z mm o d e l 所以压强小，耐磨性好，使用寿命也比 比p g 型应用前景看好。 该钢领目前使用量最大，但寿命最短，如果表面不处理则必定有三大缺点、一大优 点。缺点：易生锈；使用7 8 个月就开始衰退，纱厂通常必须回磨一次才能再使 用3 4 个月，总计l o 1 2 个月就不能再用；纱线通道窄。优点是价格低，用户易接 受。 1 1 3 d b 型钢领 有主跑道和辅助胞道的钢领，接触面积是p g 型的4 倍，从而大大减少钢丝圈在跑道 上的受力，纱线通道宽，散热好，耐磨性强，寿命是p g 型的5 6 倍，与p g 型、b c 型一 样，既可纺粗号纱也可纺细号纱，是未来最有前景的细纱机钢领。 1 1 4 棉纺z m 型锥面钢领 由于钢丝圈使用寿命短，所以其使用也受到了限制；优点是两者接触面积大，所以 压强小；纱线通道宽、钢丝圈散热好，耐磨性好；寿命是p g 型的5 6 倍。 钢丝圈在钢领上以1 7 0 0 0 转分钟的高速摩擦运转【2 1 ，如图1 ，2 ，对高速纺纱制造和 产品质量影响很大，钢丝圈线速度高，产量也大大提高。钢丝圈在这么高的速度下在钢 领的跑道上滑动时，滑动摩擦造成的粘着磨损和热疲劳磨损是导致了钢领的失效【3 】【4 l 。 江南人学硕 ：学何论文 因此降低钢领工作表面粗糙度，势必会降低滑动摩擦引起的磨损，也即：钢领对工作 表面有相当高的质量要求。目f i ，我国钢领使用周期为8 个月1 2 个月，而且在生产中 使用3 个月要下机进行磨砺抛光处理，再上机使用。这种反复的抛光过程，加上对钢领工 作表面苛刻的要求，导致了工厂需要一种简单高效的加工工艺。这是我们迫切研究和探索 的课题【5 1 。 图卜2 ( a )0 r b i t 体系钢领一钢丝圈图卜2图卜2 ( b )普通钢领一钢丝圈 f i g 1 2( a ) o r b i ts y s t e mo fr i n ga n dt r a v e l e rf i g 1 2 ( b ) o r d i n a r yr i n ga n dt r a v e l e r 1 2 传统磨料流技术抛光钢领 表面抛光的过程实际上是表面整平和抛光的过程。在进行表面抛光的过程中一般可 分为三个阶段：磨平、粗抛、精抛。一般的做法是将较粗糙的表面磨平，然后先粗抛再 进行精抛，这主要取决于对零件加工的要求。目前，针对钢领的抛光主要采用机械批量 抛光的方法，即：把批量的零件和磨料、抛光剂等投入到料桶、震动机、离心机等设备 中由机器带动，使机器内的物体做三维空间运动，产生相互间的摩擦，于是零件表面及 周边的毛刺等粗糙部分被磨去、棱角变圆滑、表面的氧化皮去除，使表面平整亮化，达 到抛光的目的。这种方法可以分为干式、湿式抛光：加进干的磨料、抛光剂等，零件在 干燥状态下抛光的称干法抛光；加进磨料及抛光液、润滑剂等，零件在湿润的状态下抛 光的称湿式抛光。 在零件与磨料等在滚动机中抛光时，由于滚动时各部位的削磨程度不一样，故存在 锤打效果，所以抛光效果不太理想；利用震动抛光机时，虽然加工效率较滚动抛光有些 改善，但是，这种主要依靠重力场作用抛光的方法难以得到粗糙度比较底的表面；在离 心机中抛光时，磨料与零件受到两个离心力场和重力场的作用，因而加工效率比震动和 滚动抛光要高，并且获得的加工表面的质量也比较好。这两种方法中，湿式抛光占了很 大的比重。目前，针对钢领的抛光方法主要有： 1 2 1 陶球抛光 陶球抛光工艺就是将陶土、氧化铬氯、研磨砂、地蜡、硬脂酸等原料按照一定的比 例配制，并加热，搅拌均匀，经制球机制成直径为4 m m 的小求在料桶内保养两周后， 2 第一章绪论 放在斜角为4 5 度的旋转钟型罐内，再将钢领放在其中进行抛光。铡领与磨料之问是依 靠本身重力而产生相对摩擦运动的，而且只有表面一层的作用较大。料桶的转速不能太 高，高了就会由于离心力的作用，钢领紧贴在料桶的壁面上，从而使相对摩擦运动降低。 所以，转速一般控制在3 0 印m 左右。陶球抛光工艺存在以下几个问题： 1 抛光效率低，每次只能抛光4 0 0 只，并且需要抛光2 4 小时，不能满足生产要求。 2 陶球抛光工艺对温度的要求严格( 2 0 2 5 c ) 。温度高了就会产生粘药现象，低了 易碎。凡是粘药的地方均抛不到光，约占1 3 左右。所以，生产中就要求对抛光工艺进 行改进，于是，湿式行星抛光便应运而生。 1 2 2 湿式行星抛光 下图1 3 为行星抛光机的传动示意图。此机器为行星式传动系统。主传动的一级为 皮带传动，行星为链轮传动，运动是噪音相对较小，传动平稳，无丢转现象。大转盘在 电动机的带动下，绕主轴旋转，四个行星筒除了随大料桶一起公转外，又有自转。行星 筒内的钢领、磨料、抛光剂按照一定的规律相对运动。 在湿式行星抛光中磨料的作用主要是从工件表面上将金属切削下来。因此，一般采 用由氧化铝高温烧制的磨料，这种磨料硬度高、耐用、自锐性能好；抛光剂的作用在工 件表面形成一层液体，可减少破裂。其次，金属颗粒由于有液体的冲刷不易附在钢领表 面上，这样，抛光能连续不断的进行。 钢领的湿式行星抛光相对于陶球抛光有表面光洁度高：耐腐能力高；钢领使用寿命 长等特点1 6 】。 l6 卜甩动机2 一皮带3 一链轮4 一科桶5 一中心链轮6 一大皮带轮 7 一张紧轮8 一链条9 _ 小链轮l o 一大转盘 图卜3 行星抛光机结构示意图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo ft h ec e n t r i f u g a lp o lis h i n gm a c h i n e 上面这两种抛光技术可称为磨料流抛光技术。磨料流抛光又称挤压珩磨，是一种先进 的抛光技术。它是由挤压珩磨机借助磨料，在一定的压力下往复流动，对被加工零件的表 面进行珩磨加工。磨料流抛光是利用含有一定数量磨料颗料的半流体( 磨料流体介质) 对 工件表面进行加工的一种新工艺。加工时，磨料流体介质以一定的压力和流量，往复通过 被加工表面。磨料颗粒在压力和流速的作用下，对金属工件表面或棱边进行挤压或抛光、 去除毛刺和倒圆角。 江南人学硕十学位论文 猫头鹰纺织器材有限公司采用的便是湿式加工，这种抛光方法虽然操作维护简单， 质量稳定，但是加工效率不高，调研时发现，抛光一次所要时问为1 5 0 分钟，抛光钢领 数量为2 8 0 件，而且表面质量不高( r a l p m ) 。 其他抛光方法，诸如化学抛光、电化学抛光，由于加工表面质量不高和对环境污染 比较严重，所以很少采用。 1 3 化学机械抛光技术抛光钢领 1 3 1 化学机械抛光技术简介 化学机械抛光( c m p ) 技术综合了化学和机械抛光的优势，是目前唯一的全局平面 化技术，目前主要应用于芯片的加工中。c m p 技术吸收了单纯机械抛光和单纯化学抛 光两者的优点，既可以获得较完美的表面，又可以得到较高的抛光速率，得到的平整度 比其他方法高两个数量级，是能够实现全局平坦化的惟一方法1 7 】。 作为目前最好的实现全局平面化的工艺技术，c m p 技术的加工表面具有纳米级型面 精度和亚纳米级表面粗糙度【引，同时表面和亚表面无损伤，已接近表面加工的极限，其 抛光设备结构如图1 4 。当前，c m p 技术广泛应用在集成电路、计算机磁头、硬磁盘等 超精密表面加工，如化学机械抛光应用在半导体工业中的层间介电介质，镶嵌金属w 、 a l 、cu 、a u ，多晶硅，导体，绝缘体，硅氧化物等的平坦化加工；薄膜存储磁盘， 微电子机械系统、陶瓷、磁头、机械磨具、精密阀门、光学玻璃、金属材料等表面超精 密加工【9 1 。到目前为止，还未见将c m p 技术应用于钢领的光整加工的报道。 ( 图卜4 化学机械抛光装置简图 f i g 1 4t h ec h e m a t i cd r a w i n go fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp 0 1i s h i n g 1 3 2c m p 技术抛光钢领 钢领是纺机中的主要高速部件之一，除了几何形状及与之配套的钢丝圈的设计、精 确加工及材质选用等外，钢领跑道加工后的最终的表面状态，又是十分重要的环节。它 影响与钢丝圈的摩擦系数、卷绕张力、气圈形态及钢丝圈的平稳运行等。因此，如何既 能够使钢领表面状态更好地符合细纱机生产的工艺要求，又能够保证钢领的加工效率， 已经成为钢领制造厂和纺织生产企业所十分重视的问题【1 0 j 。 目前，钢领表面的处理一般采用湿式行星抛光，这种方法虽然较之砂光或者水磨的 方法效率相对高，但是单纯机械作用在材料去除时的缺陷、工作表面质量不理想以及抛 光效率不尽人意，这些都促使我们对钢领的抛光工艺进行进一步的研究。 4 第一章绪睑 纺织钢领新型抛光技术是在吸收国内外新型设备和技术的基础上，结合钢领自身 的加工要求研究利用离心抛光机结合c m p 技术加工钢领井取得了很好的效果。 1 3 3c 肿钢领方法的介绍 在芯片加丁产业巾，基本采用单头、单板类型的抛光机，这与芯片加工的高精度、 价格昂贵的特点有关。将c m p 技术应用于铜颁的抛光中，mf 厂家对抛光效率的要求 比较高，因此，结合湿式行星抛光的优点考虑在新型抛光方法中采用离心式的抛光机。 这种机型的一个显著特点是对工作区域施加两个离心力和一个重力场，能够促使磨科形 成很大的扣击力。最后，综含各种囚素选用无锡市来源机械有限公司生产的x m w 3 0 4 0 型离心抛光机为试验设备，如图卜5 。其结构图如卜3 。这种设蔷月胁己经在很多中小 型厂家中得到了应用。鉴于c m p 技术抛光钢领时抛光液的腐蚀性，因此，我们还对 设备的防腐蚀性能提出了新的要求。 圈出 图卜5 试验机型图 f i g 卜5t h ep i c t u ft e s t l n gm a c h i n e 县体的操作方法设想如下：如图1 6 ，抛光过程中，首先将制领、磨料、抛光液按 一定的比例袈八行星料桶内。铂星料桶等距离地装在大转盘的外圆周上，当大转盘以一 定的速度按顺时针旋转时，行星料桶一方面随大转盘做旋转，其速度与大转盘成比例， 另一方面绕自身作定轴旋转。在抛光液的化学腐蚀作用下，由于抛光机形成的两个离心 力场，磨料流与钢领表面存在相对运动，利用这种相对运动来很快地去除毛刺、光整工 作表面。设大转啦的旋转中心为o ，转速为一2 ，行星料桶的旋转中心为nz ，旋转中心 为0 - ，中心距为0 0 ，即为凡。 如罔2 1 ( a ) 当大转血转速“e 0 ，若”z = o ，且月保持不变，则行星料桶将随大转 盘以同样的转速旋转，同叫在料桶内部形成一个半径为“o 的曲面( 阴影部分为磨料流与 钢领的混合体) ，钢领与磨料之问没有相对运动，因此，机械磨损过程不能进行；但是 当行星料桶以相对t ：i ；= 转盘”g 以相反方向h z 旋转时( “z o ) ，山于大转盘仍以“g 0 的转速旋转，那么在行星料椭内部将形成一个新的曲而( 具体见第五章) ，如图2 - l ( b ) 虚线。所以在离心力的作用下，钢领与磨料的混台体试图回到原柬的位置，因此要形 成一个从a 到b 的滑移层，使钢领与磨料之间存在相对运动，借此去除毛刺，光整工 作表面】。 江南人学硕十学位论文 ( a ) ，l ：= o嘞刀： o 图卜6 离心抛光工作机理图 f i g 1 6t h ew o r k i n gm e c h a n is m0 fc e n t r i f u g a lp o lis h 1 3 4c m p 技术抛光钢领的注意事项 c m p 技术应用于晶圆加工时，其基本原理是借助超微粒子的研磨作用以及浆料的 化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面【1 2 】【1 3 】。考虑到钢领的尺寸远大 于在抛光晶圆时的特征尺寸( o 3 5 “m ) 【1 4 】，同时要求达到很高的效率。为此，结合磨料 流抛光技术，要求所选用的磨料在材料、直径、硬度等都有很好的要求。试验中所采用 的是高频瓷材料，尺寸都在毫米级，这种材料具有：硬度高、耐磨性能好、耐热等特点。 对于采用何种参数的材料还需要后续的试验的筛选。 利用c m p 技术抛光钢领时，抛光液起了特别重要的作用。与c m p 技术抛光半导体材 料所不同的是，抛光钢领的抛光液中不需要具备纳米级的磨料。这主要是因为磨料的质 量太小，对钢领表面的打击力度很难将钢领表面的毛刺去除。另一方面，也要求抛光能 够具有润滑、冷却、洗涤等作用。半导体的抛光液多是碱性，这与被去除的材料的性质 有很大关系：有机胺可以限制金属离子在芯片表面的吸附作用，可以有效地减小金属离 子的玷污【l5 1 。而在c m p 技术抛光钢领时，所研制的抛光液呈酸性。相关研究已经表明： 抛光液的p h 值对抛光效果是有影响的【拍h 1 8 】。钢领的抛光液中，p h 值一般 7 ，当p h 值增 大，由于化学反应，钢领表面氧化及蚀刻作用减弱，机械摩擦占主导作用，导致抛光效 率降低，表面刮痕尺寸增大，所以p h 值不能过大：但当p h 值过低时，抛光效率反而会 降低，表面刮痕尺寸会增大，其原因主要是化学反应速度大于机械去除速度，氧化层不 能被及时地被去除，阻碍了氧化反应的继续进行。 1 3 5 研究目的 目前，使用传统磨料流抛光钢领的技术虽然比较成熟，但是由于单纯机械作用抛光 效率不能达到成本控制的要求，而且其损伤层较深，精度也很难打到纺机实际生产的要 求。而c m p 技术由于较高的加工精度和苛刻的加工条件，其目前只是在半导体行业中得 到了较快的发展，将c m p 技术应用于钢领的抛光是一次创新，主要目的是要求在抛光钢 领时不但能获得高的抛光效率，很好地节约成本，而且能进一步提高钢领表面质量，使 之能很好地满足纺织企业的质量要求。 1 4 本课题重要研究的内容 本课题将以试验为基础，从理论出发，以实验数据处理为手段，以计算流体力学 6 第一章绪论 ( c f d ) 模拟为补充，研究抛光钢领时的各种影响因素以及钢领抛光的机理。主要内容 有： ( 1 ) 通过试验证明利用c m p 技术抛光钢领的可行性； ( 2 ) 模拟实际生产工况，利用c m p 抛光钢领时，影响抛光效率的因素，并确定在这些 因素影响下的最好的水平组合； ( 3 ) 利用计算流体力学( c f d ) 的方法，研究行星料桶内部流态： ( 4 ) 分析影响流态特性的因素，研究流态特性对抛光效率的影响，并提出相关指导与 建议； ( 5 ) 分析钢领抛光的机理，深入理解钢领抛光的过程。 7 江南人学硕十学位论文 第二章钢领的抛光工艺 本章研究了钢领在离心抛光机中的机械化学抛光的抛光工艺，采用j 下交试验优化了 公转转速，抛光液体积，钢领数量，磨料容积比等参数对钢领磨损量的影响，从而得到 了钢领抛光的最优化工艺。 2 1 试验工艺 2 1 1 基体材料 本试验采用的基体材料为2 0 钢。 2 1 2 抛光的工艺流程 试验目的：检查钢领在离心抛光机中，在不同抛光因素的影响下，钢领的磨损量。 采用的工艺如下： 样品制备试验一样品干燥数据采集 2 2 样品制备 样品选用无锡某纺织器材有限公司生产的钢领，抛光液选用b r t 1 1 型高效强力抛 光液。 前处理：用机械和化学方法去除样品表面积尘，油污和各种腐蚀产物。 试样前处理是为了准确的测量钢领抛光前后的质量变化，要对钢领表面进行一系列 的前处理与清洗工作。这是因为机械化学抛光方法属于特种加工方法，根据实际经验可 知，每次( 4 5 i t l i n ) 的抛光量在毫克级，所以表面的锈蚀或者是有油污的存在，将会影 响实际磨损量的测量，得不出准确的工艺路线。前处理包括的工艺流程如下： 除油 前处理 抛光液体积，钢领数量 回归分析也进一步证明了正交试验分析的可信度。 2 5 结论 ( j ) c m p 技术在钢领的抛光中完全是可行的： ( 2 ) 正交试验所得的水平组合是可信的； ( 3 ) 应_ 【 jc m p 技术抛光钢领时，无论钢领的抛光效率还是被抛光钢领表面的质量都 得到了显著的提高； ( 4 ) 通过对比实验可以看h ，利用c m p 技术抛光钢领时，钢领表而在抛光液的化学 作用f 形成了一层软厩层，正是软质层的形成，钢领的抛光效率才得以相对磨料流抛光 技术提商近2 倍，钢领的表而质量也才能得以提高。 江南人学硕+ 学位论文 第三章c f d 简介及离心抛光的数学建模 就宏观而言，抛光的过程实际上是磨料与工件之间发生了相对运动而相互摩擦和碰 撞的过程。本章主要论述了c f d 的理论基础，以及行星料桶在重力场和两个离心力场的 作用下，两相流的控制方程的建立等问题，以便为后续的c f d 模拟作必要的准备。 3 1 计算流体力学概述 计算流体力学( 即c f d ) 是建立在经典流体力学与数值计算方法基础之上的一门新 型独立学科，通过计算机数值计算与图象显示的方法，在时间上和空间上定量描述流体 的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和实践性的双重特点，所以 建立了许多理论和方法，为现代科学中许多流动与传热问题提供了有效的计算机技术。 c f d 的应用与计算机的发展密切相关，c f d 软件最早出现于2 0 世纪7 0 年代诞生于美 国，但是真正得到应用却是近几年的事情。c f d 软件现已成为解决流体流动与传热的强 有力的工具，成功地应用于水利、航运、医疗、食品、流体机械与流体工程等各种科学 技术领域【2 8 】 f 2 9 1 。 流体流动的控制方程是非线性偏微分方程组。由于高度非线性，仅限于二维或轴对 称的简单几何形状的简单流动问题，可得解析解，而无法获得复杂的几何形状中复杂流 动条件下的解析解。随着c f d 的发展，数值求解流体流动非线性微分方程组的方法不断 发展和完善，日前应用c f d ，已能解决许多工程实际提出的各种类型复杂的流体力学问 题。起始于本世纪初的计算流体力学c f d 在进入七十年代以后有了极大的发展，被越来 越广泛地应用于各个不同的研究领域。这一方面归属于计算机技术的飞速发展，另一方 面是由于c f d 有其自身的一些特点： ( 1 ) 通过建立合理的物理模型和数学模型，能较精确的反映复杂的流场、温度场分 布； ( 2 ) 对于难以建立准确模型的复杂情况，通过c f d 计算能确定其流场、温度场的大 致分布情况； ( 3 ) 能为大型流场、温度场的测定提供参考，节省大量的人力、物力； 计算流体力学在具有上述优点的同时，也有其缺点，主要表现在：影响实际流场、 温度场分布的因素很多，这对把实际工程抽象成适合于计算的物理模型和数学模型具有 较高的要求，既要求研究者能抓住主要的影响因素，忽略次要因素，又要在可能的情况 下，尽可能地把所有影响因素都考虑进去。目前国际上运用较多的c f d 软件，主要包括 f l u e n t ，p h o e n i c s ，f i d a ，s t a r c d ，c f x 等。本文的计算采用的是f l u e n t 软件【3 0 】。 3 2 控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守 恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分( 组员) 的混合或相互作用，系统还 要遵守组分守恒定律。如果处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。 3 2 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时问内流体微元体 第二章c f d 简介及离心抛光的数学建模 中质量的增加，等于i 司一时i i 白j l 日j 隔内流入该微兀体的净质量。按照这一定律，可以得出 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 【3 1 l 塑+ 蚓+ 捌+ 捌：o ( 3 1 ) 班苏 砂 龙 引入矢量符号d i v ( 三) = 警磊+ ? 么+ 寥么，式3 1 可以写成： 等+ d i “p 吾) = o 研 ( 3 2 ) 式3 卜3 2 中 p 一是密度； f 一是时阳i ： “一是速度矢量，“，w 是速度矢量“在工，j ，z 方向的分量。 上面给出的是瞬态三维可压流体的质量守恒方程。若流体不可压， 式3 1 可以写成： 剑+ 剑+ 剑：o 苏 砂 龙 若流体处于稳定状态，则密度不随时间变化，式3 1 可以写成： 捌+ 捌+ 捌：o 苏却瑟 密度p 为常数， ( 3 3 ) 质量守恒方程3 1 或者3 2 常称为连续方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 3 2 2 动量守恒方程 动量守恒方程也是任何流体系统流动都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微 元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元上的各种力之和。该定律实际 上是牛顿第二定律。按照这一定律，我们可导出五y 利z 三个方向的动量守恒方程 ( m o m e n t u mc o n s e r v a tio ne q u a tio n ) 掣埘v 铭i ) ：一塞+ 等+ 等+ 誓一4 a ， 掣埘v wi ) ：一考+ 鲁+ 鲁+ 警”4 b ， 型r _ 、一塑+ 鲤+ 堡+ 坠+ & + d i v 妒w “夕：忽 苏 砂 如 。 ( 3 4 c ) 式中： p 一流体微元上的压力； f “，f 掣和f n 等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量； c ，0 和t 微元体上的体力，若体力只有重力，且z 轴竖自向上，则t ：o ，0 ：o ， 1 9 江南人学硕士学位论文 一一一_ f t ：一魄 瓦3 - 43 6 是对任伺类型的流体( 包括非牛顿流体) 均成立的动量守恒方程。对于 牛顿流体，粘性应力f 与流体的变形率成正比，有： k 2 瞎“m 仃) 2 喀“mg ) k 2 暑“m ( _ ) f 矽：f f ：( 雾+ 塞) ( 3 5 ) f ，抛 a w 、 ：f 。：曩瓦+ 瓦j f 加挑1 ：k i 夏+ 刮 式中： 一是动力粘度( d y n a m i cv i s c o s i t y ) ； 彳一第二动力粘度( s e c o n dv i s c o s i t y ) ，一般可以取五= 一2 3 【3 2 】。将式3 5 代入3 4 ，得 到： 掣埘v “i ) 锄v ( a 一妾蝇 6 a ) 掣埘vg v i ) 堋v 。删，一考堪 6 b ) 掣v0 wi ) 锄v 。悔a 一考城 6 c ， 式中，g r a d ( ) ：a 层+ a + a 彪，符号瓯，鼠和凡是动量守恒方程的广义源项， s ”= c + s 工，s v = + s ，s w ：c + j ；，而其中的j x ，s ，和s ：的表达式如下： s 。= 昙( 罢) + 号( 喀) + 丢( 罢) + 未免m v c 吾， c 3 7 a ) 2 瓦p 瓦j + 万l 瓦j + 瓦i 丢j + 盂兄m v ( u ) ( 3 7 a ) * 豺* 豺* 舟扣狐， 7 b ) 屯2 昙( 鲁) + 号( 睦) + 昙( 警) + 昙朋；西 e 3 7 c ) 一般来说，j ，s ，和s ：是小量，对于粘件为常数的不可乐流体s ，：s y ：s 乒n 第二章c 阳简介及离心抛光的数学建模 3 2 3 能量守恒方程 能量守恒方程是含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为：微 元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该 定律实际上是热力学第一定律。 ：尺= 二m 。+ ，2 + w 2 ) 流体的能量乞通常是内能正，动能 2 、 和势能p 三项之和，我们可 针对总能量e 建立能量守恒方程。但是，这样得到的能量守恒方程并不是很好的，一般 是从中抠去动能的变化，从而得到关于内能z 的守恒方程。而我们知道，内能z 与温度 r 之间存在一定关系，即z ：c ，丁，其中c ，是比热容。这样，我们可得到以温度r 为变 量的能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 【3 3 1 。 掣砌畎p 曲娟v ( 毒删卜 8 ， 该式展开形式： 望翊+ 丛趔+ 望趔+ 趔： 8 t融 曲 a z 昙( 毒罢) 一导( 毒参 + 毫( 毒警) + 昌 c 3 9 ， 其中， 七一为流体的传热系数； 6 r 一为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为 粘性耗散项。式3 8 或者3 9 通常被称为能量方程。 综合3 2 ，3 4 ，3 7 我们发现有弧y 、w 、di 、p 这6 个未知量，还需要补充一 个联系掰印的方程的状态方程。 p = p d ，r ) ( 3 9 ) 该状态方程对理想气体有： p = 肚r ( 3 1 0 ) 其中，r 是摩尔气体常数。 3 2 4 组分质量守恒方程 在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每一种组分都 需要遵守组分质量守恒定律。对于一个确定的系统而言，组分质量守恒定律可表述为： 系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反 应产生的该组分的生产率之和。 根据组分守恒定律，可写出组分j 的组分质量守恒方程( s p e c i e sm a s s c o n s e r v a t i o n e q u a t i o n ) 【3 4 】。 2 1 江南人学硕十学位论文 垫掣+ 挑d 眠) = 挑( d ，删( p c ，) ) + s ， ( 3 11 ) 式中，c ，为组分s 的体积浓度，户ct 为该组分的质量浓度，见为该组分的扩散系 数，o ，为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产率。 上式左侧第一项、第二项、右侧第一项和第二项，分别称为时间变化率、对流项、扩散 、a 项和反应项。各组分质量守恒方程之和就是连续方程，因为厶o ，= o 。因此，如果共有z 个组分，那么只有z 1 个独立的组分质量守恒方程。 将组分守恒方程各项展开，式3 1 l 可以改写为： 望21 ：+ afax 8yaz 珈掣嘲。，掣闰。，掣卜 佩 组分守恒方程常被称为组分方程，一种组分守恒方程实际上就是一个浓度传输方 程。当水流或空气在流动过程中夹带有某种污染物质时，污染物质在流动情况下除有分 子扩散外还会有随流传输，即传输过程包括对流和扩散两部分，污染物质的浓度随时间 和空间变化。因此，组分方程在有些情况下可称作为浓度传输方程。 3 3 对控制方程的讨论 湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有 不断的相互混掺现象，速度和压力等物理量在空间和时间上具有随机性质的脉动性。式 3 6 是三维瞬态n a v i e r s t o k e s 方程，无论对层流还是湍流都是适用的。但对于湍流， 如果直接求解三维瞬态控制方程，需要很高的计算机要求，目前还不可能采用这种方法。 工程中是对n a v i e r s t o k e s 方程做时间平均处理，同时补充反映湍流特征的其他方程， 如湍动能方程和湍流耗散率方程等【3 5 】。 3 3 1 雷诺时均n a v i e r - s t o k e s 方程 首先对流场变量进行雷诺分解，即将各变量写成平均量与脉动量之和的形式。假设 咖为流场瞬时变量，则巾可以写为平均量妒与脉动量矿之和的形式： = + ( 3 1 3 ) 其中时平均值眇的计算公式为： 歹= 吉，矽o ( 3 出在理论上应该趋于无穷大，大使在实际过程中通常将其取为远大于湍流脉动周 期即可。根据时均计算公式，可得： 歹t _ 吉，矽o ( 3 1 5 ) 第二章c f d 简介及离心抛光的数学建模 同样根掘定义可知，任意变量的时均值与一个脉动量乘积的时均值仍然为零。比如 假设缈也是一个瞬态流场变量，则有： 帮= 古了面o 。岳o = 万= ” ( 3 。6 ) 同理可得下列关联关系式： 如= 妒+ 伊 ( 3 1 7 a ) 妒+ 妒2 妒+ 伊 ( 3 1 7 b ) 矽伊2 妒伊 ( 3 1 7 c ) 在不可压缩假设下，密度p 的脉动量为零，因此无需要对其进行雷诺分解。速度和 压强的雷诺分解如下： “= “+ “ 1 ，= ，+ 1 ， w = w + p = p + p ( 3 1 8 a ) ( 3 1 8 b ) ( 3 1 8 c ) ( 3 1 8 d ) 连续方程和动量方程中出现的原始变量导数时均值与时均值导数之间的关系如下： 鲁= 警：羽= 破恫胁( 习 一! 望：一! 皇2 p 瓠p a x t t 砌z 醐d “ t t = 1 ，口z 1 ，g ，饮口 “ 将上述夭系代人连续万槿中进仃时均，司得宙诺平均的连续方程如f ： 疥五：o ( 3 1 9 ) 代入动量方程，可得雷诺平均的动量方程如下： 雾+ 历v ( 忑) + 刃 历) = 一吉老+ 砒只 塞+ 疥 m u l t l d h a s e 选择混合物模型 该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，这些相包括：液体、气体和固体。在 多相流模型中，e u l e n a n 模型作用于每一个相中。 ( 2 ) 设置粘性模型d 曲n e _ ) m o d d s _ ) v l s c o u s 第四章c f d 模拟及分析 标准 一f 模型由m n d e r 和s p 鲥d i n g 提出，模型本身具有的稳定性、经济性和比较高 的计算精度使之成为湍流模型中应用范围最广、也最为人熟知的一个模型。标准女一6 模 型通过求解湍流动能( k ) 方程和湍流耗散率( ) 方程，得到k 和f 的解，然后再用k 和f 的值计算湍流粘度，最终通过b o u s s l n e s 口假设得到雷诺应力的解4 们。 ( 3 地0 建固体材料d 娟n e m a t e r i 鲥s 4 ) 定义液体和固体相交换系数d e 6 n e 一 p h a s e 江南人学硕十学位论文 h j t 2 晰州“阿_ 旦 p 铀n u l 一m w 扣一j 刖“ i “”“。”i 阿蕊i ；1 一一 “”“5 4 阿i _ i 0 k c 4 n h l p 相j 日j 交换系数的设置： 在多帽流的计算中曳力函数在不同的交换系数模型中是币同的。交换系数模型有 三种：1 ) 液体- 液体交换系数：2 ) 液体固体交换系数；3 ) 固体固体交换系数。 计算渡固两相流时，在以下的液体固体交换系数模型中选择合适的曳力函数。 a s y a m l a i o b e n 模型，当固体相的剪切力根据s m 锄d 甜定义时，这个模型是合适 的。 bw e na n dy u 模型，这个模型适合于稀释系统。 c g l d a s p o w 模型是w e na n dy u 模型和b r g u n 方程的联合，对密集的流化床，建议使用此 模型。 动力黏度的设置 f l u e n t 为动力部分提供了两种表达，默认的是s m 啪l 劬e ta l 表达，可选择的 g l d a s 口o we ta l 也是有效的。 ( 5 ) 边界条件的设置d e n n e - b o u n d a r yc o n d l n o n s j 川灿r e 二j z s c t 】c o p y c j o s ch e o p 第四章c f d 模拟及分 斤 在计算中采用粘性两相流体f | 勺二维非定常i 恒型n a v l e p s t o k e s 方程组，结合湍流的 一f 模型柬计算和模拟颗粒状固体磨料的主要运动特征，以及相应的土六输运过程。求 解的基本过程是以速度、压力和体积分数等原始函数为求解变量基于有限体积法对上 述二维非定长守恒型n a v i 盯_ s t o k e s 方程组进行空间离散，求解变量设置在各单元中的中 心点。在空问离散时，方程组各项均采用一阶迎风格式。 4 2 模拟结果及分析 4 2 1 j = 0 1 3 时行星料捅流场模拟 离心式抛光机作为一种高效的抛光设备，j 1 泛鹿朋在小型异型零件的光整和去除毛 刺领域。其加