（机械制造及其自动化专业论文）离心研磨加工过程中磨料流态特征的理论和实验研究.pdf

摘要 离心式自由磨粒研磨作为一种高效率的金属表面光整加工方法，其工艺及设备 在小型异形零件的去毛刺和光整加工生产领域得到广泛应用。长期以来，离心式自 由磨粒研磨设备的设计参数及研磨工艺参数完全凭经验确定，无理论依据，对研磨 过程的本质特征尚无根本性的认识，针对自由磨粒研磨技术的研究仅限于工艺实验。 深入研究磨料运动特征以及它对抛光过程影响对于优化机器的设计参数和加工工艺 参数，迸一步提高加工效率具有重要意义。通过实验观察，我们发现研磨过程中磨 料在滚筒内的运动是极为复杂的，受液固两相湍流流场的作用，磨料运动的流态特 征对工件的加工质量和生产效率有明显影响。而研磨机行星传动比将直接改变磨料 流流场的分布，是影响整团磨料态特征的重要因素之一 本文对固定质点和磨料单颗粒的运动轨迹进行了模拟，分析了二者对加工的影 响，从理论上指出滚磨过程中应以磨科颗粒作为研究对象。同时通过进一步分析研 磨过程中整团磨料在不同参数下运动的流态特征，指出整团磨料的流态特征是影响 加工效果的关键因素。我们利用数值模拟的方法来研究滚磨加工的机理，对整团磨 料的运动形态做了初步模拟，描绘出整团磨料流的运动特征，包括磨料的体积分数 分布、压力分布、速度矢量分布等，这些特征反映出磨料团在运动过程中的变化规 律。 通过对高速摄影实验结果的分析，一方面我们了解了整团磨料在离心场中的运 动规律，指明磨料流在运动过程中，其形态及前沿界面曲线的变化是影响加工效果 的重要因素手段，得知改变行星传动比可以有效地改变滑移层的运动特征，从而提 高生产效率；另一方面实验结果表明，我们的模拟是合理的，这种理论分析方法能 够代替大量的实验对做离心运动的整团磨料不同区域的浓度、速度和加速度进行分 析。对于优化设计参数、提高生产率十分有效，为研究滚磨加工提供了一条新的途 径。初步数值模拟的结果是合理的。工件表面粗糙度和磨损率的测定，定量说明了 不同行星传动比对加工效果的影响实验证明改变滚磨边界也会改变加工过程中的 磨料流的形态，从而对加工效果产生影响。 关键词：高速摄影，自由磨粒研磨，行星传动比。流态特征，两相流 a b s t r a c t a so n ch i g h e f f i c i e n c ym e a n s , t h ec e n t r i f u g a lf r e el a p p i n gi su s e de x t e n s i v e l yf o r f i n i s h i n ga n db u r r i n go fs o m es m a l l ，a b n o r m a lp a r e i nf a c t ，s o m ck e yp a r a m e t e r so f d e s i g na n dt e c h n o l o g y o ft h ec e n t r i f u g a lf r e el a p p i n ga r ed e d d e db ye x p e r i e n c e c o m p l e t e l y f a r , a n di th a sn ou l t i m a t ec o g n i t i o nt ot h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i ci nt h e r _ a 3 n r s eo fp o l i s h i n g t h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b r a s i v ef l u i da n di t si n f l u e n c e o nt h eg r i n d i n gp r o c e s sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h eo p t i m i z a t i o no fk e yp a r a m e t e r so f d e s i g na n dt e c h n o l o g y , s oi t i sn e c e s s a r yt os t u d yt h e mf u r t h e r b ye x p e r i m e n t ，i ti s c o m p l i c a t e df o rt h em o v e m e n to fa b r a s i v ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b r a s i v ef l u i dw i l l b ec l o s e l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fw o r k p i e c e si nt h ec e n t r i f u g a ll a p p i n g ， a n dt h ep l a n e t a r yd r i v e rr a t i oo ft h em a c h i n ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nc h a n 百n gt h e f l u i dc h a r a c t e r i s t i c s f o rt h ep l a n e t a r yd r i v e rr a t i oi nt h ep r o c e s s i n go fc e n t r i f u g a l p o l i s h i n gm a c h i n ew i l lc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no fa b r a s i v ef l u i d ，i ti so u eo ft h ek e y p a r a m e t e r sf o rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea b r a s i v ef l u i d t a k i n gt h es i m u l a t i o nb e t w e e nf i x e dp a r t i c l ea n ds i n g l eg r a i na b r a s i v e ，t h i sp a p e r h a sa n a l y z e dt h e i rd i f f e r e n ti m p a c t i o no nt h ec o u r s eo fg r i n d i n g i ti st h e o r e t i c a l l yp o i n t e d o u tt h a to u rs t u d yo b j e c ti ss i n g l eg r a i na b r a s i v e b yf u r t h e ra n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea b r a s i v ef l u i d ，w ef i n dt h a ti ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f w o r k p i e e ei nt h ec e n t r i f u g a ll a p p i n g w es t u d yt h eg r i n d i n gh y p o s t a s i sb yn u m e r i c a l s i m u l a t i n g , a n dp r i m a r yd oi tt od e s c r i b et h em o d a l i t yo fa b r a s i v ef l u i di n c l u d i n gt h e d i s t r i b u t i o no fa b r a s i v ev o l u m ef r a c t i o na n dv e l o c i t y t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sr e f l e c tt h el a w i ng r i n d i n gc o u r s e h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h i n gm a c h i n ew a se m p l o y e dt o r e c o r dt h em o v e m e n to f a b r a s i v ef l o wi np l a n e t a r ya b r a s i v ef l o wp r o c e s s i n gi nt h i sp a p e r o ut h eo n ch a n d ，w ec a n u n d s t a n dt h eg r i n d i n gl a wi nc e n t r i f u g a l 在e m p o i n to u tt h a tt h em o v e m e n to ft h es l i p p e r y l a y e r sa n dt h ec h a n g eo ff r o n t a li n t e r f a c ec u i v ea r ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y f o rt h ef l u i dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es l i p p e r yl a y e r sc a l lb e c h a n g e do b v i o u s l yb ya l t e r i n gp l a n e t a r yd r i v e rr a t i o ，t h ep r o d u c tq u a i l t yc a nb e i m p m v e dg r e a t l yb yc h a n g i n gi t o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t eo u r s i m u l a t i o n t h eg o o da c c o r d a n c eb e t w e e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tp o i n t so u tt h a tn u m e r o u st e c h n i c a le x p e r i m e n t sc a nb es u b s t i t u t e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e r i tp r o v i d e san e wm e t h o da p p l y i n go nt h eg r i n d i n gc o u r s e t h e s u r f a c er o u g h n e s sa n dg r i n d i n gr a t i oe x p e r i m e n te x p l a i nt h ee f f e c t i o nu n d e rd i f f e r e n t d r i v e rr a t i oq u a n t i f i c a f i o n a l l y a tt h es a m et i m e ，c h a n g i n gt h ei n n e rs h a p eo fp l a t e n sc a n a l t e rt h ef o r mo f a b r a s i v e , c o n s e q u e n t l yi tc a na f f e c tp r o c e s se f f e c t k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dp l m t o g r a p h ，c e n t r i f u g a l 丘l a p p i n g ，p l a n e t a r yd r i v em t i o ， f l u i dc h a r a c t e r i s t i c s ，t w o p h a s ef l u i d 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨些盘堂或其他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 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豫蜓中签字日期：叩年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗墨些盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨盗墨些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：衢、廷_ 扔导师签名： 易池红 签字日期：7 年胡j 一日签字日期：k p 7 年l 月，日 学位论文的主要创新点 一、将流体力学的理论引入到磨料流加工领域，利用两相流的方法 研究磨料流的运动。 二、将数值模拟的方法应用到自由磨料加工领域，对机器设计参数 和加工工艺参数进行优化选择，代替了繁杂的实验，提高了加工效率， 节约了大量的人力物力。 三、采用高速摄影的方法研究物料运动特征的变化并验证了数值模 拟结果的合理性。 第一章引言 第一章引言 1 1 磨料流加工技术概述 i i i 磨料流加工技术的含义 磨料流加工( a f m ) 是光整加工领域的一项新技术。磨料流加工由磨料流加工 机床，夹具和流体磨料三部分组成。 磨辩流加工基本原理： 磨料流加工，又称挤压珩磨，属于精加工范畴，是光整加工的重要方法之一， 它是利用一种含磨料流的半流动状态的粘性磨料介质，在一定压力下强迫通过被 加工表面，由磨料颗粒的刮削作用下去除工件表面微观不平材料的新型光整加工 方法。磨料流加工效果取决于磨料的流量、流速、挤压压力和流体磨料的特性， 其中包括粘度，磨粒材料及粒度等。压力和流动速度与磨料流经的通道( 往往由 工件和夹具共同形成) 的截面大小及形状有关。磨料流加工的目的，主要是去除 由于冲压、机加工等形成的表面毛刺，降低金属工件的表面粗糙度。 磨料流加工的特点： 磨料流加工作为一种机械光整加工新技术( 流体磨料的切刃对加工表面产生 微细切削光整加工) ，可用来提高表面质量，去毛刺，抛光，倒圆角并可去除由电 火花加工或激光加工后的再铸层。可加工材料范围广，几乎能加工所有的金属材 料，也能加工陶瓷、硬塑料等非金属材料，同时由于流体磨料的流动性，它特别 适用于按常规方法难以加工的工件，广泛应用于各种金属材料和硬质非金属材料 零件的不规则成形面、异形曲面、窄缝、微孔、交叉孔道、各种齿形齿面、电磁 阀、减压阀相贯孔内毛刺等用常规工艺方法无法达到的光整加工。材料去除速度 快，但不能改善零件的形状精度：在一道工序中即可使原表面粗糙度降低l 2 级， 加工精度高可达l o 2 5i im 。针对各种金属工件特别是小型异型件零件的光饰加 工和去毛刺加工，具有效率高、成本低、质量较好的突出优点，它在各种机械加 工、航空、汽车、模具、液压、化工和医疗等行业中得到了广泛的应用。当今工 业和民用机械产品的生产向着高性能、高精度及安全美观的方向发展，磨料加工 正是适应这一趋势，为机械加工向商、耪、尖发展，开创了一条新的途径。 第一章引言 1 1 2 磨料流加工技术的分类 适应于现代社会对零件表面质量的要求越来越高，近年来磨料流加工技术得 到了很大发展以降低表面粗糙度、改善零件表面力学性能和去除飞边毛刺为主 要功能的磨料流加工新技术、新工艺不断涌现。 磨料流加工技术可分为喷射磨料流加工和自由磨粒磨料流加工。二者的共同点 是使用松散磨料，用特定的运动方式，在一定的介质中使磨料和工件获得相对运 动，借助此相对运动，使磨料对工件产生切削，从而实现对工件的精细加工。磨 料流加工技术针对各种异形工件在高效率、高质量方面具有无可比拟的优点，因 此在工业生产中得到广泛应用。 磨料流加工的本质是磨料颗粒借助于液体抛磨剂的辅助作用随机地对工件表 面进行挤压、碰撞、刻划和微量磨削。从力学的观点来看，它是一个液固两相流 动问题。 1 2 自由磨粒研磨加工简介 自由磨粒研磨加工就是使用松散磨料，用特定的运动方式，在一定的介质中 使磨料和工件获得相对运动，借助此相对运动，使磨料对工件产生切削，从而实 现对工件的精细加工。自由磨粒研磨加工的特点就是在加工过程中磨料始终与工 件没有固定的相对位置，加工中磨料与工件均处于流体中的游离状态，以一定的 相对速度和压力实现对工件表面的磨料流加工自由磨粒研磨加工的目的，主要 是降低金属工件的表面粗糙度，去除由于冲压、机加工等形成的表面毛刺。在自 由磨粒研磨磨料流加工中，磨粒依靠设备提供的某种运动方式，随机地对工件表 面进行精加工 ( a )( c ) 图卜l 几种主要自由磨粒研磨 ：艺 ( e 1 ) 单筒滚磨( b ) 行星滚磨( c ) 涡旋磨( d ) 振磨 第一章引言 自由磨粒研磨加工属精加工范畴，是磨料流加工的重要方法之一。具有对各种 金属工件特别是小型异形零件的光饰加工及去毛刺加工效率高、成本低、质量好等 突出优点 自由磨粒研磨加工按其生产方式分类，主要有滚磨加工、振磨加工、旋转抛 光及涡流式抛光等。 1 2 1 滚磨加工 滚磨加工分单滚筒加工和行星滚筒加工两种方式。单滚筒加工指装有磨料和 工件的滚筒工作时仅有以自身中心为旋转轴的匀速圆周运动，这种加工方法很古 老，其生产效率和加工质量都很低，这是因为滚筒的回转速度必须低于某一临界 值，否则滚筒内的物料将在离心力的作用下贴在筒壁上而失去物料间的相对运动， 从而不能实现滚磨加工。经计算，这- - i 临界转速n = 1 3 5 4 9 d ，式中d 为滚筒 直径，g 为重力加速度。 c a )( b ) 图l - 2 离心滚磨加工原理示意图 卜电动机2 一电动机带轮3 一系杆带轮4 一中心轴5 _ 中心带轮6 一行星带轮 7 一滚筒回转轴8 滚筒9 - 系杆 离心式滚磨加工是在单滚筒加工的基础上发展起来的。如图1 - 2 ( b ) 所示。装有 物料的行星滚筒既自转，同时又绕某一回转中心轴公转很明显，由于离心滚磨 加工存在两个回转运动，行星滚筒内的物料处于重力场和两个离心场组成的变化 的复合场内，因此，在滚筒高速运转时，物料能够获得复杂且剧烈的相对运动， 从而使加工效率得以大大提高。实践证明，对于相适应的工件，行星滚筒加工要 比单滚筒加工提高效率5 1 0 倍，加工质量也有所提高。因此，行星滚磨加工在许 第一章引言 多行业如针织机机针、棉纺细纱钢领、金属电器零件、微型轴承零件等得到广泛 应用。行星滚磨加工的缺点是装卸物料耗用辅助时间较多。 1 2 2 振磨加工 振磨加工是将物料置于振动光饰设备的振动槽内，工作时，借助振动槽高频 低幅的振动，将能量传递给物料，使物料问产生相对运动，从而实现对工件的加 工。振动加工设备及物料运动迹线示意如图卜3 所示。 图卜3 振磨加工设备及原理 振磨加工与封闭式的滚磨加工相比，属于敞开式加工，单次加工工件数量大， 工件装卸方便，因此对于有些表面质量要求不是很高的工件更能显示其效率高的 特点。例如，3 0 0 升的振抛机对于餐具的振动抛光，每次可加工5 0 0 1 0 0 0 件，时 间为4 0 分钟，且装卸料很方便这样的加工效率如使用行星滚磨加工是难以达到 的。振磨加工用在金属制品光饰处理方面工作时多采用钢珠代替磨料，这时，振 动光饰过程实际是一机械轧光过程而非磨削过程，即工件表面通过微观塑性变形 两使租糙度降低。在这一过程中必须辅以化学光亮剂的作用。光亮剂在其中既起 冷却润滑等物理作用，又能迅速去除工件表面的油污及杂质，同时还有防锈作用， 能够较长时间保持钢珠良好的表面状态。这些都会对工件表面的增亮起到明显的 作用。小型不锈钢制品及铝合金压铸件的表面光饰处理是采用钢珠振磨加工工艺 的典型实例。磨料振磨加工如用于精光饰目的，当要求表面粗糙度达到r a o 8 以 下时，加工效率很低。例如，棉纺钢领过去有一种生产工艺，便是采用磨料振磨 加工，每5 0 0 - 8 0 0 只钢领需工时1 0 2 0 小时，采用行星滚磨加工仅需2 - 4 小时。 钢珠振磨加工虽然效率高，但对于硬材料如淬火钢却不适宜。 第一章引言 由此可见，行星滚磨力n 工和振磨加工的加工效率和加工质量因工件材质、形 状、尺寸的不同而不同，不能一概而论。 1 2 3 旋转抛光 旋转抛光又称叉轴式滚磨加工，其工作原理如图卜4 所示。这种生产方式是 将工件单独装卡在主轴快速夹紧装置上。工件安装时，主轴呈铅直位置。加工时， 主轴夹持工件浸入滚筒内的磨料中，主轴( 工件) 和滚筒同时转动，使整个工件 的自由表面处于研磨作用中。在加工过程中，滚筒内应加入抛光液，及时地起到 冷却清洗和润滑作用影响主轴抛光加工质量的因素除了主轴和滚筒的旋转速度 外。还有加工件的浸没深度、主轴的倾斜角度、磨料的种类和尺寸及时间的长短 等。 图l - 4 旋转抛光示意图 卜旋转筒；2 一水、化学促进剂入口；3 - 零件；4 一转轴；5 一控制台；6 _ 捧水槽；7 - 磨料 旋转抛光可用于对大中型工件的去毛刺和精密加工。与滚磨加工和振磨加工 相比，旋转抛光的优点在于可避免工件之间因相互碰撞而损伤，研磨作用更均匀， 获得的粗糙度更低，并且可以对工件的隐蔽部位进行局部抛光。当然，对于小型 异形零件，滚磨加工和振磨加工的优势是明显的。 1 2 4 涡流式研磨加工 第一章引言 围卜5 涡流式滚磨加工示意图 卜固定筒壁2 一回转底盘3 一工件及加工介质 如图卜5 所示，在加工过程中，回转底盘2 以一定的转速回转，转筒内的工 件和加工介质3 在离心力的作用下沿固定筒壁l 回转，并沿其内壁上升，到达某 一高度后下落。在连续回转过程中，上述过程反复进行，使工件和加工介质的混 合物产生螺旋状的涡流运动，工件与磨料问相互作用，从而达到均匀地去除工件 毛刺、倒角或抛光的目的。 1 3 离心自由磨粒研磨加工原理 如前所述。行星滚磨加工因其生产效率高、加工质量好而在大批量小型异形 工件的抛光和去毛刺生产中得到广泛应用。本文研究所针对的就是行星滚磨加工 工艺。基于原理而言，在后面的论述中，将其称为离心自由磨粒研磨加工。 离心自由磨粒研磨加工的工艺过程是将磨料和待加工的零件共同置于滚筒内， 行星滚筒既自转，同时又绕某一回转中心轴公转，磨料和零件在滚筒带动下产生 相对运动行星滚筒内的物料处于重力场和两个离心场组成的变化的复合场内， 由于离心滚磨加工存在两个回转运动，在滚筒高速运转时，物料能够获得复杂且 剧烈的相对运动。通过磨料和待加工零件之间的挤压和摩擦等相互作用再辅以抛 光液的作用，使零件的表面越来越光洁，直至达到加工工艺的粗糙度要求。 离心自由磨粒研磨加工原理如图1 - 6 所示。 ( a )( b ) 翻卜6 离心自由磨粒研磨加原理 ( a ) - 1 2 作原理( b ) 运动原理 第一章引言 1 。4 本文研究的主要内容及国内外现状 1 4 1 技术发展及国内外现状 国内磨料流加工使用较成熟的除单滚筒抛光外，主要是卧式行星式滚筒抛光 和碗式振动抛光。 在工艺方面，所傲的工作多是针对不同的工件，使用不同的磨料及抛光剂， 试验其加工效果，从工艺实验的角度探讨影响加工效率的因素。一些表面工程、 去毛刺技术方面的文献仅仅局限于工艺方法及所使用的设备、辅料的介绍”儿u 儿， 尚未见到关于离心自由研磨机理方面的内容。天津工业大学抛光技术研究所针对 行星滚筒抛光做了大量的探索，其中最成功的例子是研究了棉纺退役钢领的失效 机理，创立了钢领的光面理论，进而摸索出一套钢领修复的行星滚抛工艺嘲“瑚1 。 这一工艺自推出以来，迅速在全国钢领生产及使用厂家得到推广，代替了传统工 艺。据粗略统计，国内钢领行业自使用这一工艺以来，由于生产效率的提高和使 用寿命的延长而带来的经济效益在千万元以上这一研究成果的创新性并不在于 行星滚筒抛光这种生产方式及相应的机器、辅料，而在于工艺的探索，即针对钢 领这一消耗量很大的纺织工件，用行星滚抛的磨料流加工方式代替了传统的水磨 ( 类似于单滚筒滚磨) 和振动擦光工艺，使生产效率大大提高，钢领使用寿命明 显延长，并且用这种工艺得到的光面钢领可使纺纱断头率降低，纱线质量提高。 太原理工大学磨料流加工研究室在主轴抛光方面多年来从理论到实践进行了许多 研究和探索，从多方面探讨了这种抛光方式的原理和应用，分折了影响其加工质 量和如工效率的多种因素如工件、设备、加工介质及工艺过程等。他们在这一领 域取得的科研成果在国内处于领先地位。 随着光整技术在生产中的推广应用，为了进一步提高产品质量、增加效率、 降低工艺成本、节约劳动力和改善工人劳动条件，对光整加工自动化提出了新的 要求。近年来许多国家都投入了大量的人力、物力进行开发研究，现已研制出多 种不同形式的自由磨具光整加工自动化设备，如光整加工自动化单机、光整加工 自动化生产线、数控光整加工设备、光整加工机器人、柔性光整加工单元和柔性 光整加工生产线这些光整加工自动化设备同样在磨料流加工中得到了应用，振 动式光整加工中的半自动化滚磨机可以自动完成工作循环、速度交换、工作时清 洗和加工后工件分选等工作；离心式半自动滚磨机设有自动调速系统，实现自动 工作循环，开始时缓慢起动，以防工件碰伤：随后高速运转，加快毛刺等表面缺 陷的去除以提高生产效率，最后低速运转，以获得精细的表面，从而在一台设 第一章引言 备中完成去毛刺和精饰加工，该设备的自动装卸装置可以使装卸料时问不超过两 分钟，使得加工效率大幅度提高。 图卜7 振动式自动滚磨机 振动式滚磨自动线可以完成工件的粗、精滚磨两道工序，加工结束后的零件 经过输送带一分选机一清洗机一储料仓一加热槽一提升小车一甩干机一出料，完成全部工 作循环在柔性光整加工系统中，一般有两种形式；一种是针对某一种类型零件 加工设计的柔性制造系统；另一种是通用的适用于多种类型零件光整加工设计的 柔性制造系统，如图1 - 8 。专用柔性制造系统应用振动式、离心式、涡流式滚磨机、 研磨机、抛光机用于完成零件去除毛刺和表面光饰加工，使零件表面获得低于 r a o 2pm 的表面粗糙度。并设有捧水、分选、清洗、脱磁、防锈、烘干、及计量 等设备，是用于完成加工中的辅助工序。系统中应用机械手、机器人、运输小车 完成物科的装入、卸出输送、存储等工作，系统还设置控制中心，通过计算机、 传感器、操作系统实现全系统的自动控制。系统通过监视系统监视所有机械的动 作，以保证系统的正常运转适用于多种类型工件加工的柔性制造系统由一系列 离心式滚磨机和辅机组成，通过中央控制系统控制所有过程参数，完成光整加工、 清洗、分离、和输送等工作。 第一章引言 图i - 8 柔性光整加工系统 从总体上来看，国内磨料流加工与发达国家相比，存在较大的差距。这主要 体现在工艺装备的多样性及自动化程度方面。尽管为磨料流提供动力的方式主要 是滚动和振动，但日本、美国等国家在m a s s f i n i s h i n g ( 用松散磨料抛光) 领域发展了 适应不同工件、不同生产批量及不同生产效率的多种生产方式嘲。如大型槽式振动 抛光可以实现工件的连续送进、连续加工；端部卸载振动抛光可自动装卸工件， 封闭加工，适应不同尺寸的工件；自动控制的碗式振动抛光对小型工件加工效率 很高；在滚动抛光方面，除单滚筒抛光可实现不同尺寸的滚筒多重同时加工，且 自动化装卸外，离心式滚筒抛光有了更大的发展，如小型立式离心滚抛、大型自 动化的离心滚抛、双主轴抛光、湿式浸入式离心滚抛等等。这些抛光方式的共同 特点是加工效率高，自动化程度高。 另外近年来随着光学材料的发展，获得原子级的超光滑表面是一个迫切需要 解决的问题，很多学者在传统磨料流加工方法的基础上提出了许多新的加工方法， 如浮法抛光、磁流变抛光，并进行了一些新的尝试取得了比较理想的加工效果。 例如，日本理化学研究所新世代加工系统株式会社和日本宇都宫大学大学院工学 研究科在磨料流加工的磁力研磨方面实现了对磁性金属材料的加工。太原理工大 学研究的旋转电磁场磁性研磨技术，实现了对大型曲轴( 直径大于6 0 0 0 m m ) 的表 面光整的加工，他们都是对磨料流加工技术多样性的一种拓展。 理论研究方面，国内一些学者针对离心滚磨设备应用理论力学方法进行了运 动及动力分析，提出了机器设计参数的选择方法和影响加工效率的基本因素 “州”1 跚也有作者用高速摄影方法追踪研究了在离心自由研磨过程中物料的运动 特征，但得出的相关结果是比较粗糙的。对于离心自由研磨机理的研究，明确直 接的研究对象是十分重要的。如果单纯以设备的运动或滚筒上固定的点为研究对 象”“”，研究深度是不够的，不能从根本上认识滚磨的过程，进而找到提高生产效 率和加工质量的有效方法。事实上，滚筒上的定点和动点在机器运动过程中其轨 9 第一章引言 迹是完全不同的，代表物料运动情况的动点的运动轨迹要远比刚体上定点的运动 轨迹复杂，而且直接对工件起加工作用的是物科。因此，对离心自由研磨机理的 研究必须以工作中的物料为研究对象，研究其在复杂场中的运动特征及变化规律。 只有这样，才能揭示离心自由研磨加工的实质，从中找到影响加工的本质因素， 从而促进这项技术的进一步发展。 关于本文的相关内容，国内外工艺设备方面介绍较多，对于自由磨粒研 磨加工机理方面的研究开展的较少，而有关磨料颗粒运动流态特征方面的研究特 别是基于液固两相流的系统理论研究至今尚未见到。以离心自由磨粒研磨为 例，如前所述相关文献只是定性地说明工件得到加工是磨料与工件磨削、划擦、 碰撞的结果。就理论而言，用计算流体力学的方法建立液固两相流模型，对工作 过程中磨料流的运动情况进行数值模拟，研究分析磨料运动流态特征，具有很强 的创新性和指导实际生产的实用价值。 1 4 2 本文研究的主要内容 离心滚磨加工存在两个回转运动，行星滚筒内的物料处于重力场和两个离心 场组成的变化的复合场内，由于在不同速度及不同位置场强不同，因而在加工过 程中物料处于一变化的势场中。物辩流态特征的变化规律将会影响物料间的相互 作用，从而对加工加工效果产生影响。本文将首先对固定点和单颗粒磨料的模拟 对比，得出我们研究滚磨加工机理的合适研究对象，并对磨料流的在加工过程中 的流态进行初步模拟，描绘出整团磨料的流态特征，为机器设计的参数和加工参 数的确定提供理论依据，使工件加工质量和效率能够得到进一步提高。 研磨过程中包括工件、磨料和抛光液在内的整团物料在重力和双重离心力的 作用下高速运动，在运动过程中，磨料在抛光液的辅助作用下对工件产生微细磨 削、刻划和滑擦，从而实现对工件表面的磨料流加工。目前，离心自由磨粒研磨 技术存在以下问题： 1 行星式抛光机的设计和参数是凭经验确定的，不利于对行星式抛光机设计 的进一步优化 2 缺乏对磨料运动特性的了解和理论分析，无法对行星式抛光机的设计和工 艺参数的确定进行指导。 磨料在滚筒内受重力和双重离心力的作用，与液体构成的两相流的运动是极 为复杂的，至今磨料运动特征对抛光过程影响机制尚不十分了解。在研磨过程中， 磨料的物理特性和运动流态对零件的加工效果有着直接的影响。深入研究磨料运 1 0 第一章引言 动特征以及它对滚抛过程的影响对于优化机器的设计参数和加工参数，进一步提 高加工效率具有重要意义。 本文将从理论和实验两方面深入研究探讨在离心自由磨料研磨过程中磨料流 运动的流态特征及影响因素。 长期以来，行星滚筒抛光技术设备的设计和研究主要依靠经验，这样做不仅 费时费力，而且设计缺乏理论依据和无法实现优化。近年来随着计算机科学、计 算流体力学的飞速发展，对离心自由磨粒研磨技术设备中的磨料运动特征以及它 对抛光效果影响进行数值模拟已成为可能。本文对滚筒固定点和单颗粒磨料的运 动过程进行了模拟，从对比中找出我们研究滚抛机理应该选择的研究对象，并对 磨料流的运动进行了初步的数值分析，从数值结果中获得滚筒运转过程中磨料颗 粒的浓度、速度和压力等分布特征。通过数值分析和实验结果的对比，探讨了磨 料运动的特征参数与加工抛光质量评估的内在关系，为离心自由磨粒研磨技术设 备的优化设计和运行参数的合理选择提供理论依据。 实验方面，应用高速摄影手段描述了不同行星传动比时磨料的流态特征，获 得了对离心自由磨粒研磨加工时磨料流运动的感性认识。通过对高速摄影结果的 分析，了解了磨料流在复杂运动场中的运动规律，指明磨料流在运动过程中，其 滑移层的运动及前沿界面曲线的变化是影响加工效果的重要因素，并且通过实验 也证明我们对磨料流运动的初步模拟是合理的。改变行星传动比可以有效地改变 滑移层的运动特征，从而提高生产效率。根据工件磨损率的测定，说明了不同行 星传动比对加工过程的影响。改变滚筒边界也会对加工效果产生影响。因此，对 磨料流态产生影响的因素都会导致加工效果的差异。 理论研究价值： 1 建立起反映磨料颗粒在液体中运动及其流态特征的数学模型，可以代替大 量的繁杂实验，节约了人力物力 2 深入认识当运动参数变化时磨料流流态特征的变化，通过对磨料流体积分 数分布、压力分布、速度分布的分析，建立起机械设计参数与磨料流态特征的对 应图谱，对设计参数和加工参数的选择起指导作用 3 分析不同边界条件下两相流流态特征的变化，从理论上认识不同滚磨边界 的容器对加工过程的影响，进而优化容器的形状。 针对整团磨粒在行星运动中需要解决的主要问题是： 1 分析机器不同设计参数下内部整团磨料的体积分数分布、压力分布 和速度矢量分布动态及静态图形的流态特征，可能获得工件受较大压力和处 于较高速度的区域。 l l 第一章引言 2 通过描绘机器不同设计参数( 主要是行星传动比) 下反映磨料流流 态特征的坐标图及动态图谱，优化设计参数的选择。 3 建立不同边界条件下两相流数学模型，描绘出相应的体积分数分布、 压力分布及速度矢量分奄动态图，预测最优滚筒形状。 4 通过高速摄影实验验证初步数值模拟的结论 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 对于离心研磨加工机理的理论研究包括两方面，一是以研磨设备的运动为出 发点，对工作料桶上的固定点进行运动和动力分析，阐明机器的行星运动形成的 离心场和重力场对加工效果产生直接影响；二是以工作料桶内的运动质点为研究 对象，深入分析流体运动质点在加工过程中的轨迹、速度变化规律。显然，如果 单纯研究设备的运动或滚筒上固定点，研究深度是不够的，不能从根本上认识研 磨的过程，进而找到提高生产效率和加工质量的有效方法。因此，对离心自由研 磨机理的研究登须以工作中的物料为研究对象，研究其在复杂场中的运动特征及 变化规律，只有这样，才能揭示离心自由研磨加工的实质，从中找到影响加工的 本质因素，促进这项技术的发展。 2 1 工作料桶上的固定点进行运动和动力分析 2 1 i 工作料桶上的固定点运动轨迹的理论分析 对于有些工件，为防止在加工过程中由于工件间的碰撞而产生难以去除的划 痕，将由若干工件、磨料和抛光液组成的物料密封于工作料桶内，再将若干工作 料桶固结于机器的行星滚筒内。行星滚筒的结构如图2 - i 所示。 7i l芒 季 ii 羿1 1 啼， 冷 r 1 r 啼 ， k ull 卜 飞iil 2 髓 i 图2 - i 行星滚筒的结构 离心研磨机的传动机构包括中心齿轮、行星齿轮、过桥齿轮和连杆，机构示 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 意如图2 - 2 所示。作为研究的初步，考虑工作料桶上做行星运动的固定点，其工 作过程中的运动方程为： 广j - 1c o sc o t4 - rc d sm 。f 弋- _ ) ，一1s i n f + rs i n l t ( 2 1 ) 式中1 为滚筒系杆长度 r 为滚筒半径 为滚筒公转角速度 毡为滚筒自转角速度 图2 - 2 行星传动机构 由于在机器运动过程中连杆角速度和行星滚筒角速度。l 成正比，设ml = k ，于是： r x - 1 c o st o t4 - rc o sk 甜f t y 。fs i n 珊f + rs i nk 甜f ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 描述了工作料桶上固定点的运动轨迹，常数k 由行星传动比z l ，z 2 确定： “1 。昙 ( 2 3 ) 分别取k - - 0 1 3 和1 1 ，由式( 2 2 ) 绘出的工作料桶上固定点的运动轨迹如图2 - 3 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 所示。 臻 1 叩期卸li 嗖? 口吖一1 雉 芝 4 太1 0 0 加v 锄 习 图2 - 3 工作料桶固定点的运动轨迹 ( a ) k = 0 1 ：3 时c o ) k 2 = 1 1 时 2 1 2 工作料桶上的固定点运动的动态模拟 依据作行星运动的工作料桶固定点的运动方程，用m a p l e 软件编程，可以 绘出工作料桶固定点的动态图形。 m a p l e 又称为计算机代数系统，它是加拿大滑铁卢大学开发研制的用于计算 分析的软件，被广泛用于数理及工程领域的计算分析，它具有强大的符号运算、 结果可视化及几何做图功能，这些功能为我们实现上述设想提供了一个有力的工 具用m a p l e 编程进行机构的运动分析，程序简洁易懂，可同时得到动态和静 态的图形信息和大量的数值结果。m a p l e 提供了强大的绘图工具包，包括几何工具 包( g e o m e t r y ) 、图形工具包( p l o t s ) 及( p l o t t o o l s ) ，我们的程序设计思想是 利用m a p l e 的符号运算功能，结合使用其各种绘图工具包，绕开对数学解析式进 行复杂的求解方程的过程，绘出相关的几何图元，在程序中体现这些几何图元的 动态和静态特征，在直观地得到机构运动模拟图形的同时，能够获得位移、速度、 加速度随时间变化的图形及大量的数值信息。利用这种思想，我们编制了六杆送 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 进机构运动分析的眦p l e 程序( 附1 ) 。 为了得到行星机构的运动模拟，将行星滚筒圆周运动的一个循环分割成n 等 份，在每一个位置利用m a p l e 的几何工具包绘图，整个程序用一组循环语句将所 有位置的图形绘出，将每一位置的图形存入一定义好的空集t ( n u l l ) 中，使用 p l o t s ( d i s p l a y ) 命令显示t 。运行程序后，所有的图形顺序显示，我们便看到了整 个机构的运动效果。机构运动如图2 - 4 所示。图中蓝线为固定点运动轨迹。 图2 4 行星机构动态模拟 2 2 单质点自由磨粒运动的理论分析 2 2 1 磨料颗粒运动时的受力情况 离心自由磨粒研磨设备的机械结构如图2 2 所示，主要由滚筒、连杆和齿轮 ( 链条) 传动装置等部件所构成。连杆的一端联接于固定点0 ，另一端则与滚筒的 轴心p 相连，填充有磨料和工件的柱状滚筒在连杆的带动下整体围绕固定0 点匀 速圆周运动；同时齿轮( 链条) 传动装置带动滚筒绕其轴心p 转动。滚筒的运动方 式由公转和自转两部分组成。滚筒围绕固定点0 的运动称为公转，而以其轴线p 为中心的旋转称为自转。在公转和自转的共同作用下，滚筒内由磨料颗粒和工件 构成的物料流动呈现极为复杂的运动形态和分布特征，实验观察也证实了磨料在 滚筒内的运动过程是极为复杂的。加工工件的抛光质量不仅取决于磨料的物理特 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 性和滚筒的结构，还与磨料和工件的相对运动方式以及两者相互作用的动力学过 程等诸多因素密切相关。因此仅仅通过对抛光过程的实验观测以及对加工过程的 猜测来估计物料流动对抛光质量的影响已远远不够。为了揭示磨料和工件相互作 用的动力学过程对抛光机理的影响，进一步改进和提高抛光加工的技术水平，利 用数值模拟方法深入研究磨料的运动规律及其分布特征是十分必要的。 工件的研磨加工质量是通过磨料和待加工零件之间的碰撞、挤压、刻划和摩 擦等相互作用而实现的，加工效率和加工质量与颗粒的运动状态和分布特征密切 相关。因此为了建立磨料颗粒运动的计算模型，我们需要分析一下磨料颗粒在滚 筒内部运动时的受力情况。 & ， 图2 - 5 行星滚抛颗粒受力简图 如图2 5 所示，颗粒上所受到的作用力主要有两类：外部体力f 。移流体阻力 f d 。外部体力有重力和与滚筒运动方式相关的离心力，包括自转离心力和公转离心 力而流体阻力则是由颗粒和颗粒之间以及颗粒和液体之间的相对运动诱导产生 的。 由于液体和颗粒的运动速度与参考系的选择有关，因此作用在颗粒上的外部 体力和流体阻力随着参考系的选择而有所不同，且可以部分地相互转换。例如选 择和滚筒固定联结的非惯性参考系时，除了围绕固定支点的公转外，滚筒处于相 对静止的状态，内部的颗粒运动仅受到重力、科氏力和离心力等体力的影响。选 择和连杆固定联结的旋转参考系或选择和滚筒联结的平动参考系时，滚筒的运动 方式可分解为绕支点的公转和绕其中心轴线的自转两部分。公转的作用等效于在 1 7 第二章离心研磨加工磨料颗粒运动的理论分析 颗粒上施加一个方向不断变化的离心力，滚筒的自转则会影响颗粒和流体在侧壁 上的边界条件以及相邻边界层中的流动分布，从而通过侧壁与磨料颗粒的碰撞和 摩擦等动量传输过程改变作用在颗粒上的流体阻力。重力和离心力的大小和方向 都与运动坐标系的选择相关，而磨料颗粒