磨削区压力场速度场的建模仿真分析

吕自强 李华 李想

(1.河南工业大学机电工程学院,河南郑州 450007;2.苏州科技学院,江苏苏州 215001;3.河南科技大学医学院,河南洛阳 471023)

磨削区压力场速度场的建模仿真分析

吕自强1李华2李想3

(1.河南工业大学机电工程学院,河南郑州 450007;2.苏州科技学院,江苏苏州 215001;3.河南科技大学医学院,河南洛阳 471023)

在砂轮高速磨削时，砂轮周围的空气随着砂轮的旋转进入磨削引入区，一部分出现返回流阻碍磨削液的有效进入，另一部分发散掉和通过砂轮和工件的带动到达磨削引出区。本文仿真主要建立砂轮气流场仿真模型，通过仿真观察砂轮高速旋转周边气流场的压力和速度变化规律，从而为本课题的纳米汽雾突破气流场的实验作铺垫。

磨削 气流场 压力 速度

1 引言

砂轮在高速旋转时会带动砂轮周围空气随砂轮的表面一起运动使砂轮的表面产生了一个空气附面层，即气流场。在磨削引入区，高速气流场会在此区域产生较高的动压力场并产生与砂轮回转方向相反的气流层，形成气障使磨削液难以进入磨削区，起不到降温工件和砂轮的作用，这不仅对工件的加工精度和表面质量产生影响，还大大缩减了砂轮的使用寿命，使的加工条件恶化，制约磨削技术的发展。东北大学李长河教授，巩亚东教授，英国学者S.Ebbrell和武汉理工大学的郑钧宜教授等[1-5]通过不同角度对磨削区气流场进行研究。工件表面粗超度大时磨削液会随着工件表面的沟壑润湿接触，表面光滑时磨削液会与工件表面的附着力减小，减小磨削液对其流场的影响，因此缩小磨削液尺寸有利于达到降温效果[6]，达到绿色加工。能够对砂轮周围的气流的压力场和速度分布规律作详细的研究，和砂轮转动时周围气流的特性，使冷却液有效的避开返回流，以至于达到对磨削液有效利用。

2 平面砂轮的磨削引入区和引出区的气流场仿真分析

2.1 模型仿真分析

本仿真中仿真条件：砂轮直径200mm，厚度20mm，不考虑气体的粘度，忽略环境的温度变化，由于工件进给速度和砂轮的转速相比很小，忽略工件进给速度。如图1是建立的砂轮气流场仿真模型。

从图2，3可以看出在在砂轮旋转的时候，砂轮的周围有很薄的气流随着砂轮一起旋转，到达砂轮的旋转间隙对气流形成阻碍作用很大一部分气流沿着工件反向流动，因此，在磨削引入区有很明显的返回流，形成“气障”，同时在磨削引入区形成一个范围较大的正压力区，在引出区形成范围稍小的强负压区。

2.2 速度形成的规律分析

由图4，不同间隙相同砂轮转速方面看，在砂轮的磨削引入区气流场的速度逐渐增大，随着间隙的减小速度的峰值逐渐增大，速度曲线也越来越窄且间隙的大小对水平速度方向影响不大。相同间隙不同砂轮转速方面看，可以分析：看出随着砂轮的转速的增加，周边的气流速度变化很大，水平方向的宽度变大，特别是在磨削点的速度值最大，可见此时的气流会向水平方向运动，会带动磨削液向砂轮边运动，这种现象会减少磨削液进入磨削区。

由图5，不同间隙相同砂轮转速，砂轮的转速不变，改变间隙的大小，在磨削引入区随着间隙的减小，速度峰值增大，但是与砂轮的转动方向相反，因此阻碍磨削液的注入。相同间隙不同砂轮转速方面看，可以分析：随着砂轮转速的增加，在磨削引入区，速度峰值越来越大，速度方向与砂轮的转动方向相反，阻碍了磨削液进入磨削区。

图1 砂轮气流场仿真模型

图2 速度矢量局部放大图

图3 压力局部放大图

图4 X向流场速度对比

图5 Y向流场速度对比

2.3 压力形成的规律分析

由图6，不同间隙相同转速方面看，在砂轮的引入区，随着间隙的减小压强逐渐增大，而引出区会产生很大的负压，而且随着间隙的减小负压的绝对值减小，这是因为间隙减小通过的气流越少，产生的负压也随之减小。相同间隙不同转速方面看，随着砂轮的转速的增加，磨削引入区的压力逐渐增加，而且增加的趋势很大，越靠近最小间隙压力越大，在磨削引出区的负压绝对值也增加很快，这说明随着速度的增加通过间隙的气流有所增加。由图7从不同间隙相同转速方面看，在砂轮与工件的最小间隙位置间隙大小改变，动压力的峰值大小变化不是很大，砂轮周围的流场动压力变化不是很明显。相同转速不同间隙方面看，随着砂轮转速的增加，在间隙位置的动压力增大，说明在相同间隙时，随着砂轮的转速的增加，砂轮周围的空气流速变快，所以间隙周围的流场动压力增加很快，对于磨削液的进入有很大的影响。

图6 流场静压力对比

图7 流场动压力对比

3 结语

本文是在超高速磨削区气流场的理论基础上，采用有限元分析方法，利用FLUENT软件建立了二维模型。分析了改变砂轮和工件的间隙，砂轮的转速对磨削气流场的影响。

仿真结果表明：

随着砂轮的转速的增加，砂轮圆周的气流层厚度没有明显的变化。气流随在砂轮进入磨削区，经过间隙的阻碍作用，气流沿着工件反向流动，且随着砂轮转速的增加而增加，气流强度增加。在磨削引入区随着砂轮的转速的增加压强逐渐增大，在引出区压强的绝对值增大，并且呈现负压状态。随着间隙的减小引入区的压强逐渐增大，引出区逐渐减小，这是由于间隙减小流过间隙的气流减小。通过观察发现气流随着砂轮的转动而转动，那么当冷却液喷到砂轮上的液体肯定有部分随着砂轮进入磨削区。

[1]巩亚东,王宛山,于盛蓁．超高速磨削砂轮气流场影响因素分析与研究[J].第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文(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]郑钧宜.磨削射流冷却的理论分析和实验研究.武汉理工大学博士学位论文,2008年．

[5]郑钧宜,李楠,江征风.磨削液射流两相流流场特性的应用研究[J].机床与液压,2009,1(1)：20-23．

[6]蒋大林.固液界面润湿的分子动力学研究及实验.江苏大学硕士学位论文,2007年．

吕自强,男,学历：研究生,职称：在读研究生,研究方向：机械工程。