开槽砂轮缓磨时射流冲击强化换热的研究

提出了运用磨削弧区强化换热技术开发高效磨削潜力的创新构想,并在开槽砂轮的基础上研制开发了能够实现磨削弧区沿砂轮径向定向高压水射流冲击强化换热的新型磨削液供液装置;完成了关于开槽砂轮缓磨时弧区定向高压水射流冲击强化换热效果的理论计算和实验研究,计算结果与实验结果基本吻合。     

缓磨烧伤过程的计算机仿真研究

在关于缓磨时的磨削热 ,接触弧区换热过程以及工件表层非稳态温度场的深入研究的基础上 ,构造了一可用于计算缓磨烧伤前后工件表层温度场畸变历程的数学模型 ,并据此完成了关于缓磨烧伤过程的计算机仿真研究 ,仿真结果与实际吻合良好 ,它率先阐明了缓磨烧伤的热机理并且证明了缓磨烧伤是一具有明显前兆特征的典型渐变过程     

难加工材料磨削弧区强化换热的研究

分析了难加工材料磨削烧伤的机理；在分析现有换热方法存在的不足的基础上，设计了高压定向射流冲击强化换热方法和装置，对生产实践具有较高的应用价值。①磨削去除单位体积材料所消耗的能量 比其他常规加工方法要大得多，而这些能量在磨削弧区几乎都转化为热，从而导致弧区温度升高，尤其是难加工材料比普通磨削产生更多的热量，极易发生工件磨削烧伤。针对磨削弧区近似封闭的情况，人们曾构想了包括常规供液、高压喷注顺流供液有气流挡板辅助的供液以及利用砂轮气孔的内、外渗透供液等各种磨削液引入弧区的方法。弧区引入磨削液是否能确…     

热管砂轮缓进给深切磨削钛合金试验

分析了热管砂轮在磨削过程中的强化换热原理并研制出可用于磨削加工的热管砂轮,实现了对热管砂轮的抽真空检漏、精确注液以及真空封尾。最后,开展了热管砂轮缓进给深切磨削TC4钛合金的试验研究。试验结果表明,热管砂轮能将磨削弧区积聚的热量通过砂轮内部热管的换热作用快速疏导出去,从而有效降低磨削温度,避免工件烧伤。     

TC4钛合金高效磨削加工用环形热管砂轮的研制

针对航空航天高强韧性难加工材料TC4钛合金在磨削加工中存在磨削温度高而导致工件表面烧伤的问题,提出利用热管换热技术冷却磨削弧区的新方法.分析了环形热管砂轮在加工中对磨削弧区的强化换热原理,并设计制作出能够用于磨削加工的环形热管砂轮,同时实现了对砂轮基体内环形管腔的密封、抽真空、精确注液与机械式真空封口.最后,在相同磨削工艺条件下,使用环形热管砂轮和无热管砂轮进行TC4钛合金缓进给深切磨削对比试验,验证了环形热管砂轮对磨削弧区温度的控制效果.试验结果表明:设计制作的环形热管砂轮在TC4钛合金高效磨削过程中可以有效降低磨削温度,避免工件表面出现烧伤.     

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

半封闭通道射流冲击换热特性的实验

运用红外热像仪测试技术对半封闭通道单、双排孔射流冲击冷却进行了热像显示试验,总结了各种流动参数和几何参数对局部换热特性的影响规律:对于单排垂直射流,冲击冷却效果随冲击雷诺数的增加、孔间距与直径比的减小而得到提高,冲击间距比为2时换热效果最好;冲击孔中心线向通道封闭一侧倾斜后,射流冲击冷却的范围变窄,当冲击间距比大于2时驻点区的对流换热能力明显降低;对于双排冲击射流,在较小的冲击射流雷诺数和较大的冲击间距比下,后排射流的冲击换热效果要逊于前排射流。      

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

冲击冷却局部换热特性的实验研究

木文研究了用单排圆射流冲出冷却的方法来模拟涡轮叶片前缘的局部换热特性。通过对大量实验数据的分析研究,发现局部换热系数的分布曲线是一个分段函数:驻点区为高斯分布函数,壁射流区为幂函数分布。文中还分析了射流雷诺数、射流孔与试验靶之间的无因次距离、冲击管和试验靶的无因次结构尺寸等对局部换热系数及其分布的影响。最后,用最小二乘法整理出一组描述冲击冷却局部换热特性的经验公式。这些公式对冲击冷却叶片的设计具有一定的工程实用参考价值。      

斜射流梯形腔内靶面的冲击冷却换热特性实验研究

为了深入了解冲击冷却在涡轮叶片前缘的应用效果,建立了其附近梯形内冷通道的放大模型,对冲击冷却进行试验研究,测量腔内流场和壁面换热特性,在已掌握流动结构的基础上进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对通道靶面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对靶面换热努塞尔数的影响规律。结果表明:较低位置射流对靶面具有较强的冲击作用,而较高位置射流未对靶面形成冲击;射流入射角度的增加会提高较低位置射流在靶面上的冲击换热能力,对较高位置射流的换热没有明显影响;较强的横流将严重削弱靶面冲击区的换热能力,射流雷诺数的增加将大幅提高整个靶面上的换热能力;换热试验结果与前期研究的流场分析结论非常一致。     

厚板射流冲击下淬火冷却的换热系数建模计算

建立一种多喷嘴同时喷射淬火冷却的数学模型,通过实测冷却曲线分析计算厚板驻点区与紊流区换热系数分布规律,基于ABAQUS模拟软件模拟验证模型。结果表明:驻点与紊流点处的换热系数随时间分布是不均匀的,在10～20 s内出现峰值,随后呈上下波动变化的规律;实测(或计算)试样心部与表面的冷却曲线与模拟的吻合较好,验证了多喷嘴同时喷射下的换热系数分布模型。     

Al2O3陶瓷蠕动进给超声磨削特性试验研究

在改装成的超声磨削机床上进行了陶瓷超声磨削与普通磨削的对比试验,以揭示蠕动进给超声磨削加工的磨削特性及其材料去除机理。结果表明:当超声振动方向与磨削进给方向相同时,超声振动所引起的抛磨作用非常显著,超声磨削的表面粗糙度比机械磨削的低;Al2O3陶瓷在一般条件下超声磨削的去除方式仍属于脆性断裂,以晶粒粉碎、穿晶断裂为主,但伴随有沿晶断裂、弹性划擦、塑性流动等现象。     

周期性湍流射流冲击下的传热与流场特征

实验研究了周期性变化的湍流射流冲击平板时的传热和流场特性,对实验现象和射流冲击强化传热机理进行了探索和分析。利用一个特殊的质量流量控制装置产生周期性的冲击射流,采用典型的正弦和矩形变化的射流,在不同频率下进行实验。研究表明,两种周期性射流冲击传热性能有很大差异,矩形冲击射流的传热性能优于正弦冲击射流,提高频率有助于射流冲击传热的强化。用粒子图像测速(PIV)技术对流场进行锁相实验测量,研究表明,在较高频率下,阶跃变化的矩形射流冲击时整个变化周期内平板表面处于强烈的冲击和涡流不断的产生和传播状态,从而能有效地强化对流换热过程。平缓连续变化的正弦射流的锁相平均速度场低于矩形射流,卷吸和冲击作用、涡流的形成和传播过程均没有矩形射流冲击下那么强烈,从而导致换热强化效果相对较弱。     

密集型阵列冲击射流换热特性实验

设计了多种不同几何参数的阵列射流冲击孔实验件,利用红外热像仪对其冲击冷却进行了热像显示实验,获得了冲击射流雷诺数和几何参数对局部对流换热特性的影响规律.结果表明:①对流换热系数随着射流雷诺数R_ej的增加而逐渐增大;②随着孔间距的或者冲击间距的增大,冲击冷却的对流换热效果逐渐减弱;③当孔间距与孔径之比在3～5时,顺排阵列射流的强化换热效果优于叉排,而当孔间距与孔径之比为2时,在阵列射流上游叉排排布的强化换热效果优于顺排,而在下游则顺排排布的强化换热效果占优.      

Grindability and Surface Integrity of Cast Nickel-based Superalloy in Creep Feed Grinding with Brazed CBN Abrasive Wheels

The technique of creep feed grinding is most suitable for geometrical shaping, and therefore has been expected to improve effectively material removal rate and surface quality of components with complex profile. This article studies experimentally the effects of process parameters (i.e. wheel speed, workpiece speed and depth of cut) on the grindability and surface integrity of cast nickel-based superalloys, i.e. K424, during creep feed grinding with brazed cubic boron nitride (CBN) abrasive wheels. Some important factors, such as grinding force and temperature, specific grinding energy, size stability, surface topography, microhardness and microstructure alteration of the sub-surface, residual stresses, are investigated in detail. The results show that during creep feed grinding with brazed CBN wheels, low grinding temperature at about 100 °C is obtained though the specific grinding energy of nickel-based superalloys is high up to 200-300 J/mm³. A combination of wheel speed 22.5 m/s, workpiece speed 0.1 m/min, depth of cut 0.2 mm accomplishes the straight grooves with the expected dimensional accuracy. Moreover, the compressive residual stresses are formed in the burn-free and crack-free ground surface.     

Al2O3陶瓷蠕动进给超声磨削加工表面质量的试验研究

为探索利用简单形状砂轮对陶瓷材料进行数控展成型面超声磨削,通过对Al2O3陶瓷进行蠕动进给超声磨削和机械磨削对比试验研究,探索各加工参数对磨削表面质量的影响规律.结果表明:超声振动方向与蠕动进给方向平行时可降低表面粗糙度值,而超声振动方向与蠕动进给方向垂直时则不利于改善加工表面质量;在超声磨削条件下,为了提高加工表面质量,应采取较小的磨削深度、较低的进给速度和适当高的磨削速度以及复合进给磨削方式.结合试验结果理论分析了蠕动进给超声磨削和蠕动进给机械磨削加工机理,并根据试验结果选择磨削参数进行了陶瓷叶片型面超声磨削的可行性试验.     

Design and experimental study of a micro-groove grinding wheel with spray cooling effect

The effectiveness of grinding fluid supply has a crucial impact on grinding quality and efficiency in high speed grinding. In order to improve the cooling and lubrication, through in-depth research of self-inhaling internal cooling method and intermittent grinding mechanism, a new spray cooling method used in high speed grinding is proposed. By referring to the structure of bowl- shaped dispersion disk, the grinding wheel matrix with atomization ability is designed; through studying heat transfer of droplet collision and the influence of micro-groove on the boiling heat transfer, grinding segment with micro-groove is designed to enhance the heat flux of coolant and achieve maximum heat transfer between droplets and grinding contact zone. High-speed grinding experiments on GH4169 with the developed grinding wheel are carried out. The results show that with the micro-groove grinding wheel just 5.4% of pump outlet flow rate and 0.5% of spindle energy is needed to reduce the grinding temperature to 200℃, which means the developed grinding wheel makes cooling high efficient and low energy consuming.