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整体几何模型的建立
整体几何模型的建立
摘要：研究采用高速空气作为冷却介质的一种新型高速磨削冷却方案，提出利用高速磨床主轴带动涡扇叶片结构和改造的砂轮卡盘外部风槽结构作为风冷结构产生高速气流，高速气流经内部空腔喷射至磨削工作表面进行强制对流散热，进而实现绿色高速磨削的目的。本文通过三维软件Pro/E对新型砂轮结构进行造型设计，将设计内部结构导入Fluent软件并完成流场环境建模，通过反复流场模拟实验，确定出高速气流到达磨削工作表面时的流场分布特性。结果表明压缩比为1.3的轴流压气结构产生的气流能够顺利突破高速气流屏障到达磨削区域，与无风冷结构的磨削相比，冷却效果有明显改善。确定常温空气作为高速磨削冷却介质的可行性，并为其他切削加工提供一种新的冷却思路。
关键词：高速磨削;风冷结构;流场模拟;冷却效果
中图分类号：
LIANG Guoxing& Lv Ming& Wang Shiying
磨削是现在制造业精密加工的主要方法之一，但是伴随着磨削过程会产生大量磨削热，由于磨削热无法及时散去，会使工件发生烧伤和变形，磨削液的作用就是带走磨削热，降低磨削区域温度。高速、超高速磨削由于存在气流屏障的原因使得冷却液难以到达磨削区域，加工部位更容易被烧伤、工件成品率低，且磨削液的大量使用及回收会加大磨削成本，残留的磨削液会影响精密工件质量[1]。针对高速磨削冷却存在的问题，国内外研究学者主要进行了新型冷却液的开发、供液方式的转变以及控制气流屏障等方面的研究。装甲兵工程学院田欣利教授研发的应用于磨削Si3N4陶瓷的新型高效有机磨削液，与普通磨削液相比磨削效率提高了1.37倍[2]。北京航空航天大学设计了一种盘状的内冷式砂轮结构，采用喷雾的方式供液，并提出了喷射微槽的设计原理[3]。东北大学对高速磨削气流场分布进行理论和实验研究，分析了动压效应，并且提出高速磨削时，冷却液有效供给的措施[4]。此外，国内外研究学者对磨削换热机理、流体压力对磨削影响等方面的研究也促进了高速磨削向绿色磨削的方向发展[5][6]。但是高速磨削目前依然存在冷却问题：普通油基冷却液无法有效的到达磨削工作区域进行冷却，或只有极少量的冷却液能够起到冷却效果，采用高压高速的低温冷气冷却又导致磨削成本大幅提高。因而研究设计新型的磨削冷却液及开发新型冷却方式对高速磨削的发展具有重要的意义。本文针对高速磨削的特性，设计风冷结构，采用涡扇叶片的形式将常温空气加压喷射至磨削表面，在Fluent中进行流场分析，以期能够达到冷却效果。
1模型的建立
1.1整体几何模型的建立
风冷式砂轮结构模型的建立首先要考虑涡扇叶片的分布位置。高速磨床的主轴转速较高，这要求设计的风冷结构具有较好的动平衡性能，同时为了便于在工作中装夹，应将涡扇叶片结构布置在远离主轴一侧的夹具体上，围绕主轴成均布态势，形成轴流压气结构，轴流压气结构应设计在外卡盘内部，能够产生稳定气流且保证安全。同时为了加大产生的高速气流量，在砂轮的内外卡盘上开有风槽结构[7][8]。图1为利用三维软件完成的新型风冷式砂轮结构模型。
图1& 砂轮整体结构模型
1.2轴流压气结构设计
轴流压气结构需要根据流量、全压、转速和叶轮直径等参数来设计。研究的砂轮线速度为200m/s,相关研究表明当气流速度达到砂轮线速度的时能够有效的突破气流屏障到达磨削区域[9]。根据突破气流屏障所需要的出风口气流速度计算轴流压气结构的流量。轴流压气结构产生的流量计算公式为：
& &&&&&&&&&&&(1)
式中Qv为出风口即轴流压气结构产生的流量（假定轴流压气结构产生的流量在夹具体内部无流量损失）；V为出风口气流速度；S为出风口截面尺寸。出风口的截面尺寸通过单个出风口的截面尺寸与出风口个数的乘积得到。
轴流压气结构产生的全压是气流能够到达磨削区域的能量来源，因而必须计算出合适的全压[10]。图2为在Fluent中分析300mm砂轮不同转速下工件表面气流屏障的压力分布情况。
图2 &不同线速度时磨削区域压力分布
结果表明气流屏障的压力分布随磨削线速度有较大的变化。在Fluent中进行流场仿真分析，以进气扇为入口边界条件分析不同全压下气流到达磨削区域时的状态，结果表明：当进气扇的压力跳跃达到3.0e+4Pa（压缩比为1.3）以上时，气流能够有效的突破气流屏障到达磨削区域。而单级轴流压气机的压缩比为1.15～2，且当要求压缩比大于1.5时叶片的设计较为复杂。因而选定轴流压气结构的压缩比为1.3[11]。根据流量、全压、转速和叶轮直径，采用等环量设计的方法，设计轴流压气结构[12],叶片的安装角α的计算公式为：
&&&&& &&&&&&(2)
式中Ca轴流压气结构由流量计算出的轴向速度；ut为不同翼型处周向速度。图3为设计的轴流压气结构模型，表1为轴流压气结构主要参数。
图 &3轴流压气结构模型
表1& 轴流压气结构主要参数
叶轮直径(mm)
轮毂直径(mm)
1.3内腔流道的设计
由于卡盘内部流道的不规则性，导致轴流压气结构产生的气流在到达出风口过程中会有较大的压降产生，而过高的压降会使出风口压力减小，气流无法突破气流屏障，因而必须对内腔流道进行改进设计以减少压力损失。压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失，沿程压力损失计算公式为[13]：
& && &&&&&&&&(3)
式中μ为阻力系数；Q为管道流量；L为管道长度；d为管道内径。由沿程压力损失的公式可以看出，在流量不变的情况下，管道越短、管径越大则压力损失越小，因而应缩短轴流压气结构到内腔的距离，使得沿程压力损失尽可能的小。
局部压力损失主要包括过流断面变化和流动方向的变化引起的压力损失，过流断面变化引起的局部压力损失计算公式为[14]：
&&&&&&&& &&&&&&（4）
式中μ为阻力系数；u为下游速度。由此可以看出，应尽量减少截面尺寸的突变以减少过流断面引起的局部压力损失。流动方向的变化引起的压力损失无法避免，但采用弧形壁面代替直角壁面过渡，使得流动方向渐变能够有效的降低流动方向变化带来的局部压力损失。
设计前后卡盘内腔流道压力衰减对比结果如图4所示。
图4& 设计前后压力衰减对比图
设计前后的压力衰减对比结果表明：设计后内腔高速气流的压力损失明显减小。
1.4出风口的设计
出风口的形状和位置决定了高速气流到达磨削接触区域时的状态，不合适的出风口尺寸和角度将会使气流在磨削区域形成涡旋，从而引起振动，甚至使得工件精度下降。根据单相射流冲击传热理论，垂直于热源壁面的射流传热具有最好的传热效果，由于卡盘和砂轮的阻隔，传统的外置喷嘴只能以一定的倾斜角度射流散热，本结构属于内冷式砂轮，应尽量保证高速气流以接近垂直的角度喷射在磨削区域。在分析出风口尺寸和出风口离传热壁面距离对高速气流传热效果的影响时，假设出风口是垂直于传热壁面方向，对尺寸和距离进行分析。在气体射流冲击换热的研究中，冲击壁面上的Nu（努塞尔数）是能够反映换热强度的一个准数。在理论分析和模拟实验中，Nu数的定义是[15]：
&&&&& &&&&&(5)
式中qwall为被冲击壁面上热流密度；D为喷嘴水力直径；λin为气体的热导率；Twall为被冲击壁面上温度；Tin为喷嘴处气体温度。以平均换热量最大为目标设计出风口尺寸，根据相关研究结果，选取无量纲参数H/D为3～5，其中H为出风口到换热面的距离。设计的风冷式砂轮中，H为50mm，在Fluent中模拟单相射流，分析矩形出风口截面尺寸对工件换热面Nu数的影响，结果如表2所示。
表2& 出风口尺寸对换热效果的影响结果
轴向长度（mm）
周向长度（mm）
最低温度(K)
根据分析结果，矩形出风口截面尺寸选择为 10(mm)′20(mm)。由于砂轮的高速旋转，使得高速气流离开出风口时具有较大的切向速度不能以垂直方向喷射至磨削区域。图5为将出风口改为弧形出风口后与竖直出风口的速度矢量对比图。
图5& 改进设计前后出风口气流速度矢量图
结果表明:改进后出风口喷射的高速气流能够有效的突破气流屏障，以接近垂直于工件表面的方向喷射到磨削区域。
2内部流场及叶片压力分析
2.1轴流压气结构的流场分析
2.1.1几何模型建立与单元划分
利用三维造型软件压气结构的流场分析模型并导入中。压气结构的流场分析类似于风洞实验[16]，将压气结构置于管道中，设定转速观察其流场状态，单元划分结果如图6所示。
图6& 轴流压气结构流场单元划分
2.1.2边界条件的确定
入口和出口距离轴流压气结构的长度都大于轴流压气结构叶轮直径的10倍以上，因而都设定为压力边界条件，相对环境压力为0,环境压力设置为一个标准大气压。旋转区域设定为转速12000r/min,与轴流压气结构接触区域壁面设定为相对于相邻单元转速为0。
2.1.3仿真结果
采用标准的封闭湍流控制方程和默认的壁面函数来模拟流固接触区域，采用算法来进行湍流方程的求解，图7为接近轴流压气结构某一截面压力分布仿真结果。
图7& 接近叶片某一截面压力分布
轴流压气结构的流场分析结果表明：在设定的转速下，涡扇叶片结构产生的轴向气流全压接近于1.24e+5Pa,并且沿径向压力变化不大。
2.2内部空腔的流场分析
2.2.1几何模型与单元划分
在中建立空腔的三维实体模型，导入中，划分单元时，出风口处进行单元细分。
2.2.2边界条件的确定
在内部空腔的流场分析中，设置进气扇入口边界条件，全压为1.3e+5Pa，压力跳跃为3.0e+4Pa，出口为压力出口边界条件，环境压力为一个标准大气压。
2.2.3仿真结果
采用标准的封闭湍流控制方程和默认的壁面函数来模拟流固接触区域，采用SIMPLE算法来进行湍流方程的求解，计算结果如图8所示。
图8（a）& 磨削加工流场矢量图
图8（b）& XOZ平面速度矢量图
图8(c)& YOZ平面速度矢量图
流场分析的结果表明，在改进之后内腔的气流流动较为规则，但由于矩形出风口尺寸较小，不可避免地在出风口内侧会出现涡流现象。
2.3叶片压力分析
轴流压气结构是整个风冷式砂轮结构的核心，其性能能否达到设计要求，同样决定了该结构能否达到预期的冷却效果。中的模拟结果表明，在流量为1m3/s时，1.3e+5Pa的全压能够使轴流压气结构产生的高速气流在不损失流量的前提下到达内腔出风口。由于轴流压气机构的压缩比较大，对叶片的压力也就会较大[17]，叶片刚度是否满足要求也将是影响轴流压气结构性能的重要因素。在Ansys中进行流固耦合，分析叶片受力，设置环境压力为一个标准大气压,图9为叶片所受压力分布图。
图9 &叶片压力分布图
轴流压气结构叶片压力分布图表明，叶片所受压力分布整体变化趋势较为平缓，维持在1.26e+5Pa左右，压力沿叶高方向变化不大，与等环量设计的原则符合。实际加工过程中，应根据压力分布情况与动态效应选择高强度的轻型叶片材料。
3冷却效果仿真分析
在中进行流固耦合研究风冷结构的散热效果时，对流散热边界条件为进气扇入口边界条件。假设热源以热通量的形式加载，加载路径从薄板工件底部，这样可有效降低对流散热的分析难度，且有利于观察风冷结构冷却效果。图10为风冷式砂轮的磨削加工模型，图11为有无风冷系统磨削工作进行时工件表面温度分布对比图。
图10 &有风冷系统时加工模型
图11（a） &工件表面温度分布对比云图
图11（b） &工件表面温度分布对比线图
结果表明，设计的风冷式砂轮在高速磨削的过程中能够有效的降低磨削工件表面温度。
（1）在砂轮直径为300mm、线速度为200m/s的工况下，以300m/s出风口风速、1.3个压缩比设计的轴流压气结构能够产生突破磨削气流屏障的高速气流。
（2）在流量一定的情况下，选择合适的出风口尺寸能够有效的加强气流对流换热能力。
（3）实际工作中，应以全压为目标函数进行轴流压气结构的改进设计，并选择适合的高强度叶片材料。
（4）仿真结果表面，高速气流在突破气流屏障到达磨削工作区后，能够起到冷却的效果，实际冷却效果有待通过更精确的流场仿真和实验进一步验证。
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