摘要　基于一種利用熱管技術(shù)對(duì)磨削弧區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化換熱的構(gòu)想，采用FLUENT軟件建立了環(huán)形熱管砂輪干磨削溫度場(chǎng)的仿真模型，得到了熱管換熱能力與熱流密度、轉(zhuǎn)速和砂輪壁厚的關(guān)系，并在相同熱流密度下對(duì)比了熱管砂輪與熱管砂輪弧區(qū)的溫度。仿真結(jié)果表明：弧區(qū)溫度會(huì)隨著密度的增大相應(yīng)升高，溫度明顯低于無(wú)熱管砂輪。最后通過(guò)干磨削鈦合金TC4試驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞　熱管砂輪；溫度場(chǎng)；Fluent軟件；干磨削

　　在難加工材料的磨削中，研究磨削溫度場(chǎng)對(duì)控制弧區(qū)溫度有很重要的意義。計(jì)算機(jī)住址技術(shù)作為輔助工具廣泛應(yīng)用于磨削溫度場(chǎng)的研究，它既可以研究各種材料高質(zhì)量加工的磨削工藝，也可以對(duì)磨削溫度、磨削力等進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，越來(lái)越受到工程領(lǐng)域人們的關(guān)注。

　　本文根據(jù)一種利用熱管強(qiáng)化弧區(qū)熱管強(qiáng)化區(qū)換熱的創(chuàng)新構(gòu)想，將采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立熱管砂輪干磨削溫度場(chǎng)的有限元模型，利用Fluent仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證利用熱管技術(shù)強(qiáng)化磨削弧區(qū)換熱的創(chuàng)新構(gòu)想，研究砂輪內(nèi)部的熱管結(jié)構(gòu)能否最大限度地疏導(dǎo)出已產(chǎn)生的積聚在弧區(qū)的磨削熱，有效抑制磨削燒傷和進(jìn)一步提高磨削效率；分析在不同熱流密度、轉(zhuǎn)速和壁厚參數(shù)下，熱管溫度場(chǎng)隨熱流密度變化規(guī)律，并與無(wú)熱管砂輪進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)工藝參數(shù)的選擇，進(jìn)一步挖掘熱管砂輪的換熱潛力和應(yīng)用前景。

1         熱管砂輪仿真幾何模型的建立

1.1       幾何模型

根據(jù)砂輪盤(pán)形結(jié)構(gòu)，采用回轉(zhuǎn)型熱管形式置于砂輪中。如圖1所示，當(dāng)砂輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)，工質(zhì)在離心力的作用下均布在整個(gè)外圓內(nèi)壁上，形成厚度為δ液膜；弧區(qū)的熱量q也近似均勻分布于整個(gè)砂輪的外圓面上，此處視為熱管的蒸發(fā)端，換熱面積為為內(nèi)壁面積Ａ。在砂輪兩端面靠近內(nèi)環(huán)處有一圈圓周環(huán)槽，此處視為熱管的冷凝端。熱量從磨粒經(jīng)外圓面通過(guò)砂輪壁面?zhèn)魅雰?nèi)腔時(shí)，工質(zhì)開(kāi)始吸熱，當(dāng)液膜的溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)汽化，蒸汽會(huì)在壓差的作用下向冷凝端移動(dòng)，并在冷凝端進(jìn)行熱量交換發(fā)生液化；內(nèi)部工質(zhì)的回流是利用自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而驅(qū)動(dòng)的，只要有足夠的旋轉(zhuǎn)速度，就能保證工質(zhì)的回流。

圖1　環(huán)形熱管內(nèi)腔換熱原理示意圖

　　仿真模型包括砂輪基體、熱管結(jié)構(gòu)、磨粒和熱源部分。熱管砂輪基體采用圓環(huán)二維平面模型，圓環(huán)大徑與砂輪直徑相同為Φ320mm，圓環(huán)小徑與圓環(huán)槽即冷凝端的尺寸相同為Φ240mm。從圖1的局部放大圖可經(jīng)看到，圓環(huán)外分布一圈有序排布的金剛石磨粒，工件簡(jiǎn)化成一道熱源并輸入一定的熱流密度。

　　采用專(zhuān)用的前處理軟件GAMBIT進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分工作，為獲得較高的計(jì)算精度和效率，將尺寸較小的磨粒和尺寸較大的砂輪基體采用逐漸過(guò)渡的方法劃分為三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。近熱源處局部模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2所示，所建型共737714個(gè)網(wǎng)格單元。

　　網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算精度和穩(wěn)定性有很大影響，因此，為了保證計(jì)算的精度同時(shí)兼顧計(jì)算效率，需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。本文針對(duì)實(shí)際的模型，為了得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算精度，采用分區(qū)分別劃分網(wǎng)格的辦法。網(wǎng)格類(lèi)型主要為三角形網(wǎng)格，95%的網(wǎng)格Q_EAS值小于0.5，網(wǎng)格質(zhì)量好。

圖2　熱管砂輪近熱源局部網(wǎng)格模型

1.2      邊界條件

　　參考?jí)簭?qiáng)設(shè)為101325Pa，環(huán)境氣體溫度為300K，熱流密度的輸入邊界熱管冷端邊界設(shè)為壁面邊界條件，砂輪運(yùn)動(dòng)類(lèi)型設(shè)置為Moving Reference Frame。

1.3      材料物性值

　　一般情況下，熱管砂輪啟動(dòng)后導(dǎo)熱率是銅的100~1000倍，定義砂輪內(nèi)腔的熱管結(jié)構(gòu)其導(dǎo)熱系數(shù)為銅導(dǎo)熱系數(shù)的100倍，即3900W/(m·K)。磨料層包括金剛石與結(jié)合劑，根據(jù)兩者所占面積的面分?jǐn)?shù)可以計(jì)算得到磨料層的平均導(dǎo)熱率為138 W/(m·K)。同時(shí)砂輪的壁面材料也需要定義密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。各種材料的屬性見(jiàn)下表1。

　　　表1　各種材料的屬性

2         數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

　　利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent2DD求解器對(duì)熱管砂輪干磨削溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。建立求解模型時(shí)選擇非耦合求解法的隱式算法，其他為默認(rèn)選擇；然后選擇標(biāo)準(zhǔn)K-e模型求解方程，選中其中的能量方程。以上設(shè)置完成后，設(shè)置邊界條件，最后初始化流暢進(jìn)行迭代求解。

2.1      弧區(qū)溫度的影響因素

2.1.1       熱流密度對(duì)弧區(qū)溫度的影響

　　熱流密度可以用來(lái)表征磨削弧區(qū)熱量的大小，施加的熱流密度大小為20Wmm²，熱管砂輪轉(zhuǎn)速為3000r/min，壁厚為1mm，冷卻壁面溫度為300K。在Fluent軟件中選擇穩(wěn)態(tài)求解器，當(dāng)弧區(qū)溫度平衡時(shí)，管砂輪溫度場(chǎng)如圖3所示。

　　為了挖掘熱管砂輪的換熱能力，分別設(shè)置不同的熱流密度20W/mm²、40W/mm²、60 W/mm²、80 W/mm²，得到弧區(qū)溫度隨熱流密度變化的曲線(xiàn)，如圖4所示，從圖中可以看出，熱管砂輪弧區(qū)溫度隨熱流密度呈線(xiàn)性變化，隨熱流密度的增大弧區(qū)溫度升高。當(dāng)熱流密度為20W/mm²時(shí)，弧區(qū)的平衡溫度341K；當(dāng)熱流密度達(dá)到80W/mm²時(shí)，弧區(qū)溫度也只有463K。因此，熱管砂輪的弧區(qū)溫度隨熱流密度的增大呈線(xiàn)性升高，且在熱流密度80W/mm²時(shí)，也能控制弧區(qū)溫度在500K以下。

圖3　熱流密度20W/mm²時(shí)熱管砂輪溫度場(chǎng)

圖4　弧區(qū)溫度隨熱流密度的變化規(guī)律 

2.1.2       轉(zhuǎn)速對(duì)弧區(qū)溫度的影響

　　設(shè)置砂輪轉(zhuǎn)速8000r/min，壁厚為1mm，施加的熱流密度為20 W/mm²，冷端壁面條件為300　Ｋ,在Fluent軟件中選擇穩(wěn)態(tài)求解器，當(dāng)弧區(qū)溫度平衡時(shí)，熱管砂輪溫度場(chǎng)如圖5所示。

　　為了探究轉(zhuǎn)速對(duì)熱管砂輪換熱能力的影響，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速為1000 r/min、3000 r/min、5000 r/min、8000 r/min，得到弧區(qū)溫度轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)，如圖6所示。從圖6中可以看出，熱管砂輪弧區(qū)溫度隨砂輪轉(zhuǎn)速的增大而降低。從傳熱學(xué)的角度看，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大，熱量更加均勻地分配在整個(gè)砂輪外壁上，使換熱更加均勻，而不會(huì)集中在弧區(qū)，所以溫度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，且當(dāng)轉(zhuǎn)速在3000 r/min以下時(shí)，弧區(qū)溫度隨轉(zhuǎn)速變化較明顯，與1000 r/min的溫差達(dá)28K；而在3000 r/min以上，弧區(qū)溫度變化僅2~8K，變化趨勢(shì)較緩慢。

圖5　砂輪轉(zhuǎn)速為8000r/min時(shí)熱管砂輪溫度場(chǎng)

圖6　弧區(qū)溫度隨砂輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

2.1.3       壁厚對(duì)弧區(qū)溫度的影響

　　設(shè)置熱管砂輪壁厚1.5mm，轉(zhuǎn)速3000 r/min，施加的熱流密度20 W/mm²，冷端壁面300K，在Fluent軟件中選擇非穩(wěn)態(tài)求解器，弧區(qū)溫度變化曲線(xiàn)如圖7所示，熱管的啟動(dòng)時(shí)間即弧區(qū)溫度開(kāi)始保持不變的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)為16s。

圖7　弧區(qū)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律 

　　為了探究砂輪壁厚對(duì)熱管砂輪換熱能力的影響，分別設(shè)置壁厚為0.5mm、1 mm、1.5 mm，得到啟動(dòng)時(shí)間隨壁厚大小變化規(guī)律，如圖8所示，從圖8中可以看出，熱管砂輪的啟動(dòng)時(shí)間隨壁厚的增加而變長(zhǎng)，這一結(jié)果對(duì)熱管砂輪的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，減小砂輪外壁厚度可以加快熱管砂輪的啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)也得到，砂輪壁厚在0.5~1.5 mm范圍內(nèi)，弧區(qū)溫度變化并不大。

圖8　啟動(dòng)時(shí)間隨壁厚的變化規(guī)律

2.2      熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪弧區(qū)溫度對(duì)比

　　無(wú)熱管砂輪的幾何模型與真實(shí)砂輪的尺寸相同，外徑Φ320 mm，內(nèi)徑Φ63.5mm，砂輪內(nèi)部無(wú)熱管結(jié)構(gòu)，整個(gè)基體為45鋼材料，其余幾何條件與熱管砂輪相同。

　　設(shè)置熱管轉(zhuǎn)速為3000 r/min，壁厚為1mm，冷端壁面溫度為300K，施加的熱流密度大小分別為10 W/mm²、15 W/mm²、20 W/mm²、40 W/mm²，與無(wú)熱管砂輪在相同轉(zhuǎn)速、相同熱流密度下的弧區(qū)溫度對(duì)比，在Fluent軟件中選擇一階非穩(wěn)態(tài)求解器，熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪弧區(qū)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖9、圖10所示。從圖中可以看出，熱管砂輪弧區(qū)溫度在8s之前弧區(qū)溫度上升由急到緩，8s之后緩慢趨于平衡；而無(wú)熱管砂輪弧區(qū)溫度呈直線(xiàn)上升，30s時(shí)已經(jīng)達(dá)到540K。

　　為了探索熱管砂輪的換熱優(yōu)勢(shì)，分別在不同熱流密度下對(duì)比熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪弧區(qū)溫度，結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，在同一熱流密度下，熱管砂輪弧區(qū)溫度明顯低于無(wú)熱管的普通砂輪，且隨熱流密度增大熱管砂輪的換熱優(yōu)勢(shì)更加明顯。在30s時(shí)，熱管砂輪早已達(dá)到平衡溫度，而無(wú)熱管的普通砂輪溫度仍處于上升趨勢(shì)，而且熱流密度較大如40 W/mm²時(shí)熱管砂輪弧區(qū)的平衡溫度僅381Ｋ，而無(wú)熱管的普通砂輪弧區(qū)溫度為1310Ｋ，兩者相差900Ｋ左右。

圖11　熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪弧區(qū)溫度對(duì)比

3         熱管砂輪磨削溫度場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1      試驗(yàn)條件與方法

　　為了驗(yàn)證熱管砂輪溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，在磨床PROFIMAT MT408進(jìn)行磨削對(duì)比試驗(yàn)。為保證熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪在再次試驗(yàn)中磨削狀態(tài)一致，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都采用圖12所示的砂輪。試驗(yàn)中先進(jìn)行無(wú)熱管砂輪的磨削試驗(yàn)，然后對(duì)砂輪進(jìn)行抽真空、注液與封尾使砂輪具有熱管功能后再進(jìn)行相同用量的磨削試驗(yàn)。

圖12　電鍍有序排布金剛石磨粒的熱管砂輪圖

　　試驗(yàn)測(cè)溫采用分塊試件夾絲半人工熱電偶測(cè)量弧區(qū)工件表面溫度分布，試件材料選用鈦合金，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。測(cè)得磨削弧區(qū)前后工件表面的最高電勢(shì)，根據(jù)鈦合金－康銅絲與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)定曲線(xiàn)即可換算出所對(duì)應(yīng)的弧區(qū)溫度。試驗(yàn)測(cè)力選用KISTLER三相壓電晶體測(cè)力儀。

表2　熱管砂輪磨削驗(yàn)證參數(shù)

3.2      試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　圖13所示為電鍍金剛石熱管砂輪磨削鈦合金熱電熱原始信號(hào)，從圖中可以看出，進(jìn)入磨削弧區(qū)后，溫度曲線(xiàn)出現(xiàn)密集排列的尖脈沖信號(hào)，這是磨粒磨削點(diǎn)溫度的反映，磨削弧區(qū)溫度是測(cè)量值內(nèi)絡(luò)線(xiàn)的最高點(diǎn)的值乘以標(biāo)定值。

圖13　電鍍金剛石熱管砂輪磨削鈦合金熱電勢(shì)原始信號(hào)

　　圖14為電鍍金剛石砂輪磨削鈦合金的原始信號(hào)，可以反映出砂輪從切入到切出整個(gè)磨削過(guò)程，力信號(hào)呈現(xiàn)周期性變化。從放大的力信號(hào)（圖15）可以看出，砂輪只有近1/3的部分接觸到工件，切向力取最集中的一段信號(hào)的平均值。

　　為了與仿真的磨削溫度相比較，磨削弧區(qū)產(chǎn)生的熱流密度可以通過(guò)公式1計(jì)算得出：

　　　　                         （1）

　　其中， －切削深度，mm；

　　D－砂輪直徑，mm；

　　B－磨削寬度,mm；

　　Ｆ1－磨削切向力，Ｎ；

　　v_s－砂輪線(xiàn)速度，m/s。

　　結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，做出熱管砂輪與無(wú)熱管砂輪弧區(qū)的對(duì)比結(jié)果，如圖16所示。從圖16中可以看出試驗(yàn)和仿真證明了熱管砂輪的弧區(qū)溫度明顯低于無(wú)熱管的普通砂輪。試驗(yàn)中當(dāng)熱流密度達(dá)到22時(shí)，無(wú)熱管砂輪的弧區(qū)溫度近似達(dá)到973K，工件表面已經(jīng)燒傷；而熱管砂輪弧區(qū)溫度僅為663K，降低了近50%，且當(dāng)切深增加0.05mm時(shí)，弧區(qū)溫度為773K，溫度上升的速率降低。由此可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，熱管砂輪在磨削過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)弧區(qū)的強(qiáng)化換熱，并降低磨削溫度。

　　另一方面，在相同熱流密度下，試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果偏高，其原因主要是在建立仿真模型時(shí)認(rèn)為熱管砂輪始終處于理想的良好工作狀態(tài)，然而在實(shí)際磨削試驗(yàn)中，熱管砂輪的換熱能力會(huì)受到熱管結(jié)構(gòu)、砂輪轉(zhuǎn)速以及冷端散熱條件等因素的影響，所以試驗(yàn)中熱管砂輪不能達(dá)到與仿真相同的理想工作狀態(tài)，造成了試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果偏高。

　圖16　干磨削鈦合金對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4         結(jié)論

　　（1） 從熱管仿真研究結(jié)果可以看出，弧區(qū)與熱流密度和砂輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)相關(guān)，熱管砂輪弧區(qū)溫度隨著熱流密度增大而升高，在熱流密度80 W/mm²時(shí)，也能控制弧區(qū)溫度在500Ｋ以下；隨著砂輪轉(zhuǎn)速的增大，磨削弧區(qū)溫度會(huì)降低，從仿真結(jié)果看，轉(zhuǎn)速在3000 r/min以下，弧區(qū)溫度變化較快，3000 r/min以上，弧區(qū)溫度變化緩慢；外壁厚度主要是對(duì)熱管砂輪的啟動(dòng)時(shí)間有影響，壁厚為0.5mm時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間僅10s。

　　（2） 通過(guò)仿真和試驗(yàn)結(jié)合，對(duì)比結(jié)果表明，熱管砂輪熱弧區(qū)溫度明顯低于無(wú)熱管砂輪，而且隨著熱流密度的增大，熱管砂輪的換熱優(yōu)勢(shì)不斷增大，兩者溫差越來(lái)越大。從仿真結(jié)果看，熱流密度10 W/mm²時(shí)，熱管砂輪弧區(qū)321Ｋ，比無(wú)熱管砂輪溫度低近200Ｋ；在熱流密度為30 W/mm²時(shí)，二者弧區(qū)溫度相差近550Ｋ。從試驗(yàn)結(jié)果看，在砂輪切削嘗試單因素試驗(yàn)中，砂輪線(xiàn)速度為50m/s，工件進(jìn)給速度60mm/min，當(dāng)切削深度0.15mm時(shí)，其磨削溫度相對(duì)于無(wú)熱管砂輪降低了近50%，且隨著磨削用量的增加，二者的溫度相差越大，換熱能力變強(qiáng)，換熱優(yōu)勢(shì)更加明顯。

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作者簡(jiǎn)介

梁星慧，女，1987年生，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：高效精密加工技術(shù)。