不同冷却工况下的磨削钛合金温度场模型及验证

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.05.009

摘要/Abstract

摘要： 为克服普通纳米流体微量润滑在磨削区换热能力不足的技术瓶颈，提出了低温风冷+纳米流体微量润滑的新工艺，并建立了温度场有限差分模型。对低温风冷+纳米流体微量润滑、低温风冷、纳米流体微量润滑三种冷却方式下的磨削温度场进行了数值仿真，结果表明低温风冷+纳米流体微量润滑的换热能力最强，低温风冷次之，纳米流体微量润滑最弱。在三种不同冷却方式下对钛合金Ti-6Al-4V平面磨削温度场进行了实验，工件表面最高温度相对误差小于5%，验证了理论模型的正确性。

关键词: 磨削, 纳米流体, 钛合金, 风冷, 温度场

Abstract: To overcome bottlenecks of insufficient heat capacity for atomizing air carrying nanofluids in grinding zone, a new process coupled with cryogenic air and nanofluid minimum quantity lubrication was proposed. A finite difference model of temperature field was established. Temperature fields of grinding zone with three cooling methods such as cryogenic air, nanofluid minimum quantity lubrication, and cryogenic air nanofluid minimum quantity lubrication were numerically simulated. The results show that cryogenic air nanofluid minimum quantity lubrication has the strongest heat transfer capacity, followed by cryogenic air, and nanofluid minimum quantity lubrication is the weakest. Moreover, the temperature field of surface grinding was verified under three cooling method experiments with Ti-6Al-4V as workpiece. The model error is less than 5%, which verified accuracy of the theoretical model.

Key words: grinding, nanofluid, titanium alloy, forced air cooling, temperature field

中图分类号:

TG580

王晓铭1;张建超1;王绪平2;张彦彬2;罗亮3;赵伟4;刘波5;聂晓霖6;李长河1. 不同冷却工况下的磨削钛合金温度场模型及验证[J]. 中国机械工程, DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.05.009.

WANG Xiaoming1;ZHANG Jianchao1;WANG Xuping2;ZHANG Yanbin2;LUO Liang3;ZHAO Wei4;LIU Bo5;NIE Xiaolin6;LI Changhe1. Temperature Field Model and Verification of Titanium Alloy Grinding under Different Cooling Conditions[J]. China Mechanical Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.05.009.

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参考文献

［1］霍文国，徐九华,傅玉灿，等.自润滑金属结合剂CBN砂轮干式磨削特性分析［J］.中国机械工程，2012，23(23)：2773-2777.
HUO Wenguo，XU Jiuhua，FU Yucan，et al. Characteristic Analysis of Self-lubrication Metal Bonded CBN Wheel during Dry Grinding［J］. China Mechanical Engineering，2012，23(23)：2773-2777.
［2］霍文国，丁元法，张翔宇，等. 叶轮式内喷润滑剂砂轮的流场分析及实验研究［J］. 中国机械工程，2016，27(17)：2361-2366.
HUO Wenguo，DING Yuanfa，ZHANG Xiangyu，et al. Experimental Research and Flow Field Analysis of Impeller Wheel with Inner Spray Lubricant［J］. China Mechanical Engineering，2016，27(17)：2361-2366.
［3］YILDIRIM C V，SARIKAYA M，KIVAK T，et al. The Effect of Addition of hBN Nanoparticles to Nanofluid-MQL on Tool Wear Patterns, Tool Life, Roughness and Temperature in Turning of Ni-based Inconel 625［J］. Tribology International，2019，134：443-456.
［4］申龙，丁文锋，李征，等. 缓进深切磨削钛基复合材料磨削温度的研究［J］. 金刚石与磨料磨具工程，2016，36(4)：44-48.
SHEN Long，DING Wenfeng，LI Zheng，et al. Research on Grinding Temperature of Particle-reinforced Titanium Matrix Composites in Creep-feed Deep Grinding［J］. Diamond & Abrasives Engineering，2016，36(4)：44-48.
［5］张晓阳，李长河，张彦彬，等. 电场参数对雾化特性及微量润滑磨削性能影响的实验研究［J］. 制造技术与机床，2018(10)：105-111.
ZHANG Xiaoyang，LI Changhe，ZHANG Yanbin，et al. Experimental Study of Effect of Electric Field Parameters on Atomization Characteristics and Grinding Performance of Minimal Quantity Lubrication［J］. Manufacturing Technology & Machine Tool，2018(10)：105-111.
［6］杨敏，李长河，张彦彬，等. 骨外科纳米粒子射流喷雾式微磨削温度场理论分析及试验［J］. 机械工程学报，2018，54(18)：194-203.
YANG Min，LI Changhe，ZHANG Yanbin，et al. Theoretical Analysis and Experimental Research on Temperature Field of Microscale Bone Grinding under Nanoparticle Jet Mist Cooling［J］. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(18)：194-203.
［7］张彦彬，李长河，贾东洲，等. MoS2/CNTs混合纳米流体微量润滑磨削加工表面质量试验评价［J］. 机械工程学报，2018，54(1)：161-170.
ZHANG Yanbin，LI Changhe，JIA Dongzhou，et al. Experimental Evaluation of the Workpiece Surface Quality of MoS2/CNT Nanofluid for Minimal Quantity Lubrication in Grinding［J］. Journal of Mechanical Engineering，2018，54(1)：161-170.
［8］杨敏，李长河，张彦彬，等. 神经外科颅骨磨削温度场预测新模型［J］. 机械工程学报，2018，54(23)：215-222.
YANG Min，LI Changhe，ZHANG Yanbin，et al. A New Model for Predicting Neurosurgery Skull Bone Grinding Temperature Field［J］. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(23):215-222.
［9］ANDERSON D，WARKENTIN A，BAUER R. Experimental Validation of Numerical Thermal Models for Dry Grinding［J］. Journal of Materials Processing Technology，2008，204(1/3)：269-278.
［10］HADAD M，SHARBATI A. Thermal Aspects of Environmentally Friendly-MQL Grinding Process［J］. Procedia CIRP，2016，40：509-515.
［11］毛聪，周志雄，周德旺，等. 平面磨削温度场三维数值仿真的研究［J］. 中国机械工程，2009，20(5)：589-595.
MAO Cong，ZHOU Zhixiong，ZHOU Dewang，et al. Research on Three Dimensional Finite Element Simulation of the Temperature Field in Surface Grinding［J］. China Mechanical Engineering，2009，20(5)：589-595.
［12］毛聪，邹洪富，黄勇，等.微量润滑平面磨削接触区换热机理的研究［J］. 中国机械工程，2014，25(6)：826-831.
MAO Cong，ZOU Hongfu，HUANG Yong，et al. Research on Heat Transfer Mechanism in Grinding Zone for MQL Surface Grinding［J］. China Mechanical Engineering，2014，25(6)：826-831.
［13］YANG M，LI C，ZHANG Y，et al. Research on Microscale Skull Grinding Temperature Field under Different Cooling Conditions［J］. Applied Thermal Engineering，2017，126：525-537.
［14］李伯民，赵波. 现代磨削技术［M］. 北京：机械工业出版社，2003.
LI Bomin，ZHAO Bo. Modern Grinding Technology［M］. Beijing：China Machine Press，2003.
［15］赵恒华，蔡光起，李长河，等. 高效深磨中磨削温度和表面烧伤研究［J］.中国机械工程，2004，15(22)：74-77.
ZHAO Henghua，CAI Guangqi，LI Changhe，et al. Study on Grinding Temperature and Surface Burn out in High Efficiency Deep Grinding［J］. China Mechanical Engineering，2004，15(22)：74-77.
［16］吴玉厚，王浩，李颂华，等. 工程陶瓷表面磨削温度研究现状与进展［J］. 兵器材料科学与工程，2019，42(5)：134-142.
WU Yuhou，WANG Hao，LI Songhua，et al. Research Status and Progress of Surface Grinding Temperature of Engineering Ceramics［J］. Ordnance Material Science and Engineering，2019，42(5)：134-142.
［17］鲁钟琪. 两相流与沸腾传热［M］. 北京：清华大学出版社，2002.
LU Zhongqi. Two-phase Flow and Boiling Heat Transfer［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2002.
［18］MARUDA R W，KROLCZYK G M，FELDSHTEIN E，et al. A Study on Droplets Sizes, Their Distribution and Heat Exchange for Minimum Quantity Cooling Lubrication (MQCL)［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2016，100：81-92.
［19］YANG M，LI C，ZHANG Y，et al. Research on Microscale Skull Grinding Temperature Field under Different Cooling Conditions［J］. Applied Thermal Engineering，2017，126：525-537.
［20］KAYNAK Y，GHARIBI A，OZKUTUK M. Experimental and Numerical Study of Chip Formation in Orthogonal Cutting of Ti-5553 Alloy:the Influence of Cryogenic, MQL, and High Pressure Coolant Supply［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，94：1411-1428.
［21］SHEN B，SHIH A J，XIAO G. A Heat Transfer Model Based on Finite Difference Method for Grinding［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering，2011，133(3)：031001.
［22］WANG Y，LI C，ZHANG Y，et al. Experimental Evaluation of the Lubrication Properties of the Wheel/Workpiece Interface in MQL Grinding with Different Nanofluids［J］. Tribology International，2016，99：198-210.
［23］DEMAS N G，TIMOFEEVA E V，ROUTBORT J L，et al. Tribological Effects of BN and MoS2 Nanoparticles Added to Polyalphaolefin Oil in Piston Skirt/Cylinder Liner Tests［J］. Tribology Letters，2012，47(1)：91-102.

[1]	吴怀超, 吴白羽, 张秀华. 石蜡感温阀传热性能的数字仿真研究 [J]. J4, 201016, 21(16): 1921-1926.
[2]	王栋, 陈磊, 张志鹏. 外圆磨削18CrNiMo7-6力模型及表面完整性研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 381-393.
[3]	张宇, 王德祥, 郭峰, 栗心明, . 球形纳米颗粒在镍基合金纳米流体微量润滑磨削界面摩擦学机制的分子动力学研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 445-456.
[4]	康仁科, 陆冰伟, 陈凯良, 李晟超, 戴晶滨, 董志刚鲍, 岩. 超声振动辅助磨削CFRP复合材料薄管撕裂损伤研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 524-533，540.
[5]	张立峰, 王梓旭, 张旺通, 邓云飞, 隋翯, 郭志永. 单向陶瓷基复合材料C/SiC变角度顺逆磨的对比试验[J]. 中国机械工程, 2024, 35(02): 235-243.
[6]	高嵩, 孙荧力, 李奇涵, 盈亮, 郝兆朋, 张邦成. 钛合金型材多点三维热拉弯成形工艺及其微观组织演化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(24): 2986-2995,3014.
[7]	张立峰, 张晓光. 微量润滑变角度高速铣削碳纤维增强复合材料的加工性能与材料去除机理[J]. 中国机械工程, 2023, 34(21): 2622-2628.
[8]	王明, 董海, 王柏何, 王峥, 王加威. 2.5D Cf/SiC刹车材料浮动磨削工艺试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2434-2441.
[9]	查旭明, 袁智, 秦浩, 袭琳清, 张涛, 姜峰. 钛合金超声冲击强化研究现状及发展趋势[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2269-2287.
[10]	高昆, 任延岫, 朱悦, 齐乐华, 罗俊. 飞机钛合金蒙皮战伤便携气动铣切试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(19): 2320-2326.
[11]	韩锐, 李秀红, 王嘉明, 李文辉, 程思源, 杨胜强, . 水平强制振动光整加工对TC4钛合金表面完整性参数的影响[J]. 中国机械工程, 2023, 34(17): 2037-2047.
[12]	迟玉伦, 武子轩. 基于磨削热变形分析的切入式外圆磨削去除率的修正模型与实验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(15): 1778-1788.
[13]	高国富, 王得宇, 潘贤荣, 乔淮, 浮宗霞, 向道辉, 赵波. 纵向超声辅助螺旋磨削Ti3Al微孔的磨削力模型研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(11): 1280-1286.
[14]	袁尚勇, 陈根余, 戴隆州, 鲁恩昊. 电火花机械磨削修整粗粒度成形砂轮试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(10): 1164-1171.
[15]	鲁艳军, 关伟锋, 孙佳劲, 莫睿, 伍晓宇. 基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术[J]. 中国机械工程, 2023, 34(09): 1052-1060.