温度场对磨削弧内液流状态的影响

温度场对磨削弧内液流状态的影响

0磨削弧内磨削液的状态在湿磨期间，通过添加磨损溶液，研磨温度场扩大了研磨槽表面的表面热损伤。由于磨损是一种移动的光源，磨损表面的混合边界条件的位置也发生了变化。此外，由于研磨弧内的温度很高，磨粒继续摩擦磨损弧的表面，因此磨损弧内的形状极其复杂。对于不同的磨损状态的科学家，有不同的看法。日本科学家安井普斯认为，较高的磨损温度影响了磨损弧内磨损液的存在，导致磨损液具有沸腾和膜沸腾的冷却和传统状态。这一观点与美国科学家托罗尔赫罗斯（trovhos）的研究结论相同。日本中山守使用框架面板和覆盖膜，研究了磨损液进入框架内的过程。南京大学刘振昌教授还从力学角度研究了磨损弧内的磨损状态。假设在砂面上磨粒强烈摩擦零件表面，且磨损弧内的磨粒液无法在磨损角内产生相对稳定的膜泡沫和泡沫。沸腾的状况.美国M.R.Schumack等人也做了相似的研究.日本的学者还利用表面电极的原理测量了磨削液在磨削弧区的分布.我国南京航空学院的李伟博士对磨削液膜在磨削弧内的分布形态做了分析,并测量出了磨削液膜在磨削弧内的厚度.一般的观点是认为磨削液在磨削弧内是高速层流状态,其传热系数的演算也是按照高速层流状态来考虑的,但是由于磨粒不断地滑擦、挤压工件表面,无法按正常情况(Re=u∞l/v>5×105)来判定磨削弧区的流动情况,下面将从传热学的观点来判定磨削弧内磨削液的状态及对磨削温度场和表面传热系数的影响.1温度边界层厚度在传热学中,有速度边界层和温度边界层这两种说法,如图1和图2所示.Prandtl在1904年引入边界层的概念,他根据实验发现,仅在贴壁处才有与流动方向相垂直的速度梯度,此薄层被称为速度边界层,如图1所示,在y=δ以外,粘性的影响可忽略不计,此δ称为速度边界层厚度,并定义为u=0.99U∞处的y值,式中的u∞即自由来流的速度.正如速度边界层一样,当来流温度和平板表面温度不同时,也可定义一热边界层(也称温度边界层).仍以绕流平板为例(图2),若在平板前缘,平板与流体温度相同,即θw=θ∞,θw为平板温度.但在某段距离后,两者温度不同,从而产生一温差,发生热量交换,从流体来看,与平板接触的流体质点与平板之间发生热交换,使其温度与平板温度相接近,流体温度由接近于平板温度直到等于来流温度,显然形成一温度梯度,存在温度梯度的流体域即为热边界层.习惯上取(θw-θ)/(θw-θ∞)=0.99处的y值,且随着温差开始发生的距离增加而增加,传热影响范围愈大边界层愈厚.由于紧贴表面的流体静止不动,故能量的传递仅靠导热,此时,Fourier导热定律成立,再结合Newton冷却定律,可有:α=−λf∂θ∂y∣∣y=0/(θw−θ∞)(1)α=-λf∂θ∂y|y=0/(θw-θ∞)(1)由此可见,强烈影响热边界层壁面上的温度梯度∂θ∂y∣∣y=0∂θ∂y|y=0是边界层内传热量的决定性因素,值得注意的是,θw-θ∞不变时,因热边界层厚度δt随δ的增加而增加,故边界层内的温度梯度必随x的增加而减少,据此δt的增加将使∂θ∂y∣∣y=0∂θ∂y|y=0减少,这说明传热量和表面传热系数必将随x的增加而减少.假设物体为常物性且为连续体,如果由平板前缘开始进行表面传热,温度边界层厚度为:δt=(1314)1/3Pr−1/3δ=11.026Pr√3δ=4.5224(vx)1/2(u∞)1/2(Pr)1/3(2)δt=(1314)1/3Ρr-1/3δ=11.026Ρr3δ=4.5224(vx)1/2(u∞)1/2(Ρr)1/3(2)由公式看出,温度边界层厚度与流体流速的1/2次方成反比,流速越大,温度边界层厚度越小.δt还与流体本身的物理特性如运动粘度等有关.日本学者穗山敏雄等曾用电阻法实验测定接触弧区的液膜厚度,在各种供液条件下,测得的平均液膜厚度约为15~35μm.李伟博士在研究位于磨削弧内的磨削液的液膜厚度分布时,所测得的磨削区的液膜厚度在不同的磨削深度、砂轮转速和进给速度的情况下,其液膜厚度也在12~25μm.图3为采用式2计算出的饱和水在不同温度同一流速(v=9.2m/s)下温度边界层厚度的大小.由表可以看出,温度越高,温度边界层越薄,则温度梯度越大,流体的传热系数越大.而且,理论计算出的温度边界层厚度与实验测出的值基本吻合,即在较短的磨削弧长范围内,在一定的温度和压力范围内,可以认为磨削弧区内的磨削液膜厚度达到了温度边界层厚度,即磨削液在紧挨砂轮的一侧其温度达到了外界液流的温度,在此可以认为磨削弧内的磨削液为高速层流状态.2工件温度对流体运动粘度的影响对平板层流状态下的表面传热系数已经有完备的计算公式,其局部传热系数公式为:αx=0.332λfxRe1/2xPr1/3(3)αx=0.332λfxRex1/2Ρr1/3(3)在磨削弧范围内平均传热系数公式为:α=∫l0αxdx=0.664λlRe1/2LPr1/3(4)α=∫0lαxdx=0.664λlReL1/2Ρr1/3(4)把雷诺准则和普朗特准则代入式(4)得:α=0.664λl(u∞)12(v)16a13(5)α=0.664λl(u∞)12(v)16a13(5)其中,θ=(θw+θ∞)/2,a=λ/(cρ)为导温系数由于物体并非常物性流体,流体的运动粘度随温度的不同对表面传热系数的影响很大,尤其是在磨削弧内,从切入点到切出点的温度要相差几百度,不是固定值.在这种情况下,无法用一平均温度来选取流体的物性常数.对水基冷却液来说,95%以上为水,在此把它近似认为是饱和水.随着工件温度θw的升高,流体运动粘度变小,α增大;而x值越小,α就越大.从干磨(逆磨)时磨削弧区的温度分布图可看出温度最高点在切入处,即x=0点处,则此处的表面传热系数应为最大.如按湿磨时在x=0.157mm处温度为160℃来计算(由已粗算时的结果为基准),其表面传热系数为356354W/(m2·K);而在x=1.57mm处(切出处),工件壁温近似为外界温度20℃,表面传热系数为26295.63W/(m2·K).比较得出二者相差将近10倍.由牛顿传热公式知,对流系数越大,单位时间带走的热量越多,温度下降的越快.磨削弧内温度高的区域传热系数也较大,温度低的区域传热系数也较小,这就使得磨削弧内的温度趋向一致.图4为在一个磨削弧长内由于温度和位置的不同,导致其表面传热系数变化的图表.对于磨削弧区的表面传热系数的计算,无法用一个完备的解析式来表示,但是在对磨削温度场进行分析时,根据温度值的不同在相应的部位加上不同的表面传热系数是可以做到的,这样得到的解与实际相吻合.3基于温度分布的机仿真采用有限元法建立磨削温度场的模型,分别对磨削弧区加载常表面传热系数和变表面传热系数,经过计算机仿真程序可得出两种情况下的温度分布如图5所示.以饱和水为例定性地研究在同一磨削弧内随温度变化而变化的表面传热系数(如图4所示)对磨削温度场的影响.在加载随温度变化的表面传热系数后,工件的最高温度比在常系数下的温度要低,而磨削弧的切入处的温度要高,整个磨削弧内的温度更趋向于均衡.4侵权行为的表面传热系通过对磨削弧内磨削液状态的分析研究,发现存在速度边界层和温度边界层,且磨削弧内的磨削液膜具有一定的厚度,实测的温度边界层与理论计算值相