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基于BNNs/SiC纳米流体的内冷却磨削加工研究

基于BNNs/SiC纳米流体的内冷却磨削加工研究

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作者：周敏孜湘潭大学

学位级别：硕士

航空高温合金具备高温强度大、抗疲劳性能好等优点，被广泛运用于航空零部件中。然而其屈服强度高、导热系数低，加工性能差，加工过程中极易产生大量热量、硬化倾向严重，在冷却润滑不充分时易产生烧伤等严重缺陷。而传统冷却液具有冷... 详细信息

航空高温合金具备高温强度大、抗疲劳性能好等优点，被广泛运用于航空零部件中。然而其屈服强度高、导热系数低，加工性能差，加工过程中极易产生大量热量、硬化倾向严重，在冷却润滑不充分时易产生烧伤等严重缺陷。而传统冷却液具有冷却性能不足、危害工人健康等缺点，难以解决航空高温合金加工热问题。为解决这些问题，本文通过制备水基复合纳米流体强化加工过程中热量交换、减少环境污染，并结合内冷却技术提升冷却液在加工区域的冷却润滑效率。本文以传热性能优良的去离子水为基液，添加六方氮化硼纳米片( hBN)、碳化硅纳米颗粒( SiC)以及十二烷基苯磺酸钠(SDBS)制备成水基BNNs/SiC复合纳米流体冷却液，通过实验手段研究其分散稳定性提升方法，并设计单因素实验研究质量比、质量浓度以及温度对于传热性能的影响规律同时对其传热机理进行讨论，后通过摩擦磨损实验对比验证配方的摩擦学性能，最后通过镍基高温合金磨削实验对比验证纳米流体结合内冷却技术对于航空高温合金加工性能的提升。论文的主要内容及结论如下:　　(1)研究了水基BNNs/SiC复合纳米流体分散稳定性的提升方法。通过氧等离子体成功在hBN纳米片及SiC纳米颗粒表面枝接羟基，后以SiC为介质研磨hBN剥层产生BNNs提升了纳米流体分散稳定性。在此基础上改良两步制备法，发现工艺改良显著提升分散稳定性，Zeta电位绝对值提升187.3％,平均粒径降低61.4％。而使用SDBS作为分散剂后此体系分散稳定性进一步增强。　　(2)分析颗粒添加质量比、质量浓度、温度对于复合纳米流体传热性能的影响并以热工性能优化参数PER为标准优选纳米流体配方。发现复合体系存在颗粒间协同作用使得其得到较单一体系更高的热导、更低的粘度，同时温度、质量比及质量浓度均对协同作用存在影响，80℃时质量比为6∶4、质量浓度为0.25％的纳米流体较基液热导率提升50.8％、粘度提升1.5％、PER值最小，为传热性能最优的体系。　　(3)分析复合纳米流体在不同滑动速度下摩擦学性能。发现最优配方复合纳米流体抗磨减摩性能优势随滑动速度增大逐渐增强，较传统冷却液摩擦系数、体积磨损率最大降低9.6％、37.03％、表面缺陷更少，具有机械加工领域应用潜力。　　(4)开展镍基高温合金磨削实验，结合复合纳米流体及内冷却技术研究航空高温合金加工性能改善方法。发现复合纳米流体结合内冷却技术能够显著提升其加工性能,磨削温度、表面粗糙度、显微硬度较传统冷却液外冷却方式降低43.06％、56.41％、11.96％,表面形貌更优，此种方式能够显著改善航空高温合金加工性能，应用潜力大。

关键词：航空高温合金磨削加工内冷却技术水基复合纳米流体分散稳定性传热性能摩擦学性能

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磨粒有序排布内冷却开槽砂轮的制备及其磨削性能研究

磨粒有序排布内冷却开槽砂轮的制备及其磨削性能研究

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作者：刘开发湘潭大学

学位级别：硕士

磨削在镍基合金关键零部件制造中占据着不可替代的位置,为减少镍基合金在磨削过程中因磨削温度过高在加工表面产生的材料粘结、剥落、加工硬化以及残余拉应力等缺陷,结合采用内冷却和断续磨削方法以提高磨削液利用率,增强磨削换热效果,... 详细信息

磨削在镍基合金关键零部件制造中占据着不可替代的位置,为减少镍基合金在磨削过程中因磨削温度过高在加工表面产生的材料粘结、剥落、加工硬化以及残余拉应力等缺陷,结合采用内冷却和断续磨削方法以提高磨削液利用率,增强磨削换热效果,同时设计制备了若干种有序排布磨粒,以改善传统砂轮表面磨粒堵塞、换热效果差等问题。本研究综合内冷却加工、断续磨削和磨粒有序排布技术的优点,基于砂轮内部和磨削区流场仿真结果设计并制备了一种磨粒有序排布内冷却开槽砂轮。开展了镍基合金GH4169的磨削试验研究,以探究磨削加工参数和磨粒排布方式对磨削区温度和加工表面质量的影响规律。主要研究内容如下:(1)基于内冷却磨削工作原理设计了一种中心通液式内冷却开槽砂轮,并建立了砂轮内部流体域模型进行流场模拟分析,根据砂轮内部流场分布和内流道出口速度对内冷却砂轮结构进行了优化。利用有限元模拟方法对砂轮整体进行了最大应力及变形分析,以校核砂轮的结构强度。探索了不同磨粒有序排布方式的实现途径,基于所设计的内冷却砂轮结构,设计了5种不同磨粒排布方式(排布A),并利用真空钎焊技术对其进行了制备。对砂轮表面磨粒分布进行了检测与图像处理分析,提取了不同排布方式下的磨粒数目及密度作为后续磨削区流场分析的建模参数。(2)根据磨粒分布检测和统计结果建立了内冷却开槽砂轮磨削区流场模型,利用计算流体动力学方法分别针对不同内流道出口位置、磨削参数和磨粒排布方式下的磨削区流场进行了分析。分别提取了不同排布下的磨削区流速分布和有效出口流量,以定性、定量分析内流道出口位置、磨削参数以及磨粒排布方式对磨削区流场分布的影响,从而对内流道出口位置和磨粒排布方式进行优化。(3)按照实际尺寸制备了内冷却砂轮3D打印模型,将其连接机床后试运行并通加压冷却液进行了砂轮稳定性和密封性的测试。为验证磨削区流场分析的正确性,制备了内冷却开槽砂轮并搭建了磨削试验平台,设计了单因素试验方案,随后开展了镍基合金GH4169的磨削试验研究,分别探究了砂轮转速、冷却液压力以及磨粒排布方式对磨削温度和加工表面质量的影响规律。

关键词：内冷却技术开槽砂轮磨粒有序排布流场仿真磨削性能

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加压内冷却砂轮磨削镍基高温合金时的温度场研究

加压内冷却砂轮磨削镍基高温合金时的温度场研究

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作者：李静湘潭大学

学位级别：硕士

在难加工材料(如高温合金)的磨削加工中,由于被加工材料的磨削比能高,且导热性能差,使其在磨削加工中更容易出现弧区的热量聚集,以致引起磨削烧伤、砂轮磨损等问题。传统的解决方案一般是:在加工过程中浇注大量的磨削液来实现磨削弧区... 详细信息

在难加工材料(如高温合金)的磨削加工中,由于被加工材料的磨削比能高,且导热性能差,使其在磨削加工中更容易出现弧区的热量聚集,以致引起磨削烧伤、砂轮磨损等问题。传统的解决方案一般是:在加工过程中浇注大量的磨削液来实现磨削弧区的润滑和冷却,然而,在磨削液的浇注过程中,能够进入到磨削弧区并真正起到换热作用的液体量相对较少,并且,加工表面高温导致磨削液会瞬间发生沸腾、汽化而在磨削表面形成蒸汽膜,不仅会阻碍新的磨削液进入磨削区,也会阻碍磨削弧区的热量向外散发。因此,常规的浇注冷却方式难以满足磨削加工过程中高温表面换热的实际要求,高效的冷却方法对磨削加工就显得尤为重要。本文基于加压内冷却技术与断续磨削技术设计制作出加压内冷却砂轮,以镍基高温合金GH4169作为加工对象,采用理论分析、有限元模拟和实验研究相结合的方法,研究了应用加压内冷却砂轮实现内冷却方式进行磨削镍基高温合金时对磨削弧区温度的控制能力。主要研究内容如下:(1)设计并制备出了用于平面磨削的加压内冷却砂轮,基于移动热源理论建立了加压内冷却砂轮平面磨削高温合金的传热学模型,开展了温度场的理论计算,建立了仿真湍流模型。(2)基于热源法建立了加压内冷却砂轮平面磨削高温合金的温度场仿真模型,分析了热流密度、砂轮转速以及外部压力三个因素分别对磨削弧区温度的影响规律,并在相同热流密度条件下对比了砂轮内通加压冷却液与不加冷却液两种方式时的弧区温度。(3)设计了单因素实验方案,进行了利用加压内冷却砂轮磨削镍基高温合金的实验研究,测量与对比了不同实验方案下使用不同冷却方式时的磨削力和磨削温度,观察了已加工工件表面粗糙度和表面形貌,探讨了利用新设计的加压内冷却砂轮在进行内冷却磨削高温合金时对磨削弧区的冷却效果、对工件已加工表面质量的影响规律以及各参数的变化对磨削性能的影响规律。另外,将实验结果和模拟结果相结合的方式对比分析了不同热流密度下的弧区温度,对应用加压内冷却砂轮实现内冷却方式进行磨削高温合金时可以有效降低磨削弧区温度的构想的可行性进行了分析。

关键词：内冷却技术断续磨削技术温度场 Fluent 磨削加工 GH4169高温合金 CBN陶瓷结合剂

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