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《高效磨削时弧区热作用机理与强化弧区换热的基础研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、(E辑)第32卷第3期SCIENCEINCHINA(SeriesE)2002年6月高效磨削时弧区热作用机理*与强化弧区换热的基础研究徐鸿钧傅玉灿孙方宏(南京航空航天大学机电学院,南京210016)(上海交通大学机械工程学院制造工艺研究所,上海200030)徐西鹏(华侨大学机电工程学院,泉州362011)摘要在研究了高效磨削时弧区热作用机理的基础上,将热工领域有关强化传热的思想引入磨削加工,并具体提出了利用高压水射流冲击强化弧区换热的独创构想.为考查该项构想可能提供的极限换热能力,完成了关于高压水射流冲
2、击强化换热的传热学基础试验研究,试验用射流速度最高达到110m/s.瞬稳态试验结果证明,水射流冲击的临界热流密度和换热系数相对于池内沸腾可分别提高70和30倍以上,其中临2界热流密度的绝对数值更是高达80W/mm以上.随后介绍了专门设计研制和调试成功的可限制高压水只在弧区范围内作径向射流冲击的实验装置,以及利用该装置完成的采用径向水射流冲击供液的缓进给磨削试验研究.试验结果确证,引入弧区的水射流冲击确有超常的强化冷却效果,它可在普通供液已严重烧伤的情况下将工件表面温度轻松地维持在100以下的超低水平上
3、.关键词高效磨削磨削热磨削烧伤临界热流密度强化换热水射流尽管关于磨削热温度与工件烧伤的研究一直是磨削界共同关注的热点问题,但真正涉及磨削弧区换热机理的研究却鲜见有人问津.从文献资料看,最早从传热学角度对弧区换热过程作出较为完整描述的当推20世纪70年代中期由英国Bristol大学的Andrew教授主持完[1,2]成的有关缓磨工艺的一项重要研究,该项研究首次明确提出了在缓磨条件下,弧区存在汽液两相流不稳定换热机制的著名假设论断,并据此推断缓磨应该存在一由磨削液发生成膜沸腾的临界热流密度决定的材料去除率的
4、极限,亦即当磨削热流密度接近但不超过临界热密度磨削液处于泡核沸腾状态时,弧区呈现最佳换热效果,磨削液通过沸腾汽化可以从工件表面带走绝大部分磨削热,因而工件表面温度可稳定维持在临界温度约120以下.但是,只要磨削热流密度一旦超过临界值,磨削液就会进入成膜沸腾状态,这时由于覆盖在弧区工件表面的汽膜层的阻隔,本可由磨削液通过汽化带走的绝大部分磨削热将转而直接进入工件,从而导致工件急剧温升而突发烧伤.众所周知,上述关于弧区换热的分析,由于能够圆满解释正常2001-06-12收稿*国家自然科学基金(批准号:59
5、675057)航空科学基金(批准号:97H52081)和江苏省应用基础基金(批准号:BJ95052)资助项目第3期徐鸿钧等:高效磨削时弧区热作用机理与强化弧区换热的基础研究297缓磨温度很低却又特别容易发生烧伤的问题,因而一经提出就得到了业内人士的广泛认同和赞赏.加上作为控制烧伤的应变对策同时推出的缓磨时砂轮的连续修整方案,就构成了当年在缓磨推广应用中的一项最为杰出的工艺研究.它使当时几乎已濒临绝境的缓磨工艺得以重现其无穷魅力,并以最快的速度在世界范围内得到大面积的推广应用,尤其是考虑到正是在缓磨的基
6、础上发展起了今天的新一代高效磨削工艺,Andrew教授主持的此项研究确实功不可没.不过,直至今天,人们依然认为磨削液发生成膜沸腾的临界热流密度以及由其决定的不发生烧伤的材料去除率极限是无法超越的,人们能够做的只能是按照既定的临界热流密度值来界定和规范材料可能达到的极限去除率指标.在长达20多年时间里所形成的这种弧区换热再无潜力可挖的思维定势可能正是至今少见有人再涉足问津有关磨削时弧区换热机理问题的根源所在.1高效磨削时的热瓶颈及其对策作为本文前期的基础研究,曾就Andrew教授当年提出的缓进给磨削时接
7、触弧区工件表面存在汽液两相流不稳定换热机制的著名假设论断做过实验和理论的补充求证工作.求证的要害是首先需要从缓磨过程本身找到能够支持该假设论断的实验事实依据.由于弧区换热状态的任何改变都必定会在工件表面的温度变化上留下可以查考的相应特征信息印记,因此需要设计一磨削热流密度可随时间明显增长的缓进给磨削实验,然后在连续的缓磨过程中跟踪捕捉记录下工件表面温度分布曲线上理应出现的与热流密度增长相对应的特征变化信息.按[3,4]照该项研究工作取得的结果,该项研究的价值不仅提供了可以确证弧区磨削液有成膜沸腾发生的
8、实验事实,根据实验和仿真研究的结果对弧区实际发生的汽液两相流不稳定换热过程所作出的客观和真实的描述,而且它能够按照已被科学阐明的弧区热作用机理,提出可以通[4]过强化弧区换热进一步大幅度开发高效磨削潜力的思想.前已提及,在磨削界,人们习惯于将弧区换热瓶颈临界热流密度看成是磨削液本身的一个物性常数,当年在推广缓磨工艺时同步推出的砂轮连续修整方案就是一个最典型的例证.与磨削界不同,在热工领域,临界热流密度从一开始就是作为沸腾换热中的一种临界热负荷现象来加以研
