自適應接觸區壓力的磨削液供給系統設計*

陳 鑫 修世超 陳子冬 諶龍飛 劉曉理

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自適應接觸區壓力的磨削液供給系統設計*

陳 鑫 修世超 陳子冬 諶龍飛 劉曉理

（東北大學 機械工程與自動化學院 110819）

磨削加工過程中由于砂輪高速旋轉將在砂輪周圍產生高速氣流場，氣流場會阻礙磨削液進入到接觸區，影響磨削液的冷卻、潤滑和清洗砂輪效果。砂輪周圍的氣流場與砂輪轉速有著密切聯系，在砂輪轉速改變時，其氣流場的壓力分布也隨之變化。傳統的磨削液通常采用定參數供給方法，而未充分考慮砂輪速度對磨削液注入效果的影響，造成有效磨削液比例很低，由此也造成磨削工藝綠色度不高。在對砂輪氣流場的壓強與速度分布分析的基礎上，提出了一種與砂輪轉速自適應的磨削液供給方法，優化設計磨削液供給液流路線，并使用光電編碼器和單片機實現了磨削液智能供給，完成了系統設計。

磨削液 仿真 自適應 供液系統

磨削是一種重要的機械加工方法，同時也是機械制造過程中對環境和資源影響最大的一種加工工藝。磨削過程中產生的磨削液排放、粉塵污染、熱污染、噪聲污染對環境造成了極大的破壞[1]。尤其是實際生產中磨削液的粗放型使用和無序排放對環境的危害最為嚴重。而傳統磨削加工過程中，磨削液加注方法往往根據經驗定參數提供磨削液，這使得大部分磨削液都沒有進入到接觸區。這是因為隨著砂輪的高速旋轉，在砂輪圓周表面和側面產生高壓氣流層，使得磨削液難以進入接觸區[2]。

通常將阻礙磨削液進入到接觸區的氣流場稱作“氣障”。相關實驗表明，砂輪轉速越高，氣障的阻礙作用越大，磨削液越不容易進入到接觸區[3]。因此，隨著砂輪轉速改變，如果不及時調整磨削液供給參數，就會導致大量磨削液無法進入到接觸區，從而不能起到潤滑和冷卻的效果。實際生產中也只有少量的磨削液進入到接觸區內，大部分磨削液不能起到冷卻與潤滑作用而造成磨削液的浪費。

隨著高速、超高速磨削技術的快速發展，沿用傳統的供液方式顯然已不適用。為改善現行的磨削液供給系統存在的高能耗、高污染的缺點，提出通過采集砂輪速度及其氣流層壓強數據，以此為依據調節磨削液供給速度和壓力，形成一種自適應磨削液供給系統。并最大限度的保證磨削液的使用效率，最大程度的減少磨削液帶來的污染，保證零件加工質量，符合綠色制造技術的發展趨勢[4-6]。

1 對接觸區氣流層壓力及其分布的分析

在磨削加工中，砂輪旋轉會造成周圍空氣場擾動，在旋轉砂輪周邊產生一個空氣附著層，阻礙著磨削液進入接觸區。砂輪轉速越高，這種氣體附著層的阻礙作用越明顯，磨削液也就越難進入到接觸區中去。此外，在平面磨削加工中，砂輪與工件之間會形成一個楔形間隙，砂輪的轉動除會形成氣流層外，還會在楔形入口處，形成一定的返回氣流，嚴重阻礙了磨削液進入到接觸區。

1.1 湍流模型分析

目前廣泛應用的是Spalart-Allmaras（SA）模型。它假設湍流粘性系數滿足流場中的標量方程，并基于量綱分析給出了方程形式及系數。SA模型的假設前提是各向同性的均勻湍流，而在旋轉等非均勻湍流問題的計算中會存在較大的誤差。帶旋流的realizable k-epsilon模型的好處是對于平板和圓柱射流的發散比率有更加精確地預測。它對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流有較好的表現。因而選用realizable k-e模型對Navier-Stokes equations進行封閉。

1.2 砂輪邊界層的數值模擬

1.2.1 模型的建立

磨削過程中，由于砂輪氣孔率和磨粒突出高度不同等因素的影響，砂輪和工件在接觸區實際上存在最小間隙，并由此實現磨削液的冷卻和沖洗作用。由于要分析砂輪周圍氣流場端面方向上的某一點的氣體壓強和速度，故可建立簡化的二維模型，以此來研究氣流場的壓強和速度。表1為參數構建模型，模型如圖1所示。

表1 砂輪模型建立尺寸 單位：mm

圖1 砂輪及其氣流場建模

1.2.2 速度場分析

對流場初始化并迭代計算后，可得到仿真結果。其中，磨削接觸區氣流場的速度分布云圖如圖2所示?？梢钥闯?，在旋轉砂輪外圍形成一層氣流，并在工件與砂輪構成的楔形區域內出現了返回氣流，阻礙了磨削液進入到接觸區。圖3為接觸區速度的矢量圖，也展示了入口速度返回氣流的分布，其箭頭方向代表了氣流速度方向。在接觸區入口上方，氣流速度方向與砂輪旋轉方向相同；而在入口下方，空氣流動速度方向與砂輪旋轉方向相反，該速度阻礙著磨削液進入到接觸區去。因此在設置噴嘴時，噴嘴位置應盡量設置在入口上方，即避開返回氣流。

圖2 速度場云圖

圖3 速度矢量圖

1.2.3 氣流壓力場的分析

圖4、圖5分別為氣流場的壓力云圖和磨削接觸區局部放大壓力云圖。由圖4可以看出，磨削氣流場大部分區域的壓強與大氣壓強相等；圖5表示了接觸區附近的壓力分布情況，由于砂輪與工件之間存在一定的間隙，在接觸區入口處的空氣壓力較大，而在接觸區出口處（靠近砂輪，最小間隙處）出現了一定的負壓。在接觸區入口的較大空氣壓力阻礙了磨削液進入到接觸區，削弱了冷卻潤滑效果。

圖4 應力場云圖

圖5 楔形間隙應力場放大云圖

可見，旋轉砂輪周圍的氣流場的壓強和速度，與砂輪線速度存在密切關系。其氣流場的壓強和速度也是阻礙磨削液進入到接觸區的主要原因。

2 磨削液供給參數計算及液流回路方案設計

2.1 磨削液液流回路方案設計

為了滿足射流突破氣障所需要的速度和壓力，設計了如圖6所示的磨削液供給回路。

圖6 供液系統回路

2.2 磨削液供給參數計算與分析

針對不同的加工條件，磨削液供給的參數也不盡相同。在工程實際中，往往是增大供液壓力和流量，從而使更多的磨削液能夠突破氣流層進入到接觸區中，以起到潤滑和帶走熱量的功用。

（1）根據等壓力原理，應滿足不等式>P，即

（2）假設噴嘴出口處所需最小流量min,噴嘴處出口面積為0，噴嘴局部壓力損失系數ξ0，則出口流速v是：

噴嘴處局部壓力損失為

（3）若設1為從調速閥到噴嘴之間的管路長度，由上述式子可得調速閥出口壓力為

由于=min，流量可表示為

（4）單向閥壓力損失Δ3

從泵出口到調速閥入口管路長度為2,則從泵出口到調速閥入口處局部壓力損失為

（5）泵的輸入功率為

3 電氣系統設計

3.1 系統方案設計

電氣系統的整體設計思路是由光電編碼器測量出磨床主軸轉速，輸入進單片機做比較判斷，比較之后輸出信號控制變頻器，以達到控制泵電機的轉速的目的，如圖7所示。

（1）采用光電編碼器測量磨床主軸的轉速，得到一個方波，通過測量單片機單位時間內IT0口上升沿個數，以得到主軸轉速。關于光電編碼器的工作原理這里不展開討論，只針對本項目的需要，進行轉速的測量與計算。電機轉速穩定度的檢測實際上是基于轉速檢測實現的。采用基于光電編碼器的M法測量轉速，在規定時間T內，輸入脈沖有個，對于每轉有個脈沖的電機轉速為

于是得到了砂輪線速度與編碼器脈沖的關系。編碼器測液壓泵電機主軸的轉速，其轉速計算公式與計算磨床主軸轉速相同。

（2）選用通訊端口為RS232的變頻器來實現泵電機的變頻調速，并根據RS232通訊協議進行編程。使用單片機控制變頻器可以采用通訊口方式控制，這種方法控制功能全面，通過相應的電平轉換電路適合變頻器的通訊口形式，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數量少連接方便。

圖7 系統設計

3.2 主程序流程

圖8 主程序設計流程

4 結語

研究結果表明，氣流場的壓力和速度隨著砂輪轉速的增大而增大，對磨削液的阻礙作用也越明顯。面向綠色制造建立了一種能夠自適應砂輪轉速的磨削液智能供給方法，實現了磨削液供給參數隨氣流場參數變化而改變。根據具體工況條件，可以在不影響工件質量的前提下，實現磨削液最小量供給，提高加工過程的綠色水平。

[1] 修世超,馮強,王瑤.磨削工藝綠色度評價指標體系及影響因素分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2007(6):60-63.

[2] Simul Banerjee,Sujit Ghosal,Tanmay Dutta.Development of a simple technique for improving the efficacy of fluid flow through grinding zone[J].Journal of Material Processing Tec,2007,197(1):306-313.

[3] 李長河,原所先,李虎等.接觸區內氣流場速度和壓力分布規律的研究進展[J].金剛石與磨料磨具工程,2004(6):31-34.

[4] Schumach M R,Chung Jin-Bok,Schultz W W.Analysis of fluid flow under a grinding wheel[J].Journal of Engineering for Industry,1991(1):190-197.

[5] Eduardo Garcia,ligo Pombo,Jose Antonio Sanchez.Reduction of oil and gas consumption in grinding technology using high pour-point lubricants[J].Journal of Cleaner Production,2013(6):99-108.

[6] 霍文國,徐九華,傅玉燦.綠色磨削加工技術研究現狀及進展[J].工具技術,2011,45(9):3-6.

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