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两种磨料流加工的计算机仿真模型
摘要
在磨料流等精加工作业中，表面光洁度的提高和材料的去除一直是一项十分艰巨的任务加工(AFM)。影响表面光洁度和金属去除的因素有介质粘度、活塞速度、挤出量、磨料流加工过程中的压力、粒度。对AFM的所有参数进行实验在短时间内精确地得到一个改进的参数是困难的，因为操作需要精确的完成。采用计算流体力学(CFD)模拟方法，精确确定了最佳参数。在目前的设计了一个二维模型，并与已有的实验数据进行了比较。流体分析，力
在不同体积分数下进行了计算研究。采用CFD方法对其进行了数值模拟使用ANSYS流利。该流体为牛顿流体，为无壁面滑移的多相流层流考虑混合模型，选取两相进行流动分析。
关键词:磨料流加工，搅拌流，表面粗糙度，材料去除
帕万·帕尔和k·k·贾恩/《今日材料》:论文集5 (2018)12969-12983
1. 介绍
磨料流加工(AFM)技术是1960年由美国挤出珩磨公司(Extrude Hone Corporation)发展起来的。AFM是一个非传统的精加工工艺，用于去毛刺，边缘轮廓，表面精加工，并产生压缩残余应力，即使在不可接近的地区。磨料流加工过程中产生的磨料流使用加压研磨介质进行光滑抛光处理。研磨介质（半固体介质）以单向方向或双向AFM流过工件表面。在单向系统的情况下，研磨介质在入口点处被迫通过工件，然后在另一端离开。在双向AFM处理中，介质流由两个垂直相对的液压缸控制，来回推动研磨介质。本文介绍了磨料流加工工艺参数优化的综合评述，涉及不同的优化方法，并确定了几个研究空白，可以进一步研究和开发工作，使这个先进的精加工工艺提供超精加工，更好的质量和所需的性能的产品。 Jain和jain et.al. [1]他们通过磨料颗粒的相互作用，对成品表面和材料去除的分析和模拟进行了研究。他们表明，如果活跃的数字每单位体积介质流量的磨粒随着减速比和磨料的百分比浓度，表面粗糙度的变化和更高的材料去除率而增加。 Vijay等[2]使用有限元分析开发了AFM期间介质流动的模型，并评估过程中产生的力和应力。因此，从理论分析中获得的结果与现有的实验数据进行比较，并且他们发现了一个很好的一致性。 Adsulet al。[3]分析了调节过程的各种参数以及MRR和表面光洁度的影响。考虑用于调查的工件材料是黄铜和铝。观察到主要的工艺参数是循环磨料网目尺寸，磨料浓度和介质流速。观察到加工活动与研磨或研磨操作相同，因为研磨介质轻柔且均匀地磨损表面或边缘.Rananathaet.al。[4]研究了三个参数的影响，即磨料浓度，温度和磨料筛孔尺寸对中等粘度具有有价值的影响。通过在不同的磨料浓度和网目尺寸，中温和使用不同粘度的介质下进行AFF实验，从数学模型中获得的理论值和实验结果进行了比较，发现材料去除率增加，表面粗糙度值降低。介质的粘度增加。Jain等[5]预计分析模型可以模拟和预测不同加工的表面粗糙度磨料流加工（AFM）中的条件。他们为各种过程变量进行了实验，即挤出压力（4至8MPa），磨料筛孔尺寸（80和220），磨料浓度（40至60％）。该基于运动学的分析和用于模拟颗粒与工件之间相互作用的模型。实验价值平均活性颗粒密度与挤出压力大致成正比，最高可达7MPa，随着磨料浓度百分比的增加，表面粗糙度值的减少百分比也增加。Sunil等[6]实验研究了挤压力和循环次数对表面的影响磁流变磨料流动精加工过程中的粗糙度。他们报道了最大的改善观察到表面光洁度，即挤压压力（3.75MPa），并且还报告了实际的精加工经过200次循环后，研磨后留下的所有松散保持的材料都去掉了表面粗糙度值随着磨粒尺寸和磨粒尺寸的限制，循环次数逐渐减少并进一步增加挤压力。 Wang等人[7]使用CFD模拟方法获得通孔中的平滑粗糙度AFM。抛光过程中的剪切力和介质的性质在控制过程中起着至关重要的作用。在这种情况下，首先通过使用介质中剪切速率的影响建立幂律从代数方程中发现了粘度和幂律系数粘度和剪切速率。应用这些方程，得到应变率，壁面剪切和速度。在有和没有模具的情况下考虑模拟。各种参数给出了最佳结果材料被删除。 Fang et.al. [8]认为磨料流加工中的重要控制因素如
温度，粘度，磨料硬度，颗粒锐度，压力，活塞移动速度等。根据它们的不同实验中，温度的影响非常关键。他们对不同等级的钢进行了实验观察到随着温度的升高，介质的粘度降低。数量增加循环大大减少了材料去除和表面粗糙度。采用高粘度介质的材料去除效率最初增加，但随着循环次数的显着增加而减少。研究了介质粘度对门尼粘度温度的影响。为了研究
机制，进入实验的CFD方法来预测磨料颗粒的移动趋势。构建二维模型以研究不同挤出压力下粘度的影响。 Shan et.al. [9]我们尝试使用离心力生成（CFG）杆来改善AFM工艺的性能。 CFG杆通过增加参与精加工的活性磨粒的数量来提高效率。
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涉及CFG棒的过程也受挤压力，CFG棒的速度和压力的影响循环次数。使用该方法发现表面粗糙度改善百分比的增加。该这里使用的工作是圆柱形的。离心机的表面粗糙度有显着改善
与AFM工艺相比，力辅助磨料流加工工艺。 Ravi等[10]研究了磨料流动精加工及其参数对铝基复合材料MMC-铝合金及其性能的影响用SiC加固）。挤出压力，循环次数和介质粘度的研究了材料去除率和表面光洁度。挤压力与表面变化的关系发现粗糙度对于6MPa是最佳的，并且加工油的重量百分比和发现表面粗糙度的变化对于增塑剂的10％wt是最佳的。表面处理和材料对于不同的参数，合金与MMC的去除率是不同的。 Shiming et.al。[11]计划加强精密成形结构表面粗糙度的无工具精密抛光技术柔软磨料流动的观点。以Z字形微通道为研究对象和标准k-epsilon在研究中考虑了湍流和流量（VOF）模型。模拟考虑了固相为一致相，因为颗粒很少且总和较少。建议进行模拟随着介质速度的增加，磨料流加工的熟练程度增加了完成加工过程的影响下降。渠道的结构也是必不可少的元素，它影响湍流动能和轴向速度。 Sharma等人。 [12]调查了影响参数如挤压力，加工时间，循环次数和{EN-8上的磨料网目尺寸钢}锥齿轮。开发了一种新的夹具布置，以防止仅对齿轮齿的磨损。该初始表面粗糙度为1.4-1.8微米，用于研究田口正交的参数优化使用方法。在五个不同的位置检查加工后的粗糙度并改善发现粗糙度为50％。发现挤出压力对材料的贡献最大去除和处理时间和磨料网格尺寸是其他具有较低影响的参数MRR。Sachin等[13]开发了力和表面粗糙度的AFF（磨料流整理）工艺模型使用Jain等人的先前的方程和数学模型。人。磨料颗粒的剪切作用研究了不同浓度的增塑剂。径向力和轴向力由下式确定数学公式和媒体的流变性。从理论上研究了表面粗糙度不同的挤出压力，行程数和增塑剂的百分比。理论结果得到了验证用可用的实验结果。 Subramanian et.al。[14]描述了制作的髋关节的整理通过AFM工艺获得ASTM级（Co-Cr合金）。他们报告说挤出压力是最重要的工艺参数优化和实现生物医学植入物（医疗器械）的纳米表面处理采用设计和制造的磨料流动精加工（AFF）系统。结果表明工作较低建议使用压力以获得更好的表面处理和更高的材料去除率。他们强调AFF技术对纳米表面处理髋关节植入物的重要性，从而有希望显着的成本效益。 Apurbba等[15]用超声辅助磨料流加工作为新的变种AFM，其中工件在与介质流动方向正交的方向上受到振动。特殊类型夹具设计用于该过程，压电致动器提供振动。商业上可用仿真工具用于分析不同加工参数下的介质响应压力，速度分布和温度。磨料颗粒以一定角度撞击墙壁，影响了基础涉及的机制，并增加了该过程的有效性。高频辅助原子力显微镜主要是与压力和速度分布相比，更能影响壁面剪切。它还说明了温度对媒体的稳定性没有影响。
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1.1流体多相模型
多相流可以定义为具有特定惯性和动态的可追踪类材料响应以及与其浸没的连续流场的相互作用。 多相可以液 - 液，液 - 固，液 - 气，气 - 固，气 - 气和三相。 有三种流动方式考虑用于液固流动。 这些是泥浆流动，水力输送和沉淀。 多相液体固体流可以使用两种类型的多相模型建模，即欧拉模型或混合模型。模型是所有多相模型中最复杂的。它解决了许多动量和连续性方程。在这种情况下，相耦合对于流体 - 流体和流体 - 固体流动是不同的。在流固体流动中，颗粒特性由气体动力学理论定义。动力交换也是基础在相的耦合。混合物模型也用于两个或更多个相（流体或颗粒）。混合物求解动量方程，并将相对速度分配给分散相。它用来降低颗粒加载流量。混合物模型还可以假设颗粒相是连续相较小的体积分数以求解方程。欧拉模型计算不稳定并得到解决许多方程式。如果确切的相间阻力未知且计算精度不是强制性的，则混合模型是适用的，因为它在计算上稳定且不太复杂。
1.2控制方程用流利解决
本节概述了CFD中用于数学求解混合模型的控制方程。混合模型是复杂欧拉模型的简化替代，相位可以在不同的位置移动假设局部均衡的速度。作为欧拉多相模型，混合模型也解决了许多问题连续性，动量和能量方程。它还解决了二次相体积分数的方程。该
混合模型也有一些局限性，如下：
a）混合模型仅适用于基于压力的求解器
b）流线型周期性流动的指定质量流量不能使用混合模型建模
c）难以跟踪离散相模型中的粒子以及混合模型
d）使用混合模型不模拟熔化和凝固
e）在混合模型中没有建模Inviscid流
f）混合物模型中允许相互穿透阶段
g）可以在混合模型中选择滑移速度选项，以便为相提供不同的速度
1.3连续性方程
混合物的连续性方程是
是质量平均速度
是混合密度
k是相k的体积分数
1.4动量方程
通过对各个动量方程求和，可以得到混合动量方程所有阶段。
其中n是相数
是体力
是混合物粘度
2.数学模型和材料去除机理
Jain等人[1]描述的磨料流加工中的磨损定义为从a中去除固体物质工件表面由另一种材料的磨料颗粒单向滑动。一般来说，磨损一直是许多研究人员和研究者的主题，磨料的刮擦作用
介质中存在的颗粒。施加在球形颗粒上的法向力将导致球形颗粒的穿透表面。当材料沿水平方向移动时，颗粒会移除材料。切削量是多少等于介质中每个颗粒在工件壁上产生的凹槽的总体积。音量如果磨粒的数量，凹槽的深度和深度，可以计算切削量和表面粗糙度
他们的形状是众所周知图1表示磨粒和粗糙度轮廓的简化图。
图1（a）。从工件表面和球形磨料颗粒去除材料的示意图
图1（b）。简化的表面几何形状
以下假设由Jain等人做出。 [1]在他们的理论建模中：
1.磨料的形状本质上是球形的，每个颗粒由一个有效的切削刃组成。
2.每个磨料颗粒上的载荷是恒定的，并假设等于平均载荷数学计算的便利性。
3.施加的力使所有磨粒达到相同的压痕深度。
4.假设型材具有均匀的表面粗糙度。
辛格等人。 [13]也验证了基于先前假设完成的数学建模的结果。他们
使用毛细管流变仪计算剪切应力并进行频率扫描。径向力和轴向力
力由剪切应力值计算。 Jain等人的数学建模。 [2]用于计算
通过实验数据验证了表面粗糙度值和数学建模的值。
在这种情况下，径向应力值只不过是计算出的壁面剪切应力来自FLUENT。如果a是压痕投影面积的半径nabla;A，t是压痕深度，工件的Hwis硬度材料（2177.8MPa），然后
从图39（a）的几何形状看，制作的凹痕的投影面积#39;a#39;的半径和压痕的深度（t）可以凹A（所示的颗粒的阴影部分）可以导出 是初始表面粗糙度和Rai是ithstroke后的粗糙度。实际接触长度（La）在工件总长度内的工件和磨粒之间乘积工件表面。其中abrasive0一个行程粒
粗糙度的变化如Singh等人所述。 [13]其中Rw是圆柱形工件的半径，Rm是介质圆柱的半径Ls是行程长度，Na是每单位面积的活性磨粒的数量。
3.1计算模拟和流量分布：
AFM过程中流动介质的数学表示包括连续性方程，动量和本构方程。为了分析媒体流，完成了CFD模拟。在目前的工作中，模拟通过使用市售的ANSYS FLUENT完成。该解决方案已通过使用多相来完成ansys流体中的混合模型，假设流动处于稳态，层流和不可压缩状态。该流体被认为是牛顿流体，流动仅建模一次。这里使用的载体媒体流动模拟分析案例是一高度粘稠的案例，并借助于活塞挤出，因此受力的影响重力不能考虑。当流体在平行层中流动时没有层的破坏和速度时，考虑层流低。在这种情况下，媒体流速非常低。考虑不可压缩流动的材料密度随流体流动而变化。在目前的工作中，完成了二维模型的流动分析基于应变率，动态压力和速度的理论。该模型通过实验约束进行验证。基于预测材料去除效率理论。方等人。 [9]研究了介质粘度和挤出压力对动态压力的影响和速度更早。对体积分数和挤出影响。
3.2几何和网格
为CFD模拟开发了图2的二维轴对称模型。
图2.模拟所采用的对称几何图形（所有尺寸均以毫米为单位）工件和夹具的网格模型是2D设计的。从磨料中考虑流动状态圆柱体以及工件的收缩通道。磨料颗粒很细，并且存在细小的颗粒粉末形式，因为AFM基本上用于抛光操作。一些作者认为载体媒体也是如此磨料作为连续磨料，因为颗粒的尺寸非常小在一些文献中被认为是作为粒状离散相。阶段也是在网格化之后创建
资料编号：[6006]
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