磁性珩磨過程可持續(xù)性研究*

王雷超，姚新改

(太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024)

1001-2265(2017)10-0138-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.033

2017-01-06；

2017-02-20

太原市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大自主創(chuàng)新項目(120118)；山西省自然科學(xué)基金項目(2013011024-3)

王雷超(1988—)，男，遼寧鞍山人，太原理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計與特種加工方面的研究，(E-mail)1196904538@pp.com。

磁性珩磨過程可持續(xù)性研究*

王雷超，姚新改

(太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024)

磁場發(fā)生器在加工長不銹鋼管過程中溫升較大，限制了磁性珩磨技術(shù)的推廣應(yīng)用。對此，文章提出了外循環(huán)水冷的冷卻方法，在Pro/E中建立仿真模型，采集無水冷時的實驗數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到Origin中擬合出符合溫度隨時間變化的數(shù)學(xué)方程，然后將ANSYS Steady-State Thermal和ANSYS Fluent有限元分析軟件進(jìn)行耦合；加載發(fā)熱源和外部水冷條件求得該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。結(jié)果表明：運行12000s(3.33h)，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，其瞬態(tài)最高溫度為55℃，而無外循環(huán)水冷穩(wěn)態(tài)最高溫度為75℃，延長了電機的使用壽命，達(dá)到了冷卻目的，為可持續(xù)磁性珩磨加工提供理論依據(jù)。

磁性珩磨技術(shù)；溫度場；持續(xù)性

0 引言

目前，國內(nèi)外快速去除不銹鋼管內(nèi)表面氧化皮的常用方法有機械方法、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、電解加工法、酸洗、噴丸處理等。這些方法都有各自的優(yōu)點與適用范圍，但是針對不銹鋼管的氧化皮去除這種特定問題，這些方法又都存在以下缺點：

(1)原始的機械加工方法費時費力，而且刀具難以到內(nèi)管壁加工。

(2)化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光成本較高而且污染環(huán)境。

(3)電解加工時陰極安裝困難且易出現(xiàn)短路，而且在實際過程中往往難以實現(xiàn)控制。

(4)酸洗加工過的不銹鋼表面呈高低不平的黑色片狀，對工作人員身體造成嚴(yán)重傷害且廢液污染環(huán)境。

(5)噴丸處理過程中容易被加工工件產(chǎn)生表面缺陷且難以保證薄壁零件維持原有的形態(tài)，噴丸處理后的工件表面相對粗糙。

磁性珩磨技術(shù)是磁場應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的一項新的工藝方法，利用電磁作用驅(qū)動磁性磨具在工件內(nèi)腔運動，能有效地解決由于結(jié)構(gòu)本身的特殊性而不宜做高速旋轉(zhuǎn)運動的大型長不銹鋼管內(nèi)壁加工難的實際問題[1-2]。但在磁性珩磨加工不銹鋼管時，電磁能和機械能之間相互轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生鐵損、銅損和摩擦等能量損耗，這些損耗大多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱量，致使磁性珩磨系統(tǒng)溫度升高，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此在加工過程中，控制該系統(tǒng)的較大溫升就顯得尤為重要。本文從外部水循環(huán)冷卻入手，為切實解決發(fā)熱快，發(fā)熱量大的問題提供了有效可行的解決辦法。

1 磁性珩磨系統(tǒng)溫度場分析

1.1 傳熱方式

熱力學(xué)第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞。傳熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。用有限元計算各個節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。對于一個封閉的系統(tǒng)：

Q-W=ΔU+ΔKE+ΔPE

其中，Q為熱量；W為做的功；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能；ΔKE為系統(tǒng)動能；ΔPE為系統(tǒng)勢能。

對于大多數(shù)工程傳熱問題：△KE=ΔPE=0

通?？紤]沒有做功，即W=0則:Q=ΔU

對于穩(wěn)態(tài)熱分析Q=ΔU=0即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量。

熱量傳遞過程的動力是溫度差，熱能總是由高溫處向低溫出傳遞。兩種介質(zhì)或同一物體的兩部分之間如果沒有溫差就不可能有熱量的傳遞。因此熱能的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射[3]。

①熱傳導(dǎo)：物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞。

②熱對流：由于物體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞。

③熱輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的方式。

1.2 發(fā)熱量分析

磁性珩磨系統(tǒng)工作時溫升較大主要由內(nèi)因和外因?qū)е碌?，其中?nèi)因為渦流損耗和繞組銅損耗過大造成的，其中繞組銅損耗占比很大，這是因為當(dāng)通過銅線繞組的電流很大時，根據(jù)焦耳定律得出發(fā)熱量隨之增大[4]；外因為無有效的循環(huán)冷卻措施持續(xù)對其進(jìn)行持續(xù)降溫。

磁場發(fā)生器內(nèi)部發(fā)熱量大的內(nèi)因分析如下：轉(zhuǎn)子磨具在外部旋轉(zhuǎn)磁場的帶動下，在不銹鋼管內(nèi)壁高速運轉(zhuǎn)時，要發(fā)生機電能量轉(zhuǎn)換。在此過程中不可避免的要發(fā)生各種損耗，而這些損耗大多轉(zhuǎn)換成熱量致使整個系統(tǒng)溫度升高。磁力珩磨系統(tǒng)中的損耗主要分為兩類：磁場發(fā)生器中的損耗和轉(zhuǎn)子磨具中的損耗。其中磁場發(fā)生器中的損耗分為：鐵芯損耗和繞組銅損耗。轉(zhuǎn)子磨具中的損耗包括旋轉(zhuǎn)時的表面風(fēng)損耗和摩擦損耗。鐵芯損耗又可分為磁滯損耗和繞組銅損耗。由導(dǎo)磁材料在交變磁場內(nèi)引起的損耗叫磁滯損耗；由渦流電流在鐵芯中引起的損耗叫渦流損耗。綜合實際操作中不可避免的損耗和實際的數(shù)據(jù)來看，以渦流損耗和繞組銅損耗為主[5]。此為磁場發(fā)生器內(nèi)部發(fā)熱量大的內(nèi)因。如圖1所示。

本文在分析內(nèi)因的基礎(chǔ)上，從外因著手，設(shè)計了一套外循環(huán)水冷系統(tǒng)。

圖1 磁場發(fā)生器內(nèi)部損耗分析示意圖

2 磁場發(fā)生器外部水循環(huán)參數(shù)優(yōu)化

2.1 創(chuàng)建模型及關(guān)聯(lián)項目

2.1.1 創(chuàng)建模型

在原有的實驗設(shè)施基礎(chǔ)上，在外部凹槽里加上導(dǎo)熱系數(shù)較大的銅制管，將每個銅管在接口處經(jīng)彎折后連在一起。通入冷卻水循環(huán)降溫，如圖2所示。

1.定子鐵芯 2.不銹鋼 3.線圈繞組 4.珩磨條 5.45鋼底座 6.紫銅管圖2 磁性珩磨系統(tǒng)有限元模型

2.1.2 ANSYS Workbench和ANSYS Steady-State Thermal的耦合

在ANSYS Workbench中導(dǎo)入模型分析文件，創(chuàng)建流體仿真模型和穩(wěn)態(tài)仿真模型。并將流體分析結(jié)果關(guān)聯(lián)穩(wěn)態(tài)溫度場分析的設(shè)置，實現(xiàn)流體和溫度場的耦合[6]。如圖3所示。

圖3 關(guān)聯(lián)項目

2.2 磁性珩磨水冷系統(tǒng)對溫升的影響及優(yōu)化

在前期研究和實驗發(fā)現(xiàn)，磁性珩磨加工不銹鋼管時，定子式磁場發(fā)生器表面的溫度與外冷卻水溫度相差較大，根據(jù)熱對流定義:液體和固體間通過循環(huán)流動使溫度趨于均勻的過程。所以，ANSYS Fluent穩(wěn)態(tài)熱分析設(shè)置的傳熱方式為熱對流。

2.2.1 磁性珩磨系統(tǒng)發(fā)熱源數(shù)學(xué)方程的確定

在滿足一定切削力的基礎(chǔ)上，對前期磁性珩磨系統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[7]，繪制圖像，如圖4所示。

圖4 無外循環(huán)水冷時的最高溫度隨時間變化曲線

由圖4可知，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為28500s(7.92h)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)最高溫度為73.53℃。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間較長，減少了電機的使用壽命，嚴(yán)重影響磁性珩磨系統(tǒng)的可持續(xù)性加工。

在前期邊界條件和運動參數(shù)都不變的情況下，將圖5的圖像在Origin中擬合出方程，用C語言編制出溫度隨時間變化的方程，導(dǎo)入到Fluent中，將梨形槽繞組定義為發(fā)熱源，并按此方程運行系統(tǒng)。

圖5 在Origin中擬合溫度隨時間變化曲線

圖5中，帶有離散點的黑色曲線為實驗中采集的真實數(shù)據(jù)，淺色為系統(tǒng)匹配的最優(yōu)曲線，擬合度為0.97，大于0.9的標(biāo)準(zhǔn)值，符合要求，可按此方程編程C語言導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行下一步仿真。

2.2.2 求解、后處理及優(yōu)化分析

(1)將擬合出的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行C語言編程導(dǎo)入到Fluent中，設(shè)置梨形槽為發(fā)熱源，加載材料屬性和邊界條件，仿真出電機從啟動直至穩(wěn)態(tài)的溫度分布云圖。

圖6 熱平衡時溫度分析云圖

圖6為磁性珩磨系統(tǒng)溫度分布云圖，即磁性珩磨加工不銹鋼管60min的穩(wěn)態(tài)熱變化情況，從圖中可以看出，銅線繞組和定子鐵芯附近溫度最高，穩(wěn)態(tài)最高溫度為55℃,比無外循環(huán)冷卻水時下降了20℃。由ANSYS Fluent和穩(wěn)態(tài)熱分析得出，加入外部水冷設(shè)施之后的磁性珩磨系統(tǒng)可有效解決溫升過大，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定持續(xù)加工。

(2)磁性珩磨水冷系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

通過前期理論分析可以得出：水溫和水速是影響磁性珩磨水冷系統(tǒng)對溫升影響的關(guān)鍵因素。為確定最優(yōu)的水溫和水速匹配，本文采用Ansys Fluent軟件和控制變量法[8]。方案如下：當(dāng)水速恒定時，外部冷卻水的溫度依次為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃；水溫恒定時，水速依次為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s。結(jié)果如表1可知水溫越低冷卻效果越好，但考慮到方便取材和成本控制，選取室溫即25℃的冷卻水。

表1 水速恒定(1 m/s)下不同水溫對定子的冷卻效果

表2 水溫恒定(25℃)下不同水速對定子的冷卻效果

由表2可知，水溫恒為25℃時，水速越大冷卻效果反而越差，這是因為冷卻水速度過快造成熱交換不充分造成的，因此對速度需要細(xì)分進(jìn)而匹配最優(yōu)的速度大小，如圖7所示。

圖7 水溫恒定下低水速對定子的冷卻效果

由圖7可知水速為0.6 m/s時降溫效果最好，綜合水溫和水速，最終選定水溫為25℃，水速為0.6 m/s為最佳參數(shù)。

3 結(jié)束語

(1)通過分析磁性珩磨系統(tǒng)的加工過程，溫升較大的主要原因是①渦流損耗和繞組銅損耗較大；②缺少有效的冷卻循環(huán)措施。

(2)通過擬合無水冷時的實驗數(shù)據(jù)，得到更為真實的溫度變化方程，優(yōu)化了模擬結(jié)果，使模型更加貼近真實發(fā)熱源。

(3)通過Fluent模擬，水溫為25℃，水速為0.6 m/s時對磁性珩磨系統(tǒng)的降溫效果最好。比無外循環(huán)冷卻水時下降了20℃，可有效解決系統(tǒng)溫升過大，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定持續(xù)加工。

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MagneticHoningProcessSustainabilityResearch

WANG Lei-chao, YAO Xin-gai

(College of Mechanical Engineering,Tai Yuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

The process of magnetic field generator temperature rise is larger, limits the popularization and application of magnetic honing technology,To this, this article puts forward the outer circulating water cooling method, simulation model is established in the Pro/E model，without water cooling experiment data and imported into the Origin of fitting out mathematical equations of temperature change over time，then import into ANSYS Workbench, Steady-State and ANSYS Thermal and finite element analysis software ANSYS Fluent coupling；Loading heat source and external cooling conditions obtained nephogram of temperature distribution in the system.Results show that the running 12000s(3.33h), the system to achieve thermal equilibrium, the steady temperature is 55 ℃, without external loop water-cooling the steady state highest temperature is 75 ℃, extend the service life of the motor, to achieve the cooling, for magnetic honing system processing and provides the theory basis for sustainability.

magnetic honing technology; temperature field; persistent

TH162;TG580

A

(編輯李秀敏)