精密磨削纳米汽雾超声冷却的动力学与热力学机理研究

基于精密磨削技术发展对绿色高效冷却技术的要求，提出了由兆赫级聚焦超声振动把纳米级冷却液汽雾输送到磨削区的纳米汽雾超声冷却技术。通过对汽雾粒子在超声声场和磨削区气流场作用下的动力学分析、分子动力学分析和实验研究，揭示其在磨削引入区突破气障的动力学规律和在工件表面的附着特性；通过传热学的稳态与瞬态实验，研究超声和汽雾介质的参数对临界热流密度和换热系数的影响规律，从热力学的角度揭示聚焦超声振动强化汽雾介质换热能力的机理；通过纳米汽雾超声冷却时精密磨削过程的磨削温度和磨削力实验，评价汽雾超声冷却主要参数对精密磨削过程和磨削质量的影响及其规律。在此基础上建立汽雾超声冷却理论，提出新型绿色冷却方法，研制纳米汽雾超声冷却系统。研究成果对于促进绿色精密磨削技术和汽雾介质传热理论的发展，具有重要的意义。

精密与超精密磨削切削加工是实现高精度和高表面质量零件加工的主要方法。研究绿色、高效的冷却技术是精密加工技术发展的基础和关键技术之一。本项目提出了新型超声雾化聚焦冷却系统的结构；应用弹性力学的基本理论研究了纵弯转换球面超声振动聚焦系统和纵弯转换弯曲型超声振动雾化器的振动特性和设计理论，提出了多结构组合超声振动系统的两种振动模式以及在不完全谐振模式下的三种谐振状态的特征及产生的条件；应用超声理论研究了球面弯曲振动辐射声场的聚焦特性，圆盘弯曲振动雾化器辐射声场的分布特性；应用热力学理论和流体动力学理论分析了超声汽雾在磨削加工工件表面传热的机理，研究了超声振动对汽雾和工件换热能力和气-雾两相流场热传导能力的影响，研究了超声振动对磨削区两相流流场运动的影响，提出了磨削过程的近壁区脉动湍流强化传热机理。分析了液滴在工件表面的铺展及传热过程，提出了液滴膜脉动耦合强化传热机理。为这一新技术的应用提供了理论指导。