基于離散相模型的MQL切削試驗(yàn)研究

趙禮剛，徐 娜，張春燕

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于離散相模型的MQL切削試驗(yàn)研究

趙禮剛，徐 娜，張春燕

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于歐拉—拉格朗日離散相理論，建立了TC4鈦合金微量潤(rùn)滑(MQL)外圓車削模型，應(yīng)用Fluent對(duì)不同潤(rùn)滑油參數(shù)的切削流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了潤(rùn)滑油添加前后流場(chǎng)的分布特性，分析了潤(rùn)滑油參數(shù)對(duì)工件冷卻效果的影響規(guī)律。模擬結(jié)果顯示：加入潤(rùn)滑油后速度場(chǎng)變化較小，而溫度場(chǎng)變化顯著，且潤(rùn)滑油參數(shù)(比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度和潤(rùn)滑油用量)的變化對(duì)冷卻效果可產(chǎn)生不同的影響。

離散相理論；Fluent數(shù)值模擬；流場(chǎng)分布；潤(rùn)滑油參數(shù)

0 引言

微量潤(rùn)滑(Minimum quality lubrication，以下簡(jiǎn)稱MQL)切削技術(shù)是一種以極小量潤(rùn)滑油代替大量切削液的綠色制造技術(shù)，避免了生產(chǎn)成本的提高和傳統(tǒng)切削對(duì)環(huán)境的污染[1]，在切削鈦合金等難加工材料時(shí)可有效降低切削溫度、延長(zhǎng)刀具使用壽命以及改善工件表面質(zhì)量[2-3]。幾年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼對(duì)MQL切削技術(shù)展開了深入地研究，C.Angulo[4]等通過鋁合金銑削試驗(yàn)證明不同噴嘴位置和噴霧流量對(duì)刀具磨損的不同影響；沈玉杰[5]運(yùn)用軟件分析了車削試驗(yàn)后刀面楔形區(qū)的流體壓強(qiáng)分布特性。然而，潤(rùn)滑油的物理特性對(duì)切削性能影響的研究相對(duì)較少，并在近年各期刊中未見闡述。

鑒于此，文中借助FLUENT對(duì)MQL切削TC4鈦合金工件進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，分析了潤(rùn)滑油添加前、后流場(chǎng)的分布情況，對(duì)不同潤(rùn)滑油參數(shù)下切削溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，為實(shí)際MQL切削TC4鈦合金潤(rùn)滑油的選擇提供了理論依據(jù)。

1 MQL切削噴霧模型建立

1.1 離散相模型

歐拉—拉格朗日法著眼于流體單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，描述每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程及質(zhì)點(diǎn)位置隨時(shí)間的變化規(guī)律。它將流體當(dāng)作連續(xù)相，顆粒視為離散相，分別在歐拉坐標(biāo)系和拉格朗日坐標(biāo)系下研究連續(xù)相與離散相的運(yùn)動(dòng)，即顆粒軌道模型[6]。

本文應(yīng)用Fluent中與拉格朗日法對(duì)應(yīng)的離散相模型(Discrete Phase Model)對(duì)MQL切削流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。離散相模型直接求解連續(xù)相時(shí)均N-S方程，得到流場(chǎng)中粒子、氣泡或是液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，離散相和連續(xù)相之間存在動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。粒子或液滴的計(jì)算相互獨(dú)立，被安排在連續(xù)相計(jì)算的指定間隙完成。因此，離散相模型可以模擬液滴的迸裂、合并以及不同顆粒性狀引起的顆粒曳力系數(shù)的變化[7]。

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

文中主要研究潤(rùn)滑油添加前、后切削流場(chǎng)分布情況以及潤(rùn)滑油參數(shù)對(duì)冷卻效果的影響。文獻(xiàn)[8]表明，加工過程中工件轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)MQL切削流場(chǎng)并無顯著影響，故簡(jiǎn)化后的模型及其參數(shù)設(shè)定為：噴嘴(φ4×20mm)、工件(φ15×10mm)及流場(chǎng)區(qū)域(φ180×150mm)。在Gambit完成幾何建模，并對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行流體、固體區(qū)域劃分，定義邊界條件，如圖1a所示。最后，分別采用Quad/Map結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和Quad/Tri/Pave非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)噴嘴、工件和流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為33149，如圖1b所示。

圖1 模型計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 求解步驟及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

離散相模型(DPM)包括連續(xù)相和離散相：壓縮氣體為連續(xù)相，潤(rùn)滑油為離散相。求解時(shí)，先對(duì)連續(xù)相運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，殘差收斂后，添加離散相射流源Injection，繼續(xù)求解混合射流的耦合流動(dòng)。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 Fluent求解相關(guān)參數(shù)

2 仿真結(jié)果及分析

圖2 MQL速度場(chǎng)分布

圖3 MQL溫度場(chǎng)分布

圖2a可以看出，噴口處的高壓冷風(fēng)速度略低于300m/s的理論值。這是由于噴口處高壓冷風(fēng)與噴口內(nèi)壁存在較大摩擦所致，冷風(fēng)在噴出前速度就已經(jīng)明顯存在“以噴嘴軸線為中心呈對(duì)稱分布，中間速度大，外圍速度小”的規(guī)律。而且，冷風(fēng)從噴嘴噴出后，巨大的壓力差使得冷風(fēng)射流產(chǎn)生向周圍擴(kuò)散的趨勢(shì)。故而，噴出后氣流直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴嘴直徑。

圖2b可以看出，在加入潤(rùn)滑油后，混合射流與工件碰撞之后的速度分布與冷風(fēng)射流存在較大的差異。這是因?yàn)?，?rùn)滑油與冷風(fēng)射流存在動(dòng)量和能量的傳遞，使得混合射流在質(zhì)量和能量上較冷風(fēng)射流更加凝聚，與工件碰撞瞬間，與工件再次發(fā)生較大的能量轉(zhuǎn)換，射流的速度迅速降低。但是由于混合射流較強(qiáng)的凝聚性，并未出現(xiàn)圖2a中射流向工件四周大范圍擴(kuò)散的現(xiàn)象。

由圖3可知，添加潤(rùn)滑油前后的溫度場(chǎng)分布差異顯著。圖3a中溫度場(chǎng)范圍較大，幾乎覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域，并且呈非規(guī)則對(duì)稱形態(tài)，工件的表層溫度為353K(約80℃)：圖3b的溫度場(chǎng)則相對(duì)規(guī)則、范圍較小，而工件表層溫降至335K(約62℃)。這是因?yàn)椋禾砑訚?rùn)滑油前，冷風(fēng)射流在接觸高溫工件后，立即產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移，工件溫度得到降低，而工件的熱量也隨著冷風(fēng)大規(guī)模擴(kuò)散到周圍環(huán)境，對(duì)環(huán)境的溫度分布產(chǎn)生較大的影響；添加潤(rùn)滑油后，氣流的壓力、速度更加集中，與工件壁面碰撞后質(zhì)量的損耗較大(主要是液滴與高溫壁面的動(dòng)量交換與熱交換)，由于霧化后的液滴顆粒直徑集中在50～200μm之間，絕大部分霧滴與工件碰撞過程中迅速汽化并與高溫壁面發(fā)生強(qiáng)迫換熱作用，故而混合射流與工件的熱交換能力顯著增強(qiáng)，工件的降溫效果更明顯。

3 不同潤(rùn)滑油參數(shù)下的切削溫度變化情況

表2 潤(rùn)滑油參數(shù)設(shè)置

利用單因素試驗(yàn)法對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行MQL車削模擬試驗(yàn)。工件切削區(qū)域溫度為600K，冷風(fēng)溫度為263K，其它各潤(rùn)滑油參數(shù)保持不變僅變動(dòng)其中一個(gè)參數(shù)的數(shù)值，觀察此參數(shù)變化時(shí)對(duì)工件冷卻效果產(chǎn)生的影響。

圖4 潤(rùn)滑油參數(shù)對(duì)切削溫度的影響

圖4為潤(rùn)滑油參數(shù)對(duì)TC4鈦合切削溫度的影響。圖中可以看出：潤(rùn)滑油比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度呈近似的線性變化。各參數(shù)對(duì)TC4鈦合金冷卻效果的影響方式不盡相同，其中工件溫度：隨著潤(rùn)滑油比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小，隨著潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度的增大而增大，隨著潤(rùn)滑油用量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，并且在105ml/h冷卻效果接近最佳。

這是由于：噴霧在高壓氣體作用下沖擊切削區(qū)域表面氣障層，進(jìn)入傳統(tǒng)切削液難以滲入的狹小切削區(qū)域，取得強(qiáng)化換熱的效果。潤(rùn)滑油的導(dǎo)熱系數(shù)越大，單位質(zhì)量的液體能夠轉(zhuǎn)移的熱量越大，而潤(rùn)滑油的比熱容則是對(duì)熱量吸收能力的標(biāo)識(shí)，其數(shù)值越大則表明霧滴在高溫壁面汽化時(shí)吸收的熱量越多。而液滴粘度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容在數(shù)值上存在一個(gè)近似反比的關(guān)系，即粘度越大，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越小。所以，工件溫度與潤(rùn)滑油的關(guān)系呈現(xiàn)出上圖4a、4b、4c中的變化規(guī)律。

并且噴霧冷卻中兩相流體有較高的壓力，能及時(shí)將大量的熱量帶走，進(jìn)一步增強(qiáng)了降溫效果，故而潤(rùn)滑效果和冷卻效果較好，切削性能提高。所以，壓縮氣體的速度越大，相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行換熱的冷空氣越多，能夠帶走的熱量越大，冷卻效果越佳。然而，隨著潤(rùn)滑油用量的增加，霧化效果降低，油滴尺寸變大，被噴射出的速度減小[9]。而霧滴直徑和霧滴速度往往決定著滲入狹小車削區(qū)的霧滴量，從而影響車削表面的有效換熱量[10]。并且，隨著潤(rùn)滑油用量的持續(xù)增加，液滴碰撞工件表面后“濺射”的霧滴數(shù)量越多，其換熱量并不能得到進(jìn)一步的提升。所以，當(dāng)潤(rùn)滑油用量超過某一值后，反而導(dǎo)致切削區(qū)域不能充分供油，冷卻效果得不到明顯提升。

4 結(jié)論

(1)冷風(fēng)在噴出前速度就已經(jīng)明顯存在“以噴嘴軸線為中心呈對(duì)稱分布，中間速度大，外圍速度小”的規(guī)律，從噴嘴噴出后，較大的壓力梯度使得冷風(fēng)射流產(chǎn)生向周圍擴(kuò)散的趨勢(shì)。故而，噴出后氣流直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴嘴直徑。因此，若從加強(qiáng)霧化氣流凝聚性的角度考慮，可在不影響實(shí)驗(yàn)可行性的前提下適當(dāng)降低霧化噴嘴直徑以提高M(jìn)QL霧化效果。

(2)添加潤(rùn)滑油前、后溫度場(chǎng)分布差異顯著：添加潤(rùn)滑油前的溫度場(chǎng)范圍較大，幾乎覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域，并且呈現(xiàn)不規(guī)則對(duì)稱形態(tài)；添加潤(rùn)滑油后的溫度場(chǎng)則相對(duì)規(guī)則、范圍較小。并且，添加潤(rùn)滑油后對(duì)工件的降溫效果得到明顯的提升。

(3)各參數(shù)對(duì)TC4鈦合金冷卻效果的影響方式各不相同，潤(rùn)滑油比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度與切削溫度呈近似線性關(guān)系：切削溫度隨潤(rùn)滑油比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小，隨著潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度的增大而增大；切削溫度隨著潤(rùn)滑油用量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，并且在105ml/h冷卻效果接近最佳。

[1] 嚴(yán)魯濤，袁松梅，劉強(qiáng).綠色切削高強(qiáng)度鋼的刀具磨損及切屑形態(tài)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2010，46(9)：187-192.[2] 張春燕，王貴成，馬利杰,等.最小量潤(rùn)滑精密車削中切削液的滲透性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(5)：194-198.

[3] 嚴(yán)帥，王明建，胡小康,等.基于DEFORM-3D的鈦合金切削仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014(10):135-141.

[4] Lopez De Laealle L N，Angulo C，Lamikiz A. Experimental and numerical investigation of the effeet of spray cutting fluids in high speed milling[J]. Journal of Materials Procession Technology ，2006:172(1)：11-15.

[5] 沈玉杰，裴宏杰，王貴成.MQL外圓車削數(shù)值模擬及流場(chǎng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012 (8)：208-210.

[6] 張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[7] 于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[8] 姜立.微量潤(rùn)滑的流場(chǎng)分析及應(yīng)用于外螺紋車削的試驗(yàn)研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2013.

[9] 湯羽昌，何寧，趙威，等.基于微量潤(rùn)滑的兩級(jí)霧化仿真與試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù)，2013，47 (1)：3-6.

[10]毛聰，鄒洪富，黃勇,等.微量潤(rùn)滑平面磨削接觸區(qū)換熱機(jī)理的研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013， 25(6)：826-831.

(編輯 李秀敏)

MQL Cutting Experimental Study Based on the Discrete Phase Model

ZHAO Li-gang，XU Na，ZHANG Chun-yan

(School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Based on the Discrete Phase Model of Euler-Lagrangian， a cylindrical turning model of the MQL cutting TC4 Titanium alloy was gave. The FLUENT software was used to carry out the numerical Simulation of cooling effect for different spray parameters of lubricating oil. The distribution of flow field was researched when and after adding the lubricating oil and the influence rule of cooling effect was discussed when spray parameters changed. The simulation results showed that， after adding oil， the pressure and temperature field would change significantly，nevertheless the velocity field almost the same. And the influence of cooling effect ware different when spray parameters changed.

discrete phase model;Fluent numerical simulation;distribution of flow field;spray parameters

1001-2265(2016)11-0021-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.006

2016-01-04

趙禮剛(1978—)，男，江蘇蘇州人，江蘇科技大學(xué)講師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)榫芗庸づc特種加工，(E-mail)zhaoligang@just.edu.cn。

TH142；TG501.3

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