基于CFD的直槽鉆冷卻通道流場(chǎng)仿真分析*

左小陳 鄧小野 曾 滔②

(①株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007；②山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000)

直槽鉆在特定加工條件下具有加工孔直線度好、尺寸精度高、表面粗糙度值小等明顯的優(yōu)勢(shì)，這使其在刀具領(lǐng)域中占據(jù)著重要的席位。冷卻液具有降低切削區(qū)溫度、促進(jìn)排屑等作用。分析冷卻液在不同油孔結(jié)構(gòu)中形成的流場(chǎng)狀態(tài)，研究冷卻液的冷卻效果，對(duì)優(yōu)化直槽鉆冷卻通道的結(jié)構(gòu)，提升直槽鉆的切削性能具有重要意義。CFD是一種對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬的科學(xué)技術(shù)，可以通過對(duì)工程問題中相關(guān)介質(zhì)條件進(jìn)行建模并自動(dòng)求解，較為真實(shí)地表達(dá)液體的流場(chǎng)狀況[1-2]。采用CFD方法對(duì)切削加工中冷卻液冷卻效果進(jìn)行仿真，可以減少實(shí)驗(yàn)成本，縮短周期，較快地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[3-4]。

本文基于CFD方法模擬了不同油孔大小、油孔位置結(jié)構(gòu)的直槽鉆加工狀態(tài)下冷卻液溫流場(chǎng)狀態(tài)，結(jié)合鉆頭前刀面溫度分布情況，研究油孔結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻液冷卻效果的影響。同時(shí)對(duì)典型的油孔結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了冷卻效果的實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證。

1 仿真模型的建立

1.1 冷卻液流體模型建立

直槽鉆鉆削加工中，冷卻液從冷卻油管道流出，沖擊切削區(qū)，達(dá)到降低溫度、促進(jìn)排屑等作用。作為流體，冷卻液的雷諾系數(shù)：

Re=ρvd/η

(1)

其中：v為冷卻液的平均流速，m/s；d為油孔內(nèi)直徑,m，η為流體動(dòng)力粘度,Pa·s；ρ為流體密度，kg/m3。當(dāng)Re>4 000時(shí)，流體為表現(xiàn)為紊流；當(dāng)Re>2 000時(shí)，流體表現(xiàn)為層流[5]。

經(jīng)初步模擬測(cè)試，冷卻液壓力設(shè)定為常規(guī)輸入壓強(qiáng)時(shí)，冷卻液出口流速可達(dá)30 m/s(取保守估計(jì)值20 m/s)，而水的密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力粘度1.003×10-3Pas，冷卻通道(油孔)直徑為0.001 m，由此可計(jì)算雷諾數(shù):

(2)

由此可判斷將出現(xiàn)紊流(Turbulent)情形，符合K-e模型條件，故在本文中采用k-epsilon紊流求解模型[5]。

1.2 幾何模型的建立

直槽鉆加工的工裝模型基于Autodesk inventor professional軟件平臺(tái)建立(圖1)，其中直槽鉆的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 NC-D6G鉆頭的主要參數(shù)

1.3 材料模型的選擇

刀柄和工件的材料設(shè)置為剛體，其性能參數(shù)采用軟件庫中的Iron材料；鉆頭本體材料設(shè)置為剛體，其材質(zhì)選擇軟件材料庫中Tungsten項(xiàng)；在冷卻液流通管道中填充冷卻液，冷卻液選擇軟件材料庫中的Water項(xiàng)。

1.4 仿真條件

假設(shè)鉆頭在加工過程中切削溫度在前刀面分布平均，在切削刃處設(shè)置一個(gè)高0.6 mm，厚0.2 mm的發(fā)熱體(圖2)，且發(fā)熱體功率為500 W；設(shè)置冷卻液入口壓強(qiáng)分別為20 MPa、50 MPa、80 MPa這3個(gè)水平，此處冷卻液溫度等于環(huán)境溫度20 ℃，輸出口壓強(qiáng)為零；鉆頭旋轉(zhuǎn)速度為3 000 r/min，其余條件保持軟件默認(rèn)狀態(tài)。

1.5 仿真方案

以油孔圓心連線與前刀面夾角α和油孔直徑d(圖3)為仿真的兩個(gè)油孔結(jié)構(gòu)因素，分別建立不同幾何結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行仿真分析。

硬質(zhì)合金的油孔是通過模具擠壓成型的，業(yè)內(nèi)通常選用各大硬質(zhì)合金公司的標(biāo)準(zhǔn)棒料。仿真采用Konrad Friedrichs公司標(biāo)準(zhǔn)，其中大油孔棒料的油孔孔徑d為1 mm，孔距L為3 mm，小油孔棒料的孔徑d為0.8 mm，孔距L為1.5 mm；油孔圓心連線與前刀面夾角α分別為25°、35°、55°這3個(gè)水平，鉆頭模型中鉆尖結(jié)構(gòu)如圖4。

2 油孔結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻效果的影響

2.1 油孔大小對(duì)冷卻效果的影響

鉆頭內(nèi)冷孔孔徑d的差異會(huì)直接影響到冷卻液的流量，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鉆頭的內(nèi)部導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、冷卻液與鉆頭的熱交互界面等發(fā)生變化。在夾角α為25°、輸入壓強(qiáng)5 MPa時(shí)，通過simulation CFD處理后分別得到大油孔和小油孔鉆頭前刀面溫度分布云圖(圖5)。

通過該云圖可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)方案的最高溫度區(qū)均靠近切削刃外沿位置，且小徑內(nèi)冷孔鉆頭的高溫區(qū)范圍更廣，溫度更高。同時(shí)，通過分析不同輸入壓強(qiáng)條件下的前刀面平均溫度值如表2。

表2 兩個(gè)孔徑水平鉆頭前刀面平均溫度 ℃

數(shù)據(jù)表明，在多種輸入口壓強(qiáng)條件下，內(nèi)冷孔孔徑大的方案鉆頭前刀面平均溫度明顯低于孔徑小的方案。

2.2 油孔位置對(duì)冷卻效果的影響

油孔位置不同，使冷卻液在鉆尖出口的分布情況發(fā)生了變化，影響冷卻液流出后速度矢量，參與到切削區(qū)熱交換的冷卻液流量也不同。通過仿真輸入壓強(qiáng)為2 MPa、在夾角α分別為25°、35°、55°三種不同水平下的冷卻狀態(tài)。如圖6所示。

不同輸入壓強(qiáng)條件下，以夾角α為橫坐標(biāo)，鉆頭前刀面平均溫度為縱坐標(biāo)，得到圖7所示對(duì)比折線圖。

通過上述溫度云圖及對(duì)比折線圖可發(fā)現(xiàn)，大油孔直槽鉆中，油孔圓心連線與主切削刃的夾角增大時(shí)，前刀面平均溫度均呈升高趨勢(shì)。

3 能譜試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

工作狀態(tài)下鉆尖在被加工孔中呈半封閉狀態(tài)，直接通過溫度來判斷前刀面冷卻效果十分困難。由于硬質(zhì)合金在高溫?zé)齻?，燒傷區(qū)域表面的元素成分含量會(huì)發(fā)生變化，有不同程度的氧元素出現(xiàn)，而且溫度越高則氧化程度越高，氧含量也越多，所以通過能譜電子顯微鏡對(duì)切削區(qū)域前刀面進(jìn)行能譜檢測(cè)是一個(gè)有效的手段，可以間接比較各方案的冷卻效果。

結(jié)合刀具廠家(株洲鉆石)的生產(chǎn)計(jì)劃安排，僅對(duì)仿真中具有代表性的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。具體的試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 冷卻效果實(shí)驗(yàn)方案

各方案樣品的結(jié)構(gòu)尺寸與仿真模型完全一樣，直槽鉆外形尺寸參數(shù)同表1，樣品的鉆尖結(jié)構(gòu)如圖8所示。

鉆削機(jī)床為瑞士米克朗公司生產(chǎn)的多軸、高精度加工中心MIKRON(UCP 1000)，被加工材料選擇灰鑄鐵HT300，切削參數(shù)見表4。

表4 鉆削實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

3.2 能譜分析

通過元素含量的能譜掃描設(shè)備SUPRATM55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡檢測(cè)刀具前刀面的燒傷情況，取樣前對(duì)3支直槽鉆進(jìn)行切割處理，各取刃部一截作為樣品，并選取一截切削刃沒有參與加工的樣品作為參照對(duì)象。

電鏡掃描過程中，3個(gè)鉆尖樣品掃描區(qū)域選取的區(qū)域位置、形狀、大小均一致，未參與加工樣品的掃描區(qū)域選擇大小未嚴(yán)格限定。樣品用酒精清洗后在電鏡下放大32倍掃描，電鏡影像中的樣品見圖9。

樣品掃描后的能譜如圖10所示。

由能譜圖發(fā)現(xiàn)，在Big_35方案中發(fā)現(xiàn)少量鐵元素，推測(cè)是在加工灰鑄鐵時(shí)鐵元素?cái)U(kuò)散或者是在清洗時(shí)未洗干凈所致，由于含量極少，可以忽略不計(jì)。各方案的元素含量分布如表5所示。

表5 各方案前刀面元素含量比例(wt%)

由表5可知，在未參與加工樣品的表面，也存在較低的氧元素含量，這可能是由于鉆頭磨削制造過程中，金剛石砂輪與硬質(zhì)合金摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫氧化所致。數(shù)據(jù)表明：3個(gè)方案的氧含量均高于未參與加工的樣品，說明在加工過程中存在燒傷氧化現(xiàn)象；3個(gè)方案中，Big_35方案氧含量最少，燒傷程度最輕，其次是Big_55方案，Small_35方案氧含量最多，燒傷程度最嚴(yán)重。

4 結(jié)語

(1) 通過Simulation CFD軟件建立了直槽鉆冷卻通道的流場(chǎng)仿真模型，對(duì)不同內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)模型的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。

(2)對(duì)不同冷卻孔結(jié)構(gòu)方案鉆尖前刀面燒傷情況進(jìn)行了電子能譜檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果與仿真模擬吻合。

(3)在一定條件下，直槽鉆內(nèi)冷孔孔徑越大，油孔圓心連線與前刀面夾角越小，冷卻效果越好，反之，冷卻效果越差。

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