汽霧冷卻下切削GH4169切削溫度仿真與試驗分析

馮新敏,董慶尚,胡景姝,王柏惠

(哈爾濱理工大學(xué) 機械動力工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

GH4169具有高韌性、高強度、耐磨性、耐腐蝕性,被廣泛的應(yīng)用在航空航天等行業(yè)[1],但其在切削加工過程中存在切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴(yán)重、刀具易磨損等問題[2-3]。因此在GH4169切削加工過程中加入冷卻潤滑條件,降低切削溫度、減小刀具磨損、提高刀具壽命尤為重要。傳統(tǒng)澆筑式的冷卻方法在切削加工過程中,由于切削液的用量大導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加,環(huán)境污染以及對人體健康危害大[4-5]。需要在GH4169的切削加工中滿足更好的冷卻條件：冷卻性能好、成本低、環(huán)保。

許多學(xué)者研究了切削GH4169不同的冷卻方式對刀具壽命的影響。彭銳濤等[6]分別在澆筑式切削、干切削和定向內(nèi)冷切削3種環(huán)境下切削高溫合金,分析定向內(nèi)冷車刀的切削性能。Rahman等[7]在銑削GH4169的試驗中發(fā)現(xiàn):微量潤滑切削與干切削和澆筑式切削相比具有更好的潤滑效果和冷卻效果,在切削過程中能夠有效地降低切削力。Polvorosa等[8]研究在GH4169切削過程中不同冷卻劑壓力對刀具磨損的現(xiàn)象。Musavi等[9]在切削液中加入納米顆粒研究納米流體對刀具磨損形貌的影響。Behera等[10]在高壓冷卻、低溫冷卻、微量潤滑、納米流體微量潤滑下切削GH4169,分析GH4169的切削性能以及在切削過程中的刀具壽命。

還有學(xué)者研究了汽霧冷卻技術(shù)。汽霧冷卻技術(shù)是一種復(fù)雜、高效的冷卻方式,影響其換熱效果的因素非常多,包括流量、壓力、霧滴的大小及其分布、霧滴的噴射速度及噴射角度等[11]。何立東、閆通海等[12-13]分別在干式、澆注式和汽霧冷卻3種狀態(tài)下進行車削試驗觀察切削溫度、切削力和表面粗糙度的變化情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)汽霧冷卻下的切削力、切削溫度與其他兩種切削方式相比有明顯的下降趨勢,在降低表面粗糙度值方面也優(yōu)于其他兩種切削方式。陳立德等[14]研究復(fù)合噴霧加工法在切削加工中的潤滑冷卻效果,探討了噴霧方法在連續(xù)切削加工中的可行性,并通過試驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合噴霧冷卻能夠有效的降低切削溫度,提高已加工表面質(zhì)量減小刀具磨損。為了更深一步研究在GH4169切削過程中汽霧的冷卻效果,以及汽霧流量、壓力對切削溫度的影響。本文運用試驗和仿真相結(jié)合的方法,分析了切削GH4169時運用汽霧冷卻的冷卻效果,為汽霧冷卻條件下切削GH4169汽霧參數(shù)的選取及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 汽霧冷卻下GH4169切削溫度的試驗分析

1.1 試驗方案

在切削速度為80 m/min、切深0.2 mm、進給量0.15 mm/r時,進行干式和汽霧冷卻兩種狀態(tài)下的切削溫度測量試驗,將兩種狀態(tài)下的切削溫度進行比較,分析汽霧的冷卻效果;噴嘴與刀尖的距離為20 mm、高度為20 mm、角度為45°,在汽霧噴嘴與刀具間的距離和角度不變的情況下,改變汽霧的壓力和流量,分析壓力、流量對切削溫度的影響,具體試驗參數(shù)及試驗結(jié)果見表3。

1.2 試驗流程及試驗設(shè)備型號

汽霧冷卻車削GH4169試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程圖

將空氣壓縮機產(chǎn)生的氣體和水箱中的切削液通過管道輸入到汽霧冷卻裝置中,汽霧冷卻裝置中有壓力閥和流量閥能夠控制氣體的壓力和切削液的流量;汽霧冷卻裝置與噴嘴連接將汽霧噴射到切削區(qū)進行冷卻;熱電偶通過熱電偶絲與切削刀具相連接;將熱電偶采集的信號輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,進行數(shù)據(jù)的處理。

1.3 熱電偶絲的安裝

將熱電偶絲埋入刀片中,需采用電火花加工的方式在刀片上打孔。盲孔的中心與刀片邊緣距離為1.5 mm、深度為3 mm、直徑為0.5 mm;如圖2a)所示為電火花加工盲孔的過程。如圖2b)將熱電偶絲插入盲孔中,用樹脂涂層固定,防止在切削過程中由于振動等因素影響測量結(jié)果。

圖2 刀片測溫點盲孔加及熱電偶安裝

1.4 切削溫度的推導(dǎo)

如圖3所示熱電偶測量區(qū)與切削區(qū)有1 mm的距離,熱電偶測量的溫度并不是實際的切削溫度,如果把熱電偶測量區(qū)的溫度當(dāng)作實際的切削溫度,會降低實際的切削溫度值,因此運用導(dǎo)熱反求法來獲得實際的切削溫度[15]。導(dǎo)熱反求法是使用ANSYS軟件對刀具進行建模,在切削區(qū)從低到高施加溫度值,監(jiān)測傳遞到熱電偶測量區(qū)的溫度值,通過數(shù)據(jù)擬合得到切削區(qū)溫度值和熱電偶測量區(qū)溫度值之間的函數(shù)關(guān)系,最后將試驗熱電偶測得的溫度值代入函數(shù)中,就能得到實際的切削溫度;并用切削仿真軟件對函數(shù)關(guān)系進行驗證,導(dǎo)熱反求法的流程圖如圖4所示。

圖3 測量位置圖

圖4 導(dǎo)熱反求法流程圖

1.4.1 傳熱模型的建立

在切削的過程中不是整個刀片都參與切削,而是刀尖及其附近區(qū)域參與切削。如圖5所示,在刀片上分割出0.7 mm×0.7 mm×1 mm的立方體,立方體的上表面作為切削區(qū),將切削區(qū)產(chǎn)生的溫度視為切削溫度;立方體的下表面作為熱電偶測量區(qū)。

圖5 傳熱模型

在傳熱的過程中主要分析切割出小立方體的溫度傳遞,所以將小立方體的網(wǎng)格進行細(xì)化,以提高計算精度。刀片的材料為硬質(zhì)合金,通過查閱資料得出硬質(zhì)合金的材料屬性如表1所示。

表1 硬質(zhì)合金材料屬性

分別在切削區(qū)施加200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃的切削溫度仿真進行計算,分別得出熱電偶測量區(qū)的溫度,如圖6所示為切削溫度為200 ℃時,熱電偶測量區(qū)的溫度為123.98 ℃,表2為余下傳熱結(jié)果。

圖6 刀片溫度變化云圖

表2 傳熱結(jié)果

1.4.2 函數(shù)推導(dǎo)及驗證

使用MATLAB軟件進行數(shù)據(jù)擬合,將各組刀尖溫度值和熱電偶監(jiān)測值輸入后得到函數(shù)關(guān)系為

y=0.000 218 73x2+1.036 6x+68.684 1

(1)

式中：x為熱電偶測量區(qū)的溫度；y為切削區(qū)的切削溫度。

將熱電偶測得干切削的溫度值136 ℃作為x代入式(1)中,求得y=213.71 ℃為干切削時切削溫度值。使用Deform軟件在相同的切削參數(shù)下進行切削仿真,觀察切削溫度值,如圖7所示為仿真干切削時的切削溫度為197 ℃。將試驗測得的切削溫度與Deform仿真得出的切削溫度相比較,相對于試驗誤差值為7.51%,在可接受范圍內(nèi),說明所求的二次函數(shù)準(zhǔn)確。

圖7 仿真切削溫度

1.5 試驗結(jié)果分析

試驗測量結(jié)果如表3所示,在相同切削參數(shù)下將干式和汽霧兩種切削狀態(tài)下的切削溫度相對比發(fā)現(xiàn):汽霧冷卻能夠明顯降低切削溫度,最低能使切削溫度降低46.81%,說明汽霧冷卻在冷卻潤滑方面表現(xiàn)優(yōu)越。試驗中改變汽霧流量、壓力觀察切削溫度的變化情況發(fā)現(xiàn):隨著汽霧壓力的增大,切削溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢;隨著汽霧流量的增大切削溫度并沒有呈現(xiàn)出下降的趨勢。

2 汽霧冷卻仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

運用三維繪圖軟件繪制出簡化的刀片模型和噴嘴模型,并在刀片的外部建立一個長方體的霧化場,霧化場的一個面與噴嘴的出口相連接。如圖8所示,刀片的尺寸為12 mm×12 mm×4 mm,霧化場為30 mm×30 mm×40 mm的空間區(qū)域,噴嘴與刀尖間的距離為20 mm、高度為20 mm、角度為45°。

圖8 汽霧冷卻三維模型

2.2 網(wǎng)格的劃分

將三維模型代入Mesh模塊中進行網(wǎng)格劃分,整體網(wǎng)格劃分如圖9所示。本文研究的重點是刀片溫度的變化情況,并且在切削加工過程中不是刀片整體參與切削是刀尖部分參與切削。所以將刀片刀尖處的網(wǎng)格進行細(xì)化,細(xì)化后的刀片網(wǎng)格如圖10所示。模型網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格的數(shù)目為107 708個,節(jié)點數(shù)為21 062個,網(wǎng)格質(zhì)量良好滿足計算要求。

圖9 整體網(wǎng)格劃分

圖10 局部細(xì)化后的刀尖處網(wǎng)格

2.3 基本控制方程

汽霧冷卻屬于流體力學(xué)范圍內(nèi),汽霧冷卻包含了刀片、霧化場、和噴嘴,在整個汽霧冷卻的仿真模擬過程中必須遵守質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程[16]。

1) 質(zhì)量守恒方程為

(2)

2) 能量守恒方程為

(3)

式中:cp為比熱容;T為溫度;k為流體的傳熱系數(shù);ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分,有時簡稱ST為黏性耗散項。

3) 動量守恒方程為

(4)

式中:p為靜壓;τij為應(yīng)力張量;gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力,Fi包含其他模型相關(guān)源項,如多孔介質(zhì)和自定義源項。

2.4 邊界條件

1) 仿真環(huán)境溫度為27 ℃,將表3中試驗干切削時的切削溫度213.71 ℃作為冷卻的初始溫度,刀具其他區(qū)域的溫度為27 ℃。

2) 進氣口為壓力入口,入口壓力分別為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa。進液口入口流量分別為1.58 L/h、2.37 L/h、3.16 L/h。

3) 運算模型選擇能量方程、標(biāo)準(zhǔn)湍流模型;打開組分輸運模型并修改組分,將組分修改為液體和空氣。打開離散項模型并設(shè)置入射源,選擇air-blast-atomize進行空氣霧化。

4) 在刀具刀尖處創(chuàng)建檢測面,在Report Files處進行監(jiān)測面的溫度監(jiān)測。

5) 其他采用默認(rèn)設(shè)置。

3 仿真結(jié)果分析及驗證

如表3所示為試驗參數(shù)及試驗、仿真結(jié)果。

表3 試驗參數(shù)及試驗、仿真結(jié)果

3.1 液滴速度及軌跡分布

圖11為入口壓力為0.2 MPa,流量為1.58 L/h時汽霧顆粒的軌跡及速度分布圖。從圖11中可以看出在液滴離開噴嘴時液滴的速度最快,且中心顆粒速度高于兩邊顆粒速度,隨著噴射距離的增加顆粒的速度液隨之降低。這個現(xiàn)象的主要原因是因為液體由噴嘴噴出后,其受到表面張力、空氣阻力和粘性力等共同作用下導(dǎo)致的,伴隨著噴射距離的逐漸增大高壓射流的消散狀態(tài)越明顯。

圖11 顆粒速度云圖

3.2 流量對切削溫度的影響

圖12為入口壓力為0.2 MPa,流量為1.58 L/h時刀具刀尖溫度云圖。

圖12 刀尖溫度云圖

圖13所示為不同流量下切削溫度在1 s內(nèi)的變化曲線,在壓力為0.2 MPa,流量為1.58 L/h時,刀尖溫度在1 s內(nèi)從213.71 ℃下降到114.65 ℃,刀尖溫度降低了46.35%。并且隨著入口流量的增大,不同流量下切削溫度下降的趨勢沒有明顯變化。在其他情況不變的情況下,隨著汽霧流量的增大相同時間內(nèi)從噴嘴中噴出的霧滴數(shù)目也隨之增加。本文只有刀尖處為換熱面并且換熱面的面積很小,參與換熱的霧滴數(shù)目已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。所以并不是流量越大,霧滴顆粒越多,冷卻效果越明顯。

圖13 不同流量下切削溫度變化曲線

3.3 壓力對切削溫度的影響

如圖14所示為不同壓力下切削溫度在1 s內(nèi)的變化曲線。隨著入口壓力的增加,不同壓力下切削溫度的下降趨勢也隨之增加。在入口流量一定的情況下,壓力的增加會使液滴到達(dá)刀尖表面的速度和液滴密度增大,液膜移動速度加快,使刀尖表面的換熱加劇,這是壓力增大切削溫度下降趨勢也隨之增大的原因之一。

圖14 不同壓力下切削溫度變化曲線

3.4 試驗與仿真結(jié)果對比分析

圖15為不同流量下試驗切削溫度和仿真切削溫度對比圖,從圖中可以看出隨著入口流量的增大,試驗切削溫度和仿真切削溫度都沒有呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢,說明入口流量的變化并不能對切削溫度產(chǎn)生很大的影響。在流量為1.58 L/h時,相對于試驗誤差最大為6.93%;在流量為2.37 L/h時,相對于試驗誤差最小為2.99%。

圖15 不同流量下試驗和仿真切削溫度對比

圖16為不同壓力下試驗切削溫度和仿真切削溫度對比圖,從圖中可以看出隨著入口壓力的增大,試驗切削溫度和仿真切削溫度都呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢,其中試驗切削溫度的下降趨勢明顯比仿真切削溫度的下降趨勢大。從圖中可以看出入口壓力是影響切削溫度的主要因素之一,其中在壓力為0.1 MPa時,相對于試驗誤差最大為14.81%,誤差在可接受的范圍內(nèi),說明有限元仿真的準(zhǔn)確性。

圖16 不同壓力下試驗和仿真切削溫度對比

4 結(jié)論

在汽霧冷卻條件下切削GH4169切削溫度的試驗和仿真分析中得出以下結(jié)論:

1) 汽霧冷卻能夠明顯降低切削過程中的切削溫度,從試驗的結(jié)果來看:最高能使切削溫度降低46.81%,汽霧冷卻在冷卻潤滑方面表現(xiàn)優(yōu)越,能夠有效的提高刀具的使用壽命。

2) 通過傳熱模型建立了傳熱函數(shù),通過試驗和仿真的對比,驗證了傳熱函數(shù)的可靠性。有效的解決了在切削過程中切削溫度測量的問題。

3) 隨著入口壓力的增大,不同壓力下切削溫度下降趨勢也隨之增大,入口壓力是影響切削溫度的主要因素之一。隨著入口流量的增大,不同流量下切削溫度沒有明顯的下降趨勢,入口流量的變化并不能對切削溫度產(chǎn)生很大的影響。