基于Fluent的高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)數(shù)值模擬

尹凝霞， 譚光宇， 李廣慧， 李修近， 溫麗宏

(廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

基于Fluent的高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)數(shù)值模擬

尹凝霞， 譚光宇， 李廣慧， 李修近， 溫麗宏

(廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

針對高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)流場內(nèi)流體流動的復(fù)雜性，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對高速內(nèi)冷銑刀切削加工區(qū)的速度場和壓力場進(jìn)行研究，得到了不同冷卻介質(zhì)、銑削轉(zhuǎn)速和不同直徑的銑刀銑削同一孔徑時(shí)的速度場與壓力場分布，為進(jìn)一步研究流場對高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)刀具壽命和工件質(zhì)量的影響提供理論依據(jù).

高速銑削； 內(nèi)冷； 數(shù)值模擬

高速銑削因其具有高效率、低切削力、高精度和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空、汽車、模具及發(fā)電設(shè)備等行業(yè)得以廣泛應(yīng)用[1-2].高速銑削加工中的冷卻問題非常重要，雖然干式銑削頗受關(guān)注并成為綠色切削追求的最終目標(biāo)，但隨著諸如鎳合金、鈦合金等難切削材料的需求增多(航空發(fā)動機(jī)中比重占到80%[3])和易燃易爆材料的使用，都使得濕式冷卻切削加工必不可少.外噴淋冷卻(簡稱外冷)因會對環(huán)境造成污染、對人的健康造成危害且冷卻效果有限而處于被淘汰的邊緣[4]；內(nèi)噴淋冷卻(簡稱內(nèi)冷)因直接將中、高壓切削液噴射到切削區(qū)域，可有效降低切削溫度并集中處理切削液而倍受關(guān)注，但目前對內(nèi)冷銑刀的研究還不是很多. 文獻(xiàn)[5-6]對內(nèi)冷銑削過程研究限于內(nèi)冷微量潤滑(minimum quantity lubricant, MQL)方式，此方式不僅投資大，而且實(shí)現(xiàn)對冷卻過程的控制比較困難，且在仿真計(jì)算過程中只是利用換熱系數(shù)模擬微量潤滑，并非真正意義的流場分析.因此，對內(nèi)冷銑刀的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于內(nèi)冷銑刀的應(yīng)用，高速內(nèi)冷銑削已逐漸應(yīng)用于高端敏捷柔性生產(chǎn)線.

日益成熟的計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics， CFD)的數(shù)值模擬計(jì)算方法已成為研究流場的有效方法[7]，并逐漸用于對鉆削[8-9]、車削[10]過程中冷卻效果的估算和對內(nèi)冷磨削砂輪[11]的設(shè)計(jì). 本文利用CFD數(shù)值模擬方法深入研究高速內(nèi)冷銑削加工過程，通過對內(nèi)冷銑削加工區(qū)混合流場的分析計(jì)算，明確內(nèi)冷銑刀銑削時(shí)切削液的流動特性，以期為組織好高速內(nèi)冷銑刀切削液的流動提供依據(jù).

1 計(jì)算模型的建立

內(nèi)冷銑刀是在傳統(tǒng)銑刀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型銑刀，其在傳統(tǒng)銑刀的適當(dāng)位置開設(shè)適當(dāng)數(shù)量和直徑的內(nèi)冷孔.內(nèi)冷孔與銑削加工中心內(nèi)部的冷卻液供給裝置相連，從而可以在銑削過程中把切削液直接噴至切削區(qū)域.為此，本文依據(jù)內(nèi)冷銑刀的特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行建模，并結(jié)合實(shí)際情況對邊界條件進(jìn)行定義.

1.1計(jì)算的簡化及計(jì)算區(qū)域的選擇

1.1.1 計(jì)算的簡化

本文以雙螺旋內(nèi)冷孔立銑刀(如圖1所示)銑削加工區(qū)為研究對象進(jìn)行計(jì)算模型的建立.由于銑削過程是一個(gè)非常復(fù)雜的斷續(xù)切削過程，并且切削過程中切削厚度不斷變化，為便于數(shù)值計(jì)算與分析，在實(shí)際銑削過程忽略了一些次要影響因素，主要做如下簡化：(1)銑削入口處流動平穩(wěn)，無瞬時(shí)沖擊；(2)銑削出口處忽略回流影響；(3)銑刀內(nèi)冷孔壁及出口端光滑.

圖1 雙螺旋內(nèi)冷孔立銑刀Fig.1 End milling with double helical internal channel

1.1.2 計(jì)算區(qū)域的選擇

為減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)，銑削過程中截取20 mm作為銑刀有效切削長度.為避免計(jì)算過程中出現(xiàn)負(fù)體積，銑刀距離銑削孔壁至少留一層網(wǎng)格.選取孔至銑刀之間的區(qū)域和內(nèi)冷孔作為銑削加工區(qū)，應(yīng)用三維建模軟件Pro/E建立雙螺旋立銑刀銑削加工區(qū)三維幾何模型(如圖2所示)，并將其導(dǎo)入Fluent前處理模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖2 雙螺旋內(nèi)冷銑刀銑削加工區(qū)Fig.2 Cutting zone in double helical internal channels end-milling

1.2計(jì)算網(wǎng)格的生成

在三維數(shù)值模擬計(jì)算過程中，網(wǎng)格疏密與質(zhì)量高低會影響到計(jì)算精度及收斂與否，對于高速內(nèi)冷立銑刀的切削區(qū)流場更是如此.雖然理論上網(wǎng)格越密計(jì)算精度越高，但網(wǎng)格過密，會大幅延長計(jì)算時(shí)間，且對計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備的要求亦越高[12]. 由于銑刀外觀形貌極其復(fù)雜，尤其是靠近切削刃的地方尺寸極小，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分困難，且易出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲率大或最小體積為負(fù)的情況，使網(wǎng)格質(zhì)量降低，甚至影響計(jì)算.綜合以上情況，在本文計(jì)算中采用四面體網(wǎng)格，對底部切削區(qū)和內(nèi)冷孔周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，銑削加工區(qū)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 切削區(qū)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Mesh structure of cutting zone

1.3數(shù)學(xué)模型

高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)內(nèi)液體流動控制方程由連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程及湍流模型方程組成.其中，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，離散相模型采用DPM(discrete partide model)模型.

1.4邊界條件

在高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)數(shù)值模擬計(jì)算過程中，由于切削液是從內(nèi)冷孔噴出，故將內(nèi)冷孔作為整個(gè)計(jì)算的入口，且為壓力入口，入口壓力為0.3 MPa(表壓)，入口溫度為298 K；出口接大氣，設(shè)置為自由出口.切削區(qū)邊界圖如圖4所示.

圖4 切削區(qū)邊界

2 結(jié)果分析

2.1冷卻介質(zhì)的影響

本文分別選用空氣和切削液兩種介質(zhì)進(jìn)行分析計(jì)算，得到兩者的速度場和壓力場分別如圖5和6所示.

(a) 空氣冷卻

(b) 切削液冷卻

(a) 空氣冷卻

(b) 切削液冷卻

圖6不同冷卻介質(zhì)下的壓力場

Fig.6Pressurewithdifferentcoolingmedium

由圖5可知，空氣和切削液兩種介質(zhì)下內(nèi)冷孔噴出時(shí)速度相差不大.由于相同環(huán)境條件下，空氣黏性遠(yuǎn)小于切削液黏性，故空氣冷卻時(shí)孔底速度更快，但在孔壁處，切削液冷卻時(shí)上升流更趨明顯，且以水為基礎(chǔ)的切削液的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，故其冷卻效果更好.

由圖6可知，以切削液為介質(zhì)的銑削流場壓力大于以空氣為介質(zhì)的銑削流場壓力，在切削刃外邊緣處的切削液壓力比空氣壓力要大，因而切削液可至切削刃與孔壁接觸處，冷卻潤滑效果更好，因此多數(shù)銑削場合采用切削液冷卻.本文在后續(xù)的計(jì)算中均采用切削液作為冷卻介質(zhì).

2.2銑刀轉(zhuǎn)速的影響

銑孔過程是銑刀自轉(zhuǎn)、繞孔中心公轉(zhuǎn)及向下線性進(jìn)給3個(gè)運(yùn)動的疊加，主要運(yùn)動是銑刀自轉(zhuǎn).為簡化計(jì)算，本文計(jì)算中主要考慮銑刀自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的影響. 銑刀旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)冷孔內(nèi)液體也隨之轉(zhuǎn)動，同時(shí)銑刀底刃對內(nèi)冷孔噴出的切削液有擾動，因而銑刀轉(zhuǎn)動的快慢也會影響到銑削加工區(qū)的流場.

銑削轉(zhuǎn)速分別在8 000、 12 000和13 500 r/min下的銑削區(qū)速度場如圖7所示.隨銑刀轉(zhuǎn)速增加，內(nèi)冷孔出口處速度也隨之增加，且由于雙螺旋內(nèi)冷孔除了垂直向下的速度分量外，還有水平方向的速度分量，水平方向的液流與底刃相碰后改變方向.當(dāng)轉(zhuǎn)速增至12 000 r/min時(shí)，第一、二切削刃間形成渦流，但轉(zhuǎn)速再增至13 500 r/min時(shí)，由于銑刀轉(zhuǎn)速的增加，內(nèi)冷孔出口處的垂直速度降低，但水平面內(nèi)的速度分量增加，水平面的液流與孔壁碰撞后所形成向上的卷流增加，有利于切屑排出.

(a) 8 000 r/min

(b) 12 000 r/min

(c) 13 500 r/min

銑刀轉(zhuǎn)速在8 000、 12 000和13 500 r/min時(shí)的銑削區(qū)壓力場如圖8所示. 從圖8可以清晰地看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，孔底壓力場變化非常明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速增至13 500 r/min時(shí)，銑刀轉(zhuǎn)速的提升帶動銑刀切削刃周圍的液體流動，切削液可到達(dá)刀孔接觸處，使得銑削區(qū)的壓力場重新分布，冷卻潤滑效果提升.

(a) 8 000 r/min

(b) 12 000 r/min

(c) 13 500 r/min

2.3銑刀直徑的影響

在相同轉(zhuǎn)速和冷卻介質(zhì)下，以不同直徑(Φ12和Φ16)的銑刀銑削同一直徑Φ21孔時(shí)的速度場如圖9所示.銑削相同孔徑時(shí)，Φ12銑刀銑削流體區(qū)大于Φ16銑刀銑削流體區(qū)，切削液自內(nèi)冷孔噴出后與壁面碰擊較少，能量損失少,與此同時(shí),切屑與孔壁的撞擊也少，故其加工質(zhì)量較好，這已在試驗(yàn)中得已驗(yàn)證.不同銑刀直徑加工Φ21孔壁面的粗糙度如圖10所示.

(a) Φ12銑刀

(b) Φ16銑刀

圖10 不同銑刀直徑加工Φ21孔壁面的粗糙度Fig.10 Surface roughness in end-milling the bore of Φ21 with different milling diameters

以Φ12和Φ16的銑刀銑削同一直徑Φ21孔時(shí)的壓力場如圖11所示.由圖11可知，Φ16銑刀銑削Φ21孔時(shí)切削液的壓力損耗大于Φ12銑刀銑削加工區(qū).這主要是因?yàn)棣?6銑刀銑削加工區(qū)小于Φ12銑刀銑削加工區(qū)，而且在銑削過程中，銑削加工區(qū)流場空間減小后，切削液碰到孔壁的概率增加，致使切削液的流動受限.同時(shí)，由圖11還可知，Φ16銑刀銑削加工區(qū)中切削刃靠近壁面的部分壓力較低，影響了切削液的流動，使其冷卻潤滑效果變差.因此，在保證銑削效率的前提下可盡量選擇直徑相對較小的銑刀.

(a) Φ12銑刀

(b) Φ16銑刀

3 結(jié) 語

本文采用基于Fluent的CFD軟件對高速雙螺旋內(nèi)冷銑削加工區(qū)混合流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可得出如下結(jié)論：

(1) 切削液的冷卻潤滑效果遠(yuǎn)優(yōu)于空氣冷卻，且切削液可至切削刃與孔壁接觸處；

(2) 銑刀轉(zhuǎn)速的增加可帶動銑刀切削刃周圍的液體流動，且使得切削液水平面內(nèi)的速度分量增加，水平面內(nèi)液流與孔壁碰撞后形成向上的卷流增加，有利于切屑的排出；

(3) 銑削相同的孔徑時(shí)，在保證加工效率的前提下，銑刀直徑越小，銑削加工流場區(qū)域越大，冷卻潤滑效果越好，加工質(zhì)量越高.

[1] 陳明，安慶龍，劉志強(qiáng).高速切削技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].上海：上?？萍汲霭嫔纾?012：18-19.

[2] VAN LUTTERVEL T C A， CHILDS T H C， JAWAHIR I S. Present situation and future trends in modeling of machining operations [J]. CIRP Annals， 1998， 47(2)：587-626.

[3] 劉獻(xiàn)禮，岳彩旭.綠色切削技術(shù)的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2010(11)：26-30.

[4] 陳光明.數(shù)控超高壓水射流切割技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2007，35(8)：64-68.

[5] OBIKAWA T， KAMATA Y， SHINOZUKA J. High-speed grooving with applying MQL [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2006， 46(14)：1854-1861.

[6] 張春燕，祝亞京.內(nèi)冷式MQL銑削鈦合金表面質(zhì)量的研究[J].工具技術(shù)，2016，50(2)：51-54.

[7] DAVIDSON D L. The role of computational fluid dynamics in process industries [J]. Bridge， 2002， 32(4)：9-14.

[8] OEZKAYA E， BEER N， BIERMANN D. Experimental studies and CFD simulation of the internal cooling conditions when drilling Inconel 718[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2016，108：52-65.

[9] FALLENSTEIN F， AURICH J C. CFD based investigation on internal cooling of twist drills[J]. Prodedia CIPP， 2014， 14：293-298.

[10] OBIKAWA T， ASANO Y， KAMATA Y. Computer fluid dynamics analysis for efficient spraying of oil mist in finish-turning of Inconel 718[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2009， 49(12-13)：971-978.

[11] AURICH J C， KIRSH B， HERZENSTIEL P， et al. Hydraulic design of a grinding wheel with an internal cooling lubricant supply[J]. Prod Eng Res Devel， 2011， 5(2)：119-126.

[12] 馬濤，戴惠良，劉思仁.基于FLUENT的液體靜壓軸承數(shù)值模擬[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，36(3)：279-282.

(責(zé)任編輯：杜佳)

NumericalSimulationonInternalCoolingofCuttingZoneinHigh-SpeedEnd-MillingBasedonFluent

YINNingxia，TANGuangyu，LIGuanghui，LIXiujin，WENLihong

(College of Mechanical and Power Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China)

Aiming at the complexity of fluid flow in high-speed end-milling cutting zone， the computational fluid dynamics software Fluent is used to study the velocity field and pressure field in the cutting zone of high-speed end-milling. The velocity and pressure with different cooling medium， milling speed and different milling diameter are obtained. And the results provide theoretical basis for the further study on the effect of cutting zone flow on the service life of the high-speed internal cooling end-milling and surface quality.

high-speed end-milling； internal cooling； numerical simulation

TG 501

A

1671-0444 (2017)04-0510-05

2016-12-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375099)；廣東海洋大學(xué)科研啟動費(fèi)資助項(xiàng)目(E15168)

尹凝霞(1975—)，女，河北吳橋人，副教授，博士，研究方向?yàn)镃FD/CAE分析. E-mail：yinningxia2002@163.com

譚光宇(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail：guangyutan@126.com