高速內(nèi)冷銑削過(guò)程混合流體場(chǎng)分析

■ 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院 （湛江 524088） 付思遠(yuǎn) 譚光宇 李廣慧 尹凝霞

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立銑刀作為高速加工的主要工具，磨損現(xiàn)象十分普遍。在高速加工中，切削液在刀具高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，夾雜著加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑，將刀具暴露在復(fù)雜的流場(chǎng)當(dāng)中。切削液對(duì)銑刀的不斷沖刷以及切削液中含有的第二相固體顆粒對(duì)刀具表面的沖擊作用，可能會(huì)導(dǎo)致刀具表面出現(xiàn)凹坑，產(chǎn)生破壞，從而使得刀具發(fā)生磨損。

刀具磨損使得切削力增加，切削溫度升高，導(dǎo)致工件表面粗糙度降低，不僅浪費(fèi)工時(shí)，還會(huì)增加加工成本。因此對(duì)于立銑刀切削區(qū)流場(chǎng)的研究，顯得尤為重要。本文借助Pro/E和Fluent軟件，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)和刀具銑孔知識(shí)，對(duì)刀具的三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到刀具銑孔時(shí)的混合流場(chǎng)速度云圖、速度矢量圖和壓強(qiáng)云圖，為立銑刀的流場(chǎng)磨損提供理論依據(jù)。

1.計(jì)算模型

本文主要針對(duì)刀具切削區(qū)混合流場(chǎng)進(jìn)行仿真，因此在創(chuàng)建幾何模型時(shí)，只需考慮流場(chǎng)內(nèi)刀具參與工作的部分。立銑刀主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 立銑刀主要幾何參數(shù)

根據(jù)數(shù)控編程銑孔經(jīng)驗(yàn)，采用φ16mm的立銑刀加工直徑和深度均為20mm的孔，刀具流場(chǎng)幾何模型如圖1所示。

圖1 刀具流場(chǎng)模型

刀具網(wǎng)格劃分采用TGrid類型（見(jiàn)圖2），工件采用默認(rèn)的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分之后，在Specify Continuum Conditions中，對(duì)動(dòng)靜區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，區(qū)域類型選擇Fluid，假設(shè)壁面邊界為無(wú)滑移絕熱邊界固壁條件。以Mesh文件輸出，進(jìn)入Fluent 三維雙精度求解器開(kāi)發(fā)界面設(shè)置求解條件。導(dǎo)入Fluent檢查是否出現(xiàn)負(fù)體積。采用基于密度的隱示求解器。假設(shè)流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，速度壓力耦合問(wèn)題方程采用SIMPLE算法，離散格式采用一階迎風(fēng)格式，所有項(xiàng)的殘差收斂范圍均為10-3。由于流場(chǎng)溫度變化較大，需要考慮溫度變化，激活能量方程。松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置。使用有限體積法求解離散方程，使用多重參考系（MRF）對(duì)不同區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定。假定動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流體與立銑刀均以10 000～35 000r/min的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速每次相差5 000r/min。立銑刀處于動(dòng)區(qū)域內(nèi)，立銑刀和周圍的流體以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，因此立銑刀相對(duì)于動(dòng)區(qū)域是靜止的。

圖2 刀具流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2.Fluent混合流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

（1）不同轉(zhuǎn)速下立銑刀混合流場(chǎng)壓強(qiáng)云圖及分析。通過(guò)Fluent混合流場(chǎng)計(jì)算，得到銑孔d=0.01m時(shí)壓強(qiáng)混合流場(chǎng)云圖如圖3所示。10 000～30 000r/min時(shí)后刀面的負(fù)壓隨轉(zhuǎn)速增加而增加。而轉(zhuǎn)速到35 000r/min后負(fù)壓減小。正是由于產(chǎn)生負(fù)壓，可能導(dǎo)致刀具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，一些本就存在于切削液中的氣泡在刀具旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)作用下，由壓強(qiáng)較大的地方運(yùn)動(dòng)到壓強(qiáng)較小的地方。由于壓強(qiáng)的改變，氣泡體積逐漸增大，直到發(fā)生破壞，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力，影響刀具使用壽命和工件表面質(zhì)量，并對(duì)流體流動(dòng)造成影響。

（2）不同轉(zhuǎn)速下混合流場(chǎng)速度云圖及分析。刀具徑向截面速度云圖如圖4所示。與壓強(qiáng)云圖的分布類似，立銑刀的速度梯度與轉(zhuǎn)速大小成正相關(guān)。圖中可以看出在刀尖部位速度最大且隨轉(zhuǎn)速增加使靠近孔壁方向速度越來(lái)越大。這是由于立銑刀加工過(guò)程中是旋轉(zhuǎn)間歇式加工，切削刃是逐漸參與切削之后又逐漸退出切削的過(guò)程。同一時(shí)刻，都會(huì)有兩個(gè)切削刃參與工作。刀具強(qiáng)大的速度梯度，使得切削液中的一些細(xì)微顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律更為復(fù)雜。與此同時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，切削液受到刀具旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)，在沿刀具中心線方向上升一段距離之后回落，卷動(dòng)切屑細(xì)微顆粒運(yùn)動(dòng)，對(duì)細(xì)微顆粒進(jìn)行加速，切屑顆粒碰撞刀具表面和孔壁，可能會(huì)對(duì)刀具表面產(chǎn)生碰撞破壞，使切削區(qū)流體場(chǎng)變得更為復(fù)雜。

3.結(jié)語(yǔ)

利用Fluent的分析，完成對(duì)不同轉(zhuǎn)速下刀具切削區(qū)混合流場(chǎng)的數(shù)值仿真，根據(jù)壓強(qiáng)云圖、速度云圖和速度矢量圖，分析得出了立銑刀加工過(guò)程中，刀尖處壓強(qiáng)大于其他地方，前刀面壓強(qiáng)大于后刀面壓強(qiáng)，后刀面產(chǎn)生負(fù)壓且轉(zhuǎn)速在10 000～30 000r/min時(shí)，后刀面負(fù)壓逐漸增大，同時(shí)慢慢覆蓋至整個(gè)后刀面，隨轉(zhuǎn)速增加使靠近孔壁方向速度越來(lái)越大。（基金：國(guó)家自然科學(xué)基金51375099）

圖3 徑向截面壓強(qiáng)云圖

圖4 徑向截面速度云圖