基于CFD的直槽鉆冷卻通道流場仿真分析*

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山東大學機械工程學院，山東 濟南 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勢，這使其在刀具領域中占據著重要的席位。冷卻液具有降低切削區溫度、促進排屑等作用。分析冷卻液在不同油孔結構中形成的流場狀態，研究冷卻液的冷卻效果，對優化直槽鉆冷卻通道的結構，提升直槽鉆的切削性能具有重要意義。CFD是一種對流體流動狀態進行數值模擬的科學技術，可以通過對工程問題中相關介質條件進行建模并自動求解，較為真實地表達液體的流場狀況[1-2]。采用CFD方法對切削加工中冷卻液冷卻效果進行仿真，可以減少實驗成本，縮短周期，較快地進行結構的設計優化[3-4]。

本文基于CFD方法模擬了不同油孔大小、油孔位置結構的直槽鉆加工狀態下冷卻液溫流場狀態，結合鉆頭前刀面溫度分布情況，研究油孔結構對冷卻液冷卻效果的影響。同時對典型的油孔結構方案進行了冷卻效果的實驗分析與驗證。

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，達到降低溫度、促進排屑等作用。作為流體，冷卻液的雷諾系數：

Re=ρvd/η

(1)

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

經初步模擬測試，冷卻液壓力設定為常規輸入壓強時，冷卻液出口流速可達30 m/s(取保守估計值20 m/s)，而水的密度為998.2 kg/m3，動力粘度1.003×10-3Pas，冷卻通道(油孔)直徑為0.001 m，由此可計算雷諾數:

(2)

由此可判斷將出現紊流(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軟件平臺建立(圖1)，其中直槽鉆的主要結構參數見表1。

表1 NC-D6G鉆頭的主要參數

1.3 材料模型的選擇

刀柄和工件的材料設置為剛體，其性能參數采用軟件庫中的Iron材料；鉆頭本體材料設置為剛體，其材質選擇軟件材料庫中Tungsten項；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。

1.4 仿真條件

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

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)為仿真的兩個油孔結構因素，分別建立不同幾何結構的三維模型進行仿真分析。

硬質合金的油孔是通過模具擠壓成型的，業內通常選用各大硬質合金公司的標準棒料。仿真采用Konrad Friedrichs公司標準，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個水平，鉆頭模型中鉆尖結構如圖4。

2 油孔結構對冷卻效果的影響

2.1 油孔大小對冷卻效果的影響

鉆頭內冷孔孔徑d的差異會直接影響到冷卻液的流量，同時會導致鉆頭的內部導熱結構、冷卻液與鉆頭的熱交互界面等發生變化。在夾角α為25°、輸入壓強5 MPa時，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)。

通過該云圖可以發現，兩個方案的最高溫度區均靠近切削刃外沿位置，且小徑內冷孔鉆頭的高溫區范圍更廣，溫度更高。同時，通過分析不同輸入壓強條件下的前刀面平均溫度值如表2。

表2 兩個孔徑水平鉆頭前刀面平均溫度 ℃

數據表明，在多種輸入口壓強條件下，內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生了變化，影響冷卻液流出后速度矢量，參與到切削區熱交換的冷卻液流量也不同。通過仿真輸入壓強為2 MPa、在夾角α分別為25°、35°、55°三種不同水平下的冷卻狀態。如圖6所示。

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

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

3 能譜試驗分析

3.1 試驗方案

工作狀態下鉆尖在被加工孔中呈半封閉狀態，直接通過溫度來判斷前刀面冷卻效果十分困難。由于硬質合金在高溫燒傷后，燒傷區域表面的元素成分含量會發生變化，有不同程度的氧元素出現，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切削區域前刀面進行能譜檢測是一個有效的手段，可以間接比較各方案的冷卻效果。

結合刀具廠家(株洲鉆石)的生產計劃安排，僅對仿真中具有代表性的方案進行實驗分析。具體的試驗方案如表3所示。

表3 冷卻效果實驗方案

各方案樣品的結構尺寸與仿真模型完全一樣，直槽鉆外形尺寸參數同表1，樣品的鉆尖結構如圖8所示。

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

表4 鉆削實驗加工參數

3.2 能譜分析

通過元素含量的能譜掃描設備SUPRATM55場發射掃描電子顯微鏡檢測刀具前刀面的燒傷情況，取樣前對3支直槽鉆進行切割處理，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象。

電鏡掃描過程中，3個鉆尖樣品掃描區域選取的區域位置、形狀、大小均一致，未參與加工樣品的掃描區域選擇大小未嚴格限定。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。

由能譜圖發現，在Big_35方案中發現少量鐵元素，推測是在加工灰鑄鐵時鐵元素擴散或者是在清洗時未洗干凈所致，由于含量極少，可以忽略不計。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，金剛石砂輪與硬質合金摩擦時產生高溫氧化所致。數據表明：3個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象；3個方案中，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，燒傷程度最嚴重。

4 結語

(1) 通過Simulation CFD軟件建立了直槽鉆冷卻通道的流場仿真模型，對不同內冷孔結構模型的溫度場進行了仿真分析。

(2)對不同冷卻孔結構方案鉆尖前刀面燒傷情況進行了電子能譜檢測試驗，結果與仿真模擬吻合。

(3)在一定條件下，直槽鉆內冷孔孔徑越大，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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[3] Kamata Y, Obikawa T, Shinozuka J. Analysis of mist flow in MQL cutting[J]. Key Engineering Materials,2004(257-258): 339-344.

[4]Toshiyuki Obikawa, YukiAsano, Yasuhiro Kamata. Computer fluid dynamics analysis forefficient spraying of oil mist in finish-turning of Inconel 718 International[J] . Journal of Machine Tools & Manufacture,2009(49) 971-978.

[5]黃紅梅,翟應虎.實體PDC鉆頭流場數值模擬與實驗驗證[J].石油大學學報,2005,29(3):49-52.