銑削斜楔形區(qū)域形成及其對(duì)流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)的影響規(guī)律

沈 燦，李廣慧，尹凝霞，薛 姣，譚光宇

?

銑削斜楔形區(qū)域形成及其對(duì)流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)的影響規(guī)律

沈 燦，李廣慧，尹凝霞，薛 姣，譚光宇

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

【】研究在內(nèi)噴淋冷卻高速銑孔加工中，銑削斜楔形區(qū)域的形成對(duì)流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)的影響。對(duì)高速濕式銑削加工區(qū)域建立三維流場(chǎng)模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格單元，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速銑削過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)計(jì)算。得到不同刃數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的立銑刀對(duì)同一孔徑工件進(jìn)行切削時(shí)流場(chǎng)的壓力分布情況。三刃立銑刀斜楔形對(duì)流場(chǎng)負(fù)壓影響最大，當(dāng)立銑刀刃數(shù)增加時(shí)，此斜楔形區(qū)縮小，負(fù)壓減小，轉(zhuǎn)速為10 000 ~ 20 000 r/min時(shí)增長(zhǎng)速度逐漸降低，20 000 ~ 35 000 r/min時(shí)增長(zhǎng)速度逐漸增高。從流場(chǎng)角度分析，流場(chǎng)中最大負(fù)壓值與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，轉(zhuǎn)速的提高增加了抑制空化的難度；增加銑刀刃數(shù)，可減小流場(chǎng)斜楔形區(qū)面積，減小空化可能。

高速銑削；切削刃；流場(chǎng)；負(fù)壓

高速銑削因其有高效率、低切削力、高精度和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在航空、汽車、模具及發(fā)電設(shè)備等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1-2]。銑削立銑刀刃數(shù)是立銑刀的重要參數(shù)之一[3]，一般刃數(shù)多的立銑刀因截面積率增加而剛性提高，有效刃多，切削表面更光滑，加工效率提高，切削更穩(wěn)定，但刃數(shù)多的立銑刀容屑槽減小，排屑效果差[4]。濕式銑削有冷卻刀具和工件，并沖走切屑的作用，特別適用于深孔加工，但在此類加工中由于冷卻液無(wú)法快速排出，因此刀具在銑削過(guò)程中浸沒(méi)在冷卻液中，又因立銑刀本身結(jié)構(gòu)等原因，銑刀后刀面和容屑槽等區(qū)域會(huì)形成負(fù)壓區(qū)，而液體中一般含有細(xì)小的氣泡核，當(dāng)銑刀表面液體的壓力降至當(dāng)?shù)販囟认碌娘柡驼羝麎毫r(shí)，氣泡核增大、潰滅，產(chǎn)生空化現(xiàn)象[5-6]。而氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生大量能量，可破壞刀具和工件表面，并引發(fā)噪聲和震動(dòng)，氣泡潰滅過(guò)程中空泡中心溫度可達(dá)近萬(wàn)攝氏度[7-8]，一方面造成刀具材料變軟，減小刀具壽命，另一方面使工件材料變軟甚至融化，從而使切屑粘結(jié)在刀具表面，影響加工精度[9-10]。因此，減小刀具表面最大負(fù)壓值可減少空化空蝕對(duì)刀具和工件的破壞。

由于銑削加工時(shí)流場(chǎng)較為復(fù)雜，難以用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部情況進(jìn)行測(cè)量與分析，故普遍采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法和有限元方法，較直觀地反映流場(chǎng)內(nèi)部的近視情況[11]。把相同直徑不同刃數(shù)的立銑刀導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計(jì)算分析，可得出立銑刀刃數(shù)對(duì)銑削加工時(shí)流場(chǎng)的影響。有學(xué)者通過(guò)流體場(chǎng)建模并計(jì)算分析得立銑刀在流場(chǎng)中截面的壓強(qiáng)云圖[12-13]，由于流體對(duì)立銑刀表面的壓強(qiáng)分布極不規(guī)律，故僅分析截面壓強(qiáng)云圖不足以分析整個(gè)刀壁面的壓強(qiáng)分布情況。筆者直接分析作用在刀壁面的壓強(qiáng)，可更直觀地看出銑刀在流場(chǎng)中的負(fù)壓分布，為立銑刀切削過(guò)程中的流固耦合提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 建立立銑刀模型

近年來(lái)，立銑刀幾何模型多采用三維繪圖軟件通過(guò)立銑刀端截面截形沿螺旋線掃略繪制而成，由于實(shí)際端截面截形復(fù)雜，無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)曲線表達(dá)，僅可將其簡(jiǎn)化，但簡(jiǎn)化后生成的立銑刀模型與實(shí)際立銑刀有一定出入，進(jìn)而對(duì)仿真結(jié)果造成一定影響。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于不允許立銑刀表面有劃痕，故立銑刀加工由砂輪以一定的偏角沿螺旋線對(duì)棒料磨削加工而成。在立銑刀建模過(guò)程，運(yùn)用三維制圖軟件Solidworks首先繪制砂輪和棒料模型，然后砂輪模型以一定的相對(duì)位置沿著螺旋線掃略，并對(duì)棒料模型進(jìn)行布爾運(yùn)算（圖1a），之后對(duì)布爾運(yùn)算減掉的區(qū)域進(jìn)行圓周陣列等操作，即可得到與實(shí)際模型完全相同的幾何模型，可有效避免因模型偏差造成仿真結(jié)果的誤差。實(shí)際銑削加工中，最常用的立銑刀為三刃、四刃、六刃立銑刀，故分別建立直徑30三刃、四刃、六刃直內(nèi)冷孔立銑刀（圖1b，1c，1d）。所有立銑刀螺旋角為35° ，平底，刃長(zhǎng)50 mm，全長(zhǎng)100 mm。刀具參數(shù)為：基圓直徑18 mm，容屑槽底直徑7 mm，過(guò)渡截面直徑20 mm，圓周刃前角0° ，圓周刃后角20°。

a, 砂輪與棒料的布爾運(yùn)算; b, 直徑30 mm六刃直孔立銑刀; c, 直徑30 mm四刃直孔立銑刀; d, 直徑30 mm三刃直孔立銑刀

1.2 流體場(chǎng)模型的建立及網(wǎng)格劃分

由于銑孔加工時(shí)工件會(huì)對(duì)冷卻液形成封閉流體場(chǎng)，因此針對(duì)銑孔加工來(lái)建立流場(chǎng)模型。銑孔加工如圖2a所示，以直徑30 mm四刃直孔立銑刀為例銑削直徑50 mm深40 mm的盲孔，從立銑刀底刃往上截取40 mm作為有效切削長(zhǎng)度，與被加工盲孔實(shí)體模型布爾運(yùn)算得到流體場(chǎng)模型，設(shè)置刀具轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域?yàn)閯?dòng)區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域。由于主要切削區(qū)為動(dòng)區(qū)域，故只將動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，使靜止區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)較大，可降低計(jì)算成本。網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終生成節(jié)點(diǎn)數(shù)為254 665，網(wǎng)格數(shù)為1 305 917，其中動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為767 839，網(wǎng)格劃分如圖2b所示。

圖2 流場(chǎng)模型及網(wǎng)格

1.3 數(shù)學(xué)模型

由于刀具切削過(guò)程是動(dòng)態(tài)過(guò)程，故計(jì)算時(shí)采用瞬態(tài)計(jì)算，流體場(chǎng)為不可壓縮非定常湍流模型，流體流動(dòng)的控制方程由動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、湍動(dòng)能方程、耗散率方程及湍動(dòng)黏度方程組成，湍流模型采用RNG k-epsilon模型。

1.4 邊界條件

設(shè)置刀具內(nèi)冷孔為流體入口，速度大小的采集由VMC-1000p立式加工中心（圖3）監(jiān)測(cè)冷卻液流量后計(jì)算所得。流量公式：

=（1）

式中，為體積流量，為平均流速，為內(nèi)冷孔截面積，最后算得流體入口速度為5 m/s。

銑削加工過(guò)程中存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故會(huì)用到動(dòng)網(wǎng)格或滑移網(wǎng)格。由于滑移網(wǎng)格相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)造成負(fù)體積，且誤差區(qū)域在交界面處；動(dòng)網(wǎng)格易造成負(fù)體積，誤差常出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)壁面附近，而壁面運(yùn)動(dòng)附近（刀體壁面）是主要觀察區(qū)，所以選擇滑移網(wǎng)格用來(lái)計(jì)算。動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域上方與空氣交界處設(shè)為壓力出口，如圖4a所示，動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域交界處設(shè)為流場(chǎng)交界面，交界面如圖4b所示。

圖3 立式加工中心（VMCI1000P）

圖4 流體場(chǎng)邊界

2 結(jié)果與分析

分別選用直徑為30 mm的三、四、六刃立銑刀作為刀具模型。由于高速銑削常用轉(zhuǎn)速為10 000 ~ 30 000 r/min，故每把立銑刀分別控制轉(zhuǎn)速為10 000、15 000、20 000、25 000、30 000 r/min，以三、四、六刃立銑刀轉(zhuǎn)速20 000 r/min為例，查看其動(dòng)區(qū)域的壓力云圖，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

不同刃數(shù)、不同轉(zhuǎn)速壓力云圖的最大負(fù)壓見(jiàn)圖6。從圖6可見(jiàn)，刃數(shù)越少，最大負(fù)壓值越大，隨著銑刀轉(zhuǎn)速增大，最大負(fù)壓值呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，且從10 000 ~ 20 000 r/min增長(zhǎng)速度逐漸降低，20 000 ~ 35 000 r/min增長(zhǎng)速度逐漸增高。

由圖5可見(jiàn)，最大負(fù)壓值出現(xiàn)在近孔壁處，即正在參與切削刀刃的后刀面處，且與切削刃的螺旋角相對(duì)應(yīng)呈35°分布于后刀面，該位置實(shí)際是銑刀刀體壁面的弧形頂峰，流體在此區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)順壓梯度（AB段）和逆壓梯度（BC段），如圖7所示。

從圖7可見(jiàn)，由于銑刀的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，流體從未切削區(qū)進(jìn)入切削區(qū)，并且由于A點(diǎn)處通道較窄，流體流入的過(guò)程中壓力增加，在弧形面AC段，由邊界層理論可知，流體從A點(diǎn)流到B點(diǎn)的過(guò)程中，在高壓的作用下，壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流速逐漸增加，直到曲面某一點(diǎn)B點(diǎn)（刀體壁面的弧形頂峰）增長(zhǎng)至最大，然后又逐漸減小。由伯努利原理可知，相應(yīng)的壓力則是先逐漸降低（d/d< 0），而后又逐漸升高（d/d> 0），B點(diǎn)處附面層外邊界上的速度最大，而壓力最低（d/d= 0），故負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)在銑刀體壁面的弧形頂峰。

圖5 轉(zhuǎn)速為20 000r/min時(shí)不同刃數(shù)立銑刀在流場(chǎng)中的壓力云圖

圖6 不同刃數(shù)立銑刀在流場(chǎng)中的最大負(fù)壓值

當(dāng)?shù)都饪拷娍卓妆跁r(shí)，刀尖處的前刀面出現(xiàn)正壓，后刀面出現(xiàn)負(fù)壓，如圖8所示。這是因?yàn)榱黧w從正在參與切削的刀刃通過(guò)時(shí)會(huì)先通過(guò)一個(gè)刀壁面與工件孔壁形成的楔形間隙，導(dǎo)致流體速度在后刀面處逐漸增大并形成回流，進(jìn)而整個(gè)后刀面附近出現(xiàn)負(fù)壓，刀尖前刀面對(duì)流體有推動(dòng)作用，故前刀面出現(xiàn)正壓。

圖7 流體在銑削過(guò)程的流動(dòng)

圖8 不同刃數(shù)立銑刀刀壁面在流場(chǎng)中的壓力云圖

刀尖在交替正負(fù)壓力作用下受到壓縮和拉伸，是銑削過(guò)程中最易破壞的部分。刀尖部位在正負(fù)壓作用，以及負(fù)壓產(chǎn)生的空泡潰滅所產(chǎn)生沖擊和大量的熱會(huì)加速刀尖的破壞，故以正在參與切削的刀尖（靠近孔壁處)為研究對(duì)象，檢驗(yàn)不同刃數(shù)、轉(zhuǎn)速的立銑刀刀尖處后刀面負(fù)壓，如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，無(wú)論是三刃、四刃，還是六刃立銑刀，隨轉(zhuǎn)速的提高，刀尖處后刀面最低負(fù)壓值逐漸增大，且刃數(shù)越少，負(fù)壓值越大。

根據(jù)伯努利方程：+2+=（為流體中某點(diǎn)壓力，為流體密度，為流體在該點(diǎn)的流速，為重力加速度，為該點(diǎn)的高度，是一個(gè)常量），流體的壓力勢(shì)能、動(dòng)能、重力勢(shì)能之和為一常量，銑削過(guò)程中，刀尖處的流體可忽略其重力勢(shì)能的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，線速度隨之增大，動(dòng)能增加，壓力勢(shì)能減小，故負(fù)壓值逐漸增大。

三刃、四刃、六刃立銑刀在轉(zhuǎn)速20 000 r/min時(shí)刀尖處的速度矢量如圖10所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著刃數(shù)的增多，刀尖處的流速逐漸降低。從圖11可見(jiàn)，隨著刃數(shù)的增加，楔形的長(zhǎng)度不斷減小，楔形區(qū)域減小，導(dǎo)致流體更易從刀尖于孔壁間隙通過(guò)，流速相對(duì)減小。

圖9 不同刃數(shù)立銑刀刀尖在流場(chǎng)中的最大負(fù)壓值

圖10 轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時(shí)不同刃數(shù)立銑刀在流場(chǎng)中的速度

圖11 不同刃數(shù)立銑刀楔形間隙

3 結(jié)論

運(yùn)用Fluent有限元分析軟件對(duì)相同直徑不同刃數(shù)的立銑刀進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

1）正在參與切削的刀刃在流場(chǎng)中前刀面出現(xiàn)正壓，后刀面產(chǎn)生負(fù)壓，且負(fù)壓區(qū)呈銑刀螺旋角大小的角度分布于整個(gè)后刀面；

2）濕式立銑刀切削過(guò)程中流體場(chǎng)中的負(fù)壓與流體的線速度有關(guān)，線速度越大，負(fù)壓越大，且直徑30 mm立銑刀在轉(zhuǎn)速達(dá)20 000 r/min后負(fù)壓增速加劇；

3）增加銑刀刃數(shù)可減小流場(chǎng)中流體的線速度，從而減小負(fù)壓，且三刃立銑刀壁面在流場(chǎng)中的負(fù)壓遠(yuǎn)大于四刃和六刃立銑刀，故三刃立銑刀不適用于濕式內(nèi)冷銑削。

[1] 劉戰(zhàn)強(qiáng), 艾興. 高速切削刀具的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 工具技術(shù), 2001, 35(3): 3-8.

[2] 張克國(guó), 劉勇, 王延剛. 高速切削過(guò)程材料變形的應(yīng)變率研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2018, 39(3): 263-269.

[3] 劉璨, 吳敬權(quán), 劉煥牢, 等. 平底立銑刀在多刃切削時(shí)的切削力變化規(guī)律研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2016, 27(10): 1352-1357.

[4] 甘涌泉. 碳纖維復(fù)合材料螺旋銑孔刀具參數(shù)及磨損研究[D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2013.

[5] MESA D H, GARZóN C M, TSCHIPTSCHIN A P. Influence of cold-work on the cavitation erosion resistance and on the damage mechanisms in high-nitrogen austenitic stainless steels[J]. Wear, 2011, 271(9/10)：1372-1377.

[6] 黃思著. 流體機(jī)械數(shù)值仿真研究及應(yīng)用[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社, 2015：66-92.

[7] 應(yīng)崇福, 安宇. 聲空化氣泡內(nèi)部的高溫和高壓分布[J]. 中國(guó)科學(xué)(A輯), 2002, 32(4): 305-313.

[8] JI B, LUO X W, ARNDT R E A, et al. Numerical simulation of three dimensional cavitation shedding dynamics with special emphasis on cavitation–vortex interaction[J]. Ocean Engineering, 2014, 87: 66-77.

[9] BIN RASHID W, GOEL S, LUO X C, et al. The development of a surface defect machining method for hard turning processes[J]. Wear, 2013, 302(1/2):1124-1135.

[10] 韓滿林, 李一民, 趙威. 高速切削Ti6Al4V鈦合金時(shí)切削溫度的試驗(yàn)研究[J]. 工具技術(shù), 2008, 42(6): 10-13.

[11] 李幫民, 汪志明, 劉軼溟, 等. 旋轉(zhuǎn)超高壓雙流道PDC鉆頭流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 石油機(jī)械, 2011, 39(3): 1-3; 93.

[12] 尹凝霞, 譚光宇, 李廣慧, 等. 基于Fluent的高速內(nèi)冷銑削加工區(qū)數(shù)值模擬[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 43(4): 510-514; 524.

[13] 李勃澎. 抑制流體場(chǎng)負(fù)壓區(qū)的高速內(nèi)冷立銑刀設(shè)計(jì)研究[D]. 湛江: 廣東海洋大學(xué), 2017.

Formation of Oblique Wedge Area and the Influence Law of Negative Pressure Zone in the Flow Field

SHEN Can, LI Guang-hui, YIN Ning-xia, XUE Jiao, TAN Guang-yu

(,,524088)

【】To study the influence of the formation of oblique wedge region on the negative pressure zone of flow field in the process of high speed milling with internal spray cooling.【】A three-dimensional flow field model was established for high-speed wet milling. The 3D transient flow fields in the high speed milling holes were simulated by unstructured tetrahedral mesh and sliding grid technique with the CFD software of Fluent.【】The pressure distribution of the flow field was obtained when cutting the same aperture workpiece by the end milling cutter with different blade numbers and different rotating speeds. The oblique wedge of three edge milling cutter has the greatest influence on the negative pressure of the cutting flow field. When the number of cutting edges of the end milling cutters is increased, the wedge area decreases and the negative pressure decreases. When the speed is at 10 000―20 000 r/min, the growth rate gradually decreases. When the speed is 20 000―35 000 r/min, the growth rate gradually increases. 【】From the point of fluid analysis, the maximum negative pressure in the flow field is positively correlated with the rotating speed, and the increase of rotating speed increases the difficulty of suppressing cavitation. The increasing of the milling cutter number can reduce the area of the flow field oblique wedge area, and also can availably decrease the possibility of cavitation.

high speed cutting; cutting edge; flow field; negative pressure

TG501

A

1673-9159（2019）03-0109-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.03.015

2018-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51375099）；廣東省教育廳特色創(chuàng)新類（2017KTSCX086）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)費(fèi)資助（E15168）

沈燦（1995—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻饘俑蓾胥娤骷庸さ挠邢拊抡嫜芯俊-mail: 1523811409@qq.com

李廣慧，女，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD、金屬切削理論等。E-mail:ligh2009@126.com

沈燦，李廣慧，尹凝霞，等. 銑削斜楔形區(qū)域形成及其對(duì)流場(chǎng)負(fù)壓區(qū)的影響規(guī)律[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（3）：109-114.

（責(zé)任編輯：劉慶穎）