通孔干式銑削內(nèi)冷流場的數(shù)值模擬研究*

林鈺珍，于大國，張成龍

(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,浙江 衢州 324000；2.中北大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.浙江遜龍機器人科技有限公司，浙江 金華 321000 )

0 引 言

根據(jù)切削介質(zhì)的狀態(tài)，少、無切削液使用的加工技術(shù)主要有：干切削、低溫冷風(fēng)切削、微量潤滑切削和低溫微量潤滑切削等[4]。白海平[5]以P20淬硬模具鋼為研究對象，基于實驗方法對大的軸向深切下空氣風(fēng)冷、油膜水滴、MQL等冷卻方式展開了研究，從銑削力、切屑、刀具磨損及機理等方面進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)空氣風(fēng)冷方式的加工效果最好，油膜水滴次之，MQL方式最差；尹凝霞[6]針對空氣和切削液兩種介質(zhì)，運用Fluent軟件完成了高速內(nèi)冷銑刀加工區(qū)的數(shù)值模擬計算，得到了兩者的速度場和壓力場，得出了空氣冷卻時孔底部速度較快，在孔壁切削液上升速度更明顯，切削液冷卻效果更好的結(jié)論，但兩者速度場最大值均小于7 m/s，且兩者壓力場中負(fù)壓區(qū)占比較大；李廣慧[7]針對高速內(nèi)冷銑削，利用切削液冷卻時可能存在的空化現(xiàn)象，運用Fluent軟件完成了切削區(qū)流場分析，得到了內(nèi)冷銑刀不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象的臨界轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，當(dāng)銑刀轉(zhuǎn)速低于該臨界轉(zhuǎn)速時，空化過程中從切削液游離出來的氣泡混雜碎屑會不可避免地沖擊刀具，造成材料氣蝕破壞。

針對帶通孔外圓工件，本文將在干銑削通孔時利用多個三爪卡盤分別夾緊工件以減少對刀時間，讓壓力氣體從孔底注入進行冷卻和排屑，運用Fluent軟件對底座、卡盤和工件內(nèi)孔區(qū)域的流場進行數(shù)值模擬，對比冷卻氣體從銑刀中心孔直射、從底座徑向射出以及從偏離底座徑向±15°和±30°射出時氣流的壓力場和速度場，優(yōu)選出底座上的氣流射出角。

1 通孔干式銑削工藝方案

裝夾及氣流射出方式如圖1所示。

圖1 裝夾及氣流射出方式

在加工中心或雕銑機上安裝多個三爪卡盤夾緊外圓工件，由于卡盤固定在底座上，通過數(shù)控編程使刀具按照預(yù)設(shè)軌跡在工件之間移動可以省去對刀時間，提高加工效率。

圖1(a)中工件帶通孔結(jié)構(gòu)，銑削時內(nèi)孔空間狹小不利于冷卻和排屑，為此筆者提出了壓力氣體從孔底注入進行冷卻和排屑的工藝方案。氣流射出方式如圖1(b)所示。

安裝卡盤的底座結(jié)構(gòu)主要由底座、進出氣套筒、密封圈和卡盤定位端蓋等組成。進出氣套筒和卡盤定位端面分別通過螺釘固定在底座上，進出氣套筒的外圓上開有環(huán)形儲氣槽，環(huán)形儲氣槽的槽口即進氣孔1與底座上的進氣孔2相對，高壓氣體由底座上的進氣孔2注入進出氣套筒的進氣孔1，進出氣套筒的內(nèi)圓上開有3個均布的射出孔，高壓氣體經(jīng)由射出孔流向由底座、卡盤和工件內(nèi)孔所組成的中空區(qū)域。

2 數(shù)值模型

2.1 銑刀結(jié)構(gòu)

基于參考文獻[8]中的整體式立銑刀實例參數(shù)，本研究在Creo軟件中繪制容屑槽端截面形狀，經(jīng)混合掃描生成銑刀主體部分，計算Gash面五面體頂點坐標(biāo)，經(jīng)混合掃描在銑刀主體部分中移除4個Gash面五面體，最后生成底刃前、后刀面。

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2.2 計算區(qū)域及邊界條件

計算區(qū)域及邊界條件如圖2所示。

筆者將其導(dǎo)入Gambit軟件，建立包括底座、進出氣套筒、卡盤定位端蓋、三爪卡盤和工件內(nèi)孔至銑刀之間可填充氣體的區(qū)域作為氣流場的計算區(qū)域。氣流從銑刀中心孔直射、氣流從孔底射出時的計算區(qū)域及邊界條件分別如圖2(b,c)所示。

(1)圖2(b)中將銑刀中心圓柱體進氣孔的上端面設(shè)置成壓力入口；

(2)圖2(c)中3個氣流射出孔均布在卡盤下側(cè)，將3個氣流射出孔設(shè)置成壓力入口，由于進出氣套筒出射孔長度只有3 mm，建模時未考慮該段影響；

(3)圖2(b,c)中將銑削區(qū)上端面設(shè)置成壓力出口；

(4)圖2(b,c)中3個均布壓力出口分別是介于工件下端面、卡盤上端面和相鄰卡爪側(cè)面之間的3個開放面；圖2(b,c)中長方體處的壓力出口即圖1(b)中的底座排屑槽；圖2(c)中氣流射出孔偏離徑向30°背離容屑槽，另外建立的5種氣流射出孔方案分別為：射出孔沿進出氣套筒徑向，射出孔偏離徑向15°、30°面向容屑槽，射出孔偏離徑向15°背離容屑槽。

圖2 計算區(qū)域及邊界條件

2.3 數(shù)值計算

筆者采用四面體網(wǎng)格對計算區(qū)域劃分網(wǎng)格，其中，動區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1 mm，靜區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2 mm。將5種孔底射出和中心孔直射氣流計算區(qū)域的網(wǎng)格模型分別導(dǎo)入Fluent軟件中，采用標(biāo)準(zhǔn)k～ε湍流模型；設(shè)置壓力入口的表壓為3×105Pa，壓力出口的總壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MRF實現(xiàn)動靜界面間數(shù)據(jù)傳遞[9-10]；設(shè)置銑刀轉(zhuǎn)速為10 000 r/min；設(shè)置速度、k、ε的計算收斂誤差均小于10-5。

3 結(jié)果與分析

3.1 豎直平面上的壓力場

為了研究銑削區(qū)域的壓力場，筆者截取反應(yīng)銑刀偏心位置且通過內(nèi)孔回轉(zhuǎn)軸線的豎直平面上的壓力場，得到氣流從銑刀中心孔直射和從孔底5種角度射出時豎直平面上的壓力場，如圖3所示。

圖3 豎直平面上的壓力場

由圖3(a)可知：高壓氣體從銑刀中心孔射出后壓力迅速降低，立銑刀附近充滿負(fù)壓氣體；由圖3(b～f)可知：高壓氣體從孔底射出后受銑刀底刃軸端面阻擋在銑刀附近形成壓力較高的氣體區(qū)域，氣體區(qū)域面積由大到小依次為氣流射出孔偏離徑向30°面向容屑槽、偏離徑向15°背離容屑槽、偏離徑向30°背離容屑槽、偏離徑向15°面向容屑槽和沿徑向5種方案所形成的氣體區(qū)域。銑削區(qū)域的高壓氣體區(qū)域占比越大，越有利于冷卻。

3.2 豎直平面上的速度場

為了研究銑削區(qū)域的速度場，筆者截取反應(yīng)銑刀偏心位置且通過內(nèi)孔回轉(zhuǎn)軸線的豎直平面上的速度場，得到氣流從銑刀中心孔直射和從孔底5種角度射出時豎直平面上的速度場如圖4所示。

圖4 豎直平面上的速度場

由圖4(a)可知:高壓氣體從銑刀中心孔射出后速度迅速降低并沿底座排屑槽流出，銑削區(qū)氣體流速極低甚至為零；由圖4(b～f)可知：高壓氣體從孔底射出后沿最上側(cè)的銑刀壓力出口和最下側(cè)的底座排屑槽流出，因此銑削區(qū)域的鐵屑可隨氣流向上排出。

3.3 銑刀壓力場

為了研究銑刀處的壓力場，筆者選取動區(qū)域銑刀轉(zhuǎn)動壁面的壓力場，得到氣流從銑刀中心孔直射和從孔底5種角度射出時的銑刀壓力場如圖5所示。

圖5 銑刀壓力場

由圖5(a)可知：高壓氣體從銑刀中心孔射出后中心孔附近的壓力迅速降低，銑刀螺旋壁面壓力基本保持恒定；由圖5(b～f)可知：高壓氣體從孔底射出后受銑刀底刃軸端面阻擋，底刃軸端面上氣體壓力較高并沿底刃Gash面逐漸降低，周刃螺旋壁面上的氣體壓力高于容屑槽螺旋壁面上的氣體壓力，且容屑槽螺旋壁面上的氣體壓力為負(fù)值，有利于鐵屑向容屑槽聚集。

3.4 銑刀速度場

為了研究銑刀處的速度場，筆者選取動區(qū)域銑刀轉(zhuǎn)動壁面的速度場，得到氣流從銑刀中心孔直射和從孔底5種角度射出時的銑刀速度場如圖6所示。

圖6 銑刀速度場

由圖6(a,b,d,f)可知：高壓氣體從孔底其余4種方案射出時，銑刀壁面最高氣體流動速度低于12 m/s；由圖6(c，e)可知：高壓氣體從孔底偏離徑向15°面向、背離容屑槽射出時，銑刀壁面上氣體最高流動速度約120 m/s，且容屑槽螺旋壁上的氣體流動速度可達60 m/s，有利于冷卻和排屑。

4 結(jié)束語

本文提出了銑削內(nèi)孔時利用三爪卡盤夾緊帶通孔外圓工件、壓力氣體從孔底注入銑削區(qū)域進行冷卻和排屑的工藝方案，采用基于Fluent的CFD軟件，對氣流從銑刀中心孔、從孔底徑向、偏離徑向±15°和±30°射出時的氣流場進行了數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1)相較于高壓氣體從銑刀中心孔射出，高壓氣體從孔底射出能使銑削區(qū)形成高壓氣體區(qū)域有利于冷卻；

(2)氣流由孔底射出至銑削區(qū)域時，銑刀容屑槽螺旋壁面氣體壓力為負(fù)值且氣體可向銑刀壓力出口排出，有利于鐵屑向容屑槽聚集和向上排屑；

(3)氣流由孔底偏離徑向15°背離容屑槽射出時銑削區(qū)的高壓氣體面積較大且均勻，銑刀周刃螺旋壁面和容屑槽螺旋壁面的氣體流動速度較大，冷卻和排屑條件得到改善。