CN102750404B - 微量润滑切削区流场数值模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种微量润滑切削区流场数值模型构建方法，包括以下步骤：建立切削二维或三维模型；对模型进行网格划分；将完成网格划分的模型导入仿真软件，在定义入口条件和出口条件后使用稳态流场计算方法进行仿真；建立运动模型和切削热模型并转化为仿真软件可识别语言；选择合适的喷嘴模型和壁膜边界模型；将上述模型导入稳定流场并使用非稳态计算方法进行仿真，从而得到速度场分布、压力场分布、温度场分布、雾滴直径与雾滴速度。本发明能够取得微量润滑在切削时对切削区的流场影响，以及微量润滑对工件和刀具内部的温度场影响，为微量润滑系统设置提供依据，同时可用于微量润滑系统参数优化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种切削加工的润滑方法，具体涉及的是一种微量润滑（MinimumQuantity Lubrication）切削区流场数值模型构建方法，属于机械切削加工技术领域。
背景技术
微量润滑切削技术通常是指压缩空气携带被压缩空气破碎成微米级的润滑油进入切削区域的一种润滑方法。润滑油雾滴在工件与刀具之间形成润滑膜从而减小刀具与工件之间的摩擦，而且压缩空气通过热交换和润滑油通过蒸发吸热，所以切削区域的温度能够得到降低，减小刀具磨损，提高切削性能。但是微量润滑研究和实际应用还需要解决许多问题，特别是如下问题需要新的方法和手段进行研究：1、微量润滑的作用机理需要进一步研究，包括微量润滑切削时的润滑膜厚度、润滑油渗透性、最佳润滑条件和不同加工方法下的润滑性能差异。2、切削中最佳润滑油使用量的确定，微量润滑解决的一个核心问题就是有效降低润滑油使用量而减小资源浪费，而不同的工件、刀具、切削参数都将导致最佳润滑油使用量的改变。3、微量润滑切削加工中切削参数的优化，切削区域的润滑膜只有在合适的切削参数下才能形成，只有考察切削区域的温度和压力等参数才能取得良好的润滑效果。由于微量润滑的压缩空气与润滑油雾滴在切削区域的流场还不能通过现有科技手段进行检测，所以通过测量手段来得到微量润滑在流场区域的分布为选取最佳微量润滑参数的微量润滑方法提供依据较不可行。
关于微量润滑切削技术的研究大部分都集中在微量润滑对于切削力、切削温度、刀具磨损、工件加工表面精度的影响，而对于微量润滑在切削区域的流场分布的研究较少。西班牙University of the Basque Country UPV/EHU的L.N.López de Lacalle等人对加入微量润滑的铣削进行建模仿真。采用通用流体有限元软件Pamflow建立基于VOF（Volume of Fluid）二相流模型的微量润滑渗透模型。此模型通过将多相流的流体假设为一种流体而共用一个方程组，每一相的体积分数在整个计算域内被追踪。模型只包括刀具和微量润滑而忽略了工件和切屑，因此切削过程的切削热同样未加考虑。由于模型考虑铣刀转动对微量润滑流体的影响，所以动网格技术用于流场网格的重构，在重构过程中检查转动引起的网格畸变并进行修正。仿真所得结果揭示微量润滑流体相对高速运转的铣刀具有良好的渗透性，但是与实际切削情况相去甚远，该模型并不涉及对于刀具磨损相关的切削区流场分析，所以不能为切削分析提供太多信息。
相对而言微量润滑参与切削时的切削区流场仿真更加复杂。首先，切削是一种动态过程，工件与刀具之间的相对运动是产生切削过程中一系列问题的根源，所以需要根据实际切削参数建立工件、切屑与刀具的动态模型配合网格自适应，模拟实际切削过程。然后，冷却液对于切削过程中的抑制作用是评价冷却液性能的一项重要指标，所以微量润滑的仿真过程必须考虑切削热的产生。而切削热包括三个方面：1.在切削第一变形区由于切屑剪切过程产生的热量；2.刀具前刀面与切屑摩擦产生的热量；3.刀具后刀面与已切削表面摩擦产生的热量。最后，考虑到润滑油所占的体积只有不到压缩空气的10%，所以微量润滑在仿真中所使用的模型应该为离散相模型(Discrete Phase Model，简称DPM)，所用的计算模型为欧拉-拉格朗日方程，连续相（即压缩空气）的数学计算采用欧拉方程，而分散相（即润滑油雾滴）的数学计算采用拉格朗日方程。同时连续相与分散相可以交换动量、质量和能量，通过双向耦合求解将两项结合在一起。而且DPM模型在边界设定中与二相流具有不同情况，所以合适的流场模型将会影响仿真结果。
经过现有文献检索，至今未发现微量润滑切削区流场数值模型构建的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，包括现有测量手段的局限和仿真模型的缺失，提供一种微量润滑切削区流场数值模型构建方法，将切削过程中将会对微量润滑在切削区产生影响的四个因素：工件与刀具的相对运动，切削过程的切削热产生，边界模型和适合微量润滑的DPM模型加入仿真模型，从而最大程度地模拟切削过程，并通过改变仿真的输入参数可以模拟不同切削参数和润滑参数下的微量润滑切削区流场分布，为实际微量润滑系统参数选择提供依据。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微量润滑切削区流场数值模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，建立切削二维或三维模型，该模型包括喷嘴、工件、刀具和切屑；
第二步，对第一步所建模型划分网格，并对网格进行细化且定义切削区的线网格尺寸；
第三步，将完成网格划分的模型导入仿真软件，首先使用稳态流场计算方法仿真只有空气质量入口和压力出口的仿真模型；
第四步，建立刀具切削工件生成切屑的运动模型，并将该运动模型编写成仿真软件可识别的计算机语言格式；
第五步，建立微量润滑条件下的切削热模型，该切削热模型包括热源且与运动模型进行耦合，将该切削热模型编写成仿真软件能够识别的计算机语言格式；
第六步，选择合适的喷嘴模型作为微量润滑雾滴生成源，该喷嘴模型必须选择与实际相符的喷嘴类型；
第七步，选择合适的工件与刀具边界条件，即选择能够符合微量润滑切削区情况的壁膜边界模型；
第八步，确定上述模型后，在得到稳定的连续相结果中加入离散相模型，并相应加入运动模型、切削热模型、喷嘴模型和壁膜边界模型，使用非稳态模型进行计算；
第九步，取得仿真结果，重点考察微量润滑条件下切削区域的流场分布，包括速度场分布、压力场分布、温度场分布、雾滴直径和雾滴速度，为微量润滑系统设置提供依据，同时用于微量润滑系统参数优化。
所述的切削热模型中的热源包括第一变形区剪切热、刀具前刀面与切屑摩擦热以及刀具后刀面与加工表面摩擦热。
本发明解决了切削区的流场特性不易测量的技术问题，与现有的微量润滑切削仿真相比，本发明充分综合工件与刀具的相对运动、切削过程的切削热产生、边界模型和适合微量润滑的DPM模型四方面因素，使用仿真技术最大程度地模拟不同切削参数和润滑参数下的微量润滑切削区流场分布，取得微量润滑在切削时对切削区的流场影响，包括速度场分布、压力场分布、温度场分布和雾滴直径，同样可以得到微量润滑对工件和刀具内部的温度场影响，从而为微量润滑系统设置提供依据，同时可用于微量润滑系统参数优化。
附图说明
图1为本发明的运动模型、切削热模型、喷嘴模型和壁膜(Wall-film)边界模型在三维建模中的示意图。
图2为本发明的微量润滑切削区仿真结果的速度场、压力场、温度场、雾滴速度和雾滴直径分布示意图。
具体实施方式
本发明所述微量润滑切削区流场数值模型构建方法将切削过程中将会对微量润滑在切削区产生影响的四个因素：工件与刀具的相对运动，切削过程的切削热产生，边界模型和适合微量润滑的DPM模型加入仿真模型，从而最大程度地模拟切削过程，并通过改变仿真的输入参数可以模拟不同切削参数和润滑参数下的微量润滑切削区流场分布。其包括以下步骤：
第一步，建立切削二维或三维模型，该模型包括喷嘴、工件、刀具和切屑。
第二步，对所建立的切削二维或三维模型划分网格，由于重点考察切削区的流场分布，所以对切削区网格进行细化并定义切削区的线网格尺寸，在接下来的运动模型中线网格的尺寸不再改变而会随着模型一起运动，只有二维的面网格和三维的体网格才会随着模型运动而进行自适应调整。
第三步，将完成网格划分的模型导入仿真软件，首先使用稳态流场计算方法仿真只有空气质量入口和压力出口的仿真模型。
第四步，建立刀具切削工件生成切屑的运动模型，将该模型编写成仿真软件可识别的计算机语言格式。
第五步，建立微量润滑条件下切削热生成模型，该模型根据实际切削过程将包括三个热源：1.第一变形区剪切热，2.前刀面与切屑摩擦热，3.后刀面与加工表面摩擦热，而且该三个热源将跟随工件与刀具一起运动，因此切削热模型与运动模型进行耦合，同样切削热模型编写成仿真软件能够识别的计算机语言格式。
第六步，选择合适的喷嘴模型（雾滴生成模型）作为微量润滑雾滴生成源，喷嘴参数决定了微量润滑雾滴的特性，所以作为入口特性的喷嘴模型必须选择与实际相符的喷嘴类型。
第七步，选择合适的工件与刀具边界条件，由于雾滴在与工件、刀具接触时将会发生热交换、溅射、粘附、蒸发、热对流等情况，而选择壁膜(Wall-film)边界模型能够模拟绝大部分雾滴碰撞情况，能够符合微量润滑切削区的情况。
第八步，确定四大模型后，在得到稳定的连续相结果中加入离散相模型(DPM)，并相应加入运动模型(动网格自适应网格划分)、切削热模型、喷嘴模型和壁膜(Wall-film)边界模型，再使用非稳态模型进行计算。
第九步，取得仿真结果，重点考察微量润滑条件下切削区域的流场分布，包括速度场分布、压力场分布、温度场分布、雾滴直径和雾滴速度，为微量润滑系统设计提供依据，同时可用于微量润滑系统参数优化。
以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例以微量润滑条件下的外螺纹车削为例，考虑到使用设备检测切削过程中微量润滑作用的切削区流场的困难，由于切削区范围小(需要精确到微米级别)而且涉及的测量项目较多(温度分布、切削区流场压力分布与速度分布、润滑油雾滴直径与密度等)，现有设备还不能精确测量。考虑到现有多物理耦合仿真技术已经非常成熟，得到的结果已于实际结果非常接近，所以选择合适的模型能够得到需要的数据，为微量润滑研究提供依据。
本实施例包括以下步骤：
第一步，螺纹车削模型以INDEX G200数控车削中心中完成的螺距3mm的外螺纹车削为原模型，刀具为前角5°，后角9.5°，刀尖圆弧半径0.156mm。螺纹车削的切削参数选择为：V=560m/min，f＝3mm，D=0.08mm(假设进行最后一次进刀，总进刀切深已达1.89mm)。具体润滑系统参数如表1所示。将切削模型划分为一个40mmX50mmX60mm的切削区域，切削区域如图1中的仿真模型。
表1润滑系统参数
第二步，为控制模型中的网格数量同时提高仿真精度，对模型进行分块划分网格。首先确定刀具、切屑与刀具的线网格尺寸为0.1mm，而其他部分的线网格尺寸为0.5mm。由于切削区域的模型为不规则几何形状，选取尺寸为0.1mm的非结构化四面体网格，工件和切屑随着切削运动而运动，选用切削区(动网格计算区)为四面体网格区，网格将会随着模型运动而自适应调整，选用四面体网格能够有效提高计算效率。其余区域选择尺寸为0.5mm的结构化六面体网格，六面体网格具有比四面体网格质量高，容易收敛，占用计算机资源少，计算时间短和离散误差小等优点，因此对于网格划分尽量选用六面体网格。经过网格划分过程，切削模型总共使用2310675个网格。
第三步，为得到DPM仿真结果，首先使用静态仿真方式得到未加入DPM模型时的稳定流场。由于是静态仿真所以只需将已经完成网格划分的模型导入，设置气体质量入口为入口边界条件，压力出口为出口边界条件。
第四步，为控制模型的运动过程需要编写模型的运动代码，将其带入仿真模型中。工件的运动与切屑的运动具有相关性，根据工件转速与切削速度关系方程式(d为工件直径，n为机床转速，v为切削速度)，编写相应的运动代码(以C语言为编程语言)，如下所示：
第五步，为简化模型而省略刀具后刀面与工件已加工表面的摩擦热源，因为刀具后刀面与工件表面接触面积较小，刀尖接触面积占80%以上，所有可以将刀具后刀面摩擦热源并入前刀面热源。对于剪切热源由于是工件变形为切屑过程中内部产生的热源，所有剪切热源不随微量润滑的加入而发生变化。而刀具前刀面与切屑之间的摩擦热源由于是摩擦产生的热量，所有微量润滑加入后在工件与刀具表面产生的润滑膜热源的生热率产生极大影响。使用实验测得的发热功率编写C语言代码，结果如下：
第六步，喷嘴模型由试验中实际使用的喷嘴类型决定。外螺纹车削试验中使用微量润滑喷嘴为内混式空气雾化喷嘴，如图1中的喷嘴模型所示，高压空气在喷嘴出口处将润滑油雾化为极细小的雾滴。空气雾化模型需要输入喷嘴出口位置、喷嘴雾化角大小(25°，当雾滴离开喷嘴后将会在雾化角范围内运动)、润滑油质量流率(10ml/h)、空气与润滑油的最大速度差(208m/s，可设置为喷嘴出口处的空气速度)。同时由于空气雾化模型通过空气将喷嘴出口处的润滑油液膜破碎来形成细小雾滴，而不同喷嘴的结构，在出口处形成的液膜厚度不同，所以在模型中同样需要设置液膜厚度(8μm)。
第七步，雾滴高速碰撞壁面时将会发生热交换、溅射、粘附、蒸发、热对流等行为，而决定雾滴是溅射还是粘附与雾滴和空气的性质相关。选用Wall-film(壁膜)边界模型能够完整模拟雾滴碰撞的情况，雾滴的碰撞壁面后粘附生成的润滑膜或者溅射后生成的细小雾滴对切削热和切削温度产生极大影响。在Wall-film(壁膜)边界模型中需要定义发生溅射情况下反弹的雾滴将会被分裂成几颗，并将工件、刀具与切屑选择为碰撞壁面，而溅射后雾滴将会一分为四。
第八步，完成四大模型的输入后，将仿真模型更改为瞬态模型，并选定切削区流场为动网格划分区，动网格能够自适应网格密度、有限元网格单元属性。在喷嘴出口处加入空气雾化模型，在工件和切屑中加入运动模型，在切屑与工件、切屑与刀具前刀面之间分别加入切削热模型的剪切热源、摩擦热源，在工件、切屑和刀具表面加入Wall-film(壁膜)边界模型。在瞬态模型中设置仿真步长为1X10-6秒，总时长为5秒并进行仿真计算。
第九步，通过仿真结果可得到切削区的速度场分布、压力场分布、温度场分布、雾滴速度和雾滴直径等特性，并如图2所示。由于切削区过于狭小，现有检测设备不易得到切削区的流场特性，但是可通过颗粒图像测速仪和相位多普勒技术来检测喷嘴出口处和空旷区域的雾滴速度和直径分布作为仿真模型可行性的判断标准，并作为调整空气质量流量和雾化模型参数的依据。
Claims (2)
1.一种微量润滑切削区流场数值模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，建立切削二维或三维模型，该模型包括喷嘴、工件、刀具和切屑；
第二步，对第一步所建模型划分网格，并对网格进行细化且定义切削区的线网格尺寸；
第三步，将完成网格划分的模型导入仿真软件，首先使用稳态流场计算方法仿真只有空气质量入口和压力出口的仿真模型；
第四步，建立刀具切削工件生成切屑的运动模型，并将该运动模型编写成仿真软件可识别的计算机语言格式；
第五步，建立微量润滑条件下的切削热模型，该切削热模型包括热源且与运动模型进行耦合，将该切削热模型编写成仿真软件能够识别的计算机语言格式；
第六步，选择合适的喷嘴模型作为微量润滑雾滴生成源，该喷嘴模型必须选择与实际相符的喷嘴类型；
第七步，选择合适的工件与刀具边界条件，即选择能够符合微量润滑切削区情况的壁膜边界模型；
第八步，确定上述模型后，在得到稳定的连续相结果中加入离散相模型，并相应加入运动模型、切削热模型、喷嘴模型和壁膜边界模型，使用非稳态模型进行计算；
第九步，取得仿真结果，重点考察微量润滑条件下切削区域的流场分布，包括速度场分布、压力场分布、温度场分布、雾滴直径和雾滴速度，为微量润滑系统设置提供依据，同时用于微量润滑系统参数优化。
2.根据权利要求1所述的微量润滑切削区流场数值模型构建方法，其特征在于，所述的切削热模型中的热源包括第一变形区剪切热、刀具前刀面与切屑摩擦热以及刀具后刀面与加工表面摩擦热。
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