CN114346757A - 一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,用于确定小型腔铣削加工中,排屑所需的最小切削液流量,从而保证加工质量;将铣削过程中的切削液排屑过程等效为管内流动液体对管内物体的绕流阻力。根据切屑被切削液带出时,切屑重力与切屑所受绕流阻力的大小关系,确定切削液的流量。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域,具体涉及一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法。
背景技术
阀体类零件存在诸多型腔,而型腔的封闭性给铣削加工中的散热、润滑、冷却带来较大的挑战。为了改善铣削加工条件,保证零件加工质量,型腔铣削加工中,通常在切削过程中向型腔内部喷洒切削液,起到排屑、润滑、冷却等作用。油基切削液有较好的润滑、防锈功能,应用广泛。在小型腔铣削加工中,型腔尺寸较小导致排屑条件差,产生的切屑若不能被切削液及时带出,切屑沉积在型腔底部,在刀具高速回转过程中,对切屑搅拌,将划伤已加工表面,严重影响加工质量,同时加剧刀具磨损,影响刀具性能和使用寿命。因此,如何合理确定切削液的流量,保证切屑及时排出型腔,对保证型腔加工质量,延长刀具寿命有至关重要的作用。现有技术中,通常依据经验确定切削液流量:在排屑条件恶劣时,采用大流量,在排屑条件良好时,采用小流量。切削液流量确定缺乏定量计算的理论依据。根据经验的切削液流量确定方式不准确,切削液流量过小,难以及时排出切屑,切削液流量过大,则容易造成切屑及切削液飞溅,同时污染环境。特别的,对于油基切削液,由于切削液粘度较大,在带出切屑过程中,切削液与切屑间力的相互作用关系更为复杂。因此,如何定量计算油基切削液带出切屑所需的流量是金属加工中保证加工质量的重点、难点问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足,提供一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的,本发明采取的技术方案是:
一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,用于确定小型腔铣削加工中切削液流量,保证切屑排出;小型腔为等横截面积型腔,小型腔四周和底部封闭,顶部开口;切削液为油基切削液;将铣削中的切削液排屑过程等效为管内流动液体对管内物体产生绕流阻力;铣削加工时,切削液灌满整个小型腔,并自小型腔底部向小型腔开口方向流动,利用切削液对切屑产生的绕流阻力将切屑带出小型腔;根据切屑被切削液带出时,切屑重力与切屑所受绕流阻力的大小关系,确定切削液的流量。
当切屑能被切削液带出时,切屑重力与切屑所受绕流阻力的大小关系为:F绕≥mg,其中m为切屑质量,g为重力加速度,F绕为切屑所受绕流阻力;切屑所受绕流阻力由小型腔中流动的切削液产生,切屑所受绕流阻力方程为:F绕=CDρsv2/2,其中CD为绕流阻力系数,ρ为切削液的密度,s为切屑迎流面积,v为切削液在小型腔内的流速;切削液在小型腔内的流量方程为:Q=vB,其中Q为切削液在小型腔内的流量,v为切削液在小型腔内的流速,B为小型腔横截面面积;根据切屑能被切削液带出时切屑重力与切屑所受绕流阻力大小关系、切屑所受绕流阻力方程、切削液在小型腔内的流量方程,得当切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流速v需满足不等式:v≥(2mg/CDρs)1/2;小型腔切削液流量需满足不等式:Q≥B(2mg/CDρs)1/2。
绕流阻力系数CD确定方法如下,结合切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流速v需满足的不等式:v≥(2mg/CDρs)1/2及雷诺数计算公式得切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程;具体地,雷诺数计算公式为:Re=ρvL/μ其中Re为雷诺数,L为切屑的特征长度,μ为切削液的动力粘度系数,v为小型腔切削液流速;所得切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程为:CD≥ARe-2其中,A为比例系数,A=2mgρL2/μ2s;以实验雷诺数-绕流阻力系数关系作为约束,求解切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2,得带走切屑所需的绕流阻力系数CD的取值范围。
将所得的带走切屑所需的绕流阻力系数CD的取值范围代入切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量需满足不等式:Q≥B(2mg/CDρs)1/2中,得切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量Q范围。
以实验雷诺数-绕流阻力系数关系作为约束,求解雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2的过程为:作雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2线图,与实验雷诺数-绕流阻力系数关系曲线相交,所得绕流阻力系数CD的相交范围即为带走切屑所需绕流阻力系数CD的取值范围。
小型腔横截面为矩形,小型腔横截面面积不大于0.02平方米,切削液流量选为B(2mg/CDρs)1/2,实验雷诺数-绕流阻力系数关系由实验测出。
本发明提供的一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,具有以下有益效果:
1、本发明针对粘度较大的油基切削液,在切削液带出切屑过程中,充分考虑了切削液与切屑间力的复杂相互作用关系,通过引入绕流阻力,表征了切屑受到流动切削液的摩擦阻力和压差阻力。将顶部开口的等截面型腔铣削中的切削液排屑过程,等效为管内流动液体对管内物体的绕流阻力。根据切屑能被切削液带出型腔时,小型腔内流动切削液对切屑产生的绕流阻力大于等于切屑重力,确定保证切屑顺利排出的最小切削液流量。从排屑角度合理确定了切削液的流量,保证了小型腔加工的表面质量。
2、根据绕流阻力与切屑重力间的关系,建立了切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量的不等方程,即小型腔切削液流量与绕流阻力系数、切屑质量及形态、切削液粘度间的不等关系,从而准确确定排屑所需的切削液流量。
3、针对切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量的不等方程中,绕流阻力系数CD、小型腔切削液流量Q均与切削液流速v相关,流阻力系数CD难以确定的问题。引入实验雷诺数-绕流阻力系数作为约束,缩小了切屑能被切削液带出时,绕流阻力系数CD解的范围,得到了对工程实践有效的绕流阻力系数CD解,从而准确地确定切屑能被切削液带出时所需的切削液流量范围。
附图说明
图1为小型腔铣削加工中切削液排屑过程示意图。
图2为实验雷诺数-绕流阻力系数关系。
图3为雷诺数-绕流阻力不等方程CD≥ARe-2求解示意图。
图中标记:1-小型腔,2-切屑,3-切削液,4-雷诺数-绕流阻力不等方程CD≥ARe-2线图,5-实验雷诺数-绕流阻力系数关系曲线,6-带走切屑所需的雷诺数和绕流阻力系数的取值范围。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,用于确定小型腔1铣削加工中油基切削液3流量,保证切屑2排出。小型腔1为等横截面积型腔,横截面面积不大于0.02平方米,小型腔1四周和底部封闭,顶部开口。将铣削过程中的切削液3排屑过程等效为管内流动液体对管内物体产生绕流阻力。
如图1所示,铣削加工时,切削液灌满整个小型腔1,并自小型腔1底部向小型腔1开口方向流动,利用对切屑产生的绕流阻力将切屑2带出小型腔1。根据切屑2被切削液3带出时,切屑2重力与切屑2所受绕流阻力的大小关系,确定切削液3的流量。优选地,当切屑2能被切削液3带出时,切屑2重力与切屑2所受绕流阻力关系为式一:F绕≥mg,其中m为切屑2质量,g为重力加速度,F绕为切屑2所受切削液3的绕流阻力。通过绕流阻力表征切屑受到流动切削液的摩擦阻力和压差阻力,充分考虑了排屑过程中切削液与切屑间力的复杂相互作用关系。
切屑2所受绕流阻力由小型腔1中流动的切削液3产生,切屑2所受绕流阻力方程为式二:F绕=CDρsv2/2,其中CD为绕流阻力系数,ρ为切削液3的密度,s为切屑2的迎流面积,v为切削液3在小型腔1内的流速。
切削液3在小型腔1内的流量方程为式三:Q=vB,其中Q为切削液3在小型腔1内的流量,v为切削液3在小型腔1内的流速,B为小型腔1横截面面积。
根据式一至式二可知,当切屑2能被切削液3带出时,小型腔1内切削液3流速需满足式四:v≥(2mg/CDρs)1/2。
根据式三和式四可知,当切屑2能被切削液3带出时,小型腔1内切削液3流量需满足式五:Q≥B(2mg/CDρs)1/2。
根据绕流阻力与切屑重力间的关系,建立了切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量的不等方程,即小型腔切削液流量与绕流阻力系数、切屑质量及形态、切削液粘度间的不等关系,从而准确确定排屑所需的切削液流量。从排屑角度合理确定了切削液的流量,保证了小型腔加工的表面质量。
优选地,式四、式五中切屑能被切屑液带出时的绕流阻力系数CD,确定方法如下:工程中通常通过查雷诺数-绕流阻力系数图,如图2所示,确定雷诺数对应的绕流阻力系数。雷诺数计算公式为式六:Re=ρvL/μ,其中L为切屑2的特征长度,μ为切削液3的动力粘度系数。由于雷诺数计算公式里含有变量v,而v是未知数,因此将雷诺数计算公式变形为式七:v=Reμ/ρL。将式七和式四联立可得,切屑2被切削液3带出需满足以下雷诺数-绕流阻力不等方程式八:CD≥ARe-2,其中A为比例系数,A=2mgρL2/μ2s。
以实验雷诺数-绕流阻力系数关系作为约束,求解雷诺数-绕流阻力不等方程CD≥ARe-2,得带走切屑所需的雷诺数和绕流阻力系数的取值范围。其中,实验雷诺数-绕流阻力系数关系为工程中流体力学计算常用关系,由实验得出,为已知量,实验雷诺数-绕流阻力关系曲线可在工具书、手册中查得,如图2所示。
优选地,如图3所示,作雷诺数-绕流阻力不等方程CD≥ARe-2线图4,与实验雷诺数-绕流阻力系数关系曲线5相交,所得相交范围即为带走切屑所需的雷诺数和绕流阻力系数的取值范围6,将带走切屑所需的绕流阻力系数的取值范围带入式五即可得到小型腔切削液流量的取值范围。
引入实验雷诺数-绕流阻力系数作为约束,缩小了切屑能被切削液带出时,绕流阻力系数CD解的范围,得到了对工程实践有效的绕流阻力系数CD解,从而准确地确定切屑能被切削液带出时所需的切削液流量范围,保证了加工质量。
优选地,小型腔1横截面为矩形。
优选地,切削液3选用油基切削液。
优选地,切削液3流速选为(2mg/CDρs)1/2。
优选地,切削液流量选为B(2mg/CDρs)1/2。
根据本申请的一个实施例,参考图1,以下将对上述步骤进行详细描述。
工件材料为7050-T7451铝合金,轴向切深为20mm,径向切深为6mm,进给速度为8000mm/s,主轴转速为12000r/min,其产生的切屑可以看作有限长圆柱,切屑迎流面积s=2.5×10-5m2,切屑直径即为切屑的特征长度L=5.6×10-3m,切屑长度与直径的比值约等于5,切屑质量m=2.5×10-3kg。重力加速度g≈10m/s2,切削液选用活性硫化油,切削液的密度ρ≈1×103kg/m3,切削液的动力粘度系数μ=5.74×10-2N·s/m2,型腔横截面面积B=0.01m2。
将上述具体数值带入式四、式五、式六、式七、式八,则式四可以简化为式九:v≥(2/CD)1/2m/s,式五可以简化为式十:Q≥600(2/CD)1/2L/min,式六可以简化为式十一:Re≈97.56v,式七可以简化为式十二:v=Re/97.56,式八可以简化为式十三:CD≥19035.91Re-2。结合式十三与图2中“有限长圆柱l/d=5”的曲线作图求解,可得:Re≥150,即CD≥0.8460,带入式九可得v≥1.54m/s,带入式十可得Q≥924L/min。优选地,切削液流速v=1.54m/s,即切削液在型腔内的流量Q=924L/min。
通过试验,当切削液在型腔内的流量Q=924L/min时,铣削时产生的切屑可以很好的被切削液从小型腔内带出;
同等试验条件下,当切削液在型腔内的流量Q=724L/min时,铣削时产生的切屑在小型腔内堆积,刀具高速回转过程中,切屑被搅拌,并划伤了已加工表面,同时加剧了刀具磨损;
同等试验条件下,当切削液在型腔内的流量Q=1124L/min时,切屑及切削液四处飞溅,造成环境污染。
上述结果表明,本发明将顶部开口的等截面型腔铣削中的切削液排屑过程,等效为管内流动液体对管内物体的绕流阻力。根据切屑能被切削液带出型腔时,小型腔内流动切削液对切屑绕流阻力大于等于切屑重力,确定保证切屑顺利排出的最小切削液流量。从排屑角度合理确定了切削液的流量,保证了小型腔加工的表面质量,同时避免了过大切削液流量造成的切削飞溅、环境污染。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于绕流阻力的切削液流量确定方法,用于确定小型腔铣削加工中切削液流量,保证切屑排出;其特征在于,小型腔为等横截面积型腔,小型腔四周和底部封闭,顶部开口;切削液为油基切削液;将铣削中的切削液排屑过程等效为管内流动液体对管内物体产生绕流阻力;铣削加工时,切削液灌满整个小型腔,并自小型腔底部向小型腔开口方向流动,利用切削液对切屑产生的绕流阻力将切屑带出小型腔;根据切屑被切削液带出时,切屑重力与切屑所受绕流阻力的大小关系,确定切削液的流量。
2.根据权利要求1所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,当切屑能被切削液带出时,切屑重力与切屑所受绕流阻力的大小关系为:F绕≥mg,其中m为切屑质量,g为重力加速度,F绕为切屑所受绕流阻力;切屑所受绕流阻力由小型腔中流动的切削液产生,切屑所受绕流阻力方程为:F绕=CDρsv2/2,其中CD为绕流阻力系数,ρ为切削液的密度,s为切屑迎流面积,v为切削液在小型腔内的流速;切削液在小型腔内的流量方程为:Q=vB,其中Q为切削液在小型腔内的流量,v为切削液在小型腔内的流速,B为小型腔横截面面积;根据切屑能被切削液带出时切屑重力与切屑所受绕流阻力大小关系、切屑所受绕流阻力方程、切削液在小型腔内的流量方程,得当切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流速v需满足不等式:v≥(2mg/CDρs)1/2;小型腔切削液流量需满足不等式:Q≥B(2mg/CDρs)1/2。
3.根据权利要求2所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,绕流阻力系数CD确定方法如下,结合切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流速v需满足的不等式:v≥(2mg/CDρs)1/2及雷诺数计算公式得切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程;具体地,雷诺数计算公式为:Re=ρvL/μ其中Re为雷诺数,L为切屑的特征长度,μ为切削液的动力粘度系数,v为小型腔切削液流速;所得切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程为:CD≥ARe-2其中,A为比例系数,A=2mgρL2/μ2s;以实验雷诺数-绕流阻力系数关系作为约束,求解切屑能被切削液带出时的雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2,得带走切屑所需的绕流阻力系数CD的取值范围。
4.根据权利要求3所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,将所得的带走切屑所需的绕流阻力系数CD的取值范围代入切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量需满足不等式:Q≥B(2mg/CDρs)1/2中,得切屑能被切削液带出时,小型腔切削液流量Q范围。
5.根据权利要求3所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,以实验雷诺数-绕流阻力系数关系作为约束,求解雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2的过程为:作雷诺数-绕流阻力系数不等方程CD≥ARe-2线图,与实验雷诺数-绕流阻力系数关系曲线相交,所得绕流阻力系数CD的相交范围即为带走切屑所需绕流阻力系数CD的取值范围。
6.根据权利要求1所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,小型腔横截面为矩形。
7.根据权利要求1所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,小型腔横截面面积不大于0.02平方米。
8.根据权利要求1所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,切削液流量选为B(2mg/CDρs)1/2。
9.根据权利要求3所述的基于绕流阻力的切削液流量确定方法,其特征在于,实验雷诺数-绕流阻力系数关系由实验测出。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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