專利名稱：微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種切削加工的潤滑方法，具體涉及的是一種微量潤滑(MinimumQuantity Lubrication)切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法,屬于機(jī)械切削加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微量潤滑切削技術(shù)通常是指壓縮空氣攜帶被壓縮空氣破碎成微米級(jí)的潤滑油進(jìn)入切削區(qū)域的一種潤滑方法。潤滑油霧滴在工件與刀具之間形成潤滑膜從而減小刀具與工件之間的摩擦，而且壓縮空氣通過熱交換和潤滑油通過蒸發(fā)吸熱，所以切削區(qū)域的溫度能夠得到降低，減小刀具磨損，提高切削性能。但是微量潤滑研究和實(shí)際應(yīng)用還需要解決許多問題，特別是如下問題需要新的方法和手段進(jìn)行研究1、微量潤滑的作用機(jī)理需要進(jìn)一步研究，包括微量潤滑切削時(shí)的潤滑膜厚度、潤滑油滲透性、最佳潤滑條件和不同加工方法 下的潤滑性能差異。2、切削中最佳潤滑油使用量的確定，微量潤滑解決的一個(gè)核心問題就是有效降低潤滑油使用量而減小資源浪費(fèi)，而不同的工件、刀具、切削參數(shù)都將導(dǎo)致最佳潤滑油使用量的改變。3、微量潤滑切削加工中切削參數(shù)的優(yōu)化，切削區(qū)域的潤滑膜只有在合適的切削參數(shù)下才能形成，只有考察切削區(qū)域的溫度和壓力等參數(shù)才能取得良好的潤滑效果。由于微量潤滑的壓縮空氣與潤滑油霧滴在切削區(qū)域的流場還不能通過現(xiàn)有科技手段進(jìn)行檢測，所以通過測量手段來得到微量潤滑在流場區(qū)域的分布為選取最佳微量潤滑參數(shù)的微量潤滑方法提供依據(jù)較不可行。關(guān)于微量潤滑切削技術(shù)的研究大部分都集中在微量潤滑對(duì)于切削力、切削溫度、刀具磨損、工件加工表面精度的影響，而對(duì)于微量潤滑在切削區(qū)域的流場分布的研究較少。西班牙 University of the Basque Country UPV/EHU 的 L. N. L6pez de Lacalle 等人對(duì)加入微量潤滑的銑削進(jìn)行建模仿真。采用通用流體有限元軟件Pamf low建立基于V0F( Volumeof Fluid) 二相流模型的微量潤滑滲透模型。此模型通過將多相流的流體假設(shè)為一種流體而共用一個(gè)方程組，每一相的體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)被追蹤。模型只包括刀具和微量潤滑而忽略了工件和切屑，因此切削過程的切削熱同樣未加考慮。由于模型考慮銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)微量潤滑流體的影響，所以動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)用于流場網(wǎng)格的重構(gòu)，在重構(gòu)過程中檢查轉(zhuǎn)動(dòng)引起的網(wǎng)格畸變并進(jìn)行修正。仿真所得結(jié)果揭示微量潤滑流體相對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的銑刀具有良好的滲透性，但是與實(shí)際切削情況相去甚遠(yuǎn)，該模型并不涉及對(duì)于刀具磨損相關(guān)的切削區(qū)流場分析，所以不能為切削分析提供太多信息。相對(duì)而言微量潤滑參與切削時(shí)的切削區(qū)流場仿真更加復(fù)雜。首先，切削是一種動(dòng)態(tài)過程，工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生切削過程中一系列問題的根源，所以需要根據(jù)實(shí)際切削參數(shù)建立工件、切屑與刀具的動(dòng)態(tài)模型配合網(wǎng)格自適應(yīng)，模擬實(shí)際切削過程。然后，冷卻液對(duì)于切削過程中的抑制作用是評(píng)價(jià)冷卻液性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，所以微量潤滑的仿真過程必須考慮切削熱的產(chǎn)生。而切削熱包括三個(gè)方面1.在切削第一變形區(qū)由于切屑剪切過程產(chǎn)生的熱量；2.刀具前刀面與切屑摩擦產(chǎn)生的熱量；3.刀具后刀面與已切削表面摩擦產(chǎn)生的熱量。最后，考慮到潤滑油所占的體積只有不到壓縮空氣的10%，所以微量潤滑在仿真中所使用的模型應(yīng)該為離散相模型(Discrete Phase Model，簡稱DPM)，所用的計(jì)算模型為歐拉-拉格朗日方程，連續(xù)相(即壓縮空氣)的數(shù)學(xué)計(jì)算采用歐拉方程，而分散相(即潤滑油霧滴)的數(shù)學(xué)計(jì)算采用拉格朗日方程。同時(shí)連續(xù)相與分散相可以交換動(dòng)量、質(zhì)量和能量，通過雙向耦合求解將兩項(xiàng)結(jié)合在一起。而且DPM模型在邊界設(shè)定中與二相流具有不同情況，所以合適的流場模型將會(huì)影響仿真結(jié)果。經(jīng)過現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索，至今未發(fā)現(xiàn)微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建的公開報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，包括現(xiàn)有測量手段的局限和仿真模型的缺失，提供一種微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法，將切削過程中將會(huì)對(duì)微量潤滑在切削區(qū)產(chǎn)生影響的四個(gè)因素工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切削過程的切削熱產(chǎn)生，邊界模型和適合微量潤滑的DPM模型加入仿真模型，從而最大程度地模擬切削過程，并通過改變仿真的輸入?yún)?shù)可以模擬不同切削參數(shù)和潤滑參數(shù)下的微量潤滑切削區(qū)流場分布，為實(shí)際微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)選擇提供依據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，建立切削二維或三維模型，該模型包括噴嘴、工件、刀具和切屑；第二步，對(duì)第一步所建模型劃分網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化且定義切削區(qū)的線網(wǎng)格尺寸；第三步，將完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入仿真軟件，首先使用穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算方法仿真只有空氣質(zhì)量入口和壓力出口的仿真模型；第四步，建立刀具切削工件生成切屑的運(yùn)動(dòng)模型，并將該運(yùn)動(dòng)模型編寫成仿真軟件可識(shí)別的計(jì)算機(jī)語言格式；第五步，建立微量潤滑條件下的切削熱模型，該切削熱模型包括熱源且與運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行耦合，將該切削熱模型編寫成仿真軟件能夠識(shí)別的計(jì)算機(jī)語言格式；第六步，選擇合適的噴嘴模型作為微量潤滑霧滴生成源，該噴嘴模型必須選擇與實(shí)際相符的噴嘴類型；第七步，選擇合適的工件與刀具邊界條件，即選擇能夠符合微量潤滑切削區(qū)情況的壁膜邊界模型；第八步，確定上述模型后，在得到穩(wěn)定的連續(xù)相結(jié)果中加入離散相模型，并相應(yīng)加入運(yùn)動(dòng)模型、切削熱模型、噴嘴模型和壁膜邊界模型，使用非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算；第九步，取得仿真結(jié)果，重點(diǎn)考察微量潤滑條件下切削區(qū)域的流場分布，包括速度場分布、壓力場分布、溫度場分布、霧滴直徑和霧滴速度，為微量潤滑系統(tǒng)設(shè)置提供依據(jù)，同時(shí)用于微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。所述的切削熱模型中的熱源包括第一變形區(qū)剪切熱、刀具前刀面與切屑摩擦熱以及刀具后刀面與加工表面摩擦熱。本發(fā)明解決了切削區(qū)的流場特性不易測量的技術(shù)問題，與現(xiàn)有的微量潤滑切削仿真相比，本發(fā)明充分綜合工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切削過程的切削熱產(chǎn)生、邊界模型和適合微量潤滑的DPM模型四方面因素，使用仿真技術(shù)最大程度地模擬不同切削參數(shù)和潤滑參數(shù)下的微量潤滑切削區(qū)流場分布，取得微量潤滑在切削時(shí)對(duì)切削區(qū)的流場影響，包括速度場分布、壓力場分布、溫度場分布和霧滴直徑，同樣可以得到微量潤滑對(duì)工件和刀具內(nèi)部的溫度場影響，從而為微量潤滑系統(tǒng)設(shè)置提供依據(jù)，同時(shí)可用于微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。


圖I為本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)模型、切削熱模型、噴嘴模型和壁膜(Wall-film)邊界模型在三維建模中的示意圖。
圖2為本發(fā)明的微量潤滑切削區(qū)仿真結(jié)果的速度場、壓力場、溫度場、霧滴速度和霧滴直徑分布不意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法將切削過程中將會(huì)對(duì)微量潤滑在切削區(qū)產(chǎn)生影響的四個(gè)因素工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切削過程的切削熱產(chǎn)生，邊界模型和適合微量潤滑的DPM模型加入仿真模型，從而最大程度地模擬切削過程，并通過改變仿真的輸入?yún)?shù)可以模擬不同切削參數(shù)和潤滑參數(shù)下的微量潤滑切削區(qū)流場分布。其包括以下步驟第一步，建立切削二維或三維模型，該模型包括噴嘴、工件、刀具和切屑。第二步，對(duì)所建立的切削二維或三維模型劃分網(wǎng)格，由于重點(diǎn)考察切削區(qū)的流場分布，所以對(duì)切削區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并定義切削區(qū)的線網(wǎng)格尺寸，在接下來的運(yùn)動(dòng)模型中線網(wǎng)格的尺寸不再改變而會(huì)隨著模型一起運(yùn)動(dòng)，只有二維的面網(wǎng)格和三維的體網(wǎng)格才會(huì)隨著模型運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。第三步，將完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入仿真軟件，首先使用穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算方法仿真只有空氣質(zhì)量入口和壓力出口的仿真模型。第四步，建立刀具切削工件生成切屑的運(yùn)動(dòng)模型，將該模型編寫成仿真軟件可識(shí)別的計(jì)算機(jī)語目格式。第五步，建立微量潤滑條件下切削熱生成模型，該模型根據(jù)實(shí)際切削過程將包括三個(gè)熱源1.第一變形區(qū)剪切熱，2.前刀面與切屑摩擦熱，3.后刀面與加工表面摩擦熱，而且該三個(gè)熱源將跟隨工件與刀具一起運(yùn)動(dòng)，因此切削熱模型與運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行耦合，同樣切削熱模型編寫成仿真軟件能夠識(shí)別的計(jì)算機(jī)語目格式。第六步，選擇合適的噴嘴模型(霧滴生成模型)作為微量潤滑霧滴生成源，噴嘴參數(shù)決定了微量潤滑霧滴的特性，所以作為入口特性的噴嘴模型必須選擇與實(shí)際相符的噴嘴類型。第七步，選擇合適的工件與刀具邊界條件，由于霧滴在與工件、刀具接觸時(shí)將會(huì)發(fā)生熱交換、派射、粘附、蒸發(fā)、熱對(duì)流等情況，而選擇壁膜(Wal 1-f i Im)邊界模型能夠模擬絕大部分霧滴碰撞情況，能夠符合微量潤滑切削區(qū)的情況。第八步，確定四大模型后，在得到穩(wěn)定的連續(xù)相結(jié)果中加入離散相模型(DPM)，并相應(yīng)加入運(yùn)動(dòng)模型(動(dòng)網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格劃分)、切削熱模型、噴嘴模型和壁膜(Wall-film)邊界模型，再使用非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。第九步，取得仿真結(jié)果，重點(diǎn)考察微量潤滑條件下切削區(qū)域的流場分布，包括速度場分布、壓力場分布、溫度場分布、霧滴直徑和霧滴速度，為微量潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)可用于微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)一步描述本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本實(shí)施例以微量潤滑條件下的外螺紋車削為例，考慮到使用設(shè)備檢測切削過程中微量潤滑作用的切削區(qū)流場的困難，由于切削區(qū)范圍小(需要精確到微米級(jí)別)而且涉及的測量項(xiàng)目較多(溫度分布、切削區(qū)流場壓力分布與速度分布、潤滑油霧滴直徑與密度等)，現(xiàn)有設(shè)備還不能精確測量?？紤]到現(xiàn)有多物理耦合仿真技術(shù)已經(jīng)非常成熟，得到的結(jié)果已于實(shí)際結(jié)果非常接近，所以選擇合適的模型能夠得到需要的數(shù)據(jù)，為微量潤滑研究提供依據(jù)。本實(shí)施例包括以下步驟

第一步，螺紋車削模型以INDEX G200數(shù)控車削中心中完成的螺距3mm的外螺紋車削為原模型，刀具為前角5°，后角9. 5°，刀尖圓弧半徑0. 156mm。螺紋車削的切削參數(shù)選擇為V=560m/min, f = 3mm, D=O. 08mm (假設(shè)進(jìn)行最后一次進(jìn)刀，總進(jìn)刀切深已達(dá)I. 89mm)。具體潤滑系統(tǒng)參數(shù)如表I所示。將切削模型劃分為一個(gè)40mmX50mmX60mm的切削區(qū)域，切削區(qū)域如圖I中的仿真模型。表I潤滑系統(tǒng)參數(shù)
參數(shù)名稱SI
空氣流量./Im-1180
空氣壓力/MPa0. 6
潤滑油流量/ml.iri20
供液方位垂直前刀面
供液距離/mm30
潤滑油粘度(20 °C) /Hi2-S-188X10
潤滑油密度(20°C) /kg-m-3920
比熱/J.Kg-i.K1880
導(dǎo)熱系數(shù)/W’nriK0. 13第二步，為控制模型中的網(wǎng)格數(shù)量同時(shí)提高仿真精度，對(duì)模型進(jìn)行分塊劃分網(wǎng)格。首先確定刀具、切屑與刀具的線網(wǎng)格尺寸為0. 1mm，而其他部分的線網(wǎng)格尺寸為0. 5mm。由于切削區(qū)域的模型為不規(guī)則幾何形狀，選取尺寸為0. Imm的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，工件和切屑隨著切削運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，選用切削區(qū)(動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算區(qū))為四面體網(wǎng)格區(qū)，網(wǎng)格將會(huì)隨著模型運(yùn)動(dòng)而自適應(yīng)調(diào)整，選用四面體網(wǎng)格能夠有效提高計(jì)算效率。其余區(qū)域選擇尺寸為0. 5mm的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格具有比四面體網(wǎng)格質(zhì)量高，容易收斂，占用計(jì)算機(jī)資源少，計(jì)算時(shí)間短和離散誤差小等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)于網(wǎng)格劃分盡量選用六面體網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格劃分過程，切削模型總共使用2310675個(gè)網(wǎng)格。第三步，為得到DPM仿真結(jié)果，首先使用靜態(tài)仿真方式得到未加入DPM模型時(shí)的穩(wěn)定流場。由于是靜態(tài)仿真所以只需將已經(jīng)完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入，設(shè)置氣體質(zhì)量入口為入口邊界條件，壓力出口為出口邊界條件。第四步，為控制模型的運(yùn)動(dòng)過程需要編寫模型的運(yùn)動(dòng)代碼，將其帶入仿真模型中。
工件的運(yùn)動(dòng)與切屑的運(yùn)動(dòng)具有相關(guān)性，根據(jù)工件轉(zhuǎn)速與切削速度關(guān)系方程式〃(d為
1000
工件直徑，n為機(jī)床轉(zhuǎn)速，V為切削速度)，編寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)代碼(以C語言為編程語言)，如下所示
權(quán)利要求
1.一種微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步，建立切削二維或三維模型，該模型包括噴嘴、工件、刀具和切屑； 第二步，對(duì)第一步所建模型劃分網(wǎng)格，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化且定義切削區(qū)的線網(wǎng)格尺寸； 第三步，將完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入仿真軟件，首先使用穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算方法仿真只有空氣質(zhì)量入口和壓力出口的仿真模型； 第四步，建立刀具切削工件生成切屑的運(yùn)動(dòng)模型，并將該運(yùn)動(dòng)模型編寫成仿真軟件可識(shí)別的計(jì)算機(jī)語目格式； 第五步，建立微量潤滑條件下的切削熱模型，該切削熱模型包括熱源且與運(yùn)動(dòng)模型進(jìn) 行耦合，將該切削熱模型編寫成仿真軟件能夠識(shí)別的計(jì)算機(jī)語言格式； 第六步，選擇合適的噴嘴模型作為微量潤滑霧滴生成源，該噴嘴模型必須選擇與實(shí)際相符的噴嘴類型； 第七步，選擇合適的工件與刀具邊界條件，即選擇能夠符合微量潤滑切削區(qū)情況的壁膜邊界模型； 第八步，確定上述模型后，在得到穩(wěn)定的連續(xù)相結(jié)果中加入離散相模型，并相應(yīng)加入運(yùn)動(dòng)模型、切削熱模型、噴嘴模型和壁膜邊界模型，使用非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算； 第九步，取得仿真結(jié)果，重點(diǎn)考察微量潤滑條件下切削區(qū)域的流場分布，包括速度場分布、壓力場分布、溫度場分布、霧滴直徑和霧滴速度，為微量潤滑系統(tǒng)設(shè)置提供依據(jù)，同時(shí)用于微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述的切削熱模型中的熱源包括第一變形區(qū)剪切熱、刀具前刀面與切屑摩擦熱以及刀具后刀面與加工表面摩擦熱。
全文摘要
一種微量潤滑切削區(qū)流場數(shù)值模型構(gòu)建方法，包括以下步驟建立切削二維或三維模型；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；將完成網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入仿真軟件，在定義入口條件和出口條件后使用穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算方法進(jìn)行仿真；建立運(yùn)動(dòng)模型和切削熱模型并轉(zhuǎn)化為仿真軟件可識(shí)別語言；選擇合適的噴嘴模型和壁膜邊界模型；將上述模型導(dǎo)入穩(wěn)定流場并使用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行仿真，從而得到速度場分布、壓力場分布、溫度場分布、霧滴直徑與霧滴速度。本發(fā)明能夠取得微量潤滑在切削時(shí)對(duì)切削區(qū)的流場影響，以及微量潤滑對(duì)工件和刀具內(nèi)部的溫度場影響，為微量潤滑系統(tǒng)設(shè)置提供依據(jù)，同時(shí)可用于微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102750404SQ20121017962
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者劉志強(qiáng), 姜立, 安慶龍, 陳明 申請人:上海交通大學(xué)