[发明专利]微量润滑切削区流场数值模型构建方法

说明书

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（Minimum Quantity 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；