基于离散相模型的MQL切削试验研究

赵礼刚，徐 娜，张春燕

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)



基于离散相模型的MQL切削试验研究

赵礼刚，徐 娜，张春燕

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003)

基于欧拉—拉格朗日离散相理论，建立了TC4钛合金微量润滑(MQL)外圆车削模型，应用Fluent对不同润滑油参数的切削流场进行数值模拟，研究了润滑油添加前后流场的分布特性，分析了润滑油参数对工件冷却效果的影响规律。模拟结果显示：加入润滑油后速度场变化较小，而温度场变化显著，且润滑油参数(比热容、导热系数、动力粘度和润滑油用量)的变化对冷却效果可产生不同的影响。

离散相理论；Fluent数值模拟；流场分布；润滑油参数

0 引言

微量润滑(Minimum quality lubrication，以下简称MQL)切削技术是一种以极小量润滑油代替大量切削液的绿色制造技术，避免了生产成本的提高和传统切削对环境的污染[1]，在切削钛合金等难加工材料时可有效降低切削温度、延长刀具使用寿命以及改善工件表面质量[2-3]。几年来国内外学者相继对MQL切削技术展开了深入地研究，C.Angulo[4]等通过铝合金铣削试验证明不同喷嘴位置和喷雾流量对刀具磨损的不同影响；沈玉杰[5]运用软件分析了车削试验后刀面楔形区的流体压强分布特性。然而，润滑油的物理特性对切削性能影响的研究相对较少，并在近年各期刊中未见阐述。

鉴于此，文中借助FLUENT对MQL切削TC4钛合金工件进行了有限元数值模拟，分析了润滑油添加前、后流场的分布情况，对不同润滑油参数下切削温度的变化规律进行了深入研究，为实际MQL切削TC4钛合金润滑油的选择提供了理论依据。

1 MQL切削喷雾模型建立

1.1 离散相模型

欧拉—拉格朗日法着眼于流体单个质点，描述每个质点的整个运动过程及质点位置随时间的变化规律。它将流体当作连续相，颗粒视为离散相，分别在欧拉坐标系和拉格朗日坐标系下研究连续相与离散相的运动，即颗粒轨道模型[6]。

本文应用Fluent中与拉格朗日法对应的离散相模型(Discrete Phase Model)对MQL切削流场进行数值模拟。离散相模型直接求解连续相时均N-S方程，得到流场中粒子、气泡或是液滴的运动状态，离散相和连续相之间存在动量、质量和能量的交换。粒子或液滴的计算相互独立，被安排在连续相计算的指定间隙完成。因此，离散相模型可以模拟液滴的迸裂、合并以及不同颗粒性状引起的颗粒曳力系数的变化[7]。

1.2 几何建模与网格划分

文中主要研究润滑油添加前、后切削流场分布情况以及润滑油参数对冷却效果的影响。文献[8]表明，加工过程中工件转速产生的扰动对MQL切削流场并无显著影响，故简化后的模型及其参数设定为：喷嘴(φ4×20mm)、工件(φ15×10mm)及流场区域(φ180×150mm)。在Gambit完成几何建模，并对计算区域进行流体、固体区域划分，定义边界条件，如图1a所示。最后，分别采用Quad/Map结构网格和Quad/Tri/Pave非结构网格对喷嘴、工件和流体区域进行网格划分，网格总数为33149，如图1b所示。

图1 模型计算区域和网格划分示意图

1.3 求解步骤及相关参数设定

离散相模型(DPM)包括连续相和离散相：压缩气体为连续相，润滑油为离散相。求解时，先对连续相运动进行计算，残差收敛后，添加离散相射流源Injection，继续求解混合射流的耦合流动。相关参数设置如表1所示。

表1 Fluent求解相关参数

2 仿真结果及分析

图2 MQL速度场分布

图3 MQL温度场分布

图2a可以看出，喷口处的高压冷风速度略低于300m/s的理论值。这是由于喷口处高压冷风与喷口内壁存在较大摩擦所致，冷风在喷出前速度就已经明显存在“以喷嘴轴线为中心呈对称分布，中间速度大，外围速度小”的规律。而且，冷风从喷嘴喷出后，巨大的压力差使得冷风射流产生向周围扩散的趋势。故而，喷出后气流直径远远大于喷嘴直径。

图2b可以看出，在加入润滑油后，混合射流与工件碰撞之后的速度分布与冷风射流存在较大的差异。这是因为，润滑油与冷风射流存在动量和能量的传递，使得混合射流在质量和能量上较冷风射流更加凝聚，与工件碰撞瞬间，与工件再次发生较大的能量转换，射流的速度迅速降低。但是由于混合射流较强的凝聚性，并未出现图2a中射流向工件四周大范围扩散的现象。

由图3可知，添加润滑油前后的温度场分布差异显著。图3a中温度场范围较大，几乎覆盖整个计算区域，并且呈非规则对称形态，工件的表层温度为353K(约80℃)：图3b的温度场则相对规则、范围较小，而工件表层温降至335K(约62℃)。这是因为：添加润滑油前，冷风射流在接触高温工件后，立即产生热量的转移，工件温度得到降低，而工件的热量也随着冷风大规模扩散到周围环境，对环境的温度分布产生较大的影响；添加润滑油后，气流的压力、速度更加集中，与工件壁面碰撞后质量的损耗较大(主要是液滴与高温壁面的动量交换与热交换)，由于雾化后的液滴颗粒直径集中在50～200μm之间，绝大部分雾滴与工件碰撞过程中迅速汽化并与高温壁面发生强迫换热作用，故而混合射流与工件的热交换能力显著增强，工件的降温效果更明显。

3 不同润滑油参数下的切削温度变化情况

表2 润滑油参数设置

利用单因素试验法对钛合金TC4进行MQL车削模拟试验。工件切削区域温度为600K，冷风温度为263K，其它各润滑油参数保持不变仅变动其中一个参数的数值，观察此参数变化时对工件冷却效果产生的影响。

图4 润滑油参数对切削温度的影响

图4为润滑油参数对TC4钛合切削温度的影响。图中可以看出：润滑油比热容、导热系数、动力粘度呈近似的线性变化。各参数对TC4钛合金冷却效果的影响方式不尽相同，其中工件温度：随着润滑油比热容、导热系数的增大而减小，随着润滑油动力粘度的增大而增大，随着润滑油用量的增大呈现先减小后增大的变化规律，并且在105ml/h冷却效果接近最佳。

这是由于：喷雾在高压气体作用下冲击切削区域表面气障层，进入传统切削液难以渗入的狭小切削区域，取得强化换热的效果。润滑油的导热系数越大，单位质量的液体能够转移的热量越大，而润滑油的比热容则是对热量吸收能力的标识，其数值越大则表明雾滴在高温壁面汽化时吸收的热量越多。而液滴粘度对导热系数和比热容在数值上存在一个近似反比的关系，即粘度越大，导热系数和比热容越小。所以，工件温度与润滑油的关系呈现出上图4a、4b、4c中的变化规律。

并且喷雾冷却中两相流体有较高的压力，能及时将大量的热量带走，进一步增强了降温效果，故而润滑效果和冷却效果较好，切削性能提高。所以，压缩气体的速度越大，相同时间内进行换热的冷空气越多，能够带走的热量越大，冷却效果越佳。然而，随着润滑油用量的增加，雾化效果降低，油滴尺寸变大，被喷射出的速度减小[9]。而雾滴直径和雾滴速度往往决定着渗入狭小车削区的雾滴量，从而影响车削表面的有效换热量[10]。并且，随着润滑油用量的持续增加，液滴碰撞工件表面后“溅射”的雾滴数量越多，其换热量并不能得到进一步的提升。所以，当润滑油用量超过某一值后，反而导致切削区域不能充分供油，冷却效果得不到明显提升。

4 结论

(1)冷风在喷出前速度就已经明显存在“以喷嘴轴线为中心呈对称分布，中间速度大，外围速度小”的规律，从喷嘴喷出后，较大的压力梯度使得冷风射流产生向周围扩散的趋势。故而，喷出后气流直径远远大于喷嘴直径。因此，若从加强雾化气流凝聚性的角度考虑，可在不影响实验可行性的前提下适当降低雾化喷嘴直径以提高MQL雾化效果。

(2)添加润滑油前、后温度场分布差异显著：添加润滑油前的温度场范围较大，几乎覆盖整个计算区域，并且呈现不规则对称形态；添加润滑油后的温度场则相对规则、范围较小。并且，添加润滑油后对工件的降温效果得到明显的提升。

(3)各参数对TC4钛合金冷却效果的影响方式各不相同，润滑油比热容、导热系数、动力粘度与切削温度呈近似线性关系：切削温度随润滑油比热容、导热系数的增大而减小，随着润滑油动力粘度的增大而增大；切削温度随着润滑油用量的增大呈现先减小后增大的变化规律，并且在105ml/h冷却效果接近最佳。

[1] 严鲁涛，袁松梅，刘强.绿色切削高强度钢的刀具磨损及切屑形态[J].机械工程学报， 2010，46(9)：187-192.[2] 张春燕，王贵成，马利杰,等.最小量润滑精密车削中切削液的渗透性[J].农业机械学报，2009，40(5)：194-198.

[3] 严帅，王明建，胡小康,等.基于DEFORM-3D的钛合金切削仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014(10):135-141.

[4] Lopez De Laealle L N，Angulo C，Lamikiz A. Experimental and numerical investigation of the effeet of spray cutting fluids in high speed milling[J]. Journal of Materials Procession Technology ，2006:172(1)：11-15.

[5] 沈玉杰，裴宏杰，王贵成.MQL外圆车削数值模拟及流场分析[J].机械设计与制造，2012 (8)：208-210.

[6] 张鸣远.流体力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[7] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[8] 姜立.微量润滑的流场分析及应用于外螺纹车削的试验研究[D].上海:上海交通大学，2013.

[9] 汤羽昌，何宁，赵威，等.基于微量润滑的两级雾化仿真与试验研究[J].工具技术，2013，47 (1)：3-6.

[10]毛聪，邹洪富，黄勇,等.微量润滑平面磨削接触区换热机理的研究[J].中国机械工程，2013， 25(6)：826-831.

(编辑 李秀敏)

MQL Cutting Experimental Study Based on the Discrete Phase Model

ZHAO Li-gang，XU Na，ZHANG Chun-yan

(School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

Based on the Discrete Phase Model of Euler-Lagrangian， a cylindrical turning model of the MQL cutting TC4 Titanium alloy was gave. The FLUENT software was used to carry out the numerical Simulation of cooling effect for different spray parameters of lubricating oil. The distribution of flow field was researched when and after adding the lubricating oil and the influence rule of cooling effect was discussed when spray parameters changed. The simulation results showed that， after adding oil， the pressure and temperature field would change significantly，nevertheless the velocity field almost the same. And the influence of cooling effect ware different when spray parameters changed.

discrete phase model;Fluent numerical simulation;distribution of flow field;spray parameters

1001-2265(2016)11-0021-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.006

2016-01-04

赵礼刚(1978—)，男，江苏苏州人，江苏科技大学讲师，工学博士，研究方向为精密加工与特种加工，(E-mail)zhaoligang@just.edu.cn。

TH142；TG501.3

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