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低温MQL流体动力学分析及冷却润滑性能研究

邹林涛  
【摘要】:近年来,随着高性能机床的发展和超硬刀具材料的出现,高速加工技术应用越来越广泛。硬态铣削技术(对处于淬硬状态的模具钢进行高速铣削),引起了模具制造业的兴趣。AISI H13模具钢在高温、高压、热冲击等极端条件下服役,对表面的几何完整性、物理完整性要求较高,而刀具磨损对已加工表面的表面完整性影响较大,因此提供较好的冷却润滑条件降低切削力、减小刀具磨损对提高工件表面完整性和延长刀具使用寿命具有重要意义。本文围绕低温MQL的计算流体动力学和冷却润滑性能进行了研究。 研究了喷嘴及其下游流场的计算流体动力学特性。根据实际情况,确定了低温MQL喷嘴流体动力学仿真模型的边界条件,选择了适合本模型的网格、离散方法、求解方法等,并且通过实验验证了仿真模型的准确性。设计了以出口直径、介质流量、入口直径、介质温度为因素的正交试验,发现对喷嘴下游流场速度和温度影响程度大小依次为出口直径、介质流量、入口直径、介质温度和介质温度、出口直径、入口直径、介质流量,综合分析以上结果,入口直径为8.5mm、出口直径为3mm的喷嘴以及较高的介质流量和较低的介质温度有助于低温MQL发挥冷却润滑作用。 结合切削力实验研究了铣削AISI H13钢条件下低温MQL的流体动力学特性。设计了以喷嘴与刀尖的距离、喷嘴轴线与铣刀轴线夹角、介质流量以及介质温度为因素的单因素实验,从计算流体动力学方面预测了各个因素对低温MQL冷却润滑效果的影响。进行了铣削H13钢实验,并采集切削力,发现随着喷嘴和刀尖距离的增加x、y切削力均呈现增大趋势,平均摩擦系数增高,即距离的增加不利于低温MQL发挥冷却润滑作用;随着介质流量的增加平均摩擦系数减小;润滑油的用量对切削力、平均摩擦系数的影响最大,随着润滑油用量的增加切削力有较大幅度的减小。 研究了铣刀不同内冷却孔下游流场的速度和温度情况。对单直孔铣刀来说,铣刀较低的旋转速度对内冷却孔下游流场的速度和温度影响非常微弱,从双直内冷却孔喷出的切削介质流线在距离喷嘴出口5mm处融为一体,从双螺旋内冷却孔喷出的切削介质流线没有明显的规律,并用风速实验对部分仿真结果进行了验证。从计算流体动力学方面预测了铣削过程中各种内冷却孔的冷却润滑效果,切削介质很难到达切削区域而不能发挥冷却润滑作用,用实验的方法,从切削力方面验证了仿真结果的正确性。在以上研究的基础上,设计了有利于切削介质到达切削区域的内冷却孔。


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