高速湿式铣削加工切削区混合流体场研究

摘要

当前，高速、内冷却湿式加工已经成为高端生产线的发展趋势。高速湿式铣削加工过程中，刀具切削区混合流体场十分复杂，需要对其进行深入研究。刀具自身高速旋转，切削液自内冷却孔喷出，切屑自刀尖位置处切离工件。内冷却孔喷射出的切削液撞击加工孔底之后，与孔底反弹回流能量进行部分抵消。产生的切屑颗粒在部分能量抵消的切削液与刀具旋转共同作用下，撞击刀具表面和工件表面，并被运移出切削区。切屑颗粒的撞击以及切削液的冲刷，会在一定程度上影响工件的加工质量，加剧刀具破损，降低刀具使用寿命。目前对于刀具流场的研究主要是以下几个方面:刀具旋转所带动的周围空气流场变化、侧铣过程中刀具周围流场变化以及未旋转内冷刀具的自由出流。研究方面都相对比较单一，未能将刀具旋转与内冷却孔喷射切削液共同考虑在内。本文以硬质合金内冷立铣刀切削加工过程为研究对象，以有限元理论和计算流体动力学为基础，结合螺旋铣孔实验，创建高速湿式铣削加工切削区混合流体场模型，对比实验与仿真结果分析探讨混合流场作用下的刀具破损机理。
　　首先，建立不同内冷却孔的立铣刀几何模型。依据刀具实际铣削情况，建立高速湿式铣削加工切削区混合流体场模型，对流道进行抽取，将刀具表面设置为movingwall，采用滑移网格模型对旋转流场进行仿真，运用DPM离散相模型对切屑颗粒运动轨迹进行仿真，发现切屑碎片在排屑过程中，多次与刀具表面和工件表面碰撞。
　　其次，借助Fluent对切削区混合流体场进行仿真。在刀具铣削过程中，各切削刃与铣削孔壁所构成的流场封闭空间不一致，各切削刃流场存在差异化。切屑自刀尖位置切离工件之后，经过多次回弹撞击铣刀后刀面和工件表面后被切削液带出切削区。流体介质、刀具自身转速、喷射压强、内冷却孔、直径的不同，流场分布各不相同。
　　再次，进行了高速湿式螺旋铣孔单因素实验。对实验后的工件表面质量进行测量，对实验结果进行分析，得出了各铣削参数对工件表面质量的影响规律。发现双螺旋内冷却孔加工质量优于双直内冷却孔，刀具转速达到12000r/min之后，铣削流场发生变化。流场空间大小、铣削时间对流场分布也有一定影响。
　　最后，采用日立S-4800扫描电子显微镜对铣削实验立铣刀表面微观破损形貌进行观测，对刀具破损机理进行分析。通过仿真所得图片与刀具微观破损形貌对比分析，验证流场对刀具破损的影响。
　　通过对切削区流场进行建模和流道抽取，运用DPM模型模拟得到了颗粒运动轨迹，以及高速内冷却铣削试验研究，获得了刀具切削区流场对立铣刀和工件表面质量的影响规律，为进一步研究流场对刀具寿命影响提供理论支持;另一方面是切削区混合流体场特性，进一步丰富了旋转射流理论。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究意义和目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高速切削和内冷加工研究

1．2．2 旋转机械流体场研究

1．2．3 螺旋铣孔实验研究

1．2．4 刀具破损机理研究

1．3 课题来源和主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 课题主要研究内容

2 高速立铣流场建模

2．1 Gambit软件

2．2 刀具流场模型建立及网格化

2．2．1 流场模型的建立

2．2．2 流场模型的网格化

2．3 求解模型

2．3．1 确定湍流模型

2．3．2 控制方程和离散方法

2．3．3 离散相模型与滑移网格

2．4 边界条件的确定

2．4．1 入口边界条件

2．4．2 出口边界条件

2．4．3 壁面边界条件

2．5 本章小结

3 高速湿式铣削加工切削区混合流体场分析

3．1 刀具横刃流场分析

3．2 切屑轨迹流场分析

3．3 不同流体介质

3．4 不同压强

3．5 不同内冷却孔

3．6 不同刀具转速

3．7 不同直径

3．8 后刀面压强分析

3．9 本章小结

4 螺旋铣孔切削实验

4．1 实验目的

4．2 实验设备及测试仪器

4．3 实验设计

4．4 实验数据的处理

4．4．1 不同内冷孔刀具加工孔表面的影响规律

4．4．2 不同转速刀具加工孔表面的影响规律

4．4．3 不同直径刀具加工孔表面的影响规律

4．4．4 不同铣削时间加工孔表面的影响规律

4．5 本章小结

5 切削区混合流体场对刀具破损作用机理研究

5．1 概述

5．2 立铣刀破损形态及机理分析

5．3 切削区混合流场对刀具破损影响机理

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．1．1 主要工作内容

6．1．2 主要创新点

6．2 存在的问题及展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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