通过模拟来改善润滑和冷却效果


日期:2017/11/21 来源:MM《现代制造》

在金属加工中,使用冷却润滑剂是提高生产质量和效率的一种传统方法。这种效果可以通过冷却润滑剂所达到的实际效果和对切削区切屑排放的改良而得以实现。

但是自近些年以来,与干式加工方法相比,湿式加工方法在使用数量上却呈下降趋势。为了使冷却润滑剂的应用达到更加优化的地步,除了若干实验性的试验之外,还应用了两种成熟的模拟技术方法,即对切削的有限元模拟方法和流体模拟方法(CFD)。

针对加工质量和刀具磨损等问题,研发出了与生产流程相适应的冷却润滑剂高效应用策略。采用多少剂量润滑剂的加工流程才算是有价值的?对于此类问题,要视生产流程参数和切割材料与部件材质的匹配程度,方可作出决定。

图1 测定切削流程中冷却润滑效果的模拟技术工艺

通过模拟试验把握切削作业的综合程度

金属切削理论表明,切削流程中的热力机理和动态负荷会对被加工材料的切割与流动性能产生影响。切削流程的试验和分析结果揭示了很高的局部变形率(应变率)和切割区域(视具体不同的流程、切割材料和部件材料)的明显变化。在切削加工中使用冷却剂和润滑剂,可以降低因加工作业而产生的热量。润滑剂则通过降低次级剪切区域切削与自由面上的摩擦程度而对热量产生影响。当冷却润滑剂的流量较大时,所有切削区域的变形热和刀具与工件上的热量都会趋于降低。切削温度的降低可以帮助刀具维持在其原有的几何外形上,以便在更长时间内继续实施加工作业。这就意味着更长的刀具使用年限和更好的加工质量。

但是,冷却润滑剂也会对切削温度产生局部影响。诸如切割和进给速度以及切割几何外形变量(如切割边缘曲率半径、切屑和楔角)等方面的流程参数,首先决定了切割作业的基本条件和热量源的位置。此外,待加工材料和切割材料的特性(热传导性能、延展性、硬度和热容等)也确定了热分布的其他物理边缘条件。

图2 镗孔过程中的加工温度演变可以根据FE模拟试验而测得(图左)。冷却润滑介质与切削流程之间的的CFD热传导模拟试验(图右)可以给出示范性的试验结果。刀具数据由(JSD)Jakob Schmid公司所提供

流体模拟试验可对冷却润滑效果定量分析

借助于切削模拟工作,可以识别出工艺参数、切割几何外形和材料特性等多个方面变量的热影响程度。此外,也可以以曲线图和杂色图的方式对切屑形成和切屑形状以及加工温度和加工力数据作出预估。由此可以得出刀具和加工流程的特征和可优化潜力,这些潜力可以很快速地被应用到后续的迭代磨削上,且费用低廉。为了获得冷却润滑效果与冷却润滑介质的体积流量和物理特性等相互关系的定量分析结果,在弗劳恩霍夫IPA公司进行了流体模拟(CFD)试验。对于金属切削模拟,需要用到特别的材料模型。该模型包含了待加工材料在高温和高膨胀率下的膨胀之间的相互关系。

今天,有针对此目的的各种不同的物理和半分析材料模型可供采用。针对已知金属材质(如C45、Al6061、Ti6Al-4V和X5CrNiMo17等)的大量理论研究和模型已经具备,并构成金属切削模拟试验的基础。这种基础条件在很大程度上有赖于对刀具热负荷和机械负荷、切屑生成及其形态与加工参数的相互关系的预测。在这方面,有限元方法是一种最常见的数字计算方法。

由于切削流程的FE模拟可以确定出温度源的强度和位置,例如在镗孔模拟过程中,通过CFD模拟即可计算出冷却效果。从FEM中所得出的热源可被用作CFD模拟的边缘条件。CFD模拟可以得出冷却介质与加工流程之间的热交换程度。例如Jakob Schmid公司便在一把带有直径为1.25 mm的双冷却通道的8 mm镗刀上获得此类模拟结果。从结果中可以看出,热交换可以对切削区域的温度和切削流程的流动性产生影响。在FEM中,可以通过刀具与工件之间临界层的摩擦比等特性,对诸如温度下降和切削力降低等方面的润滑效果作出相应考量。因此,在进行验证试验之前,首先可以对与加工要求相对应的所需的流量进行模拟测试。

通过在切削技术中融入使用模拟技术工艺,可以节省企业的试验和研发费用,例如刀具与材料费用、机床设备占用时间、样机制造时间和费用以及人员费用。此外,研发时间明显缩短,也无需中断企业自己的生产资源。如今,金属切削模拟已经成为了解切削流程并充分挖掘优化潜力的一种优越的手段。

图3 可以通过模拟试验对冷却润滑剂的传统使用方式进行优化

加快构建研发工作试验平台

通过对切削流程的观察,可以同时对多个变量进行系统分析,以便为后续的研发工作确定出变量之间的清晰的相互关系。为了达到高分辨率的金属切削模拟效果,只需要具备刀具的几何外形数据(带step-、igs-或stl-格式的CAD文件)即可。此类数据需要准备好,然后被纳入到模拟模型中去。对流程条件进行设定,然后对流程进行模拟。由此可以对各种不同的流程变量(流程参数、切削几何外形和润滑材料等)进行试验和探索。

对试验结果(可以用曲线图或杂色图方式表达切屑构成图、加工温度和加工力)进行整理并提交给设计部门,供其探讨。通过这种方式,便可判断出新型刀具和生产流程优化的后续研发步骤。