梁向東,萬曉航,胡孟謙,解景浦,胡紀雄

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學工業(yè)基礎(chǔ)教學部,石家莊 050091)

0 引言

高溫合金等難加工材料的切削性能較差,通常使用切削液改善加工質(zhì)量。隨著制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展步伐的加快,高效、綠色的冷卻潤滑加工方式已逐步開發(fā)使用。近些年出現(xiàn)的低溫切削、微量潤滑(MQL)切削[1]、高壓冷卻加工[2]等綠色加工技術(shù)能顯著提升切削性能,并減少切削液用量。低溫切削是將液氮、低溫CO2等冷源引入加工過程用以降低加工區(qū)溫度,改善加工質(zhì)量。其中液態(tài)CO2噴注至加工區(qū)會產(chǎn)生干冰微顆粒/CO2氣體的混合物,在低溫冷卻的同時具備一定潤滑性能;MQL是將壓縮氣體與少量切削液混合后通過噴嘴霧化后噴入到加工區(qū)實現(xiàn)潤滑。將MQL和高壓CO2結(jié)合[3],顯示出在改善難加工材料加工性能、提升加工質(zhì)量和效率方面的巨大優(yōu)勢;高壓冷卻加工是將切削液壓力升高,增強切削液滲透力,進而提升冷卻潤滑效果。目前,部分學者針對上述不同冷卻潤滑加工方式開展了切削性能研究與仿真計算[4-8]。

在諸多的冷卻潤滑介質(zhì)中,高壓CO2,尤其是超臨界CO2是目前公認的“綠色溶劑”,既能作為溶劑溶解切削液,又可作為冷卻介質(zhì)實現(xiàn)強效冷卻,同時起到隔氧保護作用,具有較大開發(fā)潛力?？傮w來看,目前以高壓CO2作為冷源的冷卻加工計算鮮有研究。冷卻介質(zhì)與工件和刀具間的對流換熱過程以及相關(guān)的熱力學行為往往缺少分析,相關(guān)參數(shù)多為直接選取,致使諸多工藝參數(shù)之間彼此獨立缺少關(guān)聯(lián),限制了工藝提升和拓展?；诖?本文開展高壓CO2冷卻切削有限元計算與研究,以鎳基高溫合金GH4169[9]為加工對象,考察各工藝參數(shù)和條件對切削性能的影響。

1 冷卻加工工藝參數(shù)確定

CO2冷卻加工過程中,CO2的噴射壓力、噴射速度以及對流換熱系數(shù)等參數(shù)之間具有重要聯(lián)系。需要結(jié)合CO2熱力學狀態(tài)以及流體運動方程、傳熱學模型,確定冷卻加工工藝參數(shù)的計算原則,建立工藝參數(shù)之間的聯(lián)系。

二氧化碳具有可壓縮性,如不考慮粘性影響,管路上游截面(截面1)至噴嘴(截面2)的機械能守恒方程可用式(1)表示:

(1)

式中:z1、z2為截面1、2對應(yīng)的高度,u1、u2分別為截面1和2對應(yīng)的流速。

(2)

為方便工程計算,對式(1)和式(2)做部分簡化。對于壓力射流,將初始速度u1,常壓p2以及位能的變化忽略,最終簡化為式(3):

(3)

介質(zhì)的噴射速度會影響對流傳熱強弱,進而影響加工過程中的冷卻效能,可使用表面對流傳熱系數(shù)的計算式(4)表示[10]。

(4)

式中:努塞爾數(shù)Nu是反映對流換熱強度的無量綱數(shù),雷諾數(shù)Re是表征流體流動情況的無量綱數(shù),普朗特數(shù)Pr是表示動量擴散能力與熱量擴散能力比值,c、n為常數(shù)。由式(4)可以建立噴射速度與對流傳熱之間的關(guān)系。

2 切削過程有限元建模

2.1 材料模型

切削加工過程涉及熱力耦合,需要選擇合適的材料模型。Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)方程可用于描述大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫環(huán)境下的金屬材料強度極限和失效過程,模型考慮了流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率以及溫度之間的關(guān)系,可以較好的描述加工變形中的應(yīng)變率強化、加工硬化和熱軟化效應(yīng)[5],在金屬切削仿真中應(yīng)用較多,本構(gòu)模型由式(5)所示。

(5)

表1 GH4169的J-C本構(gòu)模型參數(shù)

GH4169密度為8240 kg/m3,線膨脹系數(shù)為1.3×10-5℃,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。此外,GH4169在不同溫度下的比熱容、熱導率[11]如表2和表3所示。

表2 不同溫度下GH4169的比熱容

表3 不同溫度下GH4169的熱導率

2.2 摩擦模型

在切削過程中,工件與刀具之間的摩擦力對切削力和切削溫度等重要參數(shù)有著顯著影響。使用Coulomb摩擦模型來實現(xiàn)滑動外摩擦,由式(6)所示,采用切屑物理分離準則以符合實際的切削狀態(tài)。

Ff≤μFn

(6)

式中:Ff為摩擦力,Fn為表面施加的法向力,μ為摩擦因數(shù)。

2.3 工藝參數(shù)設(shè)置

工件的材料為鎳基高溫合金GH4169,工件高度5 mm,長度10 mm;刀具為硬質(zhì)合金材料,切削刃半徑0.4 mm,前角5°,后角10°;加工參數(shù)取進給量0.15 mm/r,背吃刀量0.6 mm,切削速度為100 m/min,切削長度5 mm,初始溫度20 ℃。CO2冷卻加工計算時,需要考慮CO2的噴射壓力、噴射角度、噴嘴半徑以及對流換熱系數(shù)等工藝參數(shù),其中噴射壓力與對流換熱系數(shù)、噴射速度之間具有關(guān)聯(lián)。為了對比分析,在研究CO2直接冷卻加工基礎(chǔ)上,也考察了干切、澆注式切削、CO2冷卻潤滑切削3種加工方式。摩擦系數(shù)干切取0.6、澆注式切削取0.3[12]。高壓CO2在噴射時產(chǎn)生氣體+干冰微顆粒,干冰顆粒具有磨粒潤滑效果,而高壓氣體可使加工表面處于相對光滑狀態(tài),因此將CO2直接冷卻的摩擦系數(shù)取為0.3。CO2冷卻潤滑是將少量潤滑劑(切削液)加入到高壓CO2體系中,因此體系密度增加,潤滑效果得到提升,故摩擦系數(shù)取為0.15。

2.4 網(wǎng)格劃分

對工件和刀具模型采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分,根據(jù)仿真過程的變化適時調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)。比如在切屑形成和分離過程中網(wǎng)格密度會不斷調(diào)節(jié),避免網(wǎng)格畸變,以提高仿真計算精度和效率。該設(shè)置在進行大變形分析時具有巨大優(yōu)勢。模型中刀具網(wǎng)格單元最大為0.1 mm,最小為0.02 mm,網(wǎng)格梯度設(shè)定為0.4,網(wǎng)格梯度描述了由粗網(wǎng)格到細網(wǎng)格過渡的快慢程度。工件網(wǎng)格設(shè)置中,綜合考慮數(shù)值計算精度和計算時間,設(shè)置最大單元尺寸為0.1 mm,最小單元尺寸為0.02 mm。計算模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計算模型的網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與討論

3.1 材料模型

本節(jié)考察不同材料模型對切削性能的影響。軟件自帶材料庫,可選擇其中GH4169(Inconel 718)材料,該模型為線彈性模型。根據(jù)自定義設(shè)置,構(gòu)建J-C本構(gòu)模型,同時考慮熱導率、比熱容隨溫度變化的J-C本構(gòu)模型。

圖2和圖3分別為主切削力、切削溫度隨切削長度變換規(guī)律。由于加工過程中存在振動,加工表面并不絕對光滑等因素,使切削力和溫度產(chǎn)生小范圍波動,為方便分析給出了濾波后曲線圖。由圖2可以看出,主切削力隨切削長度的增加首先線性增加,在達到最大值后有所下降,最終穩(wěn)定在一個水平上。其中大浮動的波動處,存在切屑截面瞬時變小引起折斷的現(xiàn)象。

圖2 切削力隨切削長度變換規(guī)律 圖3 切削溫度隨切削長度變換規(guī)律

考慮材料參數(shù)隨溫度變化的J-C本構(gòu)用J-C(T)表示。由圖可以看出,選用材料庫自帶材料模型計算的主切削力和溫度均高于J-C本構(gòu)模型,這是因為自帶材料模型為線彈性本構(gòu)模型,未考慮材料的塑性流動和應(yīng)變強化效應(yīng),因此切削力較大,在切削過程中的切削力和溫度波動也較大。J-C模型與J-C(T)模型計算結(jié)構(gòu)較為接近,J-C(T)模型計算的切削力略大一些,這是由于比熱容和熱導率隨溫度升高而增加,強化了傳熱和熱擴散,局部溫度相比J-C模型計算值偏低,熱軟化程度較低,切削力較大。J-C(T)模型計算的溫度相較J-C模型略低一些,隨切削長度增加溫差增大,并穩(wěn)定在40℃左右。本文的計算均基于J-C(T)模型,后續(xù)數(shù)據(jù)分析均按濾波后的平均水平選取。

3.2 加工方式

加工方式對切削力與切削溫度的影響,如圖4所示?？梢姼汕惺郊庸さ臏囟茸罡?可達到862 ℃。澆注式、CO2直接冷卻、CO2微量潤滑加工的溫度依次降低。CO2微量潤滑加工溫度最低,相比干切溫度降低約150 ℃。切削力方面,隨著切削長度增加,切削力先達到峰值,隨后達到穩(wěn)定階段。從峰值力來看,干切、澆注式、CO2直接冷卻、CO2微量潤滑依次減少。干切加工峰值力最大,CO2微量潤滑加工峰值力最小。當切削力達到穩(wěn)定階段后,干切和澆注式切削相近,最大可達418 N。CO2直接冷卻、CO2微量潤滑的主切削力依次降低,CO2微量潤滑最低,為341 N。由此可見,高壓CO2冷源介入后,切削力和溫度整體降低。這是因為高壓CO2在噴射時產(chǎn)生氣體+干冰顆粒,干冰顆粒起到磨粒潤滑效果,低溫氣體則強化了對流傳熱。另外,高壓CO2射流沖擊切屑,促進斷屑,減少了進給方向的阻力,進而減少了切削力。

圖4 加工方式對切削力與切削溫度的影響 圖5 工件殘余應(yīng)力分布

圖5為不同加工方式下沿工件厚度方向的殘余應(yīng)力分布,取Mises應(yīng)力作為等效應(yīng)力來分析。由于在距離加工表面較近處的應(yīng)力波動較大,故將該范圍內(nèi)的應(yīng)力重點考察?？梢钥闯?干切、澆注、CO2直接冷卻、CO2微量潤滑加工產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力值依次降低。干切加工的表面殘余應(yīng)力最大,達到了845 MPa,使用澆注加工后得到一定改善。當CO2介入后,表面殘余應(yīng)力有明顯降低。使用CO2直接冷卻時,殘余應(yīng)力相較干切加工降低41%,使用CO2微量潤滑加工時,殘余應(yīng)力相較干切加工降低78%,表面殘余應(yīng)力得到顯著改善。對比分析結(jié)合圖4的結(jié)果可知,干切加工較大的切削力與切削溫度,導致加工表面呈現(xiàn)出較大的殘余應(yīng)力。

隨著距離加工表面深度的增加,殘余應(yīng)力呈現(xiàn)小范圍內(nèi)的急劇降低和升高,隨后繼續(xù)降低直至基本平穩(wěn)。在距離加工表面0.06 mm位置附近,殘余應(yīng)力均有一定幅度的降低,其中澆注加工和CO2直接冷卻加工的降低幅度較大,但總體上干切加工的殘余應(yīng)力較大,CO2加工的殘余應(yīng)力較低。在距離加工表面0.15 mm位置附近,殘余應(yīng)力急劇增加,CO2加工的殘余應(yīng)力值相對偏高,干切加工相對較低。

3.3 冷卻加工參數(shù)

噴射角度對切削力和溫度的影響規(guī)律如圖6所示。在95°～35°范圍內(nèi),除在105°時切削力和溫度有微小增長,切削力和溫度總體呈現(xiàn)先降低后增加的“V”型變化趨勢,在120°時切削力和峰值力達到最低值,115°時溫度達到最低。

圖6 噴射角度對切削力和溫度的影響 圖7 噴射壓力對切削力和溫度的影響

噴射壓力對切削力和溫度的影響規(guī)律如圖7所示。由圖可知,切削力、峰值力和溫度均隨著噴射壓力的增加而減少。其中從15 MPa到20 MPa變化時,溫度急劇減少?？紤]到實際工況下的設(shè)備能耗與強度,不再考察更高的壓力值。

噴嘴半徑對切削力和溫度的影響規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯?隨著噴嘴半徑的增加,切削力和峰值力有明顯減小,然后小幅度波動,但總體保持一個相對較低的水平范圍。當噴嘴半徑為1 mm時,切削力與峰值力達到最低。切削溫度隨著噴嘴半徑的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。

圖8 噴嘴半徑對切削力和溫度的影響 圖9 不同CO2冷卻加工方式對切削力與溫度的影響

通過考察各工藝參數(shù)對切削力和切削溫度的影響規(guī)律可以看出,噴射壓力對切削力和溫度的影響呈現(xiàn)單調(diào)性變化。噴射角度、噴嘴半徑以及噴嘴位置對切削力和溫度呈現(xiàn)出非單調(diào)性,切削力和溫度在一定范圍內(nèi)存在最值,并且最低溫度和最小切削力不完全對應(yīng)。

圖9為噴射壓力20 MPa、噴嘴半徑1 mm,噴射角度為120°和115°時,CO2直接冷卻和CO2冷卻潤滑加工的對比?？梢钥闯?相同工藝條件下,CO2冷卻潤滑加工的切削力和溫度均比CO2直接冷卻更低。

3.4 切削狀態(tài)與切屑形貌

切削仿真可以更為直觀形象的觀察切削過程。圖10為干切時的切削狀態(tài)與切屑形貌。圖10a為Mises應(yīng)力云圖,可以看出最大切削應(yīng)力出現(xiàn)在刀具與工件接觸部,且呈輻射式向周圍遞減擴散,刀具的前刀面總體應(yīng)力水平較高。已加工表面附近存在高應(yīng)力區(qū),隨著距離表面深度的增加,應(yīng)力逐漸降低,應(yīng)力分布可參考圖5。圖10b為溫度云圖,可以看出最大溫度集中在第一、第二變形區(qū),刀具上的溫度成輻射式遞減分布,刀尖上溫度最高。切屑呈帶狀并隨刀具移動而逐步發(fā)生卷曲,可用切屑弧長對應(yīng)的圓半徑作為卷曲半徑,以此衡量切屑變形情況。

(a) Mises應(yīng)力云圖 (b) 溫度云圖圖10 干切加工狀態(tài)

圖11為噴射角度115°、噴嘴半徑1 mm條件下不同噴射壓力下的切削狀態(tài)與切屑形貌。由于計算不考慮切屑受自身擠壓或其他載荷擾動而折斷,因此仿真中的切屑有時保持模型上的連續(xù),不符合實際加工的狀態(tài),需要在仿真過程中判斷折斷點。圖中箭頭處為切屑發(fā)生卷曲變形的臨界點,切屑在該點處截面縮小,不再卷曲而發(fā)生折斷。可以看出,切屑折斷處的溫度較高,也容易使切屑變形分離。由圖11可知,隨著噴射壓力的增加,切屑卷曲半徑減小,且更易斷屑。這是因為在壓力作用下,切屑承受的彎矩增大,彎曲應(yīng)力與應(yīng)變增加,使切屑的彎曲程度增加進而易于折斷。在實際加工時,切屑會受到噴射介質(zhì)沖擊快速卷曲變形、折斷,并被吹離加工區(qū)域,減少了切屑纏刀和粘刀。

圖11 不同噴射壓力下的切削狀態(tài)與溫度云圖

4 結(jié)論

基于有限元軟件研究了高溫合金GH419的高壓CO2冷卻切削過程,考察了各工藝參數(shù)對切削性能的影響,得到如下結(jié)論:

(1)上游冷卻介質(zhì)的熱力學行為,會影響下游機械加工性能的改善。CO2壓力與溫度會影響冷卻介質(zhì)密度、噴射速度(流速)以及對流換熱系數(shù)等參數(shù),進而影響冷卻潤滑效果,根據(jù)傳熱模型和流體運動方程可定性建立各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)。

(2)相比干切和澆注式切削,高壓CO2冷卻加工能顯著改善切削性能。噴射壓力對切削力和溫度的影響呈現(xiàn)單調(diào)遞減的變化。噴射角度、噴嘴半徑以及噴嘴位置對切削力和溫度呈現(xiàn)出非單調(diào)性,切削力和溫度在一定范圍內(nèi)存在最低值,并且最低溫度和最小切削力不完全對應(yīng)。殘余應(yīng)力在不同的工藝參數(shù)下呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律,在一定范圍內(nèi)存在最低值。

(3)適當增大噴射壓力,會減小切屑卷曲半徑,有助于切屑斷屑,避免纏刀粘刀。