基于气泡雾化小量润滑切削技术研究

论文摘要

随着计算机技术和自动控制技术的发展,在金属切削加工中的辅助时间大为缩短,刀具因磨损而导致的频繁换刀时间已成为制约提高切削加工效率的主要因素。长期以来,人们习惯于用切削液冷却、润滑刀具来减小刀具磨损。然而,随着环境保护及可持续发展要求的不断提高,传统浇注式切削液的使用越来越受到限制,迫切需要研究开发新的绿色冷却润滑方式,以满足切削加工效率不断提高的要求。小量冷却润滑MQL是目前一种新兴的绿色冷却润滑技术,其冷却润滑效果直接受切削液被雾化的程度支配。传统雾化喷嘴由于受切削液粘度的影响,很难达到理想的雾化效果。基于气泡雾化原理的雾化喷嘴(含混合器),克服了这些不足,且具有工作压力低、耗液耗气量小和雾化质量高等特点,已引起人们的重视,但目前关于气泡雾化喷嘴的理论和应用研究还很不完善。本文结合气泡雾化MQL切削系统的研制开发,以气泡雾化喷嘴为研究对象,用流体动力学软件FLUENT研究分析了对雾化喷嘴内部(混合器部分)和外部(喷嘴下游)流场特性及雾化特性,设计并制作了一套基于气泡雾化原理的MQL切削系统,并进行了切削试验研究。其结果对气泡雾化喷嘴的研究和应用具有一定的借鉴意义。论文在对液体雾化基本理论和气泡雾化喷嘴工作原理分析的基础上,用FLUENT的前处理软件Gambit实现了对雾化喷嘴内部和外部流场的几何建模及网格划分;用FLUENT中的通用多相流模型——混合模型对喷嘴内部流场特性进行了模拟分析,给出了喷嘴内部流场的压力场、速度场和气液组分分布,以及气、液相的运动迹线图,分析了喷嘴内部的流场特性及气液两相的混合效果,证明了气泡喷嘴内部有均匀泡状流存在;用FLUENT中的离散相模型(DPM)对喷嘴下游的流场特性和雾化特性进行了模拟分析,研究了气泡雾化喷嘴外部流场的速度场分布、颗粒粒径分布及雾化角,分析了工况参数对流场特性和雾化特性的影响,获得了喷嘴外部流场的速度场分布、颗粒粒径分布和雾化角随工况参数的变化规律。通过以上研究分析,充实了气泡雾化喷嘴的结构设计及参数选择,制作了一套气泡雾化MQL切削系统,并与先进涂层高速钢刀具结合,分别对Z107铝硅合金和45号钢进行了钻削及铣削试验,研究分析了刀具的切削性能和磨损特性。结果表明:在钻削铝硅合金时,切屑粘结现象明显减少,排屑顺畅,涂层的性能优势得以充分发挥;在铣削45钢时,立铣刀的磨损得到改善,尤其是主切削刃边界磨损明显减小,有利于延长立铣刀的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的背景与意义
• 1.2 MQL切削技术的研究现状及存在的不足
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 工艺效果
• 1.2.3 存在的不足
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 液体雾化基本理论
• 2.1 液体雾化过程
• 2.2 液雾尺寸分布
• 2.3 液雾测量技术
• 2.4 喷嘴雾化技术
• 2.5 气泡雾化喷嘴技术
• 2.5.1 气泡雾化喷嘴的工作原理及特点
• 2.5.2 影响气泡雾化的因素
• 2.6 本章小结
• 3 气泡雾化喷嘴内外部流场建模
• 3.1 FLUENT软件简介
• 3.2 FLUENT中的两相流模型
• 3.2.1 混合模型
• 3.2.2 离散相模型
• 3.3 喷嘴结构设计与几何建模
• 3.3.1 喷嘴结构设计
• 3.3.2 喷嘴内部流场建模
• 3.3.3 喷嘴下游流场建模
• 3.4 本章小结
• 4 气泡雾化喷嘴内外部流场的数值模拟
• 4.1 内部流场的数值模拟
• 4.1.1 边界条件
• 4.1.2 模拟结果及分析
• 4.2 喷嘴外部流场的数值模拟
• 4.2.1 自由射流流场分析
• 4.2.2 工况参数对速度场的影响
• 4.2.3 工况参数对颗粒粒径分布的影响
• 4.2.4 工况参数对雾化角的影响
• 4.3 本章小结
• 5 气泡雾化小量润滑切削实验研究
• 5.1 切削实验装备及试验方法
• 5.1.1 气泡雾化小量润滑系统
• 5.1.2 实验设备及刀具
• 5.1.3 试件材料及性能
• 5.1.4 实验方法及测试原理
• 5.2 切削实验结果及分析
• 5.2.1 钻削铝硅合金的实验结果及分析
• 5.2.2 铣削实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文