减少钻头损耗

作者:多特蒙德工业大学机械加工技术学院的 Dirk Biermann,教授和研究助理 Ekrem Oezkaya德国多特蒙德市

加工昂贵的耐腐蚀材料对于切削设备而言是一项棘手的任务。多特蒙德工业大学的研究人员使用ANSYS的流体流动和结构分析工具来分析工艺冷却剂的流体分配,并实现了更长的工具寿命。

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CAD drill model

“为了解钻头结构、冷却剂液和因科内尔合金工件之间的复杂相互作用,ISF团队使用了ANSYS工具来开展FSI分析。”

一个钻头的寿命可能会很短。有些材料的机械加工难度很大,如因科内尔合金,这是一组主要由镍铬铁构成的超级合金。因科内尔合金是众多超级合金材料中的一种,在锻造过程中所使用的硬化工艺使其能够耐高温、高压和腐蚀,因此它主要应用在燃气轮机、热交换器、化学反应器和火箭发动机中。加工因科内尔合金实际上会使其产生塑性变形并拥有更高的强度,因此在因科内尔合金上切削或钻孔时必须小心处理,以免机械加工工具受到快速磨损和损坏。

在多特蒙德工业大学机械加工技术学院(ISF),一支研究团队分析了多种延长钻头寿命的方法,这些钻头通常会被用于加工因科内尔718号超级合金。这种合金具有低导热性,意味着必须使用外部方法将大量的热传导至远离钻孔区域的地方,否则工具可能会发生变形。这就会导致钻孔质量低劣,或造成硬质合金钻头的破裂。使用小于50m/min的较低钻孔速度可使切削区域的温度维持在低水平,不过仍然需要液体冷却剂。为了将冷却剂液体引流到所需的地方,可通过钻头体中的两个微型通道将其泵入。(钻头体是指钻头的实心螺旋部分,而螺旋槽是钻头的凹陷部分,金属片和液体经由这里从钻孔中排出。)如果冷却剂的分配不当,就会沿着切削边缘形成死区并且由于这里的热传递效果不佳,还会导致损坏或冷却剂高温分解。

“在因科内尔合金上钻孔时必须小心处理,以免机械加工工具受到快速磨损和损坏。”

流固耦合

由于冷却剂通道直径非常小,因此对冷却剂的流体分布进行实验测量是行不通的。为了解钻头结构、冷却剂液和因科内尔合金工件之间的复杂相互作用,ISF团队使用ANSYS的仿真工具通过开展流固耦合(FSI)分析,对工艺进行了优化。首先,ISF的研究人员将CAD几何模型文件导入到ANSYS Meshing,为相互关联的固体和流体域构建了一个长度为20mm的模型。对于流体域,该团队创建了两个网格区域:一种是扫描螺旋槽得到的均匀粗糙网格;另一种是非常精细的网格,其用于对钻头侧面与钻孔底部之间主要切削边缘上的空间进行求解。工程师考虑了冷却剂通道直径分别为1mm和1.25mm的两种设计方案。

velocity contours
切削区域的端视图显示了切削工具表面的冷却剂等速线。
streamlines of coolant
切削区域的端视图显示了切削工具表面的流线。
bore surface velocity contours
切削区域的端视图显示了切削工具表面的钻孔表面的等速线。

在完成流体网格划分后,工程师使用 ANSYS CFX 计算流体动力学 (CFD) 软件为流体域中的冷却剂分布进行建模。一般来说,冷却剂本身是包含了部分矿物质油的水基金属加工润滑剂,但为了简化起见,该团队将其当作水进行建模。为了模拟钻头的旋转,工程师在设置边界条件时,将整个流体域的转速设置为1,638 rpm,对应的钻头切削速度为35m/min。工程师采用了k-ω剪切应力传导湍流模型,因为它能准确地预测该流态下冷却剂的近壁和远壁分布。此外,ISF团队针对这两种通道直径考虑了三种不同的流体入口压力(25、40和60巴)。他们假定流场为等温的,因为热传递在很大程度上取决于流体特性,而流体特性与流体温度无关。

在结构方面,ISF的工程师想要确定不同冷却剂压力和通道直径给工具磨损和钻孔质量造成的影响。在切削过程中,旋转钻头上向下的作用力会转化为钻孔底部所承受的机械载荷或进给力。该团队将CFX计算得出的冷却剂压力作为附加边界条件,利用 ANSYS Mechanical 完成了FSI分析。ISF的工程师在四个星期内就完成了包含所有不同CFD仿真和 Mechanical 仿真在内的计算分析。

Geometry and simulation zones for drill
包含了流体边界条件的固体液体区域的几何模型
coolant velocity side view
显示冷却剂速度向量的垂直面侧视图
coolant velocity end view
显示冷却剂速度向量的垂直面端视图

“在因科内尔合金上钻孔时必须小心处理,以免机械加工工具受到快速磨损和损坏。”

使用仿真确定设计变更

流体流动预测结果显示出,将通道直径从1mm增加到1.25mm,几乎能让通道内部冷却剂的质量流率提升一倍。增大入口压力不仅能提高沿螺旋槽方向上的冷却剂速度,还能增加靠近切削边缘的流速。这样能为对流热传递创造更理想的湍流条件。但是无论压力如何变化,增加通道直径都不会显著改善热传递。该团队使用扫描电子显微镜检查法(SEM)测量得到的工具磨损和冷却剂高温分解结果也验证了仿真结果,即提高冷却剂压力可创造出更理想的冷却条件,进而延长工具的寿命,并改善钻孔质量。

作为 CFD 结果的有力补充, Mechanical 分析显示了钻孔底部的最大压力出现在冷却剂通道外侧区域,此处冷却剂的流速达到最大。该团队比较了仿真得出的进给力和测量得到的进给力,发现两者十分吻合,这说明由于冷却剂流速的提高,更大的通道直径会导致更大的进给力。增大钻孔底部的进给力并不是工程师想要的结果,同时这进一步为支持使用更小的通道直径提供了论据。

coolant flow isometric view
按速度着色的流体分布仿真
coolant flow side view
显示冷却剂着色的侧视图
通过(黄色)通道的速度高于通过凹槽(浅蓝色和绿色)的背面,但低于切割表面的部分(红色)。

作为这项工作的结论,ISF团队的研究证明了当物理测试达到极限时,仿真软件则会成为设计复杂钻孔工艺的合适工具。由于CFD仿真预测出流体分布情况,该团队能够修改其冷却工艺,更有效地将冷却剂引流到切削边缘,从而将工具的寿命延长了约50%。这种对机械加工过程的深入洞察力是无法用其它方式获得的,同时它为ISF直接节省了50%的工具物料成本。在将来的研究中,工程师的目标是增加靠近切削边缘高应力区域的冷却剂流速,以尽量避免死区的出现。此外,当该团队考虑改动隙角或重新设计侧面等策略以进一步提高冷却效果时,这可能也会有所帮助。

cutting edge

切削边缘的特写视图,包含固态工具域、流体域和因科内尔718号合金固态工件域

作者在此鸣谢Guehring KG(德国Albstadt)为CAD模型和本研究提供的大力支持。