[發明專利]基于CFD的硬質合金刀具坯料內冷孔優化設計方法

在審

• 申請號: 202111462102.1
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114139315A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 孟漪;祝新發;陳明;姚佳維;朱捷寅;王斌;劉福軍;安慶龍;徐錦泱
• 申請（專利權）人: 上海工具廠有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;G06F30/23
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于CFD的硬質合金刀具坯料內冷孔優化設計方法，依據內冷孔參數初始值建立刀具坯料幾何模型并生成內冷孔流場域幾何模型，然后根據符合最小潤滑量設備的設備參數和噴射出口情況在內冷孔流場域幾何模型中增添入口流域和出口流域，建立流域入口邊界和出口邊界后對內冷孔流場域幾何模型進行網格劃分；再基于內冷孔的實際流場特性構建針對兩相流分析的歐拉?拉格朗日方法中的離散相模型計算得到不同內冷孔參數和霧化參數對應的出口流速和平均粒徑，采用響應曲面法以流速最大和平均粒徑最小為目標優化得到最佳內冷孔參數，本方法顯著縮短了內冷孔設計優化的流程與時間，在微量潤滑的工況中出口流速達到254.1m/s，霧滴平均粒徑降低為3.383μm。

技術領域

本發明涉及的是一種機械加工領域的技術，具體是一種基于CFD的硬質合金刀具坯料內冷孔優化設計方法。

背景技術

現有切削加工技術為了提高表面加工質量、延長刀具使用壽命，通常會使用大量的切削液。這些切削液易對機床操作人員的身體健康及環境造成危害。為了找到同時滿足切削性能、經濟效益和環境保護的方式，最小潤滑量(MQL)技術應運而生。MQL綠色切削技術分為內冷和外冷兩種供給方式，其潤滑效果受切削液霧滴粒徑、霧滴速度和霧滴尺寸分布等霧化流場特性的影響。在外冷式MQL中，霧化流場特性取決于霧化參數和噴嘴參數，而在內冷式MQL中，其流場特性直接由霧化參數和內冷孔結構參數決定。目前刀具坯料內冷孔的設計缺乏相應的理論指導，極易造成制備出的內冷刀具霧化效果不好的現象，更為嚴重的是影響潤滑效果及降低加工質量和刀具壽命。

發明內容

本發明針對現有技術基于CFD的刀具內冷孔設計問題不足，提出一種基于CFD的硬質合金刀具坯料內冷孔優化設計方法，分別考慮霧化參數和內冷孔參數對刀具內冷孔出口流場的影響，能夠有效地反映流場特性與霧化參數和內冷孔參數的內在關聯，指導刀具坯料內冷孔設計，保證加工過程的冷卻和潤滑效果。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于CFD的硬質合金刀具坯料內冷孔優化設計方法，依據內冷孔參數初始值建立刀具坯料幾何模型并導入到Fluent軟件中生成內冷孔流場域幾何模型，然后根據符合最小潤滑量(MQL)設備的設備參數和噴射出口情況在內冷孔流場域幾何模型中增添入口流域和出口流域，建立流域入口邊界和出口邊界后對內冷孔流場域幾何模型進行網格劃分；再基于內冷孔的實際流場特性構建針對兩相流分析的歐拉-拉格朗日方法中的離散相模型并在Fluent軟件中進行計算，得到不同內冷孔參數和霧化參數對應的出口流速和平均粒徑，采用Design-Expert軟件使用Box-Behnken方法進行仿真，并采用響應曲面法以流速最大和平均粒徑最小為目標優化得到最佳內冷孔參數，最后采用基于粒子示蹤(PIV)技術對最佳內冷孔參數實現的刀具內冷孔出口流場進行實際測量，以驗證優化結果。

所述的內冷孔參數包括：孔道螺旋角、孔徑和孔距。

所述的內冷孔流場域幾何模型是指：在仿真過程中涉及流體的空間幾何體，包括入口流域、內冷孔流域和出口流域。

所述的設備參數是指：輸出至刀具坯料入口的壓強為0.2Mpa-0.5Mpa。

所述的噴射出口情況是指：入口壓強、入口流量和出口壓強。

所述的離散相模型，通過積分拉格朗日坐標系下的顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒的軌道，該顆粒上的作用力平衡方程為：其中：F_D(u-u_p)為顆粒的質量曳力，u為流體相速度，u_p為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為流體密度，ρ_p為顆粒密度，d_p為顆粒直徑，R_c為相對雷諾數，C_D為曳力系數。

所述的顆粒軌跡積分方程，通過在離散的時間步長上的逐步積分運算獲得，對顆粒上作用力平衡方程積分獲得顆粒軌跡上每一個位置上的顆粒速度。