高壓CO2冷卻切削高溫合金GH4169的切削特性研究*

梁向東,萬曉航,胡孟謙,解景浦,胡紀(jì)雄

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)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(qiáng)切削液滲透力,進(jìn)而提升冷卻潤滑效果。目前,部分學(xué)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(rèn)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(qiáng)效冷卻,同時起到隔氧保護(hù)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(xué)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(xué)狀態(tài)以及流體運動方程、傳熱學(xué)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(jī)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(qiáng)弱,進(jìn)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(qiáng)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(kuò)散能力與熱量擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(dǎo)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(dá)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(qiáng)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(dǎo)率隨溫度升高而增加,強(qiáng)化了傳熱和熱擴(kuò)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(dá)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(dá)到峰值,隨后達(dá)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(dāng)切削力達(dá)到穩(wěn)定階段后,干切和澆注式切削相近,最大可達(dá)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(qiáng)化了對流傳熱。另外,高壓CO2射流沖擊切屑,促進(jìn)斷屑,減少了進(jìn)給方向的阻力,進(jìn)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(dá)到了845 MPa,使用澆注加工后得到一定改善。當(dāng)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(dǎo)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(dá)到最低值,115°時溫度達(dá)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。考慮到實際工況下的設(shè)備能耗與強(qiáng)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(dāng)噴嘴半徑為1 mm時,切削力與峰值力達(dá)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。可以看出,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(kuò)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?？梢钥闯?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(jìn)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(xué)行為,會影響下游機(jī)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(jìn)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(dāng)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。