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《华南理工大学》 2011年
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面向绿色切削的热管刀具散热性能研究

梁良  
【摘要】:如何减少切削区域中切削热的过量产生并加速切削热消散是切削加工生产中需要解决的重要问题。传统切削过程中采用大量切削液浇注冷却方法不但成本高,而且对生态环境和工人健康造成非常消极的影响。虽然近年来针对诸多新冷却技术的研究取得一定成果,然而由于需要附加处理冷却介质的设备以及后处理程序,导致了可靠性降低和成本增加,大大限制了其在实际生产中应用。因此,突破传统思维的限制,发展新的切削区域散热技术十分必要。 通过刀具/刀柄散热是一种新的切削区域冷却概念。近年来国外针对在刀具中嵌入高效导热体(微热管)的散热形式展开了少量的探索工作,研究结果显示了这种散热形式可以降低刀柄和刀头的温度,相应地可减少刀具的热膨胀量和磨损率。然而,在这些工作中,由于缺乏对热管使用参数的优化、刀具结构的优化设计、以及热管刀具散热效果的量化分析等方面的深入研究,因此,使的这种装置是否达到切削过程的最佳散热性能,能否通过提高其散热效率而根本改善切削散热条件还未知。 本文针对热管刀具的结构设计问题以及其在切削加工方面存在的散热性能的量化评估问题,着重对热管使用参数优化、原型刀具在切削过程中的温度场特性、热管散热刀具的设计、切削过程中热管刀具的刀-屑接触面温度定量分析以及热量分配比例定量分析等方面进行深入研究,最终总结出热管刀具的设计原则以及其在切削过程散热方面的有效性和实用性。 作为热管刀具优化设计的前提和基础,本文首先建立热管性能测试实验平台,采用正交实验方法对不同类型的铜-水微热管在强迫对流冷却和循环水冷却条件下的最大传热功率、热阻以及等效对流换热系数进行测试,然后根据实验的结果进行极差分析以优化热管的长度、蒸发端受热长度、冷凝端冷却长度以及热管弯曲角度等使用参数。测试结果表明,在综合考虑热管的传热性能以及原型刀具的几何尺寸的前提下,采用强迫对流冷却时热管的优化使用参数为:长度150mm,蒸发端受热长度18mm,热管的弯曲角度5°:采用循环水冷却时,热管的优化使用参数为:长度150mm,蒸发端受热长度18mm,冷凝端冷却长度20mm,循环水温优选75°C,热管的弯曲角度的优选5°。 在原型刀具的温度场研究方面,首先通过对原型外圆车刀的刀片进行光谱发射率标定实验,研究了YT-15硬质合金刀片表面红外发射率随温度的变化情况以及刀片实际温度以及红外输出温度之间的关系。以此为基础,建立了红外测温实验平台,对原型车刀在切削过程中以及切出瞬间前刀面的温度场进行测量。研究结果表明,原型车刀在切出瞬间时,刀片从刀尖开始的到距离刀尖4-5mm的区域有很高的温度梯度,并且随着切削速度的增大该区域的温度变动的幅值较大。而从距离刀尖4-5mm处一直到刀刃的末端,沿刀刃温度的变化很小,且随着切削速度的增大该区域的温度变动的幅值较小。 在热管车刀的设计方面,首次从热管车刀的散热效能、实际应用、推广以及其经济性方面考虑,提出了热管刀具的设计原则。进而,在充分考虑原型刀具的结构强度、切削时的温度场特征以及微热管使用参数的优化结果的基础上,基于圆微热管和原型车刀设计了嵌入式热管车刀,基于扁微热管和原型车刀分别设计了侧压式热管刀具以及槽嵌式热管刀具。 在对热管车刀的刀-屑接触面温度特性研究方面,首次针对热管刀具,将切削过程中的人工热电偶测温技术,有限差分数值建模和求解方法以及最优化求解方法结合起来,建立起热管刀具的刀-屑接触面温度传热反求流程。分析研究了切削速度、进给量以及背吃刀量对原型车刀及热管刀具在切削过程中加载于刀-屑接触面上的热流密度以及刀-屑接触面温度的影响。研究结果表明,随着切削速度和进给量的提高,这几种刀具的刀-屑接触面的平均热流密度及刀-屑接触面最高温度均上升。而随着背吃刀量的提高,这几种刀具的刀-屑接触面的平均热流密度及刀-屑接触面最高温度的变化不大。在相同的切削参数条件下,总体上看嵌入式热管刀具上的刀-屑接触面的平均热流密度及刀-屑接触面温度最高,而原型车刀最小。 在对热管车刀在车削过程中的热量分配研究方面,首先对热管车刀进行动态切削力测量实验,根据实验的结果对切削功率、一定切削时间内产生的总切削热以及刀-屑界面产生的热量进行计算。同时,根据加载于刀-屑界面热流密度求解结果以及有限差分方法的求解原理,结合热管冷凝端量热实验,获取切削过程中流入热管刀具的总热量、热管转移的热量以及传入刀柄中的热量。进而,以各部分热量的求解结果为基础进一步分析了不同形式的热管刀具在不同切削速度及进给量条件下的刀-屑界面热分配系数、流入刀具中的热量占总切削热的比例、热管转移的热量的比例以及传入刀柄热量的比例。研究结果表明,采用原型车刀进行车削时,流入刀柄的热量占流入刀具的总热量的比例在0.9以上,而采用热管刀具时,这个比例大幅下降,其中该比例最小的嵌入式热管刀具仅有0.6左右。以此相对应,采用热管刀具时通过热管转移的热量占流入刀具的总热量的比例在0.25以上,其中采用嵌入式热管刀具时该比例值最高在0.38到0.42,且随着切削速度的提高该比例增大。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG711

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