收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 蒋冬青,陈晖;利用热管技术对窑炉进行节能改造[J];建材工业信息;2003年04期
2 马飞,何方杰;热管技术在硫酸工业余热利用中的应用[J];化工技术经济;1997年04期
3 陆金南,郭宏新;热管技术在烧结余热回收中的应用[J];烧结球团;1994年03期
4 易东明;硫酸生产中的废热利用[J];化学与生物工程;1997年02期
5 黄高峰,蔡江平,杨振立,黎子民;热管技术在制糖行业中的应用[J];甘蔗糖业;2003年04期
6 乔中复;刘建南;;热管车刀的研制[J];工具技术;1986年11期
7 易东明;硫酸生产中的废热利用[J];云南化工;1997年02期
8 程永明,刘颖,刘佳凯,王术宽,杨秀凤,张燕;利用热管技术节能与控制环境污染[J];节能;2002年10期
9 李冲;洪厚胜;;热管技术在酒精发酵生产中的应用[J];酿酒科技;2007年08期
10 王志中;吴卫兵;胡国林;;热管在陶瓷工业窑余热回收工程中的应用初探[J];中国陶瓷工业;2010年01期
11 伊丕聪;袁善泉;;高效·节能——谈热管技术的应用[J];环境保护;1987年04期
12 汪祖宏;;热管与热管技术[J];轻工机械;1987年01期
13 周永强;热管及热管技术在造气中的应用[J];小氮肥;1998年03期
14 张红,庄骏;热管技术在工业中的研究开发与应用[J];化工装备技术;2001年06期
15 马永锡;储小燕;;热管技术在化学反应器中的研究及应用[J];化学工程与装备;2009年05期
16 唐宏青;王建国;;热管技术在氮肥生产企业中的应用[J];甘肃化工;2000年02期
17 张红滕,林根侯,少雄庄骏;热管技术在十二醇硫酸钠生产中的应用[J];能源研究与利用;1998年04期
18 赵蔚琳,刘宗明,李树人;高温热管的研究与发展[J];石油化工设备;2005年04期
19 赵杰;唐炳涛;张淑芬;杨振宇;贾超;;相变储能材料在工业余热回收中的应用[J];化工进展;2009年S1期
20 初黎;漫话硬质合金刀具的发展与最佳切削状态[J];工具技术;1981年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 闫利平;;浅析刀具磨损[A];第十五届全国汽车检测技术年会论文集[C];2011年
2 李洪林;钱惠杰;刘志民;朱荣朝;张凤科;;热管技术在锅炉上的应用[A];2002年晋冀鲁豫鄂蒙川沪云贵甘十一省市区机械工程学会学术年会论文集(河南分册)[C];2002年
3 仇晓梅;;手机透镜及键盘加工行业数控铣刀具的合理选择与使用[A];天津市电视技术研究会2011年年会论文集[C];2011年
4 张晓饶;梁鑫;;提高油田井下钻铣刀具效率及寿命的研究[A];2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编[C];2010年
5 陈烈涛;;国家创新基金资助项目第五届中国·海峡项目成果交易会金奖 锅炉热管体系与机械虹吸相变循环传热系统节能减排新技术[A];推进供热体制改革与节能改造新技术新设备应用交流会论文集[C];2010年
6 王永刚;张勤;;利用热管技术 降低机房能耗[A];通信电源新技术论坛2011通信电源学术研讨会论文集[C];2011年
7 刘战强;王遵彤;万熠;艾兴;;基于实例推理的刀具材料选择系统的研究[A];制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集[C];2002年
8 曹志高;杜海存;杨安;曹娟华;;热管技术及其应用分析[A];中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集[C];2009年
9 李友生;邓建新;石磊;;加工钛合金刀具材料的抗氧化性能研究[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
10 孟慧丽;;惯性器件测试台温控均匀性设计[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 梁良;面向绿色切削的热管刀具散热性能研究[D];华南理工大学;2011年
2 杨树宝;置氢钛合金高效切削仿真及刀具磨损预测研究[D];南京航空航天大学;2012年
3 张少婧;基于聚焦离子束技术的微刀具制造方法及关键技术的研究[D];天津大学;2009年
4 张辉;硬脆刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究[D];山东大学;2011年
5 崔晓斌;高速断续切削淬硬钢刀具失效机理研究[D];山东大学;2013年
6 张宗阳;基于最小表面磨损率的刀具磨损及加工表面层特性研究[D];山东大学;2012年
7 李安海;基于钛合金高速铣削刀具失效演变的硬质合金涂层刀具设计与制造[D];山东大学;2013年
8 曹自洋;微细铣削机床、刀具与加工机理的基础研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 尹震飚;面向复杂型腔工件高效数控加工的刀具优选技术研究[D];重庆大学;2011年
10 刘强;利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究[D];吉林大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 柯志勇;热管刀具切削加工的热力耦合建模与测试研究[D];华南理工大学;2012年
2 黄丽仁;铣刀楔角对木塑材料切削过程中切削温度的影响[D];南京林业大学;2010年
3 邹浩波;高速切削加工表面粗糙度的研究[D];昆明理工大学;2006年
4 何建林;具有微结构功能表面的刀具及车削性能研究[D];华南理工大学;2011年
5 刘月萍;铣削Ti6Al4V刀具刃口钝化研究[D];山东大学;2010年
6 王持红;热处理工艺参数对等温淬火球墨铸铁切削加工性能影响的研究[D];苏州大学;2010年
7 杨晓旻;司太立焊材车削加工刀具磨损机理及应用研究[D];上海交通大学;2010年
8 丁玉发;面向大批量生产的刀具磨损在线识别技术研究[D];华中科技大学;2011年
9 翟银星;数字化车间刀具全生命周期可视化管理系统研究与开发[D];南昌大学;2012年
10 刘旭;复合蓄能材料制备及热管蓄能系统动态特性研究[D];南京大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 刘峰;国产刀具要在高和专上下功夫[N];消费日报;2006年
2 本报记者 冯威力 特约记者 徐少亚;热管技术热在节能领域[N];中国化工报;2005年
3 蒋冬青 陈晖;利用热管技术对窑炉进行节能改造[N];中国建材报;2001年
4 实习记者 卢丹青 张莉敏;热管技术为节能减排提供技术支撑[N];江苏科技报;2007年
5 王春 实习生 李朵;热管技术为航天科技“升温”[N];科技日报;2004年
6 于瑞涛;集成热管技术破解电子散热难题[N];中国电子报;2005年
7 本报记者 臧亚伟;袁哲俊解读中国刀具业发展直陈三大制约因素[N];机电商报;2006年
8 力纳;发展刀具业不能再错失良机[N];消费日报;2008年
9 王迅;硬质合金刀具材料不断推陈出新[N];中国有色金属报;2008年
10 张丽娜;洋刀霍霍中国刀企还要磨刀几回?[N];消费日报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978