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切削—挤压复合成形技术及其实验研究

袁启龙  
【摘要】: 翅片管在工业生产中有着广泛的应用,如何获得具有良好传热特性的翅片结构是工程界广泛关注的问题。本文提出了一种利用普通机床和特殊刃磨的刀具,通过对切削用量和刀具几何参数的精确匹配,使传统切削加工中的切屑翻转、变形并竖立在基体上而形成螺旋式整体翅片结构,具有切削和挤压特性的复合成形新技术。 以圆翅片管和平面翅片结构为对象,研究了切削-挤压复合成形过程的运动关系和刀具结构特点,获得了成形过程原理和几何模型。以此为基础,提出了把切削-挤压成形过程分为切削、挤压翻转、弯曲成形三个阶段的观点,建立了翅片结构尺寸与工艺参数之间的理论计算公式。 分析了影响翅片结构和尺寸的因素,系统研究了切削用量和刀具角度与翅片结构尺寸之间的相互关系,获得了翅片成形的条件及结构尺寸的变化规律;提出了切削-挤压复合成形中刀具的设计原则和几何角度的合理取值范围,为实际应用提供了依据。 以刚塑性有限元分析方法为基础,建立了翅片切削-挤压整体成形工艺的三维有限元分析模型,并对仿真过程中的屑-体分离准则、网格畸变等关键问题进行了分析;采用Ansys有限元方法进行了静力分析,得到了翅片内部应力、应变分布规律,获得了翅片脱落的判据;采用Deform-3D有限元方法,对三维翅片成形过程进行了模拟,获得了与理论分析相一致的翅片结构和尺寸的模拟结果,以及应力、应变场的变化规律,为实验研究提供了重要的参考。 在理论分析和数值模拟的基础上,针对直翅片结构,在不同切削用量与刀具几何参数条件下,通过单因素和多因素实验研究,获得了工艺参数对翅片几何尺寸的影响规律和翅高、翅厚的经验公式,得到了紫铜和铝材在不同工艺条件下的翅片成形范围;并分析了翅片的实际翅尖结构和理想形状的差异及产生翅片堆积、翅片弯曲、翅尖直立的原因,从而获得了切削-挤压成形过程完整的工艺参数和参数匹配方法。 通过对理论与实验分析,建立了切削-挤压力的分析模型,获得了紫铜和铝材切削-挤压力的经验公式。结果表明:采用该方法加工时三个方向分力比普通切削时要大,挤压力起着重要作用,并且轴向力的方向与普通切削时相反,这对刀具设计及设备调整有很好的指导意义。 对切削-挤压翅片管换热器进行了模拟计算和实验研究;分析了翅片管结构参数、翅片管内外流体对换热效果的影响,获得了翅片间距、厚度、高度以及翅片管外不同流体对换热效果的影响规律,并通过实验验证了数值模拟的正确性,为翅片管结构参数优化和指导切削-挤压成形过程参数选择提供了依据。


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