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切削用涡流管设计及风冷却切削试验与仿真

胡景姝  
【摘要】: 受到日趋严格的环境与资源的约束和可持续发展战略的要求,工业生产领域提出了绿色制造和清洁生产的概念。机械产品的制造过程是直接消耗资源和产生废弃物的主要环节,因此零件的绿色加工工艺愈来愈受到重视。干切削和准干式切削技术因其完全不使用切削液或使用低温冷却技术、喷雾冷却技术、仅使用少量无害植物油等方法进行切削已成为绿色制造和清洁生产的研究热点。涡流管风冷却切削技术采用低温冷风对切削区进行冷却和排屑属于一种准干式切削技术,具有减小刀具磨损,提高刀具寿命,降低加工成本,无化学污染等优点,因此对涡流管风冷却切削技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。 本文结合生产实际,参考国内外有关资料,在对涡流管的制冷原理和能量分离过程分析的基础上,阐述了喷嘴、涡流管直径、热分离管长度、冷气流扩压元件、调节阀等涡流管元件的基本原理,提出了切削用涡流管关键元件的设计方案,论述了涡流管用于风冷却切削时的特点,同时介绍了涡流管的应用。 本文构建了涡流管风冷却系统,并使用PCBN刀具对高硬度材料GCr15轴承钢进行风冷却切削试验研究。试验结果表明风冷却对切削过程中切削力、切削温度、切屑形成过程等方面均有影响:在高速切削条件下风冷却切削力比干切削切削力增加约16﹪,这是由于金属软化效应表现为风冷却的切削力比干切削切削力大;冷风加快了切削热在工件、切屑和刀具的传导,使切削区温度降低,减小刀具磨损,提高了已加工表面质量;风冷却切削时工件材料局部冷脆,有利于切屑的剪切断裂,降低了切削负荷,切屑变形大。 应用有限元软件对风冷却切削过程中切削力和切削温度进行了仿真研究,仿真过程中考虑了涡流管冷风对切削区的影响,仿真结果呈现了与试验结果相一致的规律。本文的试验结果对风冷却切削技术的实际应用具有一定的参考价值。


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