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风冷却切削实验与仿真及刀具设计

刘冬霞  
【摘要】: 随着全球环境的日益恶化,人们对环境问题越来越重视。同时可持续发展战略的提出,使得绿色制造得到越来越多的关注。使用涡流管的风冷切切削技术已经成为绿色制造中的研究热点内容之一。因此,本文结合黑龙江省杰出青年科学基金项目“绿色制造中清洁切削关键基础技术的研究”,提出了内冷车刀的设计方案,应用涡流管进行风冷却与干切削对比试验,分析风冷却的效果,并采用有限元软件对切削过程进行仿真分析。 文中首先对涡流管的制冷原理、能量分离过程进行理论分析,并在此基础上,提出了切削用涡流管的设计要点,计算得出结构参数,并且根据生产实际要求设计了内置涡流管的刀具,为涡流管风冷切削技术的进一步研究打下了基础。 其次,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轴承钢进行干切削及风冷却切削试验研究。分析实验结果表明,风冷却与干切削相比,其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:由于金属软化效应,使得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、切屑和刀具之间的传导,使切削区温度降低,进一步减小刀具磨损,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。 最后,应用三维有限元软件DEFORM—3D对干切削过程中切削力、切削温度和刀具应力情况进行了仿真研究,得出切削速度及进给量对其影响的趋势。同时,还进行了风冷却干切削对比的仿真。仿真结果呈现了与试验结果相一致的规律。仿真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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