基于无机热管冷却的干切削刀具切削性能的研究

发布时间：2017-10-10 10:06

  本文关键词：基于无机热管冷却的干切削刀具切削性能的研究

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【摘要】：在传统金属切削加工过程中,为了减少切削热对刀具及工件带来的不利影响,目前普遍采用的方法是通过浇注切削液来对刀具和工件进行冷却。正确、合理地使用切削液能够有效地改善我切削过程的摩擦润滑状态,降低切削力及切削温度,此外,还能减小由于系统热变形而产生的加工误差。随着绿色环保和节能减排的持续发展,切削液所产生的负面影响也越来越多,如对外部环境造成污染,对工人的身心健康产生危害,以及切削液的后续处理成本过高等问题。而现有的绿色切削技术发展还不够完善,存在着成本高、结构复杂等诸多问题,未能得到广泛的应用。将无机热管传热技术用于强化刀具的散热,为刀具冷却提供了一种新方法、新思路。无机热管无需外加动力而自动实现热量由蒸发段到冷凝段的快速传导和消散,具有比普通热管更强的导热能力,其导热系数约为普通热管的8倍。本文采用切削实验和有限元模拟相结合的方法对无机热管冷却刀具的切削性能进行了研究。主要研究内容如下:首先,对无机热管和普通热管进行了传热性能测试的实验,并对所得的实验结果进行了对比。通过测试实验可得:无论改变热源温度还是受热段长度,无机热管的启动和达到热平衡的速度均比普通热管快,且稳定温度值要比普通热管更接近于热源温度。根据无机热管的传热机理,设计并制备?4mm、?5mm和?6mm三种不同直径的无机热管冷却刀具和直径?5mm的普通热管冷却刀具。其次,进行了原型刀具、普通热管冷却刀具和无机热管冷却刀具切削难加工材料镍基高温合金GH4169的切削实验,并测量了不同实验方案下刀具的切削力和切削温度。实验结果表明:在相同切削参数下,各刀具的切削力相差不大,但无机热管冷却刀具各测温点温度相比于原型刀具和普通热管冷却刀具更低,而且工件已加工表面质量更好。最后,通过Advantedge FEM有限元软件模拟PCBN刀具切削镍基高温合金GH4169的加工过程,并得到刀-屑接触面热流密度。建立了原型刀具、普通热管及无机热管冷却刀具的三维有限元模型,将所得的热流密度加载到模型的刀-屑接触面,得到各刀具在不同方案下的温度场分布,提取四测温点的温度,与实验测量结果进行对比。并对原型刀具、普通热管及无机热管冷却刀具各测温点温度进行了对比,发现普通热管及无机热管冷却刀具各点温度均要明显低于原型刀具,且无机热管冷却刀具的散热能力比普通热管冷却刀具更强。
【关键词】：无机热管 GH4169高温合金 自冷却刀具 干切削
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG71;TG501
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题研究的背景及意义9-10
• 1.2 刀具冷却技术的研究现状10-15
• 1.2.1 液氮冷却技术10-11
• 1.2.2 喷雾冷却技术11
• 1.2.3 低温风冷切削技术11-12
• 1.2.4 气体氛围冷却及水蒸气冷却技术12-13
• 1.2.5 静电冷却干式切削技术13-14
• 1.2.6 热管刀具散热技术14-15
• 1.3 无机传热技术15-19
• 1.3.1 无机热传导元件的应用优势16
• 1.3.2 无机传热技术应用前景16-17
• 1.3.3 无机传热管的应用原理17-19
• 1.4 课题的来源及主要研究内容19-20
• 1.4.1 课题的来源19
• 1.4.2 课题的主要研究内容19-20
• 第2章 无机热管冷却刀具的设计与制备20-26
• 2.1 无机热管的性能测试20-23
• 2.2 无机热管自冷却刀具的设计23-25
• 2.2.1 热管刀具设计原则23-24
• 2.2.2 无机热管刀具设计24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 无机热管冷却的干切削刀具的切削性能研究26-45
• 3.1 实验设备和测量方法26-30
• 3.1.1 实验材料及设备26-28
• 3.1.2 切削力测量设备和测量方法28-29
• 3.1.3 人工热电偶测温设备和测量方法29-30
• 3.2 切削实验方案设计30-32
• 3.2.1 切削用量的选择30-31
• 3.2.2 实验方案31-32
• 3.3 测量实验和结果分析32-37
• 3.3.1 切削力测量结果与分析33-34
• 3.3.2 切削温度测量结果与分析34-37
• 3.4 加工表面质量研究37-43
• 3.4.1 残余应力研究37-39
• 3.4.2 切屑形态研究39-40
• 3.4.3 加工表面形貌分析40-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 无机热管强化刀具散热效果的分析45-59
• 4.1 无机热管自冷却刀具的有限元建模45-47
• 4.1.1 几何模型的建立45
• 4.1.2 物理模型的建立45-46
• 4.1.3 网格划分46-47
• 4.2 刀具切削温度场求解的初始条件和边界条件47-48
• 4.2.1 初始条件47
• 4.2.2 刀具元件接触换热的边界条件47
• 4.2.3 无机热管冷端与大气换热的边界条件47-48
• 4.2.4 刀具表面与空气换热的边界条件48
• 4.3 刀-屑接触面热流密度的求解48-53
• 4.3.1 材料的本构模型48-49
• 4.3.2 切屑分离断裂49-50
• 4.3.3 刀屑接触与摩擦50-51
• 4.3.4 基于ADVANTEDGE二维切削有限元模型的建立51
• 4.3.5 ADVANTEDGE有限元模型51-53
• 4.4 刀具的切削温度场的求解结果53-58
• 4.4.1 原型刀具和无机热管冷却刀具的切削温度场54-56
• 4.4.2 普通热管刀具的切削温度场56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 总结与展望59-61
• 参考文献61-64
• 致谢64-65
• 攻读硕士学位期间发的学术成果及获得的奖励65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张根保;尉红军;张博;;低温冷风射流技术在滚齿加工中应用的试验研究[J];制造技术与机床;2010年05期

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本文编号：1005734