微热管沟槽犁削—拉压成形仿真及刀具优化研究

发布时间：2020-04-28 22:24

【摘要】：随着机械设备对运行速度与加工精度要求的提高,机床热变形所引起的制造误差占总误差的比例进一步增大,而重型数控机床因其质量与惯性都较大,驱动系统所需功率较大,导致零件发热更为严重,热误差更为明显,常规的热误差补偿法和空气强制对流等机床冷却技术已经无法满足其要求。在兼顾使用便捷性、可靠性及低成本等因素下,采用热传输性能比铝或铜高数个数量级的微沟槽热管的散热方法。本文针对微热管中影响其传热能力的核心部件是微沟槽毛细吸液芯结构,提出一种犁削-拉压微沟槽成形的新方法。它运用了多齿芯头作为成形刀具,可以在热管内壁的沟槽之间形成翅结构进而可以显著提高热管的吸液芯传热性能。本文针对重型数控机床热误差问题,选择微沟槽热管散热方式并基于此热管吸液芯结构特点提出犁削-拉压这种新的微沟槽成形方式,通过有限元法对微沟槽成形过程进行数值仿真模拟,为此,从以下三个方面展开研究:首先,基于犁削-拉压微沟槽成形过程的特点,吸收已广泛运用的劈切-挤压、犁切-挤压和切削-挤压等热管沟槽成形方式刀具结构设计的优点,同时考虑到微热管工件金属与刀具金属的材料物理属性,综合上述要点设计出犁削-拉压微沟槽成形多齿芯头刀具。此刀具的设计主要是从两个方面进行,其一是针对多齿芯头刀具中的单齿刀具的设计,其二是针对犁削-拉压微沟槽成形装置设备的结构,对应用在装置上的多齿芯头的设计。其次,分析犁削-拉压多齿芯头刀具的特殊性选择其中一个单齿刀具作为研究对象,在金属塑性变形、有限元理论和材料本构关系基础上,运用ABAQUS软件建立单齿刀具犁削-拉压微沟槽成形刚塑性有限元模型。对其中的材料本构模型、摩擦模型和网格划分技术作为有限元分析关键技术进行详细分析。此外对刚塑性有限元理论也进行重点分析,在此基础上建立犁削-拉压微沟槽成形有限元模型,并对有限元仿真得到微沟槽几何形貌进行研究分析,最后选取犁削-拉压速度、犁削-拉压深度和刀具挤压角作为研究因素,以犁削-拉压成形力为研究目标,通过控制单一变量法研究这三个因素对微沟槽犁削-拉压成形过程的影响。最后,采用正交试验法对犁削-拉压单齿刀具几何参数进行优化。在控制微沟槽几何形状不变的基础上,即保持刀具成形角与犁削-拉压深度一定,以犁削-拉压成形力为试验指标,以单齿刀具的挤压角θ、倾角η、后角α三者为试验因子,通过正交表设计正交试验。对这三个因子影响成形力的程度主次关系进行了研究,最后通过极差分析得到了最优的刀具几何参数组合。
【图文】：

尤其是具有微沟槽毛细芯的热管在蒸发端和冷凝端的蒸发和冷凝效率逡逑得到了有效的改善。微沟槽中将工作液体形成的薄膜面积和沟槽表面划分为三个逡逑区域，如图１－３所示，第一个区域，平衡薄膜区，它位于延伸薄膜的最上部区域，逡逑这个区域的最关键因素是分离压力并限制发生蒸发，并且此区域没有热损耗。第逡逑二个区域，蒸发薄膜区，它主要受到分离压力和毛细力影响，分离压力伴随薄膜逡逑厚度的增加而增加，使得毛细力增加。第三个区域，本征弯液面，毛细力成为主逡逑要影响因素，热管传热能力与薄膜厚度成反比例关系。逡逑逦逦逡逑＇ｖ＇、逡逑行＇司逡逑／平衡薄膜区：逡逑＼邋／逡逑＂１邋逦逡逑平衡薄膜区逡逑蒸发薄膜区逡逑本征弯液面逡逑弯月面弯曲区逡逑液体逡逑图１－３液体簿膜示意图逡逑在微沟槽中毛细力对液体流动起支配作用，因此假设液体流动局限在沟槽逡逑内。对于一个很小的沟槽，工作液体在横截面上形成的内部弯月面的曲率半径设逡逑为一个固定值，当微沟槽的基板被加热时，内部弯月面向沟槽底部收缩。因而曲逡逑率半径减少

它是一种是“绿色”无切削屑产生的方法，铜管内壁的微沟槽是在犁逡逑削－拉压多齿芯头刀具的挤压作用下产生金属塑性流动而形成的。犁削－拉压成形逡逑原理如图２－１所示，犁削－拉压刀具主要构成部件是多齿心头、拉杆、定位螺母、逡逑锁紧螺母等，由于热管最大传热极限受限于其吸液芯的几何形貌，，掣削－拉压多逡逑齿芯头刀具的几何参数决定了微沟槽的几何形貌，通过直接影响微沟槽吸液芯的逡逑结构进而间接影响微沟槽吸液芯传热能力极限，所以优化微沟槽的几何形貌可以逡逑直接提升其传热性能Ｍ。逡逑上 土＂，上，，，逡逑—逦１逡逑１－热管２－多齿芯头刀具３－微沟槽４－拉杆５－定位螺母６－锁紧螺母逡逑图２－１犁削－拉压成形逡逑关于犁削－拉压法热管微沟槽吸液芯结构成形装置，主要由锥形导向、末端逡逑锁紧、刀齿三个重要部件构成。进行犁削－拉压之前，铜管安置在机架上固定好，逡逑８逡逑
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】

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本文编号：2643918