基于無機熱管冷卻的干切削刀具切削性能的研究
發(fā)布時間:2017-10-10 10:06
本文關(guān)鍵詞:基于無機熱管冷卻的干切削刀具切削性能的研究
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【摘要】:在傳統(tǒng)金屬切削加工過程中,為了減少切削熱對刀具及工件帶來的不利影響,目前普遍采用的方法是通過澆注切削液來對刀具和工件進行冷卻。正確、合理地使用切削液能夠有效地改善我切削過程的摩擦潤滑狀態(tài),降低切削力及切削溫度,此外,還能減小由于系統(tǒng)熱變形而產(chǎn)生的加工誤差。隨著綠色環(huán)保和節(jié)能減排的持續(xù)發(fā)展,切削液所產(chǎn)生的負面影響也越來越多,如對外部環(huán)境造成污染,對工人的身心健康產(chǎn)生危害,以及切削液的后續(xù)處理成本過高等問題。而現(xiàn)有的綠色切削技術(shù)發(fā)展還不夠完善,存在著成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多問題,未能得到廣泛的應(yīng)用。將無機熱管傳熱技術(shù)用于強化刀具的散熱,為刀具冷卻提供了一種新方法、新思路。無機熱管無需外加動力而自動實現(xiàn)熱量由蒸發(fā)段到冷凝段的快速傳導(dǎo)和消散,具有比普通熱管更強的導(dǎo)熱能力,其導(dǎo)熱系數(shù)約為普通熱管的8倍。本文采用切削實驗和有限元模擬相結(jié)合的方法對無機熱管冷卻刀具的切削性能進行了研究。主要研究內(nèi)容如下:首先,對無機熱管和普通熱管進行了傳熱性能測試的實驗,并對所得的實驗結(jié)果進行了對比。通過測試實驗可得:無論改變熱源溫度還是受熱段長度,無機熱管的啟動和達到熱平衡的速度均比普通熱管快,且穩(wěn)定溫度值要比普通熱管更接近于熱源溫度。根據(jù)無機熱管的傳熱機理,設(shè)計并制備?4mm、?5mm和?6mm三種不同直徑的無機熱管冷卻刀具和直徑?5mm的普通熱管冷卻刀具。其次,進行了原型刀具、普通熱管冷卻刀具和無機熱管冷卻刀具切削難加工材料鎳基高溫合金GH4169的切削實驗,并測量了不同實驗方案下刀具的切削力和切削溫度。實驗結(jié)果表明:在相同切削參數(shù)下,各刀具的切削力相差不大,但無機熱管冷卻刀具各測溫點溫度相比于原型刀具和普通熱管冷卻刀具更低,而且工件已加工表面質(zhì)量更好。最后,通過Advantedge FEM有限元軟件模擬PCBN刀具切削鎳基高溫合金GH4169的加工過程,并得到刀-屑接觸面熱流密度。建立了原型刀具、普通熱管及無機熱管冷卻刀具的三維有限元模型,將所得的熱流密度加載到模型的刀-屑接觸面,得到各刀具在不同方案下的溫度場分布,提取四測溫點的溫度,與實驗測量結(jié)果進行對比。并對原型刀具、普通熱管及無機熱管冷卻刀具各測溫點溫度進行了對比,發(fā)現(xiàn)普通熱管及無機熱管冷卻刀具各點溫度均要明顯低于原型刀具,且無機熱管冷卻刀具的散熱能力比普通熱管冷卻刀具更強。
【關(guān)鍵詞】:無機熱管 GH4169高溫合金 自冷卻刀具 干切削
【學(xué)位授予單位】:湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:TG71;TG501
【目錄】:
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第1章 緒論9-20
- 1.1 課題研究的背景及意義9-10
- 1.2 刀具冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀10-15
- 1.2.1 液氮冷卻技術(shù)10-11
- 1.2.2 噴霧冷卻技術(shù)11
- 1.2.3 低溫風(fēng)冷切削技術(shù)11-12
- 1.2.4 氣體氛圍冷卻及水蒸氣冷卻技術(shù)12-13
- 1.2.5 靜電冷卻干式切削技術(shù)13-14
- 1.2.6 熱管刀具散熱技術(shù)14-15
- 1.3 無機傳熱技術(shù)15-19
- 1.3.1 無機熱傳導(dǎo)元件的應(yīng)用優(yōu)勢16
- 1.3.2 無機傳熱技術(shù)應(yīng)用前景16-17
- 1.3.3 無機傳熱管的應(yīng)用原理17-19
- 1.4 課題的來源及主要研究內(nèi)容19-20
- 1.4.1 課題的來源19
- 1.4.2 課題的主要研究內(nèi)容19-20
- 第2章 無機熱管冷卻刀具的設(shè)計與制備20-26
- 2.1 無機熱管的性能測試20-23
- 2.2 無機熱管自冷卻刀具的設(shè)計23-25
- 2.2.1 熱管刀具設(shè)計原則23-24
- 2.2.2 無機熱管刀具設(shè)計24-25
- 2.3 本章小結(jié)25-26
- 第3章 無機熱管冷卻的干切削刀具的切削性能研究26-45
- 3.1 實驗設(shè)備和測量方法26-30
- 3.1.1 實驗材料及設(shè)備26-28
- 3.1.2 切削力測量設(shè)備和測量方法28-29
- 3.1.3 人工熱電偶測溫設(shè)備和測量方法29-30
- 3.2 切削實驗方案設(shè)計30-32
- 3.2.1 切削用量的選擇30-31
- 3.2.2 實驗方案31-32
- 3.3 測量實驗和結(jié)果分析32-37
- 3.3.1 切削力測量結(jié)果與分析33-34
- 3.3.2 切削溫度測量結(jié)果與分析34-37
- 3.4 加工表面質(zhì)量研究37-43
- 3.4.1 殘余應(yīng)力研究37-39
- 3.4.2 切屑形態(tài)研究39-40
- 3.4.3 加工表面形貌分析40-43
- 3.5 本章小結(jié)43-45
- 第4章 無機熱管強化刀具散熱效果的分析45-59
- 4.1 無機熱管自冷卻刀具的有限元建模45-47
- 4.1.1 幾何模型的建立45
- 4.1.2 物理模型的建立45-46
- 4.1.3 網(wǎng)格劃分46-47
- 4.2 刀具切削溫度場求解的初始條件和邊界條件47-48
- 4.2.1 初始條件47
- 4.2.2 刀具元件接觸換熱的邊界條件47
- 4.2.3 無機熱管冷端與大氣換熱的邊界條件47-48
- 4.2.4 刀具表面與空氣換熱的邊界條件48
- 4.3 刀-屑接觸面熱流密度的求解48-53
- 4.3.1 材料的本構(gòu)模型48-49
- 4.3.2 切屑分離斷裂49-50
- 4.3.3 刀屑接觸與摩擦50-51
- 4.3.4 基于ADVANTEDGE二維切削有限元模型的建立51
- 4.3.5 ADVANTEDGE有限元模型51-53
- 4.4 刀具的切削溫度場的求解結(jié)果53-58
- 4.4.1 原型刀具和無機熱管冷卻刀具的切削溫度場54-56
- 4.4.2 普通熱管刀具的切削溫度場56-58
- 4.5 本章小結(jié)58-59
- 總結(jié)與展望59-61
- 參考文獻61-64
- 致謝64-65
- 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)的學(xué)術(shù)成果及獲得的獎勵65
【參考文獻】
中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條
1 張根保;尉紅軍;張博;;低溫冷風(fēng)射流技術(shù)在滾齒加工中應(yīng)用的試驗研究[J];制造技術(shù)與機床;2010年05期
,本文編號:1005734
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