前刹车调整臂外壳加工工艺规程及专用夹具设计方案

1 前刹车调整臂外壳加工工艺规程及专用夹具设计方案 第一章 绪论 随着科学技术的进步和生产力的发展，要求机械工业不断提供先进的技术设备，加之市场需求的变化多端，产品更新换代的周期越来越短，多品种、小批量生产的比例在提高。这样，传统的生产技术准备工作，很不适应新的生产特点。为了适应机械工业又好又快发展的需要，机床夹具的设计与制造技术也必须与时俱进，要求企业的高级技能人才能不断设计出构思合理、结构准确、工艺精良的夹具。所以，在大学毕业之前，选择简单的夹具设计，希望 通过此次设计，在过程中希望得到以下训练： （ 1） 运用机械制造工艺学课程中的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。 （ 2）提高结构设计能力。通过设计夹具的训练，获得根据被加工零件的加工要求，设计出高效，省力，经济合理而能保证加工质量的夹具的能力。 （ 3）学会使用手册以及图表资料。掌握与本设计有关的各种资料的名称，出处，能够做到熟练的运用。 （ 4）熟悉零件的工艺制定，和有关计算。 毕业设计是在学完 大学的全部课 程之后进行 的， 毕业设计对 所学各课程的深入综合性的 总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此 ，毕业设计是大学至关重要的一环 。 本设计就 放牌汽车的前调整臂的外壳的工艺规程及其加工过程中的专用夹具进行设计， 由于 作者的 能力有限，设计 难免存在 不足 和错误 ，恳请各位老师给予指教 ，在此致谢！ 2 第二章 概述 在机床制造企业生产中，机械加工、检验、焊接、热处理和装配等冷热加工工艺，都使用着大量的夹具，用以安装对象，使之占有正确的加工位置。夹具在保证加工质量，改善劳动条件，提高劳动生产率和降低成本等方面有着极其明显的经济效益。因此，夹具是企业生产中的一种重要的工 艺装备。 具夹紧装置及夹具体的基本要求 为了确保工件的加工质量和提高生产率，对夹紧装置提出“正、牢、简、快”的基本要求，如下 1）“正”就是在夹紧过程中应保持工件原有的正确定位。 2）“牢”就是夹紧力要可靠、适当，既要把工件压紧夹牢，保证工件不位移、不抖动；又不因为夹紧力过大而使工件表面损伤或变形。 3）“简”就是结构简单、工艺性能好、容易制造。只有在生产批量较大的时候，才考虑相应增加夹具夹紧机构的复杂程度和自动化程度。 4）“快”就是夹紧机构的操作应安全、迅速、方便、省力。 设计夹紧装置时，首先要 合理选择夹紧力的方向，再确定其着力点和大小，并确定夹紧力的传递方式和相应的机构，最后选用或设计夹紧装置的具体结构，来保证实现上述基本要求。 对于夹具体的基本要求，如下： 1）应有足够的强度和刚度 2）力求结构简单，装卸工件方便 3）要有良好的结构工艺性和实用性 4）结构尺寸大小适当且稳定 5）排除切削问题要解决 6）夹具在机床上安装要稳定、安全 床夹具功用 机床夹具的主要功能如下： 3 1）保证加工质量 使用机床夹具的首要任务是保证加工精度，特别是保证被加工工件的加工面与定位面之间以及被加工 表面相互之间的位置精度。 2）提高生产率，降低生产成本 使用夹具后可减少划线、找正等辅助时间，且容易实现多件、多工位加工。 3）扩大机床工艺范围 在机床上使用夹具可使加工变得方便，并可扩大机床的工艺范围。 4）减轻工人的劳动强度，保证生产安全 采用专用夹具装卸工件显然比不用夹具方便、省力、安全、迅速。 床夹具在机械加工中的作用 在机床上应用夹具装夹工件时，其主要功能是使工件定位和夹紧。 机床夹具的主要功能是装夹工件，使工件装夹中的定位和夹紧。 1）、 定位 确定工件在夹具中占有正确的位置的过程，定位是通过工件定位基准而与夹具定位元件的定位面接触成配合实现的，正定位可以保证加工面的尺寸和位置的精度要求。 2） 工件定位后将其固定，使其在加工过程中保持定位位置不变的操作。由于工件在加工时，受到各种力的作用若不将其固定，则工件会松动、脱离，因此夹紧为工件提高了安全和可靠的加工条件。 2机床夹具的特殊功能 机床夹具的特殊功能主要是对刀与导向。 1） 调整刀具切削相对工件或夹具的正确位置如铣床夹具中的对刀块，它能迅速地确定铣刀相对于夹具的正确 位置。 2） 如铣床夹具中的钻模板与钻套，能迅速的确定钻头的位置，并引导其进行钻削， 4 导向元件制成模板形成故钻床夹具常称为钻模、镗床夹具（镗模）也是具有导向的功能的。 床夹具组成 一、机床夹具的基本组成部分 虽然各类机床夹具的结构有所不同但按主要功能加以分析。机床夹具的基本组成部分是定位元件，夹紧装置和夹具体三个部分，这也好似夹具体的主要内容。 定位元件是夹具的主要功能元件之一 ，通常当工件定位基准面的形状确定后，定位元件的结构也就确定了。 般 铰链压板、螺钉、夹紧装置等。 通常夹具作为铸件的结构、锻件结构、焊接结构，形状有回转体形和底座等多种定位元件，夹紧装置等分布在夹具体不同的位置上。 二、夹具的其他组成部分 为满足夹具的其他功能要求，各种夹具好要设计其他的元件的装置。 根据机床的工作特点，夹具在机床上的安装。 连接常有的两种方式：一种是安装在机床工作台上，另一种是安装在机床主轴上，连接元件用于确定夹具本身在机床上的位置。 对刀装置常见在铣床夹具中，用以对刀块 调铣刀对刀前的位置，对刀时，铣刀不能与 对刀块直接相连，以免碰伤铣刀的切削刃和对刀块工作表面。 导向装置钻模板、钻套、镗模的镗模支架。镗套，它们能确定刀具的位置，并引导刀具进行切削。 根据加工的需要，有些夹具分别采用分度装夹，例如靠模装置上下料加工工艺机器人等。 5 床夹具的分类 这是一种基本的分类方法，主要反应夹具在不同生产类型中的通用特性，故也是选择夹具主要依据。目前，我国常用的夹具有通用夹具、专用夹具和自动化生产夹具等五大类。 1） 通用夹具是指结构、尺 寸已规格化，具有一定通用性的夹具、如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。其特点是使用性强，不需调整或稍加调整就可以装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件，这类夹具以商品化，且成为机床附件，采用这种夹具可减少生产周期，减少夹具品种从而降低生产成本，其缺点是夹具的精度不高，生产效率也较低，且较难装夹形状复杂的工件，故使用与单件小批量生产中。 2） 专用夹具是针对一个工序的要求而专门设计和制造夹具，其特点是针对性极强，没有通用性，在产品相对稳定批量较大的生产中，常用各 种专用夹具，可获得较长，随着现代多品种中小批量的发展专用夹具在专用性和经济性等方面已多生许多问题。 3） 可调夹具是针对通用夹具专用夹具的缺陷而发展起来的异类新型夹具对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。它一般又称为通用可调夹具和成组夹具两种，前者的通用范围比通用夹具更大，后者则是一种可调夹具，它按成组原理设计并能加工一组相似零件，故在多品种中，中小批生产中上午有较好的经济效应。 4） 组合夹具是一种模块化的夹具，标准的模块元件有较高的 精度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具用完后元件既可拆除，又可留用组装新的夹具，由于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并且有可减少专用夹具数量的优点，因此、组合夹具在单件中小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹具，组合夹具也已商品化。 5） 6 自动化生产专用夹具主要分为线夹具和数控机床专用夹具两大类，自动线夹具有两种：一种是固定完成夹具，一种是随行夹具，数控机床夹具还包括加工中心夹具和柔性制造系统专用夹具，随着制造的现代化，在企业中数控机床的夹具比例正在增加，得以满足 数控机床的加工要求，数控几传呼的典型结构是平装夹具，它是利用标准的模块组装的夹具。 这是专用夹具设计使用的分类方法，如车床、铣床、刨床、钻床、数控车床等夹具。设计专用夹具时机床的类别、组别、型别主要参数均以确定。它们不同点是机床切削成型运动不同、故夹具与机床的连接方式不同它们的加工精度要求也各不相同。 床夹具的设计要求 设计夹具时必须使工件的加工质量、生产效率、劳动条件和经济效益等四方面达到辩证的统一。其中能稳定地保证加工质量是最基本的要求。为了提高生产率，夹具采用先进的结 构和机械传动装置以及快速高效的夹紧装置，以缩短辅助时间，这往往会增加夹具的制造成本，但当工件的批量增加到一定规模时，因为单件的工时下降所获得的经济效益将得到补偿，从而降低工件的制造成本。因此所设计的夹具其复杂程度和工作效率必须与生产规模相适应，才能获得良好的经济效果。 但是，任何技术措施都会遇到某些特殊情况，故对以上四方面有时候也很侧重。例如对于位置精度要求很高的工件加工，往往着眼于满足加工精度要求；对于精度要求不高的而生产批量较大的工件，则需要着重考虑提高夹具的工效。 总之，设计夹具时应该满足以下几个基本 要求： 1） 即在机械加工工艺系统中，夹具在满足以下三个 要求：工件在夹具中的定位，夹具在机床上的位置，刀具的正确位置。 2） 3） 4） 代机床夹具的发展发向 由于市场需求的变化多端以及机电产品的竞争日益激烈，产品更新换代的周期 7 短，多品种、中小批量生产的比例在提高。为了适应现代化机械工业向高、精、尖方向发展的需要，现代机床夹具也必须与时俱进，传统的生产技术准备工作和传统的夹具结构已经不适应新的 生产特点，其发展方向主要表现为“四化”。 （ 1）标准化 夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面，在制造典型夹具，结构的基础上，首先进行夹具元件和部件的通用化，建立典型尺寸系列或变型，以减少功能用途相近的夹具元件和不见的形成：舍弃一些功能低劣的结构，通用化方法包括：夹具、部件、元件、毛坯和材料的通用化夹具的标准化阶段是通用化的深入并为工作图的审查创造了良好的条件。目前，我国已有夹具零件、部件的国家标准以及通用夹具标准，组合夹具标准等。夹具的标准化也是夹具柔性化高效化的基础，作为发展趋势，有利于夹具的专业化 生产和有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 （ 2）可调化、组合化 夹具的可调化、组合化即夹具的柔性化，它与机床的柔性化相似，它是通过调 组合等方式，以适应工艺可变因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺寸等，具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块夹具、数控夹具等，在较长时间内，夹具的柔性化趋向将是夹具发展的主要方向。 （ 3）精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必也相应提高对其精度要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其 分度可达正负 于精密车削的高精度三爪卡盘，其定心精度为 5如用于轴承套圈磨削的电磁无心夹具，工件的圆度可达 （ 4）高效自动化 高效化夹具主要用来减少工件加工的机动时的和辅助时的，以提高劳动生产率，减少工人劳动强度，常见的高效化夹具有：自动化夹具、告诉化夹具、具有夹紧动力模块的夹具等。例如使用电动虎钳装夹工件，可使工件效率比普通虎钳提高了 5倍左右；而高速卡盘则可保证卡爪在转速 9000r/条件下能正常夹紧工件，使切削速度大幅度提高。 8 第三章 零件的分析 件的作用 放牌汽车前刹车调整臂外壳，主要是对前刹车调整臂进行支撑保护。 件的工艺分析 零件加工过程中，要保证侧孔 13， 16 在同一个中心线上，中心轴线距定位基准 60 孔为 位置精度要求；另外，上端 对右侧凸台端面有 70 位置精度要求；零件大端两侧端面相对中心线有 错误 !未找到引用源。的尺寸要求等。主要工序加工面如下示例： 9 第四章 工艺规程设计 定毛坯的制造形式 零件的材料为 件承受的冲击载荷不是很大，且零件的轮廓尺寸 较大，结构较为复杂，又为大批量生产，而且表面粗糙度质量要求也不是很高，故可采用铸件，以提高生产效率和效益。 准的选择 基准的选择是工艺规程设计中的重要工作之一，对零件的生产是非常重要。 1） 粗基准的选择 按照粗基准的选择原则，应选取尽量不加工的表面为粗基准，故选用 圆面及大端端面为粗基准。以 V 型块定位并进行压紧。 2） 精基准的选择 粗加工进行后，以一端端面为精基准，加工另一侧端面。仍然以外圆用 V 型块定位，加工一侧端面和内孔。主要考虑精基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合的时候，应 该进行尺寸换算，这在以后还要进行专门的计算，在此不再重复。 定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状，尺寸精度及位置精度的技术要求能得到合理的保证，在生产纲领已确定为大批量生产的条件下，可以考虑采用万能机床以及专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外还应当考虑经济效果，以便生产成本尽量降低。 1）工艺路线方案一 工序 1 粗 ,精车 60 孔 , 60 孔前后两端面； 10 工序 2 粗 、 精车 60 孔左右两端面； 工序 3 钻、扩、铰 12 孔 ,钻、铰 5 ； 工序 4 粗、精车 12 孔前后两端面； 工序 5 粗、精车 60 孔上方槽内表面 ,钻、铰 孔； . 工序 6 扩、铰 、钻、扩、铰 16 孔 ,13 孔； 工序 7 钻铰 锥孔； 工序 8 去毛刺，检查。 按此工艺加工不太合理，我们知道对于一般零件采用基准先行原则应该先加工面后加工孔，才可满足零件的加工要求，因此换方案如下： 2）工艺路线方案二 工序 1 粗车大端前后两端面； 工序 2 精车 12 孔前后端面； 工序 3 粗车 大端左右两端面； 工序 4 钻 、 扩 、 铰 12 孔； 工序 5 钻 、 扩 、 铰 5 ； 工序 6 钻 、 扩 、 铰 60 孔； 工序 7 粗车、精车槽端面； 工序 8 车螺纹孔顶面，钻攻 纹； 工序 9 钻、扩、铰 13、 16 孔； 工序 10 攻 ； 工序 11 去毛刺，检验。 此方案较上述方案更加合理了，但是仍有些不足，例如前几个工序装夹反复次数较多，生产 效率较低，影响经济效益，不适合大批量生产；工序 6 中的 60 孔，由于铸件孔径已经达到 50，直径较大，而精度要求不高，用车削即可。特此修改如下： 11 3）工艺路线方案三 工序 1 车大端两端面； 车 60孔，采用 床，使用专用夹具； 工序 2 铣小端两端面； 工序 3 钻、扩 12孔； 工序 4 一面两销，铣方槽； 工序 5 以 60 孔， 12 孔与端面一面两销，铣三个凸台； 工序 6 一面两销，钻、扩、铰 13、 16 的孔； 工序 7 钻、攻 纹； 工序 8 一面两销，钻、扩、铰 5 工 序 9 攻 ； 工序 10 去毛刺； 工序 11 检验。 此工艺路线装夹重复次数少，加工工序能够满足零件的生产要求，生产效率较高，适合大批量生产，就此采用。 械加工余量及毛坯尺寸的确定 放牌汽车前刹车调整臂外壳的材料为 b =350产类型为中批量，铸造毛坯。 试确定各加工表面的机械加工余量及毛坯尺寸如下： 1） 非加工表面 考虑其零件非加工表面，没有粗糙度要求，因此直接铸造可成。 12 2） 大端端面及小端端面沿轴 线方向的加工余量 查机械制造技术基础课程设计指南（ 以下称设计指南） 表 5铸件的机械加工余量等级为 F 时的机械加工余量 表 5公差等级为 查表5出尺寸公差 由设计指南表达式 5毛坯铸造时，工件两侧总共需要的留出的金属余量 (双侧加工 ) R=2T/2= 2 =单侧为 侧工序余量如下： 粗车 2 半精车 3） 内孔 60（已铸 50孔）， 12（已铸 6孔） 仿照 2），查 设计指南 ，得铸件留出的金属余量 (双侧加工 ) 60 是 10 12是 6 制定单侧 工序余量如下： 60 粗车 半精车 12 钻 扩 铰 0 13 4） 方槽 同上，取方槽端面铸造余量为 序余量 如下： 粗铣 2 半精铣 0.5 5） 三个凸台 同上，取凸台的铸造加工余量均为2 则工序余量如下： 粗铣 1.5 半精铣 0.5 6） 其他尺寸直接铸造得到 由于零件的粗糙度要求不是很高，且为中批量生产，应该采用调整加工。因此在计算最大 、 最小加工余量时都应按调整法加工方式予以确认。 14 立切削用量及基本工时 工序一 以 大端端面以及 60孔 (1) 加工条件 工件材料： b =350铸造。 加工要求：粗车大端端面，表面粗糙度 精车大端端面，表面粗糙度车 60 孔，表面粗糙度 精车 60 孔，表面粗糙度 机 床： 刀 具：根据机械加工工艺手册第二卷（以下简称工艺手册）加工铸铁选择高速钢端面车刀。根据车床中心高选择刀杆尺寸 1625刀具前角0 15 ,后角 0 8 ，副后角0 =10 ,主刃r=60 ,副刃r =15 (2) 切削用量 1）车大端端面 1. 确定进给量 根据设计指南表 5车刀刀杆尺寸为 1625 p 3，工件的直径为 60， f=r 。根据设计指南表 5f=r。 2. 计算切削速度 查工艺手册表 削速度的计算公式 vc cv （ m/ 上式中 v ， 125.0m ， 2pa 0 5.0 5.0f ， 1 计算得，车削速度 m/ 3. 确定主轴转速 由公式 m 265 0 01 0 0 0 rd vn 15 按设计指南表 5 50r/ 185r/现取 185r/果选 150r/速度损失很大，所以实际的切削速度为v = 4. 校验机床功率 由工艺手册表 削需要的功率 上式中 98025.0f ， 0 代入计算得 由 设计指南表 5 床的主电动机的功率为 7主轴转速为185r/轴传递的最大功率为 =以机床的功率足够，可以正常加工。 故所选 背吃刀量 2pa 给量 。 （ 3) 基本工时 因为工件面积很小，表面粗糙度要求很低，且若换刀或者变换切削速度所节约的时间很少，故只改变切削深度。半精车时再以 切削深度，其余变量不变，走刀一次，故车大端端面所需时间 t=4=114s。 2） 车 60孔 (1) 切削用量 1. 确定进给量 根据设计指南表 5刀杆尺寸 16253 时，工件直径为 60， f=r， 根据设计指南表 5 f=r。 2. 计算切削速度 查工艺手册表 削速度的计算公式 4106 5 4444 16 vc cv （ m/ 上式中 v ， 125.0m ， 2pa 2.0 5.0 5.0f ， 1 计算得，车削速度 m/ 3. 确定主轴转速 由公式 m 0 01 0 0 0 rd vn 按设计指南表 5 50r/ 185r/选 150r/以实际的切削速度为 v = 4. 校验机床功率 由工 艺手册表 削需要的功率 上式中 980271.0f ， 0 代入计算得 由 设计指南表 5 床的主电动机的功率为 7主轴转速为185r/轴传递的最大功率为 =以机床的功率足够，可以正常加工。 故所选 背吃刀量 2pa 给量 。 (2) 基本工时 因为工件面积很小，若换刀或者变换切削速度所节约的时间可以忽略，再快速走刀两次即可达到表面粗糙度要求。 工序二 以 60孔和大端端面为精基准，铣小端端面 (1) 加工条件 4106 0 17 工件材料： b =350铸造； 加工要求：铣小端端面，表面粗糙度 机 床： 立式铣床 刀 具：根据工艺手册表 择高速钢铣刀。根据表 择刀杆直径 d=40度 L=63数 z=8；选刀具前角0 15 ,后角 0 12 ，已知铣削宽度 40削深度 p=2双面。 (2) 切削用量 1. 确定每齿进给量 根据设计指南表 5铣刀功率为 艺系统刚性为中等，根据工艺手册表 得进给量 f=z，取 f=z。 2. 选择铣刀磨钝标准及耐用度。 查工艺手册表 刀最大的磨损量为 用度 90 3. 确定切削速度和工作台每 分钟的进给量 其中 0 ， ， 27 45.01.0 4.0 3.0 1.0 33.0m ， ，z /， d=40 8Z ，将以上数据代入公式： m i n/027 0 45.0 mv c 确定机床主轴转速： m i n/10 00 rd vn 。 根据设计指南表 5n=130r/实际的切削速度为 v= 所以工作台每分钟的进给量 根据设计指南表 5作台进给量选择 00mm/则实际每齿的进给量 z。 根据工艺手册 18 式中 294271.0f ， 0 u ， 0 2 2.0zf mm/z， q 代入计算得 因为 所选的切削用量可用。 (2) 基本工时 根据工艺手册表 次进给铣削一端开口槽的基本时间是 由于表面的粗糙度值为 次铣削基本就可以达到精度要求，为保证精度要求合格，可再快速进给一次，机动时间约为 8s。 工序三 以 60孔和大端端面为精基准，钻、扩、铰 、 精铰 12孔 (1) 加工条件 工件材料： b =350铸造； 加工要求：钻扩 12孔，表面粗糙度 机 床： 床 刀 具：根据工艺手册选择麻花钻 d=11d=122) 切削用量 1） 钻孔 11 1. 确定进给量 由设计指南表 5查，当铸 铁的 b200 d=11 时，则每转进给量f=r。现根据设计指南表 5择 r。 3101 w 19 2. 确定钻头磨钝标准及寿命 后刀面最大磨损限度（查 工艺 手册）为 命 。 3. 确定切削速度 根据设计指南表 5切削速度 v=45m/以钻床的转速 根据设计指南表 5选 转速接近 是 750r/实际的切削速 度 v= （ 3) 基本工时 2） 扩孔至 12。 (1) 切削用量 1. 确定进给量 查 设计指南 表 5孔进给量为： ，并由 设计指南表 5最终选定 机床 进给量为： 。 2. 确定切削速度 根据钻扩 = 5m ，则主轴的转速为 m 1 4 r，按 设计指南 表 5 n=530r/实际切削速度为 v=2) 基本工时 3） 铰孔 ：选高速钢铰刀 n=100r/f=2mm/ d=m 211 4510 00 rn s 530 2602100 20 21 参考文献 1、崇 凯 机械制造技术基础课程设计指南 . 北京 2006 2、李昌年 机床夹具设计与制造 . 北京 2006 3、王先逵 机械加工工艺手册 北京 2006 4、 王先逵 机械加工工艺手册 北京 2006 5、王先逵 机械制造工艺学 . 北京 2005 6、 骆素君 朱诗顺 机械课程设计简明手册 . 北京 2006 7、陈于萍 周兆元 互换性与测量技术基础 . 北京 2005 8、史美堂 金属材料及热处理 . 上海 2006 9、孙丽媛 机械 制造工艺及专用夹具 北京 2002 10、吴 拓 机械制造工艺与机床夹具课程设计指导 . 北京 2005 22 致谢 大学毕业设计是四年来所学专业知识的综合。通过此次设计，可以提高综合运用知识的能力，其中包括看图、绘图、设计计算、查阅手册等诸多在机械设计制造行业必备的基本能力，毕业设计对于今后的学习和工作都是一次难得的演练。通过对前调整臂外壳工艺规程及其专用家具的设计，我对零件的工艺加工、工序设计以及夹具设计的方法和步骤有了深入的了 解，自己感觉收获颇丰。 当然，本次设计不全是是我个人独立完成的，而是在郑培文老师的悉心指导和帮助下完成的。由于我的机械专业知识有限，实践经验更显空白，所以在设计中常常碰到阻碍，是在郑老师不厌其烦的指教和引导下，我才能顺利完成任务。郑老师的循循善诱，已经让我钦佩不已，而郑老师严谨的治学态度更是让我倍受教益。在此，我向郑老师表示最真诚的感谢。同时，感谢同学们的协作和帮助，使我能按时顺利地完成毕业设计。 23 附件 1 用于金属切削的空冷技术 机械工程学系，科廷科 技大学， 邮政总局信箱 澳大利亚珀斯 6845 摘要： 空气冷却干燥加工都是切割 金属 行业 为处理 长期运行 时为 延长刀具寿命，降低机床故障和尽量减少在刀尖产生的热量 等 问题进行试验 所获得的 可能的解决方案 。 迄今为止， 这个行业仍不得不使用大量 昂贵的 会造成 环境破坏和健康危害 的 冷却剂 。 如今，干加工引入金属切削行业的目的是不懈地努力减少加工费用和化学物质对环境的影响。 现代 加工 工具已经有能力维持其 刀刃 在较高温度下切割 ，然而即使有了这种改善，切削刃最终也会损坏。应用冷空气吹入这些现代工具的结合面也将有助于延长工具寿 命，减少切削损失。 空气干燥加工 被用于 到工具界面 在这篇文章中认为有 可能替代有害液基冷却 。 然而，低对流散热率与传统 空冷 相关方法一般是不足 以及时散掉 激烈的切割产生的热量 ， 适当 的能够 提高冷却 的 过程方法，还没有建立起来。 引言 本研究 旨在 探讨 一种被称作 朗克，希尔施涡 旋 管 的， 在加工过程中用于冷却的 有效设备 。该 朗克 - 希尔施涡 旋管的 影响是在 30年代初 ， 它 的发明引起 了 很大轰动 ，因为它表明，通过压缩空气一管 有可能产生热冷空气 。起初 人们 很难相信，这种装置可以产生热 空气 和冷空气 并且达到 有用的流量。涡旋管一个没有移动部件 ，简单的装置同时生产冷，热空气流。但是，到目前为止，很少有确定利用冷却工具涡流管的效率 的研 24 究 。因此， 为确定在刀刃上的 热效率转移过程 的 一系列实验调查已经 开始 进行了。这些试验将确定最合适的参数使用，如冷和热空气的质量流量，冷热管直径 、 长度， 和可实现 的 冷空气最低气温。风冷从未 被 制造业采 用是由于这样一个事实， 多年来 ， 传统的切削液已被证明是在 机械加工 冷却过程中有效的 方法 。这项研究结果将证明， 在很多加工设备中， 空气冷却 都 可以取代传统的切削液， 不会 减少刀具寿命或 也不会造成 工作质量的下降 或是影响 工件表面 的 完成。 给工件表面 提供冷空气的 朗克，希尔施涡 旋 管 的使用说明 表明提高 空冷 性能 的重要 。刀 具 结合 界面的温度记录清楚地表明， 刀刃 的温度有 显著的 减少。 用显微镜观察可发现， 这 种 温度减缓 降低了机械齿面的磨损。 因此， 当刀面用风冷时， 监测后刀面磨损的 发展情况，显示着被延长了的 刀具寿命 。 该 朗克，希尔施涡管 1是一个了不起的设备， 它 能够同时独立为两个不同的气流，一股比进来的 空气 热 和 另一股比进来的空气冷 ， 其间 没有任何移动部分参与。 该 设备 分离 产生的 冷空气和热空气穿过涡流管 时的 温度 是尚未完全清楚。 这 是一 个 被称为麦克斯韦妖 怪 ，一个幻想 不经任何工作就 能 分 离 热量 的装置 。 这种涡管基本上包括三个管和一个使压缩空气在冷管处的温度较低的供应装置。 朗克 2试图 利用这种无运动部件 就能产生 热空气和冷空气 的 奇怪设备的商业潜力 。 不幸的是，这家合资公司失败 了， 涡流管 也因此变得无人问津 。该 装置把 冷 传 到热 所 依据 的 能量转移 原理仍然很难理解 。 然而 ， 对于这个 基本物理现象 有一场辩论 ， 尽管 大多数研究者 认为 该 设备 是基于互动动荡， 可是由 压缩和剪切的工作 过程，却 表现出浦大卫的戴斯勒和 3分析。 最近 ， 研究分为两类 ： 第一 类称为外部研究关注与该管的性能。 它是发现 4， 该比例最低的长度管的直径是 13。 其他的研究 建议 40 比 50 为最佳 运作。 至于隔膜，最适尺寸是2:3 的比例膜片直径 管的直径。 涡流管由三个重要部分 组成，空 气进入到旋涡发电机（这增加了空气的速度） 的 中间部分，冷轧管，热管，如图 1所示。 25 通常热管是约 350毫米长，并在 底部有 一个锥形阀控制 流出的 热空气量。 涡 流 发生器的右侧是冷轧管出口。涡流发生器和冷轧管 之间 有 个中心带有 可以很容易改变 大小的孔的 隔膜，。 带有可大可 小 孔的隔膜 还可以增加或减少在寒冷的出口所得 的温度 。考虑到上述涡管，压缩空气 以 声波速度供应 到圆形 管，并 产生 一 个每分钟 1 万转气旋（涡流）。空气是被迫自旋 进入 中心，在那里它然后沿着热管 当前 最不抵抗气流 的道路逃离 。 旋转的空气，因为它继续沿管前行，直到它达到了锥形阀的地方变成了旋转的空气柱（涡部分内部本身）。较慢的内空气柱的旋转流动的空气放弃了它的热量，让其更快的旋转到空气柱外。寒冷的空气撞倒正奉命出的涡流发生器的旋转空气并且冷端的热空气耗尽流出的涡流管的另一端。 调整锥形阀将内置闷热的空气排出可以改变这两个温度 ， 空气流低至 C 的由图所示。 涡流理论 目前没有人能确切地解释为什么涡管会如此运作：这个过程本身 正如莱温和 6 26 所述的那么简单。切向进气喷嘴对涡流发生器，因此可以提供一个高速旋转产生的气流旋涡。 后来，有一径向温度梯度 由 管芯到管外壁增加。这是主要是因为 空气的 压缩势能转换为动能 ， 由于附近空气中的外切向力矩进口 形成的强迫涡 。因此，高速旋转内流管，远离墙壁 产生 。涡旋内的热管现有的空气，通常 与 大气温度 相 等，当旋转 气流 的涡管流进 它就扩大了 ，但其温度下降 到 比环境温度低。两 气温 的区别将导致温度梯度沿管生产比周围空气的核心更冷 的 空气。因此，中央空气分子将失去热 将到达 外部区域，如图所示 3。 值得注意的是， 该系统是一个动态的系统由于对管内气流的性质，因此将无法达到平衡。 因此，周边的空气有较高的动能（温度超过内空气（冷）。 一个主要的压力梯度由于在径向方向被迫涡将提供一个圆形旋转的向心力，因此这将导致高压的在管壁上，并低压在中心处。 当空气进入到周边地区（ A）， 随着 它 的膨胀 ，由于它的扩张 外 部空气 得以 冷却。因此，内核的空气（ B）会得到温暖，因为它是由压缩周边 膨胀的 空气。然后转热从内核（ B）到外核心（ A）。由于内 部 空气被压缩，自然会尝试推 着向周边膨胀 。因此， 处理 外核的空气，然后加热， 由于膨胀 和压力 的不同 ，这会导致对工作要做周围的空气 得到 不同结果收缩的空气。因此，热量转移径向向外图所示4。 当空气继续沿管旋进产生的更多的分离能量将发生轴向对流，而使空气向热端移动。在这个进程中，将热量从核心转的空气移到外部空气。 随着气流到达最热时，一小部分的空气将通过位于热端的锥形阀门排出，依靠临近中心的不良压力梯度，剩下的空气将在冷端旋转，如图所示 5。 27 其余部分的温暖的空气保持垂直流动，其运动方向要么是沿管道顺时针要么是逆时针。 此外，这种气流 在管内核心的空气 产生的气流的 压力也较低。如果两空气流的角速度保持 ，这意味着任何两个 取自图 4的粒子 ：示意图阵地周边和内部核心空气 图 5：在涡管气流模式图无论是空气流将采取同样的时间才能完成围绕管周长一 次循环 。从角动量守恒原理，它似乎是在内核分子角速度将增加 ，见 公式 表明 ，在内部的核心中， 值（径向距离测量中心在管中特别关注分子） 很 小，应该有一个相应的增加分子的角速度，以便让总的角动量守恒系统。 此 假设是微不足道， 在管道内两 任何空气分子的质量差异 。 然而，某一角速度在内部核心分子保持不变。这也就是说， 在 涡流管内的核心 ， 角动量实际上已经失去了。由于热量转移到外的核心 ， 对内核 的角动量不保留或 有 更具体的跌幅，这将导致核心能量 从内到外 转移 。 内核的热能损失事外核心范围内的空气分子升温。因此，外核变热和内核变凉。 当达到热极限，通过热锥形阀和管壁（热插座）之间的小开口将周围的空气逸出。不过，中央的 空气 较冷 ，是由锥形阀轴偏转，并继续对从热端 流向冷管 。只有最里面的空气分子通过隔膜和 从收集 冷 空气的出口溢出 。因此，空气分子被分为冷 流和 热流通过涡流管的冷热两端。 28 该图 6 很好的绘出 了涡流管。重要的是要注意，特别是在热端管发生分离。该锥形主轴（锥形阀）， 的目的 是 将 一个寒冷的空气逆流到管轴向地 区。该隔膜（孔另一方面）是用来挡周围的空气，使中央流会通过冷端 溢出 。涡管部件 的缺少 可能会造成这种错误的假设，这种现象是违反热力学 规律的 。 事实上，如果没有在室温下 做任何工作， 空气流可以分为两个不同的蒸汽， 这 一冷一热划分工作，似乎违背了热力学第二定律。不过， 关键 是要提的是，尽管 有 这个误导的 观念 ，可是 物理保持不变。虽然，该涡管物理学是复杂的， 但作为 热力学的基本原理研究，可以帮助加深对涡流管内发生 了什么进行 更深入的了解。 热力学第一定律是关于节约能源。根据这项 规律 ， 在系统之间的反应，它的环境，能源可以使从周围 接收到该系统与从系统中传给周围的能量值相等。 这种能量可以 由 两个不同状态 显现 ：热和 功 。 因此，对于每一个具体的控制体积热力学系统： 图 7：一涡管控制体积示意图 29 制冷实际情况对于确定该冷却装置的性能系数是如此的重要。 因此，确定性能系数的旋涡管和比较与传统制冷性能系数在使用它来确定它的效率，似乎合乎逻辑。涡流管可以用作制冷设备在寒冷的管壁是用来降低温度或作为加热装置，当热管墙是用来增加外壳温度。应该指出的是，对面是什么通常在热力学看，在这种情况下涡管是一个开放的控制储存装置。如果系统认为是稳定的状态，然后从第一 定律热力学： 其中， 我们假定平行的演算法近似为零，即使冷轧管上可能有霜冻，热管是很温暖。如果是这种情况则： 在那里， _冷流焓变化和 _热焓变流。假设为理想气体，总焓变的空气可以写为： 其中， 冷管的质量流量，氢是热管的质量流量， 冷空气的温度， 进风温 30 度， 热空气的温度和 空气比热在不断的压力和承担可逆的绝热过程。通过应用热力学第二定律上述： 其中， _为绝对温度。 在 实际的稳态控制体积熵的变化是： 熵变化的实际控制数量， 稳定状态是： 其中， _ _从入口到出口的熵变的部分进入寒冷的空气管留下了，一部分是进入热管。 对于理想气体（空气）比热，熵变化可以 在 那里我的下标， C 和 H 分别进流，冷 流 和热流， R 是理想气体（空气）保持不变。 自冷（或热外观）的影响时无运动部件将尝试管壁考虑为冰箱（或竞争此设备热泵），估计其系数性能（ 是有效 的。围绕冷却效果可以通过放置一个寒冷的管外壳，性能系数，可计算方法是： 冷流通过冷管壁像热（换热器）由一些喜欢在一 冷箱源（冰箱）和 W 在本案中是工作压缩完成从大气压力和空气温度对管的入口条件。 31 其中， 压缩机出口温度和 压缩机进气温度（可逆的，多方过程 ;空气量： N = 如果我们考虑一个完整的系统， 是大气压力和温度， 是压缩机出口条件， 空气被压缩后，它在保持 在高压状态， 在当时它冷却大气温度，使 音速喷嘴 的入口温度当于 度 ： 方程（ 23）可从 计算式。 （ 24）这是一个理想的工作值，它比所需的驱动器的实际工作较少 于 压缩机。通过考虑上述方程和使用的 21），对涡流管性能系数可以决定的。 实验分析涡管设计为了帮助比较的涡管数参数是