外文翻译-用于金属切削的空冷技术

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。 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。 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。 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 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， _S 是总熵变， q 是传热和 T 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（ 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。 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 温度： 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非常有用的使用质量分数为冷这是可以对比以上的涡管范围测试。此参数是简单的空气质量流量比率在管冷端进口处的压缩空气的平均流速，。重要的是要注意气团在管热端流率各不相同，从它的最高值（即等于质量流量的压缩空气）到最低值（这是等于零），并显示在横向轴的图表。在冷端质量流量等于质量差的进气流量和质量流量率的冷端。因此，通过改变质量在热端流率，有效地控制你在制冷结束时，其最低流量的大规模最大的价值。 其中： 空气质量在冷端流率 气质量流率在热端 缩空气的质量流率在进 寒冷空气的质量分数为输入压缩空气通过冷端释放管的百分比。一般来说，稍稍寒冷的空气被释放后，就会变得更寒冷。调节控制阀旋钮将改变不同寒冷度的质量分数。将给予质量分数高的寒冷更大的气流，但并没有给尽可能低的温度。高质量分数寒气流与冷温度组合，产生最大低温冷藏能力。另一方面低质量分数气流是指一股出来时体积较小且非常冷的空气。总之，较少的空气被释放，空气变得更冷。在最冷的那头，速度对温度下降的影响很有效，因为如果产生最低气温的速度是已知的，那么，压缩空气的压力和冷喷嘴直径 可以达到最优化。喷嘴直径的减少也将迫使空气向热端流动，并会导致对涡管效率的提高有一定影响。 估计的性能系数可以用来给出了该冷却系统的制冷性能，这是一个能够确定涡流管的性能。 这对涡流管性能系数计算用到公式（ 21），并发现了 价值。与传统制冷系统通常约为 值相比， 个值较低。即使这表明，涡流管是不是空调系统的理想器件，它仍然合适现场冷却。对涡流管显示设计的测试，寒冷气流的温度下降的寒冷的质量分数由、是涡流管的一个功能，如式（ 27）所示。从这些实验情况表明，喷嘴使之产生一个最大降温 如图 9 所示。这已是最小光圈喷嘴直径（直径 3 毫米之间的发电机和冷涡管）。可以从这些测试得出结论，冷涡发生器出口直径越小，温度下降越大。 检查（图 8 - 11B 条）显示的趋势，最低气温伴随低的寒质量分数发生。不幸的是，该流量计没有测量接近零的寒冷质量分数的能力。因此，它无法找到确切的最低气温出现时的寒冷的质量分数。虽然，从图就可以假设这个值将介于0 和 冷空气出口产生最大的温降，同时在热空气出口产生最大的温升，这个结果显示在用喷嘴 1时寒冷质量分数在 图 8所示。 此图形 9 显示了 不同喷嘴直径图的趋势，从 0 都开始增加至最高点，然后有一个温度下降趋势。这种方式是可以预见的，因为它是已知的，寒冷的质量分数低，一内旋转气流有很高的比例加入在出口外流动的热空气，因此，热气流的温度下降。由于锥形阀逐渐打开，一场更高的比例热空气逃脱出口，而其余部分则返回混入涡旋空气中通过冷端回来。这让热气流温度增加至其最高点以及生成最冷空气。继续打开超出其最佳位置锥形阀可以通过额外的空气逸出，使热空气出口温度降低。 该热管的长度对能源上的涡管分离有重要的影响，可以由（图 10A 条，二）证明。例如， 通过增加热管长度，温度下降的快。这是由于空气内流有更多的时间将能量转移到外部气流。但是，对大于对 360 毫米的涡流管进行测试显示：一旦超出了热管的最佳长度，温度下降速度开始下跌。这种温度的下降减少所造成的能量，使得外热流量开始让内流升温，当内流时到达锥形阀，它返回到更冷的温度冷端。 从图中可以得出结论说，所有的长度，最高温度可以通过增加 外一个重要参数，对涡流管影响较大的是压力，因为所示（图 11A 条，乙），这表明一般通过增加更大的压力，您会获得一个温度下降。萨迪和亚兹 迪 7从他们的研究还发现，通过增加管长，温差增大，对能源的损失减少了。 斯蒂芬 7在他的实验得到那些类似的趋势，在米 = = 得到最高温升。为此涡管的最高值被发现是在 m= m = ，如图 11 b 所示：作者与斯蒂芬的涡管比较这些寒冷分数的测试，存在几何上的不同。 风冷金属切削 在刀尖嵌入的热电偶的位置图 12 上显示，最接近被测量工具接口由 13 个频道（ 电偶）。图 13 显示了涡管，产生的冷空气正在走上工具界面直接在金属切削试验。这一过程的空气冷却性能可以进行评估，确定 了此加工条件对刀具寿命等的影响。如图 14 所示的在测量工具提示之前加工与记录 温度热电偶 2，如通道热电偶（ （ 示 当空气涡流出口已达到 右，加工开始。正如在刀尖温度升高的现象 9，该工具上升到了 60 摄氏度的温度稳定状态，如图 15 所示。 在最后一点温度下降时，表示已停止进料，没有更多的铁削正在生成。这使冷却空气流过该工具时提供一个从减少工具的温度，加快工具更快的散热，如图16 所示。 在切削实验的过程中涡流管的霜凝可以清楚地看到确认，涡流管是提供极冷的空气。 空气冷却对刀具寿命的影响 据了解，所有的磨损机制都会减少高温下刀具寿命 10。 在寒冷的空气中，应用工具显示会避免长时间在尖端的温度下使用工具能够让刀具有一个较长的寿命 11。空气冷却系统的效率可以显示，磨损为干切一 1 分钟， 7 分钟的加工风冷削减之间的比较。图第 17A - D 显示的后刀面磨损下一个具有 63光学显微镜的放大倍率设定时间。 后刀面磨损的发展证明需要更长的时间，发展空气冷却时，应用到切削区，如图 17d 所示。 经过七年的干式加工分钟前刀面的月牙洼磨损开始发展，在 米的侧面，如图 18a 所示。干式加工将进一步加快这一磨损率。在这个阶段，刀具半径没有显示出磨损迹象和顶部侧面边缘没有明显的缺口。空气冷却工具显示在顶部前刀面和后刀面磨损没有明显的迹象是刀具磨损也大大减少。在干燥和空气的冷却表示，该芯片产生的热量多，正在切削区慢慢消退。图 19 显示了在干燥和空气冷却刀尖试验产生的铁屑。左侧是干燥刀尖试验和右侧是空气冷却产生的铁屑。 总结 先前的研究，如刘等人。 12证明，压缩空