（化工过程机械专业论文）热管式立铣刀温度场及动态特性研究.pdf

c l a s s i f i e dindex：tg506 s c h o o lc o d e ： s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ：o p e n s t u d e n tn u m b e r ：2 0 0 9 1 2 5 3 2 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dd y n a m i c c l l a r a c t e l i s t i c so fh e a tp i p ee n dm i l l c a n d i d a t e ： c o l l e g e ： s p e c i a l t y ： s u p e r v i s o r ： c o o p e r a t o r ： j uh u a w e i s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y p r o f t a n gw e i x i a o s h a n d o n gu n i v e r s i t y ，j i n a n ，p r 。c h i n a m a y ，2 0 1 2 始 辫 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：强缝e l期：型垄亟里关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。论文作者签名：鲥导师签名期：型 目录 目录 攘要 l 。l ma b s t r a c t 符号说明。 第1 章绪论。 v 1 1 1 本课题的目的和意义1 1 2 熟管技术及热管式刀具的研究现状2 1 2 1 热管式钻头2 1 2 2 熟管式车刃。3 l 。2 3 热管式瘗头缈轮4 薹2 。4 热管式铣刀o 4 1 3 铣削温度场的研究现状5 10 4 铣削稳定性预测的研究现状。7 1 5 本课题来源以及主要研究内容10 第2 章热管铣刀的温度场模型 1 3 2 1 热管铣刀的传热模型13 2 2 熟源法求解移动线热源温度场1 4 2 2 1 固体熟传导微分方程1 4 2 2 2 瞬时点热源1 5 2 2 3 瞬时有限长线熟源17 2 2 4 移动的有限长线热源l8 2 3 热管铣刀切削温度场1 9 2 3 1 剪切面产生的温度场l9 2 3 。2 铣刀与切屑摩擦面产生的温度场2 0 2 。3 3 剪切面热源与切属摩擦热源同时作用下的温度场。2 l 山东大学硕士学位论文 2 4 本章小结2 3 第3 章热管铣刀切削温度场有限元仿真 3 1 仿真模型假设及边界条件2 5 3 2 温度场的仿真2 6 3 3 仿真结果分析2 9 3 3 1 直径比对铣刀温度场的影响2 9 3 3 2 长度比对铣刀温度场的影响3 2 3 4 本章小结。3 4 第4 章热管铣刀的动态特性及稳定性分析 3 7 4 1 动态铣削过程建模3 7 4 1 1 热管铣刀的动态铣削力模型3 7 4 1 2 热管铣刀动力学模型3 9 4 2 稳定性极限值4 0 4 3 热管铣刀的动态特性及稳定性4 2 4 3 1 热管铣刀动态特性。4 3 4 3 2 热管铣刀与主轴匹配动态特性4 4 4 3 3 热管铣刀的稳定性极限图4 6 4 4 热管铣刀的设计原则4 7 4 5 本章小结4 8 总结与展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 5 l 5 3 5 7 6 l 6 3 c 【) n l e n 。i s _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i i l li l l l c o n 硼盼盯s a b s t r a c ti nc h i n e s e 。i a b s t r a c ti ne n g l i s h 。一。”。”i 箍 s y m b o l sa n dm 雌n i 珏辫。一一一”。”一一”“”一”一”竹v 1i n t r o d u c t i o n l 1 1r e s e a r c ho b j e c t i v e s 1 1 2r e s e a r c hs t a t u s 。2 1 2 1h e a tp i p ed r i l l 2 1 2 2h e a tp i p et u r n i n gt o o l 3 1 2 3h e a tp i p eg r i n d i n gh e a d w h e e l 4 1 2 。4h e a tp i p em i l l 4 1 3m i l l i n gt e m p e r a t u r e 5 1 4m i l l i n gs t a b i l i t yp r e d i c t i o n 。7 1 5p r o j e c tb a c k g r o u n da n dm a i nc o n t e n t s 10 2t e m p e r a t u r em o d e lo fh e a tp i p ee n dm i l l 2 1h e a tt r a n s f e rm o d e lf o rh e a tp i p ee n dm i l l 。13 2 2t os o l v et h em o v i n gl i n e a rs o u r c ew i t hh e a ts o u r c em e t h o d 1 4 2 2 。1e q u a t i o no f t h es o l i d - s t a t eh e a tc o n d u c t i o n 1 4 2 2 3i n s t a n tl i n e a rs o u l o g 17 2 2 4m o v i n gl i n e a rs o u r c e 18 2 3t e m p e r a t u r ef i e l do f h e a tp i p ee n dm i l l 。1 9 2 3 1t e m p e r a t u r ec a u s e db ys h e a rp l a n e 1 9 2 3 2t e m p e r a t u r ec a u s e db yt h et 0 0 1 c h i pi n t e r f a c e 2 0 2 3 3t e m p e r a t u r ef i e l de f f e c t e db yt h es h e a rp l a n e a n dt o o l - c h i pi n t e r f a c e t o g e t h e r 。2 1 2 4s u m m a r y 。2 3 3f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l df o rh e a tp i p ee n dm i l l 3 1s i m p l i f i e ds i m u l a t i o nm o d e l 。2 5 3 2t e m p e r a t u r es i m u l a t i o n 。2 9 3 3a n a l y s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 。2 9 3 3 1t h ei n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r ef i e l db yd i a m e t e rr a t i o 2 9 3 3 。2t h ei n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r ef i e l db yl e n g t hr a t i o 。+ 。3 2 v 山东大学硕士学位论文 3 as u m m a r y 3 4 4d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t yo f h e a tp i p ee n d m i l l 3 7 4 1d y n a l l l i cm o d e lo f m i l l i n g 3 7 4 1 1d y n a m i cc u t t i n gf o r c em o d e l 3 7 4 1 2d ) ，l l a n l i cm o d e lo f h e a tp i p ee n dm i l l 一3 9 4 2s t a b i l i t yl i m i tv a l u e ：。1 0 4 3d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t y 4 2 4 3 1d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f h e a tp i p ee n dm i l l 4 3 4 3 2d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t o o la n ds p i n d l e ”4 4 4 3 3s t a b i l i t yl i m i td i a g r a m 2 皤 4 4d e s i g np r i n c i p l eo f h e a tp i p ee n dm i l l ”4 7 4 5s u m m a r y ”4 8 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p 烈屯。一。”“”一5 l r - e f e i e n c e 。一5 3 a p p e n d i 】【州啪州肿州啪州州忡咐州忡咐州哪州州m 州啪啪州咐5 7 p u b l i s h e ds c i 蚰p a p e 稻。一一n ”一6 l a c k n 们l e d 雪毗e n 协。一。”n 一6 3 v i 摘要 摘要 如何加快金属切削过程中切削热的耗散是机械加工中面临的重要问题。传统 切削过程中采用大量切削液冷却，这样不但成本高，而且对环境和工人健康带来 危害。近年来国内外针对采用热管给刀具散热的方法进行了探索，初步研究结果 显示了热管可以降低刀柄和刀头的温度，从而减少刀具的热膨胀量和磨损率。本 课题拟在前人对热管刀具研究成果的基础上，以热管式立铣刀为研究对象，以兼 顾热管铣刀的散热性和铣削稳定性为研究目标，借助理论分析和有限元仿真等手 段，对铣削过程中，热管铣刀的温度场和动态特性、热管铣刀与主轴匹配的动态 特性及稳定性进行研究。 建立了热管铣刀切削温度场的数学模型，用热源法将求解剪切面热源和刀一 屑摩擦热源的温度场问题，转化为求解移动的有限长热源的温度场问题进行求解。 设两个变量：一是热管的直径与铣刀直径的比值，二是热管与刀尖顶点的轴向距 离与铣刀总体长度的比值，建立了简化的热管铣刀有限元模型，分析了变量对热 管铣刀温度场的影响规律。 建立了热管铣刀的铣削动力学模型，通过有限元仿真得出了不同直径比和长 度比热管式立铣刀的动态特性。建立热管铣刀与主轴匹配的有限元模型，分析了 直径比和长度比对热管铣刀与主轴匹配的动态特性的影响规律，基于二维稳定性 极限图法预测了热管铣刀与主轴匹配的稳定性。 根据温度场分析、动态特性以及稳定性分析的结论，综合考虑热管铣刀的散 热效能、切削稳定性、实际应用推广以及其经济性方面，提出了热管铣刀的设计 原则。 关键词热管式立铣刀；铣削稳定性；铣削温度；动态特性；有限元仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t oa c c e l e r a t et h ec u t t i n gh e a td i s s i p a t i o ni sa ni m p o r t a n ti s s u ei nh i g hs p e e d m a c h i n i n gp r o c e s s t h ef l u i dc o o l i n gm e t h o du s e di nt r a d i t i o n a lc u t t i n gp r o c e s si sn o t o n l yc o s t l y , b u ta l s oh a v ev e r yn e g a t i v ee f f e c to nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d h e a l t ho fw o r k e r i nr e c e n ty e a r s ，e x p l o r a t i o na b o u th e a tp i p ec u t t e rw a sc a r r i e do u t ， t h e s es t u d i e sh a v ep r o v e dt h a tt h ec u t t i n gh e a tc a nb ee f f e c t i v e l yd i s s i p a t e d ，t h u st h e c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h et h e r m a le x p a n s i o no ft h et o o lc a nb er e d u c e db yu s i n gt h e h e a tp i p et e c h n o l o g y b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hf o rh e a tp i p et o o l s ，t h i ss t u d y a i m st of i n dab a l a n c eb e t w e e nc o o le f f e c ta n dm i l l i n gs t a b i l i t y , a n df o c u s eo nt h e m i l l i n gt e m p e r a t u r e ，t h ed y n a m i ca n ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fs p i n d l ea n dt o o l s y s t e m 、) l ，i t l lt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h em a t h e m a t i cm o d e lo fc u t t i n gt e m p e r a t u r ef i e l df o rh e a tp i p ee n dm i l lh a s b e e nb u i l t w i t ht h eh e a ts o r r c em e t h o d ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dd u et os h e a rp l a n e s o u r c ea n dt h et o o l 。c h i pi n t e r f a c ef r i c t i o ns o u r c ei sc o n v e r t e dt o t h e p r o b l e mo f t e m p e r a t u r eo fm o v i n gl i n e a rs o u r c e t w ov a r i a b l e sa r ed e f i n e d ：o n ei st h er a t i oo fh e a t p i p ed i a m e t e ra n dt o o ld i a m e t e r , a n o t h e ri st h er a t i oo fd i s t a n c ef r o mt h et o o lt i pt ot h e h e a tp i p ea n dt o o ll e n g t h t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eh e a tp i p ei s s i m p l i f i e d ，t h e e f f e c to nt h et e m p e r a t u r ef i e l db yv a r i a b l e si sa n a l y z e d t h ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e d ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e a tp i p ee n dm i l l f o rd i f f e r e n td i a m e t e rr a t i oa n d l e n g t hr a t i oa r eo b t m n e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to ff i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eh e a tp i p ee n d m i l la n ds p i n d l e s y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fd i a m e t e rr a t i oa n dl e n g t hr a t i ot ot h ed y n a m i c si sa n a l y z e d b a s e do nt w o - d i m e n s i o n a ls t a b i l i t yl i m i td i a g r a m ，t h es t a b i l i t yp r e d i c t i o no ft h eh e a t p i p ee n dm i l la n ds p i n d l es y s t e mi sg i v e n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h et e m p e r a t u r e ，d y n a m i c sp e c u l i a r i t ya n d i i i 山东大学硕士学位论文 s t a b i l i t y , t h ed e s i g np r i n c i p l e o fh e a tp i p ee n dm i l li s p r o p o s e di nc o m b i n e d c o n s i d e r a t i o no ft h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e ，m i l l i n gs t a b i l i t y , p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， p r o m o t i o na n de c o n o m yc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d sh e a tp i p ee n dm i l l ；m i l l i n gt e m p e r a t u r e ；m i l l i n gs t a b i l i t y ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o n 符号说明 符号说明 热流密度，w m 2 ； 导热面积，m 2 ： 温升，k ； 时间，s ； 导热系数，w m k ； 比热容，j k g k ： 密度，k g m 3 ； 边界上的对流系数，w m 2 k 边界附近流体的温度，k ； 边界面的温度，k ； 边界上的热流密度，w m 2 ； 轴向切削深度，r a n l ； 径向切削深度，r a i n ； 吻，f 辨 轴向稳定切削临界深度， c o n 胛 五 f c t ) 岛 朋r c r 刀 z 固有频率，r a d s ； 第，阶固有频率，r a d s ； 每齿进给量，r a m 齿： 动态铣削力，n ； 模态刚度，n m ： 模态质量，k g ； 模态阻尼，无量纲； 主轴转速，r m i n ； 刀具齿数： 厨 0 ) c 伊， 厶 人，九 同时铣削的刀齿数； x 向铣削力，n ； y 向铣削力，n ； 刀具直径，i t l i n ； 系统模态质量，k g ； 系统模态刚度，n m ； 系统模态阻尼，n s m ； 刀具模态质量，k g ； 刀具模态阻尼，n s m ： 刀具系统刚度矩阵，n m ； 切向铣削力系数，无量纲； 周期，s ； 动态铣削力系数矩阵，无量 纲； 径向铣削力比例系数，无量纲 角频率，r a d s ； 颤振频率，r a d s ； 系统的第，阶模态振型，无量 纲； 动态位移，r r l i n ： 特征根； 拉式变换因子，无量纲； 刀齿振纹相位差，m m ； 阻尼比产了寿无量纲； 乙 足 毋d m k c 厨 日 阻 q 彳 r r a c p 矗 驴 0 知 吻 山东大学硕士学位论文 m r 岛 c ， ，- 阶模态质量，k g ； ，阶模态刚度，n m ： r 阶模态阻尼，n s m ； 6 0 ( i o j ) ， 频响函数，d b n ； r d g o ( i o ) ) ，】 频响函数实部，d b n ； l m g o ( i o j ) , 频响函数虚部，d b n ； 第1 章绪论 第1 章绪论 在切削会中产生的大量的热，传统的冷却方法消耗大量的冷却液，既增加成 本又污染环境。热管是一种高效的导热元件，由于其导热能力远远超过铜、银等 金属，被称为“热超导体”【1 1 。近年来，国内外学者开始尝试使用热管对切削中的 刀具和工件进行冷却，达到节能环保的目的。本章提出了本课题的研究目的和意 义，综述了国内外对热管式刀具的研究现状，分析了当前研究中存在的主要问题， 阐述本课题的主要研究内容。 1 1 本课题的目的和意义 高速切削加工技术作为2 1 世纪先进制造技术的一个重要发展方向，在生产效 率、加工精度、表面质量上、加工成本上相对于传统的切削加工有明显的优势， 已经广泛应用于航天技术、机械加工、磨具制造、汽车生产等众多领域【2 。5 】。高 速切削的速度相当于常规切削速度的几倍甚至十几倍，这使得材料的去除效率大 大增加，但同时也导致了更高的切削温度。切削温度将直接影响到工件的尺寸、 表面残余应力及表面加工硬化以及刀具的热应力分布，尤其在断续切削中，周期 性的热冲击会给刀具寿命带来不利影响。对切削温度传统的冷却方式往往是使用 大量的冷却液，难以避免污染环境、增加成本等问题，因此有必要探索适用于高 速切削的绿色冷却技术。 热管是一种高效的导热元件，它利用工作介质蒸发和凝结的相变过程来传递 热量，工作时不需要消耗外部动力。热管的导热率超过银、铜等金属几个数量级， 具备超强的导热能力，使用热管来传热或散热，节能、环保、综合经济效益和环 境效益高，热管冷却技术已经在核工业、电子、军工、机械、航空、化工等领域 获得广泛的应用。鉴于热管的优点，国内外学者已经开始考虑将热管应用在切削 加工中，以减少甚至完全取代冷却液，制造出绿色环保的热管刀具。目前验室中 山东大学硕士学位论文 研制成功的有热管式车刀、热管式钻头、热管式砂轮、热管式金刚石磨头等，正 在接受进步工程测试和改进。但无论是将刀具、砂轮、磨头等整体改造为热管， 还是将热管作为零部件匹配于刀具，都不可避免的改变了刀具的固有频率、阻尼 和质量，刀具动态特性的改变会给切削的稳定性带来影响，因此有必要预测热管 刀具的切削稳定性，这是保证热管刀具在切削时加工质量和加工效率的前提。 本课题的研究目的是通过分析热管式立铣刀的铣削温度场和铣削稳定性，寻 找热管式铣刀的结构参数对铣削过程中刀具的温度和稳定性的影响规律，提出兼 顾散热效果和铣削稳定性的热管铣刀设计原则，为充分发挥热管冷却的优势，促 进热管在切削中的应用，以及今后热管式立铣刀以及其他热管刀具的研究与设计 提供一定参考。 1 2 热管技术及热管式刀具的研究现状 1 9 4 2 年美国的g a n g l e rr s 从理论上率先提出热管的概念【6 】，然而由于当时 技术条件和成本因素的限制，未能投入使用。1 9 世纪6 0 年代初美国a l a m o s 科学 实验室成功研制出实物，把它命名为“h e mp i p e ”，并验证了其导热效率已经超过 了所有金属川。几十年来，制造技术的长足发展给热管的制造和应用起到了巨大 的推动作用，热管的结构越来越灵活多样，从最初无吸液芯结构的圆形单根直管， 发展到内部有毛细吸液芯的方形、扁平形弯管，甚至在平板内部加工出相互平行 的微型槽构成热管簇。热管的导热能力也在不断的提高，这使得热管应用领域日 趋广阔。在切削加工领域，研究者已经开始尝试对刀具进行改造，用热管来冷却 切刀具，以代替切削液，实现绿色环保的干式切削。热管的在钻削、车削、磨削 和铣削加工中的应用研究都已经开展。 1 2 1 热管式钻头 t c j e n 和g u f i e r r e z ，s e a p e n 【8 1 研究了热管用于钻削加工的可行性。他首先建 立热管钻头基于传热学的理论模型，求出了热管钻头的温度场理论解，然后使用 自制的加热及温度测量装置，测出了热管钻头在不同转速下的最高温度和平均温 2 第1 章绪论 i i i i h i i i i iiiii ii i i 度，为热管钻头的后续研究做了铺垫。j o r g eg a s tg u t i e r r e z 9 】从数学模型的建立方 法、热管内工质流场的求解方法、钻头结构参数的优化方法、实验测量方法等几 个方面，全面地研究了将热管钻头的散热性能，实验结果证明将热管运用于钻头 能够有效地降低切削温度、加工质量高，实现绿色节能环保。y c a o 1 0 】将传统空 气冷却技术与径向旋转热管结合在起，提出了新的冷却涡轮盘一叶片的方法。 美国的l a m bt e c h n i c o n 公司研制出新式热管式钻头，并小规模投入使用；使用结 果表明，熟管钻头寿命明显高予普通钻头，尤其干式钻削加工时，寿命能够延长 4 0 6 0 。 t i e n c h i e nj e n t n 莉用重力热管不需要毛细结构的特点，在钻头中心开盲孔， 密封入传热工质，将整个钻头改造成重力热管，遥过有限元模拟，分析了盲孔直 径的变化和富孔与刀尖的最短距离的变化对刀尖最高温度的影响。 1 2 2 热蟹式车刀 r 。l j u d 1 2 】设计一种热管式车刀，把热管嵌入刀架内部，将热管的冷凝段浸入 通循环流动的水箱，利用热电偶法测量车刀刀刃附近的温度，测量结果表明这种 冷却结构使得车刀的平均温度下降了3 0 ，同时他还发现冷却水的流量会对热管 的散热效果产生很大影响。r y c h i o u l l 3 1 结合有限元温度模拟和车削实验，分析了 热管对车刀的切削温度影响以及热管车刀的磨损情况。 j i ms j c h e n 1 嗣在有限元模拟中，将热管视为一个具有很高导热系数的整体， 不考虑其相交过程，将热管与车刀作为整体建立三维有限元模型，遥过模拟显示， 尽管热管的存在使得流向刀具的总切削热增加了，但是安装热管的车刀比没有安 装热管的车刀，刀尖温度有所下降。y k e v i nc h o u 1 跚将热管和车刀作为整体，分 别做了二维和三维的有限元温度场模拟，模拟结果显示热管的直径变化对散热效 果影响不明显，最大只能达到4 的降温效果，而热管与刀尖的距离是主要影响 因素。l i nl u ，l a nc o l e 与j i ms j c h e n l l 6 】共同研究了不同材料不同结构的热管对 车刀的散热效果，实验表明铜水热管的等效导热系数比钢水热管更高。 国内的研究者中，华南理工大学的全燕鸣教授领导的课题组最先开展了热管 山东大学硕士学位论文 式车刀的研究【1 7 】，他们将一根热管固定在车刀刀柄上，热管冷凝段加装散热片， 构成组合式热管车刀。并使用逆向法进行有限元温度模拟：首先用车削实验测量 某一工况下车刀刀尖附近几个点的温度，然后估算一个热流密度值，作为载荷施 加于仿真模型的刀尖处，进行温度场有限元模拟，温度的模拟结果与实测点温度 比较，根据误差的大小重新估算热流密度值，加于仿真模型的刀尖处，重新模拟 温度场，如此反复，得到一个比较合理的热流密度估计值，这一估计值可以替代 传统的固体传热方程计算出的热流密度理论值，作为载荷条件进行温度场模拟， 模拟结果可以得到无法通过实验测量到的车刀刀尖的温度。 1 2 3 热管式磨头砂轮 南京航空航天大学高效与精密加工研究所的研究人员利用旋转热管的原理， 先后研制出了热管式金刚石磨头和干磨削用热管砂轮【1 8 五o 】，并设计了热管砂轮的 制造平台和实验平台，使用有限元法模拟了磨削温度场分布情况，并利用半人工 热电偶测量了磨削温度，评价了热管式金刚石磨头和热管砂轮的等温性能、启动 性能、散热性能，证明了热管可以有效降低磨削温度，明确了热管用于磨削加工 的可行性，为热管在磨削加工中进一步研究奠定了良好基础。 1 2 4 热管式铣刀 t i e n c h i e nj e n 和c h e n g l o n gy i n 2 1 1 设计了一种热管式立铣刀，在普通的整体 硬质合金立铣刀刀杆内开盲孔，将一根热管插入盲孔里，热管的管壁材料为铜， 工质为水。为降低热管与盲孔壁的接触热阻，通过加热将锡融化，填充在在热管 与盲孔壁之间，形成一层均匀的导热膜。用这种热管式铣刀和普通铣刀一起进行 刀具寿命试验，并实时观察切屑的形状和后刀面的磨损情况。试验表明，与普通 立铣刀相比，加装热管的铣刀寿命延长了2 0 以上，切削的形状呈连续状，后刀 面磨损的速率较。证明热管可以改善切削加工区的温度分布，减小刀具和工件表 面受到的热冲击，延长刀具寿命。 综合上述文献，目前国内外对热管刀具的研究采取的普遍思路是建立传热学 模型，对刀具温度场进行理论计算，通过数值模拟或者温度测量实验验证理论模 4 第1 章绪论 型的准确度，最后给出热管刀具的散热性能评价方法。热管刀具的研究重点集中 于以下几个方面： 1 ) 不同材料的热管对刀具的散热效果的影响。管壁常用的材料有铜、铝、钢 等，工质的材料有水、丙酮、氟利昂等；一 2 ) 不同形状的热管对刀具的散热效果的影响。如扁平管，圆形管，直管，弯 管等； 3 ) 热管的安装形式对刀具的散热效果的影响，如将刀体内部开孔并把热管嵌 入刀体内部，或者把热管贴在刀具外表面上，或者将刀具整体设计成热管； 4 ) 不同尺寸的热管对刀具的散热效果的影响。如热管直径的大小以及热管蒸 发段与刀尖的距离的大小； 5 ) 热管冷凝段的强制对流方式对刀具的散热效果的影响，如在冷凝段加装翅 片、浸入循环水箱或者不采取任何强制对流手段； 6 ) 热管刀具的设计方法和散热性能评价方法。 1 3 铣削温度场的研究现状 铣削过程中产生的温度是影响刀具寿命和工件表面加工质量的重要因素，对 铣削温度的产生和变化进行研究，找到控制和降低铣削温度的有效手段或者合理 工艺参数，一直是高速铣削研究领域的重要方向。铣削温度场的研究方法包括理 论求解法、实验法、数值法、传热反求法等【2 2 1 。 实验法是最早用于研究切削温度场的方法，其原理是多种多样的，比如安装 热电偶、测量光信号或者热辐射信号、观察刀具和切屑金相结构等等。实验法对 设备、环境、操作人员都有一定的要求，并且需要消耗大量的时间和费用。 理论求解方法包括数学解析法和热源温度场叠加法( 以下简称热源法) 。使用 解析法需要考虑材料的密度、比热容和导热率，模型的边界换热情况，工件材料 在剪切区和滑移区中的速度，剪切变形和摩擦产生的热量等若干因素，因而求解 非线性问题很困难。热源法省去了复杂的微分方程求解过程，尤其是当导热体的 5 山东大学硕士学位论文 范围无限大，热源集中在很小的区域时，使用热源法求出的解形式上较为简单， 因此更适合用来求解铣削温度场。 计算机技术的发展促进了数值仿真技术的应用，数值仿真在处理非线性问题、 几何形状和边界条件较为复杂的问题、藕合偏微分方程组等问题时很方便，因而 在高速切削研究中得以大量应用。通过使用a n s y s 、a d i n a 、m a r c 、a b a q u s 等专业有限元分析软件，可以低成本地进行大量计算求解。 在实际研究中通常是三种方法结合起来使用。首先建立刀具和工件传热模型， 从理论上对模型的温度求解，再通过温度测量实验或者数值仿真验证模型的准确 性。 i s m a i ll a z o g l u 2 3 】用有限差分法模拟了不同工件材料和不同切削参数的铣削 过程，预测了刀具和切屑的温度，其仿真模型考虑的是连续切削过程。j e h n m i n g l i n t 2 4 】用传热学反求方法研究了面铣加工中刀具与工件接触区的温度，并且发现 铣削表面的温度以椭圆形传递，进而建立了椭圆形映射模型把三维问题转化为一 维问题来求解。 西北工业大学的陈明【2 5 1 利用红外热像仪测量了铝合金的高速铣削温度，得出 了切削速度对温度的影响规律，并且发现在铣削过程中存在一个临界速度，当切 削速度超过切削速度时，切削温度的变化趋势由上升变为下降。南京航空航天大 学的李亮【2 6 】根据夹丝法设计了半人工热电偶装置，测量了高速铣削t c 4 钛合金时 工件的温度。华南理工大学的全燕鸣【2 7 】根据自然热电偶的原理，发明了一种由标 准k 类热电偶和机算机辅助系统构成的测温装置，专门用于测量立铣过程中刀具 与工件的接触区的温度。 t r i g g e r 和c h o a 率先用理论解析法【2 舳，估算了刀具与切屑接触区的平均温度。 并且得出结论，刀具与切屑接触区的平均温度受到两个因素作用：一是剪切区的 变形，二是刀具与切屑的摩擦。h a h n 2 9 1 根据金属切削过程中的切屑形成机理，建 立了以剪切面为热源的在无限大物体中移动的传热模型。李龙涛【3 川在h a h n 模型 的基础上使用镜像热源法，通过对导热体添加镜像热源，像将无限大导热体转化 6 第1 章绪论 为半无限大导热体，修正后的模型更适合分析高速切削中刀具和工件接触面的温 度场。周忆，梁锡副3 1 】将摩擦热源和剪切热源视为持续移动的线热源，以持续移 动的线热源求解了高速铣削的温度模型，求解的结果形式上比较简单，但是经过 简化，该模型中并没有考虑断续切削过程。南京航空航天大学的苌浩【3 2 】考虑了铣 削加工中断续切削的特点，利用热源法对瞬时线热源进行积分，求解了高速铣削 钛合金的铣削温度场，并且用夹丝法进行了温度测量实验，得出了刀刃和工件的 温度随铣削速度的变化曲线。 1 4 铣削稳定性预测的研究现状 在切削系统的结构参数、切削过程工艺参数等因素的影响下，切削过程中可 j 一 能会出现各种形式的振动，包括强迫振动、自激振动、自由振动、混合振动和随 机振动等。这些振动会降低加工质量、刀具和机床的寿命，严重时甚至造成安全 事故。机床或加工中心抵抗切削过程中出现振动的能力称为切削系统的稳定性。 对系统的稳定性进行分析和预测，是为充分发挥机床加工能力、避免振动带来不 利影响的必要手段。常用的稳定性预测的方法有解析预测评价法、时域仿真法j 稳定性极限图法等【3 3 1 。 m i n i s 3 4 】运用弗洛