GY02-217@调整臂外壳工艺规程及专用夹具设计
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机械毕业设计全套
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GY02-217@调整臂外壳工艺规程及专用夹具设计,机械毕业设计全套
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产品型号产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称卧式车床描图 1234描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号半精车大端端面至厚度32mm 端面车刀粗车 50至 57 外圆车刀半精车 57至 60 外圆车刀夹具编号工位器编号专用夹具JJ-C01工艺装备工步名称工步号粗车大端两端面至厚34mm 端面车刀青岛理工大学 机械加工工序卡nts零件图号零件名称准件 单件127.5机动 单件/s185 37.75 0.5 1 2 57185 37.75 0.5 1 2 57150 25.91 0.71 3.5 1 9.6150 25.91 0.71 1.5 1 3.9签字 日期夹具名称车床夹具主轴转速/(rmin-1)夹具编号工位器编号专用夹具JJ-C01工时/s进给次数背吃刀量/mm进给量/（mmr-1）切削速度/(mmin-1)工位器具名称会签（日期）材料牌号KT350工序名称车削每台件数设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）每毛坯可制件数1 1设备编号 同时加工件数CM-01 1TZBWK02共 页 第 1 页831012前刹车调整臂外壳工序号1毛坯外形尺寸1598836设备型号C620-1工序工时切削液nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式铣床描图 1描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-X01工位器编号铣小端面 直柄铣刀工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件49.2机动 单件/s130 16.2 0.15 2 2 49.2签字 日期831012 TZBWK03前刹车调整臂外壳 共 页 第 2 页工序号 工序名称 材料牌号2 铣削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数X5012 XM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-X01 铣床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/（mmmin-1)背吃刀量/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式钻床描图 12描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-Z01工位器编号铰 12 高速钢铰刀钻 11 麻花钻 11扩 12 扩孔钻 12工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件12.9机动 单件/s960 33.16 0.32 12 1 4.68530 19.97 0.5 12 1 4.5100 2 12 1 3.6签字 日期831012 TZBWK04前刹车调整臂外壳 共 页 第 3 页工序号 工序名称 材料牌号3 钻削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数Z535 ZM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-Z01 钻床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/(mm/r)切削深度/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式铣床描图 12描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-X01工位器编号铣方槽至宽26mm 圆柱铣刀铣方槽至宽26mm 圆柱铣刀工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件46.3机动 单件/s355 3.9 165 2 1 32.73355 3.9 400 0.5 1 13.5签字 日期831012 TZBWK05前刹车调整臂外壳 共 页 第 5 页工序号 工序名称 材料牌号4 铣削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数X5012 XM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-X01 铣床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时工作台进给量/mmin-1)背吃刀量/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式铣床描图 123描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-X02工位器编号铣凸台3 直柄铣刀铣凸台1 直柄铣刀铣凸台2 直柄铣刀工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件122.4机动 单件/s130 16.2 0.15 2 2 40.8130 16.2 0.15 2 2 40.8130 16.2 0.15 2 2 40.8签字 日期831012 TZBWK06前刹车调整臂外壳 共 页 第 6 页工序号 工序名称 材料牌号5 铣削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数X5012 XM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-X02 铣床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/(mm/r)背吃刀量/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式钻床描图 12345描校 67底图号 89装订号 101112标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号工位器编号工步号专用夹具JJ-Z02铰 13孔 高速钢铰刀钻 13孔至 12 麻花钻扩 13孔至 13 扩孔钻工步名称 工艺装备扩 16至 16 扩孔钻钻 13.8孔至 13 麻花钻扩 13.8孔至 13.8 扩孔钻麻花钻钻 16至 15铰 13.8孔 高速钢铰刀nts零件图号零件名称准件 单件55.9机动 单件/s750 33.16 0.32 24 1 10.25530 19.97 0.5 24 1 10.210 2 24 1 10750 33.16 0.32 34 1 7.75530 19.97 0.5 34 1 7.01100 2 34 1 7.2750 33.16 0.32 2 1 1.75530 19.97 0.5 2 1 2.48签字 日期夹具编号工位器编号主轴转速/(r/min-1)工序号1598836设备型号夹具名称831012 TZBWK07前刹车调整臂外壳 共 页 第 7 页工序名称 材料牌号6 钻削 KT3501 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备编号 同时加工件数Z535 ZM-01 1切削液专用夹具JJ-Z02 钻床夹具工位器具名称 工序工时进给量/(mm/r)切削深度/mm 进给次数工时切削速度/(m/min-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式钻床描图 12描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-Z02工位器编号钻孔 9 麻花钻攻M10螺纹 丝锥工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件31.9机动 单件/s960 33.16 0.32 24 1 5.47392 12.3 0.3 10 2 26.4签字 日期831012 TZBWK08前刹车调整臂外壳 共 页 第 8 页工序号 工序名称 材料牌号7 钻削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数Z535 ZM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-Z02 钻床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/mm切削深度/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式钻床描图 12描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-Z01工位器编号铰5 4.3 高速钢铰刀钻5 4 麻花钻扩5 4.3 扩孔钻工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件178.4机动 单件/s1100 13.8 0.11 12 1 1091100 14.85 0.5 12 1 21.27100 1 12 1 48签字 日期831012 TZBWK09前刹车调整臂外壳 共 页 第 9 页工序号 工序名称 材料牌号8 钻削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数Z535 ZM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-Z01 钻床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/(mm/r)切削深度/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称立式钻床描图 12描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号专用夹具JJ-Z03工位器编号钻Rc1/8 锥孔 锥形钻攻螺纹 丝锥工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件49.4机动 单件/s195 6 0.25 22 2 44.3392 12.3 0.5 22 1 5.1签字 日期831012 TZBWK10前刹车调整臂外壳 共 页 第 10 页工序号 工序名称 材料牌号9 钻削 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数Z535 ZM-01 1夹具编号 夹具名称 切削液专用夹具JJ-Z03 钻床夹具工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/（mmr-1）切削深度/mm 进给次数工时主轴转速/(rmin-1)切削速度/(mmin-1)会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称锉刀描图 1描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号青岛理工大学 机械加工工序卡夹具编号工位器编号去毛刺 锉刀工步号 工步名称 工艺装备nts零件图号零件名称准件 单件120机动 单件/S120签字 日期831012 TZBWK11前刹车调整臂外壳 共 页 第 11 页工序号 工序名称 材料牌号10 去毛刺 KT3501598836 1 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数设备型号 设备编号 同时加工件数CD-01 1夹具编号 夹具名称 切削液工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/mm背吃刀量/mm 进给次数工时主轴转速/(r切削速度/(m会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）nts产品型号 CA10B产品名称 解放牌汽 车车间金工毛坯种类铸造设备名称描图 1描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件 号工步号 工步名称 工艺装备工位器编号检查 游标卡尺等夹具编号青岛理工大学 机械加工工序卡nts零件图号零件名称准件 单件60机动 单件/S60签字 日期会签（日期）设计（日期）审核（日期） 标准化（日期）主轴转速/(r切削速度/(m工位器编号 工位器具名称 工序工时进给量/mm背吃刀量/mm 进给次数工时夹具编号 夹具名称 切削液设备型号 设备编号 同时加工件数11 1毛坯外形尺寸 每毛坯可制件数 每台件数831012 TZBWK12前刹车调整臂外壳 共 页 第 11 页工序号 工序名称 材料牌号11 检验 KT3501598836nts产品型号 CA10B产品名称 解放汽车1 铸造 铸造车间2 车削 金工3 铣削 金工4 钻削 金工5 铣削 金工6 铣削 金工7 钻削 金工8 钻削 金工9 钻削 金工10 钻削 金工11 钳工 金工描图 12 检验 金工描校底图号装订号标记 处数 更改文件 号 签字 日期 标记 处数 更改文件号青岛理工大学材料牌号 KT350 毛坯种类 铸件钻攻M10螺纹钻扩铰 13孔， 13.8孔， 16孔毛坯外形尺寸工艺加工工艺过程卡每毛坯可制件数1598836铸造毛坯车大端端面， 60孔工序号 工序名称 工序内容 车间终检攻Rc1/8锥孔钻扩铰5 4.3去毛刺以 60孔， 12孔和端面，铣三个凸台以 60孔， 12孔和端面，一面两销铣方槽钻扩铰 12孔铣小端端面nts零件图号零件名称准终 单件/s127.549.212.846.3122.455.931.9178.449.412060签字 日期 夏亮亮20100501专用夹具JJ-C01专用夹具JJ-X01专用夹具JJ-Z01专用夹具JJ-X01专用夹具JJ-X02专用夹具JJ-Z02专用夹具JJ-Z02专用夹具JJ-Z01专用夹具JJ-Z031Z535Z535C620-1C620-1X5012第 1 页TZBWK011汽车前调整臂外壳831012设计（日期） 审核（日 期） 会签（日 期）标准化（日期）工段每台件数设备备注共 1 页工艺装备 工时X5012X5012Z535Z535专用夹具JJ-C01Z535nts 青岛理工大学 毕 业 设 计（论 文） 题 目 前刹车调整臂外壳 机械加工工艺规程及其 专用夹具设计 nts附件 1 用于金属切削的空冷技术 -布赖恩博斯韦尔和蒂拉克 机械工程学系，科廷科技大学， 邮政总局信箱 U1987，西澳大利亚珀斯 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nts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 Gulyaev 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 。nts 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 -55 C 的由图所示。 涡流理论 nts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Bejan 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。 nts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 EQ： 公式 表明 ，在内部的核心中， RA的值（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nts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。 nts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， H_是系统焓的变化和平行的演算法之间的系统及其周围环境的热量交换。 让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： nts在那里， _Hc是冷流焓变化和 _HH是热焓变流。假设为理想气体，总焓变的空气可以写为： 其中， mc，在冷管的质量流量，氢是热管的质量流量， Tc是冷空气的温度， Ti是进风温度， Th是热空气的温度和 Cp为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， _Sc和 _Sh是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（ COP） 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： nts 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， T2 是压缩机出口温度和 T1 是压缩机进气温度（可逆的，多方过程 ;空气量： N = 1.4）。如果我们考虑一个完整的系统， P1 和 T1 的是大气压力和温度， P2和 T2的是压缩机出口条件， 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 T1，相当于 T1的 温度 ： 方程（ 23）可从 T2 的计算式。 （ 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 EQ（ 21），对涡流管 性nts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： mc =空气质量在冷端流率 mh=空气质量流率在热端 mh=压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nts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 1.38的价值。与传统制冷系统 通常 约为 3.5的值相比 ， 1.38这 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。 nts 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 0.1。在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 0.6和 0.7之间 ，如图 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。 nts 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 0.4和 0.7之间的寒冷质量分数 进行 测试。 另外一个重要参数，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 = 0.8米 = 0.95间得到最高温升 。为此涡管的最高值被发现是 在 m= 0.5和 m = 0.7间 ，如图 11 b所示： 作者nts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（ Ch13热电偶） 。 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 -5 的温度热电偶 2，如通道热电偶（ Ch13）和（ Ch15） 表示当空气涡流出口已达到 -30 左右，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。 nts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，nts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 0.5毫米的侧面，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，压缩空气没有像油水乳液或水蒸汽达到工具的 界面 ，使之 良好散热。然而，结果得到利用压缩空气与涡管结合表明，这种冷却工具接口方法是有效的， 与 传统的冷却方法 相比 ,格外 好。 在图 20 中可以看出，此种方法的温度记录是 60 ，比传统的湿加工降低 40 ，比干加工低了 210 。这些温度 距 工具界面 1毫米 开始测量，所以其在这个位置 产生的温度记录 要比工nts具表面的低一些。 但是，必须假定该工具界面以及工具的测点的温度将减少 。 因为 我们知道， 刀具寿命和 磨损机制之间的关系 将由切削温度升高显示出来，所以是检测 空气冷却效率的最便捷的方法 就是 通过 检测刀具寿命。 该工具的使用 在 显微镜的尖端检测证实，该工具被空气冷却 时 磨损减少， 具有 更长的刀具寿命 。 涡管空气冷却系统证明 能够使刀尖 有效散热 ， ，证明空气冷却是一个冷却 刀具尖端的有效方法。 因此，干加工 进行 金属切削 时 ，空气冷却的首选方法应纳入 ， 因为它 没有相关的环境问题，并延长了刀具寿命。 ntsAmerican Journal of Applied Sciences 6 (2): 251-262, 2009 ISSN 1546-9239 2009 Science Publications Corresponding Author: Brian Boswell, Department of Mechanical Engineering, Curtin University of Technology, GPO Box U1987, Perth Western Australia 6845 Tel: (08) 9266 3803 Fax (08) 9266 2681 251 Air-Cooling Used For Metal Cutting Brian Boswell and Tilak T Chandratilleke Department of Mechanical Engineering, Curtin University of Technology, GPO Box U1987, Perth Western Australia 6845 Abstract: Air-cooling and dry machining are both being trialled as possible solutions to the metal cutting industrys long running problems of extending tool life, reducing tool failure and minimising the heat generation at the tool tip. To date, large amounts of expensive coolant which cause both environmental damage and health hazards have had to be used. The introduction of dry machining is the goal of todays metal cutting industry that tirelessly endeavours to reduce machining costs and impact from chemicals in the environment. Modern tool tips are already capable of maintaining their cutting edge at higher temperatures, but even with these improvements in tool materials, the cutting edge will eventually break down. Applying cold air to the tool interface of these modern tool tips will also help prolong their tool life reducing the cost of metal cutting. Dry machining incorporating air being directed on to the tool interface is considered in this paper as a possible alternative for harmful liquid-based cooling. However, low convective heat removal rates associated with conventional air-cooling methods are generally inadequate for dissipating intense heat generation in the cutting processes and suitable improved cooling methodologies have yet to be established. Key words: Vortex tube, tool life, flank wear, cold fraction, coefficient of performance, air-cooled, environmentally friendly INTRODUCTION In this research examines the operational effectiveness of a Ranque-Hilsch vortex tube being used to cool tool tip during machining. The Ranque-Hilsch vortex effect was discovered in the early 1930s when it caused considerable excitement, as it demonstrated that it was possible to produce hot and cold air by supplying compressed air to a tube. At first it is hard to believe that such a device can produce hot and cold air and at a useful flow rate. The vortex tube is a simple device with no moving parts, which simultaneously produces cold and hot air streams. However, to date, there is little research in determining the efficiency of using a vortex tube in cooling tool tips. Therefore, to establish the effectiveness of the heat transfer process on the tool tip a series of experimental investigations has been carried out. These tests will determined the most suitable parameters to use, like mass flow rate of cold and hot air, cold and hot tube diameter with respect to tube length, to achievable minimum cold air temperatures. Air-cooling has never been taken seriously by the manufacturing industry due to the fact that for many years traditional cutting fluid has been shown to be effective in cooling tool tips during the machining processes. The outcome of this research will prove that air-cooling can replace traditional cutting fluid for many machining applications, without any reduction in tool life or reduction in quality of work piece surface finish. The introduction of using a Ranque-Hilsch Vortex Tube to provide cold air to the tool interface is shown to significantly improve the performance of air-cooling. Recorded tool tip interface temperatures clearly indicate that there is a highly significant reduction in tool tip temperature. This reduction in temperature slows the wear mechanisms as shown by the reduced flank wear when examined under a microscope. Therefore, monitoring the growth of the flank wear indicates the increased tool life when being air-cooled. The Ranque-Hilsch vortex tube1 is a remarkable device that is able to separate airflow into two different streams simultaneously, one hotter than the inlet air and the other cooler, without any moving parts being involved. The mechanism producing the temperature separation of cold air and hot air when passing through the vortex tube is not yet fully understood. This device has been described as Maxwells demon, a fanciful means of separating heat from cold without work. The ntsAm. J. Applied Sci., 6 (2): 251-262, 2009 252 vortex tube basically consists of three pipes and a supply of compressed air to achieve a moderately low temperature at the cold outlet. Ranque2 attempted to exploit the commercial potential for this strange device that produced hot and cold air with no moving parts. Unfortunately, this venture failed and the vortex tube slipped into obscurity. The mechanism underlying the energy transfer from the cold to the hot flow remains elusive. However, there is debate even as to the basic physics of the phenomenon, while the majority of researchers suggest the mechanism is based on the interactions of turbulence, compressibility and shear work as shown by the analysis of Deissler and Perlmutter3. Recent research has been divided into two categories. The first category termed as external studies were concerned with the performance of the tubes. It was found by Gulyaev4 that the minimum ratio of the length of the tube to that of its diameter was thirteen. Other research suggested a ratio of forty to fifty for optimum operation. As for the diaphragm, the optimum dimension is a ratio of 2:3 for the diaphragm diameter to tube diameter. The vortex tube consists of three important parts the mid-section where the air enters into the vortex generator (which increases the speed of the air), the cold tube and the hot tube as shown in Fig. 1. Normally the hot tube is about 350 mm long and at the end there is a conical valve which controls the amount of hot air escaping. On the right side of the vortex generator is the cold tube exit. Between the vortex generator and the cold tube there is a diaphragm, with a central hole that can be easily changed. Diaphragms with large or small holes can also increase or decrease the temperature obtained at the cold exit. Considering the above vortex tube, the compressed air is supplied circumferentially into the tube at sonic speed and creates a cyclone (vortex) spinning at a million revolutions per minute. The air is forced to spin inward to the centre where it then escapes up along the hot tube as this path presents the least resistance to the airflow. The air continues to spin as it travels along the tube until it meets the conical valve where it turns part of the spinning air column (vortex) inside itself. The slower moving air inside column of the spinning air gives up its heat to the faster spinning outside column of air. The cold air travelling down the spinning air is now directed out the cold end of the vortex generator and the hot air is exhausted out of the other end of the vortex tube. Adjusting the conical valve built into the hot air exhaust can change the temperature of these two air streams to as low as 55C as shown by Fig. 2. Fig. 1: Diagram of the Hilsch Vortex Tube5 -6 0-5 0-4 0-3 0-2 0-1 001 00 5 0 1 0 0 1 5 0Time (s)Nozzleexittemperature(C)Fig. 2: Temperature recoded at cold nozzle exit having an inlet pressure of 1Mpa VORTEX THEORY Currently no one can definitively explain why the vortex tube operates as it does: the process itself is straightforward as outlined by Lewins and Bejan6. The inlet nozzle is tangential to the vortex generator and therefore can provide a high speed rotating airflow inside the vortex generator. Subsequently, there is a radial temperature gradient increasing from the inner core of the tube to the outside wall of the tube. This is primarily because of the potential energy of compressed air converting to kinetic energy due to the forced vortex caused by the external torque near the tangential air inlet. Therefore the high-speed swirling flow inside the tube and away from the walls is created. The existing air inside the vortex hot tube is normally at the atmospheric temperature and so, when the rotating flow enters the vortex tube it expands and its temperature drops to a temperature lower than the ambient temperature. The difference between these two temperatures will lead to a temperature gradient along the tube producing colder peripheral air than the core air. As a result, the central air molecules will lose heat to those in the outer region as shown in Fig. 3. It is notable that this system is a dynamic system due to the nature of the airflow in the tube and so will not reach equilibrium. Hence the peripheral air has a higher kinetic energy (hotter) than the inner air (colder). ntsAm. J. Applied Sci., 6 (2): 251-262, 2009 253 Fig. 3: Radial heat convection in vortex tube due to the expansion of the compressed air The existence of a major pressure gradient due to the forced vortex in the radial direction will provide a centripetal force for circular swirling and therefore it will lead to a high pressure at the tube wall and low pressure at the centre. When the air enters to peripheral region (A), as it expands, the outer air will be cooled due to its expansion. Consequently, the inner core air (B) will get warm because it is compressed by the expansion of the peripheral air. Heat is then transferred from the inner core (B) to the outer core (A). As the inner air is being compressed, it naturally tries to push against the periphery by expanding. Work is therefore done on the outer core air, which then gets heated and the difference in pressures results in the expansion and contraction of the air, which causes work to be done on the peripheral air. Therefore, heat is transferred radially outward as shown in Fig. 4. When the air continues to swirl along the tube the more energy separation will occur by axial convection while it moves towards the hot end. During this progression, the heat will be transferred from the core air to the outer air. As the airflow reaches the hot end a fraction of the air will exhaust through the conical valve, which is located at the hot end and the remaining air flow will spin back towards the cold end due to the adverse pressure gradient near the centre as shown in Fig. 5. The remaining portion of the warm air preserves its direction of motion in the vertical flow that is either in a clockwise or anticlockwise manner around the circumference of the tube. Furthermore, this air stream resides at the inner core of the tube where the air pressure there is lower. If the angular velocities of both the air streams are preserved, it means that any two particles taken from Fig. 4: Schematic positions of the peripheral and inner core air Fig. 5: A diagram of the airflow pattern in vortex tube both the air streams will take the same time to complete a revolution around the circumference of the tube. From the principle of conservation of angular momentum, it seems that the angular velocity of the inner core molecules would increase, by the Eq: 2a a a am r cons tan tw = (1) The equation implies that in the inner core, where the value of ra (radial distance measured from the centre of the tube to the particular molecule in concern) is small, there should be a corresponding increase in the molecules angular velocity, wa, to allow for the conservation of the total angular momentum in the system. This is assuming that there is negligible mass difference, ma, between any two-air molecules in the tube. However, the angular velocity of a particular molecule in the inner core remains unchanged. This means that angular momentum has actually been lost from the inner core of the vortex tube. Angular momentum of the inner core is not preserved or more specifically decreases, due to heat transferred to the outer core. This results in the transfer of energy from the inner core to the outer core. The loss in heat energy ntsAm. J. Applied Sci., 6 (2): 251-262, 2009 254 Fig. 6: Schematic vortex tube diagram showing tangential air inlet from the inner core goes into heating up of the air molecules in the outer core. Hence, the outer core becomes hotter and the inner core becomes cooler. Upon reaching the hot end, the hotter peripheral air escapes through the small openings between the conical valve and the tube wall (hot outlet). However, the central air that is cooler is deflected by the tapered valve spindle and continues its travel from the hot end towards the cold tube. Only the innermost air molecules pass through the diaphragm and exit through the cold end where it is collected. As a result, the air molecules are separated into a hot stream and cold stream through the hot and cold ends of the vortex tube respectively. The Fig. 6 shows a good view of the vortex tube. It is important to note that separation takes place specifically at the hot end tube. The purpose of the tapered spindle (conical valve) is to direct the cold air to the axial region of the tube in a counter flow. The diaphragm (orifice) on the other hand is used to block the peripheral air, so that the central flow will escape through the cold end. The absence of moving parts in the vortex tube may create this wrong supposition that this phenomenon is violating thermodynamics law. The fact that without doing any work at room temperature, a stream of air can be divided into two different steams, one cooler and one hotter, seems to contradict the second law of thermodynamics. However, it is important to mention that despite this misleading belief the physics remains intact. Although, the physics of the vortex tube is complicated, the study of the basic principles of thermodynamics can help to gain a better understanding of what is happening inside a vortex tube. The first law of thermodynamics is about the conservation of energy. According to this law, during a reaction between a system and its ambient, the energy that can be received from the ambient to the system is exactly equal to the energy that is lost from the system to the ambient. This energy can be seen in two different states: Heat and Work. Hence, for every thermodynamics system with a specific control volume: Fig. 7: Schematic control volume of a vortex tube 2iC.V i i i2ee e e c.vvQ m (h gz )2vm (h gz ) W2+ + + =+ + + (2) where cvQ is the rate of heat flow, which transfers through the control volume boundary and cvW is the work that can be done by the system on its ambient, m is the mass flow rate, h is the enthalpy of the air stream, v is the air stream velocity, z is the distance between the air stream and a source point and the subscripts i and e refer to inlet and outlet streams. Assuming that the vortex tube is well insulated, then the heat transfer between the system and the ambient can be taken as cvQ equal to zero, with vi and ve also equal to zero, as can the work W. Considering the control volume as shown in Fig. 7 for the vortex tube then Eq. (2) can be simplified as: i i e em h m h= (3) The expanding air can be treated as ideal gas and hence with no Joule-Thomson heating or cooling effect. Also, assuming air obeys the ideal gas laws and having constant specific heat capacity Cp, you can write: i p ih C T= (4) i p i c p c h p hm C T m C T m C T= + (5) ntsAm. J. Applied Sci., 6 (2): 251-262, 2009 255 by defining cf as the cold fraction: ccfimmm = (6) from the continuityEq: c h im m m+ = (7) Combining Eq. 5, 6 and 7 gives the relationship between inlet stream temperature and cold stream temperature, (hot stream temperature and cold fraction). Hence Eq: ( )i cf c hT T 1 T= m + - m (8) by assuming, h cT T TD = - (9) c i cT T TD = - (10) h h iT T TD = - (11) where, T is the difference between the hot and the cold air stream temperatures, Tc is the temperature difference between the inlet and cold air streams and finally Th is the temperature difference between the inlet and hot air streams. The equation can be written as: h cT T TD = D - D (12) Combining E q. 8 and 12 allows you to determine Tc and Th theoretically by measuring the cold fraction, cf and total temperature difference, T. Therefore: ( )c cfT 1 TD = - m D (13) h cfT TD = m D (14) Equation 13 and 14 can be used to show the consistency of the first law of thermodynamics for test carried out on the vortex tube. VORTEX TUBE EFFICIENCY In practical cases of refrigeration it is so important to determine the coefficient of perform
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