毕业论文-径向旋转热管砂轮的结构设计及强度校核

1、毕业论文 本科毕业论文题 目: 径向旋转热管砂轮的结构设计及强度校核学 院: 专 业: 机械设计制造及其自动化班 级: 学 号: 学生姓名指导教师: 二零二零年 月 日径向旋转热管砂轮的结构设计及强度校核摘 要磨削技术在当下的机械加工中具有重要的意义，我国对磨削以及对磨具的研究由来已久，高效磨削技术的加工精度高，加工效率高，随着工程材料以及相关技术的不断发展，新的磨料磨具得到了广泛的应用。总之，磨削技术发展很快，在机械加工中有着非常重要的作用。目前，磨削技术的发展趋势是：发展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削，高速高效磨削机理并开发其新的磨削工艺，研制高精度高刚性的自动化磨床。而我本篇论文将介

2、绍的是一种新型砂轮结构，砂轮是我们在磨削加工过程中较为普遍使用的一种工具，在砂轮运转的过程，砂轮与工件接触，产生大量的热，这样大大降低了砂轮的使用效率。而热管砂轮是一种可以有效吸收由于砂轮与工件摩擦产生的热量，进而提高砂轮的使用效率。在砂轮结构设计时，由于将热管直接植入到砂轮基体内，在砂轮内部会形成一个1.5mm薄壁区域，这样对砂轮的可用性存在了一定的风险，所以要借助ANSYS软件进行结构强度校核分析。经过分析以后，可以得知砂轮在角速度达到1000rad/s时，砂轮的最大应力值为124Mpa,最大应变为0.027mm，砂轮的温度为76.5，这些数据都在合理的范围之内。关键词：热管砂轮，结构设计

3、，强度校核，高效节能Structure design and strength check of radial rotating heat pipe grinding wheelABSTRACTGrinding technology has an important meaning in the current machining, China has a long history of research on grinding and grinding tools, efficient grinding technology of high precision, high efficienc

4、y, with the continuous development of engineering materials and related technologies, new abrasive tools have been widely used.In short, the development of grinding technology is very fast, has a very important role in machining.At present, the development trend of grinding technology is to develop

5、super hard abrasive tools, research on precision and ultra-precision grinding, high speed and high efficiency grinding mechanism and develop new grinding process, and develop high precision and high rigidity automatic grinding machine.In this paper, I will introduce a new type of grinding wheel stru

6、cture. The grinding wheel is a kind of machine commonly used in the grinding process. During the operation of the grinding wheel, the grinding wheel contacts with the workpiece and generates a lot of heat, which greatly reduces the use efficiency of the grinding wheel.The heat pipe grinding wheel ca

7、n effectively absorb the heat generated by the friction between the grinding wheel and the workpiece, so as to improve the use efficiency of the grinding wheel.Next, I will introduce the structure design of heat pipe grinding wheel in detail, its strength check, and analyze the feasibility of heat p

8、ipe grinding wheel.Key words: heat pipe grinding wheel, structure design, strength check, high efficiency and energy saving目 录第一章 绪论.11.1热管技术在当前机械加工中的应用现状1.1.1热管技术1.2热管工作原理1.3热管的基本特性1.4热管技术在磨削加工中的应用1.5热管砂轮设计的构想以及可行性第二章 热管砂轮的设计2.1径向旋转热管结构与工作原理2.2砂轮热管的传热原理2.3砂轮的设计第三章 仿真软件介绍3.1 ANSYS的简介 3.2模型的建立 3.3边界条

9、件的设定3.4转速的设定和力的加载第4章 结果分析4.1应力分析与强度校核4.2应变分析4.3热力耦合分析4.4确定热管砂轮的可行性第5章 总结致谢参考文献4南京林业大学本科毕业论文第1章 绪论1.1热管技术在当前机械加工中的应用现状1.1.1热管技术热管技术作为高效传热元件，因优越的传热性能和技术特征，在机械加工过程中的应用日益普及，不仅在余热回收，节能方面取得了显著效果，而且在传统的传热传质设备更新改造及电子元器件冷却方面显示出强大的生命力。热管技术之所以能广泛应用于节能领域，是因为与常规换热技术相比，具有如下的重要特点。(1) 热管换热设备相比于常规设备更安全，可靠，可长期连续运行。由热

10、管组成的换热设备，是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝管壁才能传到冷流体，热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。(2) 热管管壁的温度可调性。热管管壁的温度可以调节在低温余热回收或热交换中相当重要的，因为可以通过适当的热流交换把热管管壁温度调节在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。(3) 冷,热段结构和位置布置灵活。由热管组成的换热设备的受热分布和放热部分结构设计和位置布置非常灵活，可适用于各种复杂的场合。(4) 效率高。热管换热设备效率高，节能效果显著。1.2热管工作原理典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.

11、3x（10-110-4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。在热管的一端加热后，管内空间处于负压状态下，吸液芯中的液体因吸收外界热量而汽化为蒸汽，在微小的压差下流向热管的另一端并向外界放出热量且凝结为液体。该液体借助于贴壁金属丝网的毛细抽吸力返回到加热段，并再次受热汽化。如此反复循环，连续不断地将热量由一端传向另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：1、 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面；2

12、、 液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发；3、 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；4、 蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结；5、 热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；6、 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。热管工作原理图如图1.1所示图1.1 热管工作原理图1.3热管的基本特性热管是通过自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。1、 很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。2、 优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，一定的饱和蒸汽温度相对对应于饱和蒸汽压力，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压

13、降很小，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。3、 热流密度的可变性 热管可以较小的面积输入热量，而以较大的冷却面积输出，或者可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样可以改变热流密度。4、 热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。5、 热二极管与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关，所谓二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动。6、 恒温特性 普通热管的各部分热阻基本上不随输入热量的变化而变，因此当输入热量变化时热管各部分的温度亦随之变化。7、 环境的适应性 热

14、管的形状可随热源和冷源条件而变化，既可用于地面，又可用于空间。1.4热管技术在磨削加工中的应用热管技术在车削和钻削技术中皆有广泛应用，但在磨削过程中的应用较少，可以查阅到的文献资料也不多见。国内南京航空航天大学高效精密加工研究团队则率先于国外，提出了一种基于热管技术强化磨削弧区换热的全新构想，并开展了热管技术用于磨削加工的可行性研究。该团队成员首先通过利用热管的高导热性与结构多样性，成功研制出一种热管式金刚石磨头，并通过模拟实际磨削加工过程，验证了热管式磨头结构设计的可行性以及对磨削弧区的传热冷却效果。这也预示着我们还要在热管应用领域还有很多的工作要做。1.5 热管砂轮设计的构想以及可行性在实

15、际的加工过程中，由于砂轮与工件接触，摩擦产生了巨大的热量，从而导致了砂轮工作效率的大大下降，而热管砂轮则借助了热管高效的换热性，可以有效的吸收由于摩擦产生的余热，进而提高砂轮的使用效率，也进一步提高了砂轮的使用寿命。但在我们使用之前，要对热管砂轮进行结构设计以及强度校核，以确保我们日常的使用要求，我们将借助ANSYS软件对其进行结构设计还有强度校核。第2章 热管砂轮设计2.1 径向旋转热管结构与工作原理旋转热管是一种工作时自身处于旋转状态的热管，其结构相对简单且具有很强的传热能力。根据热管轴线与其旋转轴的相对位置， 可分为径向旋转热管和轴向旋转热管两种。其中径向旋转热管与砂轮它们两者间的工作状

16、态较为接近，该型热管内腔一般为圆柱形或圆锥形， 其传热过程同样也是利用内部工质液体的相变来实现的，但是与静态热管不同的是，其管内冷凝液回流到蒸发端是依靠离心力和重力作用推动，无需吸液芯结构。其结构与工作原理如图2.1所示。图2.1径向旋转热管结构图2.2砂轮热管的传热原理正是由于旋转热管无比优越的导热能力以及相对简单的结构和制作工艺，为实现本文构想提供了有力保障。从理论上讲，只要通过合理设计热管的结构和布置方式，即可形成具有热管传热功能的新型砂轮热管砂轮。由于砂轮的外圆面与磨削弧区接触，可以形成上述热管的蒸发端，同时砂轮在旋转状态下管内工质液体由于受离心力作用能够在蒸发端表面形成一层均匀厚度的

17、液膜，另外在砂轮基体两侧面上通过采用适当的冷却方式，可以形成热管的冷凝端。从传热学角度进行分析，砂轮中热管对磨削弧区的传热作用越强，磨削弧区温度亦会越低，相应地材料去除率也能够进一步得到提高。2.3砂轮的设计热管砂轮在设计时，其设计的核心是将合适的热管植入砂轮体内，使其在完成传热功能的同时，也能够满足加工条件。因此我们将在下面的文章中讨论砂轮的主要尺寸，材料的选择，热管的选型等方面。为了最大化的实现热管的传热效果，我们将尽可能减少传热的中间环节，直接在砂轮中加工热管结构。综合考虑平面加工的材料去除率要求，径向旋转热管比较适用于平面磨削用的砂轮基体中，能够较好的实现换热，常见的径向旋转热管如上图

18、2.1所示，其旋转轴与热管的本身轴线重合，冷凝工质依靠离心力沿径向方向回流，工质的选择为水。为了确保热管砂轮的可行性，我们就必须要求其磨削时的最大等效应力小于基体材料的许用应力，考虑到经济因素，我们将砂轮的基体材料先选择为较为常见的45钢，其弹性模量E=209000GP，泊松比为0.269，密度为7890kg/m3。我们先使用45钢这种较为常见的材料在ANSYS中进行强度分析和校核，如果校核失败，我们将采用其他材料来进行实验。砂轮总体可以分为蒸发段，绝热段，冷凝段。具体的结构如图2.3 所示，径向热管砂轮的外圆尺寸为 400mm，内孔安装尺寸根据磨床法兰盘尺寸确定为 127mm，砂轮工作面宽度

19、为22mm，内部环形热管的内外径分别为 327mm 和 397mm。冷凝端宽度为10mm。图2.2砂轮剖视图第3章 仿真软件介绍3.1ANSYS简介在此次的设计中，我们将主要采用的仿真软件是ANSYS，版本众多，我主要利用的ANSYS19.1。ANSYS是美国ANSYSA公司推出的一个工程设计仿真软件，其具有复合材料设计、建立三维组件、扩展建模、动力学分析、流体动力学分析、声场分析、结构静力分析等功能。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便我们构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高

20、度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。除此之外，ANSYS还可以实现电子设备的互联，仿真各种类型的结构材料，简化复杂流体动力学工程问题，基于模型的系统和嵌入式软件开发。总而言之，ANSYS是一款用途广泛的工程仿真软件，我将在下文中的结果分析中，详细介绍我所利用到它的地方。3.2模型的建立首先我们打开ANSY

21、S的经典界面，设置砂轮基体的参数，第一个是基体材料的弹性模量和泊松比。如图3.1和3.2所示。图3.1弹性模量和泊松比界面图3.2 数值设置对话框我们在设置好弹性模量和泊松比以后，还需要设置材料的密度，如图3.3和3.4所示。图3.3 密度设置界面图3.4密度设置对话框我们将这些参数设置好之后，可以开始建模，建模过程我是直接在ANASYS中按照图2.3建立，其过程可以分为找点，点与点连接成线，然后通过翻转的命令，形成一个面，再通过布尔运算，得到砂轮中间与法兰连接的空隙，最后通过旋转命令，得到整个模型，在对其进行网格的划分，得到图3.5的模型。我将整个模型划分成8等份。图3.5砂轮网格示意图3.

22、3边界条件的设定由于径向旋转热管砂轮是整体式结构，因此在仿真初始化设置过程中不必考虑接触定义，只需要施加约束和载荷。在磨削过程中，砂轮的内孔与主轴通过法兰进行安装，因此仿真中对内孔面进行约束。类似于轴向旋转热管砂轮，径向旋转热管砂轮所受到的载荷包括砂轮旋转产生的离心力和磨削时所受到的磨削力。内孔经过约束后的砂轮如图3.6和3.7所示。图3.6内孔约束界面图3.7内孔约束图3.4转速设置和力的加载在对其内孔进行约束过后，我们将对其转速进行设置，转速分为200rad/s,400rad/s,600rad/s,800rad/s,1000rads。转速设置界面如图3.8和3.9所示。图3.8转速设置界面

23、图3.9转速设置对话框我们在这里设置的转速为200rad/s,需要进行简单的数学计算，不可直接输入200。在设置好转速以后，我们要研究砂轮在转动时，与工件接触而产生的磨削力，我们可以根据经验公式Ft=ucaevwb/vs，可以计算出切向磨削力。法向磨削力Fn=kFt，其中工件经过淬火以后k=34，在这里我们选择k=4。在经验公式中：uc为比磨削能，45钢的比磨削能大约在20-60j/mm3，粗砂轮时取值40，ae为磨削深度，mm；vw为进给速度，mm/s; vs为砂轮磨削线速度，m/s；b为砂轮磨削宽度,mm。砂轮的转速设置为200rad/s，半径为0.2m, 我们可以计算出其线速度为40m/

24、s。我们假设工作时候的进给速度为25m/min，换算单位后为417mm/s，砂轮的工作面宽度为22mm，磨削深度我们设置为0.1mm，这样Ft=400.141722/40=917N，所以Fn=4917=3668N。后面的计算中，我们只需要改变砂轮运动的线速度，就可以计算出在不同的角速度下，砂轮的切向磨削力和法向磨削力，数据取整数。如图3.10所示角速度线速度切向磨削力法向磨削力200rad/s40m/s917N3668N400rad/s80m/s459N1836N600rad/s120m/s306N1224N800rad/s160m/s230N920N1000rad/s200m/s183N73

25、2N图3.10角速度与磨削力数值图在转速设定好之后，我们要加载磨削力，考虑到砂轮是在高速转动的，我们将磨削力以均匀分布的方式加载到砂轮的外边面。这个时候我们要选择砂轮最外表面，选择结果如图3.11所示。图3.11砂轮外表面图选择完以后我们要去检查一下，砂轮外表面一共有多少个节点。检查结果为2592个。如图3.12所示。图3.12 节点个数图这样的话，我们在后面的磨削力数值输入时，只要将计算好切向磨削力除以节点个数，就可以将力以均匀分布的方式加载在外表面上，法向磨削力也是如此。具体结果如图3.13和图3.14所示。图3.13 切向磨削力数值输入图图3.14 切向磨削力加载效果图最外表面红色的一圈

26、就是切向磨削力。然后我们用同样的方式，将法向磨削力也加载到砂轮的外边面，具体的效果如图3.15所示。图3.15切向磨削力和法向磨削力加载图图3.15就显示了力加载了以后的效果，图中蓝色的区域是我们之前添加的约束。这样一个整套的操作下来，我们就可以分别计算出在不同角速度下，砂轮的最大应变和最大应力的值，我们将在下一章节中，来分析这些数据。第4章 结果分析4.1应力分析与强度校核由于我们是将热管植入砂轮基体内，这样在砂轮内部会产生一个薄壁区域，为了确保砂轮的可用性，我们要对热管砂轮进行结构强度校核分析。对于径向旋转热管砂轮，我们要求其最大磨削等效应力小于基体材料的许用应力，最大变形量小于薄壁区域厚

27、度。我们按照第三章的整套操作流程，可以计算出在不同角速度下，砂轮的最大应力值。图4.1表示了砂轮在200rad/s时，砂轮的最大应力为97.7Mpa。图4.1径向旋转热管砂轮等效应力分布云图根据图我们可以看出，最大的等效应力存在于砂轮的最外表面，由于砂轮与工件接触，产生的磨削力，让最大等效应力分布于此，而内孔则是与主轴相连接，所以应力较小，影响也较小。整体来看，砂轮内部的等效应力分布呈对称形式。我们将计算出来的等效应力值，绘制成折线图，如图4.2所示。图4.2 角速度对砂轮最大等效应力的影响我们可以从图中看出，随着角速度的增加，砂轮的最大等效应力也随之增加，当砂轮角速度到达1000rad/s时

28、，最大的等效应力为124Mpa,远小于砂轮基体材料45钢的屈服极限(355Mpa)。4.2应变分析砂轮内部有一个1.5mm的薄壁区域，所以我们要分析砂轮在磨削时的最大应变量。如果大于1.5mm，则说明会破坏砂轮结构，不能得以应用。图4.3所示了砂轮在200rad/s时，最大应变量0.023mm。图4.3径向旋转热管砂轮变形量分布云图从图中我们可以看出最大应变发生在砂轮的最外表面，而内孔则是与主轴连接，基本上没有较为明显的应变量。图4.4显示了在不同角速度下，砂轮最大应变量的变化。图4.4 角速度对径向旋转热管砂轮最大变形量的影响从图中我们可以看出，随着砂轮角速度的增加，砂轮的最大变形量也随之增

29、加，当角速度达到1000rad/s时，最大变形量为0.027mm，远小于薄壁区域的厚度。4.3 热力耦合分析我们在ANSYS中做好应力和应变分析之后，还要来做一下热力耦合，同时将力的载荷和温度载荷，施加到砂轮上，具体的操作流程如下。还是用砂轮角速度为200rad/s时来举例说明。首先我们要将单元格式设置成热单元的模式，如图4.5所示。图4.5热单元模式在选择好热单元模式以后，我们要设置砂轮基体材料的导热系数，经过查阅资料，45钢的导热系数为0.05154W/（mK),设置界面如图4.6所示。图4.6导热系数设置界面图在设置好dao热系数之后，我们按照之前建立模型的方式建立好模型，这里可以参考第

30、三章的内容，不在赘述。建立好模型之后，我们就可以施加温度载荷，先施加热流密度，同样施加在砂轮的最外表面，查阅资料可以知道，热流密度为0.014J/（mm2s),设置界面如图4.7所示，加载效果如图4.8所示。图4.7热流密度设置界面图图4.8 热流密度加载效果图在添加好热流密度之后我们要继续添加对流散热系数，查阅资料可知，对流系数为0.00135W/(mm2K),这个时候我们同时也要给定一个假定的环境温度，在这里我们选择为20。设置界面如图4.9所示，加载效果如图4.10所示。图4.9 对流散热系数设置界面图图4.10 对流散热系数加载效果图在加载好这些数据以后，我们将计算出来的结果保存，然后

31、我们要将模型改成热力耦合的模式，具体如图4.11所示。图4.11热力耦合模式图选择好热力耦合模式后，我们还需要设置热膨胀系数，查阅资料我们可以知道热膨胀系数为11.69x10-6/，同时我们也要设置环境温度，这里同样设置为20，设置界面如图4.12所示。图4.12热膨胀系数设置界面所有的数值设置好之后，我们先将之前保存好的热载荷的模式加载到砂轮上，然后可以按照上一章节中加载力载荷的方式，给砂轮添加力的载荷，这里不再赘述。所有的数据添加成功以后，我们就可以得出了，砂轮内体的温度分布云图。如图4.13所示。图4.13 砂轮温度分布云图根据图可以看出，砂轮的角速度为200rad/s时，最大温度分布在

32、砂轮的外表面，为65.8，由于我们给定的环境温度为20，所以砂轮内孔的温度变化较小。砂轮整体稳步分布呈对称样式。另外当砂轮角速度达到1000rad/s时，砂轮的体内最大的温度为76.5，属于正常范围内。 4.4确定砂轮的可行性我们经过前三节的应力分析、应变分析和热力耦合分析之后，可以看出，当砂轮的角速度达到我们设定的最大值1000rad/s时，等效应力的最大值124Mpa，等效应变的最大值为0.027mm，砂轮体内最大温度为76.5，这些数值均在合理的范围内，说明我们的设计猜想时可行的。第5章 总结在整个论文撰写的过程中，让我对砂轮的认知，热管的认知，还有ANSYS软件的了解，都有了进一步的提高。在热管砂轮的设计过程中，让我对之前所学习的知识，有了进一步的巩固。特别是对ANSYS软件的认识，这是一款纯英文软件，这对英语水平并不高的我来说，确实有不少难度，我从最简单的界面分布学起，去网上找视频，跟着视频里的内容，来学习这个软件的操作。期间也询问了一些对这个软件会操作的同学，整个论文编写过程中，我发现很多同学所使用的软件都是外国公司开发研究