熱管刀具的設(shè)計(jì)及散熱性能測(cè)試*

梁良 全燕鳴

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州510640)

如何令切削熱快速消散是切削加工生產(chǎn)中需要解決的重要問(wèn)題［1-2］.由于傳統(tǒng)切削液澆注冷卻方法對(duì)環(huán)境和人體的負(fù)面影響非常嚴(yán)重，其使用受到限制，因此研究低(無(wú))污染、低成本的冷卻技術(shù)是綠色切削技術(shù)發(fā)展的主要方向［3］.

在刀片/刀柄中嵌入熱管以快速轉(zhuǎn)移切削熱是一種切削過(guò)程中刀具散熱的新途徑［4］.熱管是一種利用內(nèi)部工質(zhì)的相變快速傳送熱量的元件，其傳熱能力比相同尺寸金屬良導(dǎo)體(銅/鋁)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，還具有良好的熱響應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性，而且其運(yùn)行不需要外部驅(qū)動(dòng)［5］，因此近年在國(guó)外被嘗試用作切削刀具的散熱元件.1988年前蘇聯(lián)托里楊金工藝研究所最早提出熱管車(chē)刀的創(chuàng)意，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種從車(chē)刀刀桿內(nèi)開(kāi)孔插入圓熱管并在圓熱管尾部安裝散熱片的熱管車(chē)刀［6］.1995年Judd等［7］設(shè)計(jì)的熱管車(chē)刀也采用了在刀柄內(nèi)嵌入圓熱管的形式，不同的是該車(chē)刀在熱管冷凝端采用循環(huán)水冷卻.Haq等［8］的研究工作中同樣采用了類(lèi)似形式的熱管車(chē)刀，但在圓熱管的蒸發(fā)端和車(chē)刀刀片之間增加了導(dǎo)熱夾片.隨后，Chiou等［9-11］設(shè)計(jì)的熱管刀具使用了扁彎熱管，并采用了在刀片內(nèi)開(kāi)槽以嵌入熱管的結(jié)構(gòu).Chou等［12］所采用的熱管車(chē)刀同樣使用了扁彎熱管，使用時(shí)該扁彎熱管的蒸發(fā)端被貼附在距離刀尖10mm的前刀面上.文獻(xiàn)［13］中設(shè)計(jì)的熱管車(chē)刀中的熱管采用貼附在前刀面的固定方式，但使用的是扁直熱管.

熱管有不同的形狀和規(guī)格，其傳熱特性也與普通的固體傳熱有著很大差異，在設(shè)計(jì)熱管刀具前了解熱管性能并優(yōu)化其使用參數(shù)是十分重要的準(zhǔn)備工作.熱管兩頭分別為吸熱的蒸發(fā)端和散熱的冷凝端.設(shè)計(jì)熱管刀具時(shí)應(yīng)該使熱管的蒸發(fā)端盡量靠近和貼緊刀頭高溫區(qū)以發(fā)揮其最大吸熱能力，但是同時(shí)要考慮刀頭的剛度和強(qiáng)度以及切削過(guò)程中切屑對(duì)熱管表面的強(qiáng)烈刮擦和纏繞影響.因此熱管在刀具上的嵌入形式和位置設(shè)計(jì)需要優(yōu)化.合理地選用熱管和設(shè)計(jì)熱管刀具結(jié)構(gòu)以達(dá)到最佳的切削散熱效果，是應(yīng)用熱管刀具應(yīng)解決的首要和關(guān)鍵問(wèn)題，但目前鮮見(jiàn)這方面的報(bào)道.在上述文獻(xiàn)中，對(duì)所采用熱管和熱管與刀具的結(jié)合都缺乏實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的優(yōu)化研究，熱管蒸發(fā)端距離刀刃和刀尖過(guò)遠(yuǎn)，刀頭高溫面與熱管蒸發(fā)端之間存在很大熱阻.

為此，文中開(kāi)展了熱管使用參數(shù)優(yōu)化及熱管刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究工作，即模擬熱管在熱管車(chē)刀內(nèi)的工作條件，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)熱管蒸發(fā)端受熱長(zhǎng)度、冷凝端冷卻長(zhǎng)度、熱管彎曲角度以及循環(huán)水溫度這4個(gè)使用參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.在此基礎(chǔ)上，提出熱管刀具的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)3種不同熱管植入形式的熱管車(chē)刀，然后進(jìn)行切削量熱實(shí)驗(yàn)，分析這3種熱管刀具散熱的效果.

1 熱管及原型車(chē)刀

文中設(shè)計(jì)熱管刀具所用的熱管為溝槽式銅－水微熱管，按形狀分為圓直管、圓彎管、扁直管、扁彎管，如圖1所示.圓管外徑為6mm，壁厚為0.4mm，其內(nèi)壁的微溝槽利用高速充液旋壓成形技術(shù)制造，溝槽數(shù)為55，槽深為0.25mm，平均槽齒寬度為0.133mm.彎管由直熱管彎制而成，扁熱管由同直徑和同長(zhǎng)度圓熱管壓制而成.文中所用熱管的充液率為175%，真空度為6.0.

圖1 微熱管外觀圖Fig.1 Appearance of the micro-heat pipe

用于設(shè)計(jì)熱管車(chē)刀的原型普通車(chē)刀如圖2所示.采用機(jī)夾刀片式車(chē)刀，方便改造刀片和刀體以嵌入熱管.刀片為YT-15硬質(zhì)合金，刀柄材料為正火45#鋼.

圖2 原型普通車(chē)刀的外觀圖及示意圖Fig.2 Appearance and schematic diagram of the prototype external turning tool

2 熱管使用參數(shù)優(yōu)化

2.1 熱管傳熱測(cè)試

以熱管的最大傳熱功率Pmax作為評(píng)定指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)，優(yōu)化熱管在循環(huán)水冷卻條件下的使用參數(shù)，以此作為熱管車(chē)刀的設(shè)計(jì)基礎(chǔ).

所設(shè)計(jì)的熱管性能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示.用銅套包覆熱管的蒸發(fā)端，用電阻螺旋管加熱器加熱銅套，用可調(diào)節(jié)功率電源控制加熱功率.熱管冷凝端的冷卻裝置由水槽、潛水泵、軟管和循環(huán)水套組成，潛水泵驅(qū)動(dòng)水循環(huán)流動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱管冷凝端的冷卻，循環(huán)水的流動(dòng)速度為0.5 L/min.在熱管的蒸發(fā)端、絕熱端和冷凝端分別設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量這3個(gè)位置的溫度變化.

圖3 循環(huán)水冷卻條件下的熱管性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Performance test system of heat pipe in recycling water cooling condition

測(cè)試各種類(lèi)型的熱管時(shí)，分別制作相應(yīng)形狀和長(zhǎng)度的加熱銅套.考慮到圓熱管嵌入刀具中通常是蒸發(fā)端的整個(gè)外表面受熱，因此針對(duì)圓熱管傳熱測(cè)試而制作的加熱銅套筒是一段空心盲孔銅圓棒，如圖4(a)所示.考慮到扁平熱管嵌入刀具中通常是蒸發(fā)端的一個(gè)側(cè)面受熱，因此針對(duì)扁熱管傳熱測(cè)試而制作的加熱套筒是在紫銅半圓棒和電木半圓棒上開(kāi)盲槽而合成，如圖4(b)所示.

針對(duì)循環(huán)水冷卻情況下影響熱管傳熱性能的4個(gè)主要因素:蒸發(fā)端受熱長(zhǎng)度Lh(A)、冷凝端冷卻長(zhǎng)度Lc(B)、循環(huán)水溫度tw(C)和熱管彎曲角度α(D)，制訂4因素、4水平的正交試驗(yàn)方案，采用L16(45)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn).所用因素水平參數(shù)見(jiàn)表1.

圖4 兩種微熱管的受熱形式及相應(yīng)的加熱套筒Fig.4 Heat load formation for two types of micro-heat pipe and corresponding heating sleeves

表1 熱管傳熱性能正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal experiment for the heat transfer performance of heat pipe

在每組測(cè)試試驗(yàn)中，首先對(duì)熱管的蒸發(fā)端加載50W的熱荷載，持續(xù)600 s，然后觀察3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況，判斷熱管蒸發(fā)端的溫度是否在這段時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定.若是，說(shuō)明尚未達(dá)到該熱管飽和狀態(tài)，則增加加熱功率再進(jìn)行測(cè)試;反之則說(shuō)明已超出該熱管傳熱極限，需減小加熱功率重新測(cè)試.如此不斷地試驗(yàn)，直到獲得熱管的最大功率Pmax.

2.2 熱管傳熱測(cè)試結(jié)果分析

采用上述試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)幾種熱管的最大傳熱功率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，求出每個(gè)因素水平分別對(duì)應(yīng)于圓熱管和扁熱管的最大傳熱功率位級(jí)，得出Pmax與熱管的4個(gè)使用因素參數(shù)的關(guān)系，見(jiàn)圖5.

比較圖5(a)及(b)可知，在相同使用條件下，圓熱管的最大傳熱功率Pmax明顯高于扁熱管;圓熱管的最大傳熱功率Pmax隨著蒸發(fā)端受熱長(zhǎng)度Lh以及循環(huán)水溫度tw的增加而增加，隨著冷凝端冷卻長(zhǎng)度Lc的增加而減小;隨著彎曲角度α增加，圓熱管的Pmax呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)α=5°時(shí)，圓熱管的Pmax最大.扁熱管的最大傳熱功率Pmax隨著4個(gè)因素的變化趨勢(shì)與圓熱管相似.

表2 循環(huán)水冷卻條件下熱管最大傳熱功率的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results for the heat pipe in recycling water cooling condition

圖5 循環(huán)水冷卻條件下熱管的4個(gè)使用參數(shù)與最大傳熱功率Pmax的關(guān)系Fig.5 Relationship between four using factors and the maximum heat transfer power Pmaxfor the heat pipe in recycling water cooling condition

3 熱管車(chē)刀設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，結(jié)合原型車(chē)刀實(shí)際情況，對(duì)圓熱管和扁熱管的使用參數(shù)優(yōu)選結(jié)果均為:熱管蒸發(fā)端受熱長(zhǎng)度Lh=18 mm，冷凝端冷卻長(zhǎng)度Lc=20 mm，循環(huán)水溫度tw=75℃，熱管彎曲角度α=5°.

在設(shè)計(jì)熱管車(chē)刀時(shí)遵循以下原則:(1)在保證刀片強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量使熱管靠近主刀刃和刀尖;(2)盡量避免熱管與刀柄的接觸換熱，同時(shí)熱管應(yīng)定位及安裝方便;(3)令熱管得到相應(yīng)的保護(hù)以保證其在切削過(guò)程中工作的可靠性［14］.基于以上原則，設(shè)計(jì)了嵌入式、側(cè)壓式和槽嵌式3種熱管車(chē)刀，如圖6所示.

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)的熱管車(chē)刀實(shí)物圖及示意圖Fig.6 Appearance and schematic diagram of the optimized heat-pipe lathe tool

嵌入式熱管車(chē)刀中的熱管為直徑6mm的圓管，彎曲角度為5°.在刀片前刀面下方加工出與熱管等徑的盲槽，嵌入熱管蒸發(fā)端.側(cè)壓式熱管車(chē)刀中的熱管為厚4mm的扁直管，用夾具固定，其蒸發(fā)端貼附在刀片的主后刀面上.槽嵌式熱管車(chē)刀中采用扁彎熱管，厚度為4mm，彎曲角度為5°.在刀片前刀面上加工出與熱管等寬、深4mm的盲槽，嵌入熱管蒸發(fā)端.3種刀具中熱管長(zhǎng)度均為150 mm，蒸發(fā)端與刀具接觸長(zhǎng)度均為18mm，蒸發(fā)端前沿距離刀尖均為2mm.

為減小熱管與刀頭的界面熱阻，在熱管蒸發(fā)端使用了導(dǎo)熱膠.為減少熱管體與刀柄的熱接觸，采用了偏頭刀體結(jié)構(gòu)以方便熱管的引出.裝配該熱管車(chē)刀時(shí)，熱管的后端采用一個(gè)絕熱支撐固定在刀柄上.

4 熱管刀具的散熱性能驗(yàn)證

在CKA6150型數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行外圓干車(chē)削45#鋼(HBS 187)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量及計(jì)算上述熱管刀具在相同切削條件下熱管轉(zhuǎn)移的熱量Qhp，以量化評(píng)估這3種熱管刀具的散熱性能.

實(shí)驗(yàn)所采用的量熱測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖7.測(cè)試系統(tǒng)中的量熱介質(zhì)為水，熱管冷凝端用水冷卻裝置包覆20mm，冷卻水用保溫容器盛裝，由潛水泵實(shí)現(xiàn)水循環(huán).實(shí)驗(yàn)前在刀柄外表面包裹了絕熱材料以減少刀具向夾緊機(jī)構(gòu)傳熱.實(shí)驗(yàn)中使用的循環(huán)水量為1 L，水初始溫度為75℃，水流量為0.5 L/min.熱管冷凝端和保溫容器中置熱電偶測(cè)溫.由切削前后兩處測(cè)量的循環(huán)水溫差Δt1及Δt2，可以根據(jù)以下公式量化計(jì)算Qhp:

式中:ρw為水的密度，ρw=103kg/m3;cw為水的比熱容，cw=4200J/(kg·℃);Vw為循環(huán)水體積.

圖7 熱管刀具的量熱測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the calorimetric test system of heat pipe tool

根據(jù)切削量熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制3種熱管車(chē)刀在200s切削時(shí)間內(nèi)通過(guò)熱管傳出的熱量Qhp隨切削速度的變化曲線，見(jiàn)圖8.隨著切削速度的增加，這3種熱管刀具通過(guò)熱管轉(zhuǎn)移的熱量都呈上升趨勢(shì)，至切削速度vc=300m/min時(shí)尚未達(dá)到熱管傳熱飽和狀態(tài).在相同的切削速度下，嵌入式熱管刀具的Qhp遠(yuǎn)高于槽嵌式和側(cè)壓式熱管刀具.由于在相同的切削速度條件下各車(chē)刀切削時(shí)所產(chǎn)生的總熱量基本一致，這說(shuō)明采用嵌入式圓熱管的刀具散熱效果最好，側(cè)壓式熱管的刀具散熱效果最差.

圖8 切削速度對(duì)3種熱管刀具熱管轉(zhuǎn)移熱量的影響Fig.8 Effect of cutting speed on the heat transferred by the heat pipe for three kinds of heat pipe tools

5 結(jié)論

(1)對(duì)圓熱管和扁熱管的傳熱測(cè)試結(jié)果均表明，熱管的最大傳熱功率隨著蒸發(fā)端受熱長(zhǎng)度以及循環(huán)水溫度的增加而增加，隨著冷凝端冷卻長(zhǎng)度的增加而減小;當(dāng)熱管彎曲5°時(shí)傳熱最有效.

(2)根據(jù)熱管傳熱測(cè)試結(jié)果，結(jié)合原型車(chē)刀的幾何尺寸，優(yōu)選的熱管使用參數(shù)為:受熱長(zhǎng)度18mm、冷卻長(zhǎng)度20mm、循環(huán)水溫度75℃、熱管彎曲角度5°.

(3)設(shè)計(jì)了嵌入式、側(cè)壓式、槽嵌式3種熱管車(chē)刀，分別采用圓熱管和扁熱管從刀片內(nèi)部、主后刀面和前刀面吸收切削熱.切削量熱實(shí)驗(yàn)表明，嵌入式熱管刀具中的熱管傳熱效率最高，槽嵌式的熱管次之，側(cè)壓式的熱管最弱.

［1］ Dhar N R，Ahmed M T，Islam S.An experimental investigation on effect of minimum quantity lubrication in machining AISI 1040 steel［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2007，47(5):748-753.

［2］ 全燕鳴，何振威，豆勇.碳鋼高速車(chē)削中基于量熱法的切削熱分配［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(11):1-4.Quan Yan-ming，He Zhen-wei，Dou Yong.Cutting heat dissipation in high-speed machining of carbon steel based on calorimetric method［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2006，34(11):1-4.

［3］ Weinert K，Inasaki I，Sutherland J W，et al.Dry machining and minimum quantity lubrication［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2004，53(2):511-537.

［4］ Sharma V S，Dogra M，Suri N M.Cooling techniques for improved productivity in turning［J］.International Journal of Machine Tools＆Manufacturing，2009，49(6): 435-453.

［5］ Faghri A.Heat pipe science and technology［M］.Washington，D C:Taylor and Francis，1995:94-95.

［6］ К ABTOPCКOMУ CBИДETEЛБCTBУ.OПИCAHИE И30БPETEHИЯ:SU，1371776 A1［P］.1988-03-23.

［7］ Judd R L，Mackenzie H S，Elbestawi M A.An investigation of a heat pipe cooling system for use in turning on a lathe［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1995，10(6):357-366.

［8］ Haq A N，Tamizharasan T.Investigation of the effects of cooling in hard turning operations［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2006，30 (4):808-816.

［9］ Chiou R Y，Lin L，Jim S J，et al.Investigation of dry machining with embedded heat pipe cooling by finite element analysis and experiments［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，31(5):905-914.

［10］ Chiou R Y，Chen J S J，Lu L，et al.The effect of an embedded heat pipe in a cutting tool on temperature and wear［C］∥Proceedings of ASME Conference on Mechanical Engineering.Washington，D C:［s.n.］，2003:1-8.

［11］ Chiou R Y，Chen J S J，Lu L，et al.Prediction of heat transfer behavior of carbide inserts with embedded heat pipes for dry machining［C］∥Proceedings of the 2002 ASME International Mechanical Engineering Congress＆Exposition.New Orleans:［s.n.］，2002:17-22.

［12］ Chou Y K，Liu J.CVD diamond tool performance in metal matrix composite machining［J］.Surface＆Coatings Technology，2005，200(6):1872-1878.

［13］ Liang L，Quan Y M，Ke Z Y.Investigation of tool-chip interface temperature in dry turning assisted by heat pipe cooling［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，54(1/2/3/4):35-43.

［14］ 梁良.面向綠色切削的熱管刀具散熱性能研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，2011: 75-76.