熱管立銑刀的設(shè)計(jì)與散熱分析

□ 戚恒辰 □ 喬福龍 □ 寧文波 □ 吳駿章 □ 陳欣磊

淮陰工學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院 江蘇淮安 643000

1 設(shè)計(jì)背景

傳統(tǒng)金屬切削加工一般采用澆注大量切削液的方式來降低切削區(qū)域溫度,帶走過多的熱量并排屑,從而保證工件表面質(zhì)量,延長刀具壽命。然而,采用這一冷卻方式不僅開支較大,而且會(huì)給環(huán)境和操作者健康帶來很大危害[1]。為降低成本,減少切削液給環(huán)境帶來的污染,開發(fā)少、無冷卻液的干式或準(zhǔn)干式金屬切削技術(shù)已成為制造業(yè)的迫切需求[2]。采用干式金屬切削技術(shù),產(chǎn)生的熱量如何消散,成為亟待解決的技術(shù)難題。

目前,代替切削液的冷卻方式有多種,包括最小量潤滑、高壓冷卻、低溫冷卻、壓縮空氣冷卻等。這些冷卻方式在特定加工條件下能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的潤滑、冷卻,需要施加額外的流動(dòng)介質(zhì),增加輔助設(shè)備,因此還沒有得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

熱管由于具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱能力,可以為干式金屬切削時(shí)熱量的散發(fā)提供新的技術(shù)思路。熱管是熱的超導(dǎo)體,利用管內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的相變來傳送熱量,是一種將熱能從一個(gè)不易傳熱的位置轉(zhuǎn)移至另一個(gè)有效散熱的位置的高效傳熱元件[5]。利用熱管進(jìn)行強(qiáng)化傳熱,可以實(shí)現(xiàn)切削過程中刀具的冷卻。目前,在鉆削、車削、磨削、銑削加工中,都已開展了熱管技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用研究,并取得了一定成果。然而,現(xiàn)有的熱管刀具存在吸液芯,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,推廣應(yīng)用受到影響[6-7]。

筆者通過切削傳熱分析,設(shè)計(jì)一種熱管立銑刀,結(jié)構(gòu)簡單,無吸液芯,工質(zhì)為去離子水,可通過工質(zhì)的自重實(shí)現(xiàn)循環(huán)散熱。根據(jù)散熱效果,對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)有效散熱和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一,為減少切削液的排放提供技術(shù)路線。

2 熱管立銑刀結(jié)構(gòu)

熱管立銑刀的直徑為0.02 m,刃長為0.05 m,刀桿總長為0.170 m,材料選用40Cr。為了內(nèi)置熱管,需要在銑刀內(nèi)部開盲孔。熱管與刀尖頂點(diǎn)的軸向距離初步選為5 mm。在刀具直徑范圍內(nèi)和保障刀具強(qiáng)度的前提下,熱管直徑越大,散熱效果越好。熱管長度至少要超過銑刀長度,并且滿足工質(zhì)流動(dòng)壓頭大小的需要。熱管立銑刀初步結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 熱管立銑刀初步結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

通過熱分析可知,隨著熱管直徑的增大,刀具的散熱效果越來越好。熱管直徑從4 mm增大至6 mm時(shí),刀具的最高溫度下降20.21 K,溫度下降明顯。熱管直徑從6 mm增大至8 mm時(shí),刀具的最高溫度只下降6.19 K,溫度下降效果不是很明顯。另一方面,隨著熱管直徑的增大,刀具的強(qiáng)度會(huì)降低[8-9]。綜合考慮刀具強(qiáng)度和散熱效能,熱管直徑需小于10 mm。為提高熱管冷凝端熱量的流出率,必須增大熱管冷凝端的散熱面積。為此,在刀軸內(nèi)安裝散熱器,并且考慮通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)散熱器表面的強(qiáng)制對(duì)流。由于刀軸內(nèi)沒有空間,因此需要對(duì)刀軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,在不影響刀軸強(qiáng)度的前提下,在刀軸徑向開設(shè)長方形通孔,被封閉在刀軸內(nèi)的熱量可以通過通孔流入大氣。結(jié)合銑刀、銑床的結(jié)構(gòu)和散熱器制作的難易度,選擇平行于刀具軸向的渦輪太陽花脊片散熱器作為熱管立銑刀的散熱器。熱管立銑刀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 熱管立銑刀結(jié)構(gòu)

3 散熱分析

通過因素水平表進(jìn)行正交試驗(yàn)分析,確定熱管立銑刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)。因素水平表見表2,正交試驗(yàn)方案見表3。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案

通過對(duì)各正交試驗(yàn)方案的熱管立銑刀最高溫度進(jìn)行對(duì)比分析[10],確定試驗(yàn)方案7的散熱特性最佳,對(duì)應(yīng)熱管立銑刀溫度云圖如圖2所示。由此得到熱管直徑為10 mm,熱管與刀尖頂點(diǎn)軸向距離為5 mm,散熱器半徑為35 mm,散熱器片數(shù)為12時(shí),熱管立銑刀的冷卻效果最好,使最高溫度由原來的335.24 ℃下降至214.66 ℃,下降了120.58 K,下降幅度為19.82%,同時(shí)熱管立銑刀的靜強(qiáng)度幾乎沒有變化[11]。

▲圖2 熱管立銑刀溫度云圖

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了熱管立銑刀,根據(jù)熱管立銑刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)創(chuàng)建三維模型,基于正交試驗(yàn)和有限元方法分析其散熱特性,得到最佳參數(shù)。通過研究表明,在保證刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,使用熱管技術(shù),能顯著降低銑削溫度。