基于ABAQUS旋轉熱管磨具的有限元分析

周小青 孫 濤 杜冬東 馬 飛

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇 徐州 221000）

眾所周知，綠色制造技術是未來制造技術發展的重要組成部分。在切削和磨削過程中，切削溫度是刀具和磨粒磨損的主要原因，常規的做法是在加工中使用大量的切削液降低切削溫度，這就會造成環境污染，并且增加了加工成本和環境處理成本。

利用熱管通過蒸發潛熱快速傳遞熱量的優點，許多學者對熱管在切削刀具方面的應用方面進行了研究。T.C.Jenetal.[1]分析了熱管施加到鉆孔的可行性。一些關鍵參數是通過理論分析和實驗驗證，如深度和熱管的直徑，輸入的熱量，蒸發器的長度等來確定。R.L.Judd[2]和梁良[3]研究冷卻熱管的系統與車刀不同安裝形式，例如嵌入、橫向壓縮和槽嵌入。劉志軍[4]研究測量溫度可知銑刀銑削通過基本結構優化的熱管散熱。這些研究成果為熱管在切削過程過程中的應用提供了有效的實際參考，但均未涉及磨削的應用。

在本文中，采用旋轉熱管磨具解決磨削過程中的散熱問題，通過旋轉熱管磨具的有限元分析研究，以考核旋轉熱管磨具工作的剛度和振動性能并避免共振，為綠色制造提供了新的技術選擇和實際參考。

1 旋轉熱管的結構設計

如圖1所示，熱管磨具由尾部和磨頭組成。尾部上端設計有抽真空的排氣孔，下端設計有翅片。磨頭圓柱外表面釬焊有CBN磨粒，為磨削工作區域，直徑為30mm；磨頭上表面與尾部下端定位并焊接固定。尾部上端為圓柱形狀，直徑為20mm，用于在銑床主軸上裝夾；翅片用于提高散熱面積，提高換熱效率。

圖1 旋轉熱管的結構設計

工作時，磨頭圓柱外表面磨削工件，產生磨削熱，熱量通過磨頭管壁導入到磨頭內部（蒸發段），蒸發段的工作液受熱蒸發，并帶走熱量，蒸汽向上運動到達冷凝段，在翅片的作用下加速蒸發潛熱的釋放，蒸汽冷凝成液體，在磨頭錐度內腔的離心力作用下，液體返回到蒸發段進行周而復始的工作。

2 熱管磨具的有限性分析

2.1 熱管磨具的靜力分析

首先，熱管磨具的模型由Pro/E軟件建立并導入到ABAQUS軟件。其次，一些參數的定義，如作業名，標題材料模型。在這種情況下，材料模型包括：彈性模量為2E11，泊松比為0.3，而材料密度為7800。分析結果如圖2和3所示。

圖2 應力場分布圖

圖3 應力與路徑的關系

2.2 熱管磨具的模態分析

首先，熱管磨具的模型由Pro/E軟件建立并導入到ABAQUS軟件。其次，一些參數的定義，如作業名，標題，材料模型。在這種情況下，材料模型包括：彈性模量為2E11，泊松比為0.3，而材料密度為7800。第三，該模型是由自動網格劃分嚙合。第四，負載和解決的日期，其中包括加載定義，擴展模態和模態解決。在這種情況下，熱管磨具尾部被充分抑制裝載定義，從而來分析的前4階固有頻率和對應的振動模式，在結束時，完整的振動模型可以通過模態擴展被觀察。最后，該解決結果如圖4和5所示。圖5顯示的熱管磨具自然頻率是通過ABAQUS軟件處理的得出結果。圖6為熱管模具第1到第4階固有振動模型結果。

圖4 熱管磨具的自然頻率

2.3 試驗結果分析

從圖2中得出，在磨具切削過程中，最大彎曲應力集中在散熱片處。從圖3中我們可以看出，當磨具在切削過程中，所受的壓應力與磨具在切削過程中的位移成正比，且其變形量很小，具有良好的剛度。

從圖4和圖5中可以得出，當模型剛剛進入強烈振動時，此時很弱，在較弱的振動中，每個節點的振幅和振動形狀比較平穩，如圖5中的（a）、（b）、（c）。 在振動中，其大部分的節點的振幅較大，從而如圖5中（d）中，其出現了明顯的變形。其次，當磨具的頻率接近加工系統的頻率，此時有可能發生共振。磨具Vmax＝2500r/min時，其最大頻率為42HZ經計算。如圖5所示，熱管磨具在旋轉磨削時，其振動頻率遠離自然頻率。在這種情況下，其共振不易發生，所以磨具變形相對比較小，即旋轉熱管具有良好的穩定性。

圖5 熱管磨具四階的節點位移圖

3 結論

（1）由熱管磨具的靜力分析，表明磨削時其彎曲應力主要集中在葉片的根處，且旋轉熱管的變形量非常的小。

（2）熱管磨具的模態分析結果表明，磨具在外力影響下，其振動頻率遠離自然頻率，磨具變形相對比較小。

（3）設計的旋轉熱管磨具具有良好的剛度和穩定性，可以滿足實際的加工需求。

［1］T.C.Jen,G.Gutierrez,S.Eapen,et a1.Investigation of heat pipe cooling in drilling applications.part I:preliminary numerical analysis and verification[J].International Journal ofMachineTools&Manufacture,2002,42(5):643－652.

［2］R L Judd,H S MacKenzie,M A Eibestawi.Investigation of a heat pipe cooling system for use in turning on a lathe[J].Int.J.Adv.Manuf.Techn.,1995,10(6):357－366.

［3］梁良,全燕鳴.熱管刀具的設計及散熱性能測試[J].華南理工大學學報:自然科學版,2012,40(5):13－17,23.

［4］劉志軍,全燕鳴.熱管銑刀散熱基本結構的優化[J].華南理工大學學報:自然科學版,2012,40(12):47－52.