熱管立銑刀的設計與散熱分析

□ 戚恒辰 □ 喬福龍 □ 寧文波 □ 吳駿章 □ 陳欣磊

淮陰工學院 機械與材料工程學院 江蘇淮安 643000

1 設計背景

傳統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域溫度,帶走過多的熱量并排屑,從而保證工件表面質量,延長刀具壽命。然而,采用這一冷卻方式不僅開支較大,而且會給環境和操作者健康帶來很大危害[1]。為降低成本,減少切削液給環境帶來的污染,開發少、無冷卻液的干式或準干式金屬切削技術已成為制造業的迫切需求[2]。采用干式金屬切削技術,產生的熱量如何消散,成為亟待解決的技術難題。

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實現一定程度的潤滑、冷卻,需要施加額外的流動介質,增加輔助設備,因此還沒有得到廣泛應用[3-4]。

熱管由于具有很強的導熱能力,可以為干式金屬切削時熱量的散發提供新的技術思路。熱管是熱的超導體,利用管內液態工質的相變來傳送熱量,是一種將熱能從一個不易傳熱的位置轉移至另一個有效散熱的位置的高效傳熱元件[5]。利用熱管進行強化傳熱,可以實現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的相關應用研究,并取得了一定成果。然而,現有的熱管刀具存在吸液芯,結構復雜,制造困難,推廣應用受到影響[6-7]。

筆者通過切削傳熱分析,設計一種熱管立銑刀,結構簡單,無吸液芯,工質為去離子水,可通過工質的自重實現循環散熱。根據散熱效果,對結構參數進行改進優化,實現有效散熱和經濟性的統一,為減少切削液的排放提供技術路線。

2 熱管立銑刀結構

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。為了內置熱管,需要在銑刀內部開盲孔。熱管與刀尖頂點的軸向距離初步選為5 mm。在刀具直徑范圍內和保障刀具強度的前提下,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,并且滿足工質流動壓頭大小的需要。熱管立銑刀初步結構參數見表1。

表1 熱管立銑刀初步結構參數 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,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,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,刀具的強度會降低[8-9]。綜合考慮刀具強度和散熱效能,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,在刀軸內安裝散熱器,并且考慮通過結構優化來實現散熱器表面的強制對流。由于刀軸內沒有空間,因此需要對刀軸結構進行改造,在不影響刀軸強度的前提下,在刀軸徑向開設長方形通孔,被封閉在刀軸內的熱量可以通過通孔流入大氣。結合銑刀、銑床的結構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。熱管立銑刀結構如圖1所示。

▲圖1 熱管立銑刀結構

3 散熱分析

通過因素水平表進行正交試驗分析,確定熱管立銑刀的結構參數。因素水平表見表2,正交試驗方案見表3。

表2 因素水平表

表3 正交試驗方案

通過對各正交試驗方案的熱管立銑刀最高溫度進行對比分析[10],確定試驗方案7的散熱特性最佳,對應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,熱管與刀尖頂點軸向距離為5 mm,散熱器半徑為35 mm,散熱器片數為12時,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%,同時熱管立銑刀的靜強度幾乎沒有變化[11]。

▲圖2 熱管立銑刀溫度云圖

4 結束語

筆者設計了熱管立銑刀,根據熱管立銑刀的結構特點創建三維模型,基于正交試驗和有限元方法分析其散熱特性,得到最佳參數。通過研究表明,在保證刀具結構強度的前提下,使用熱管技術,能顯著降低銑削溫度。