切削—挤压复合成形技术及其实验研究

论文摘要

翅片管在工业生产中有着广泛的应用,如何获得具有良好传热特性的翅片结构是工程界广泛关注的问题。本文提出了一种利用普通机床和特殊刃磨的刀具,通过对切削用量和刀具几何参数的精确匹配,使传统切削加工中的切屑翻转、变形并竖立在基体上而形成螺旋式整体翅片结构,具有切削和挤压特性的复合成形新技术。以圆翅片管和平面翅片结构为对象,研究了切削-挤压复合成形过程的运动关系和刀具结构特点,获得了成形过程原理和几何模型。以此为基础,提出了把切削-挤压成形过程分为切削、挤压翻转、弯曲成形三个阶段的观点,建立了翅片结构尺寸与工艺参数之间的理论计算公式。分析了影响翅片结构和尺寸的因素,系统研究了切削用量和刀具角度与翅片结构尺寸之间的相互关系,获得了翅片成形的条件及结构尺寸的变化规律；提出了切削-挤压复合成形中刀具的设计原则和几何角度的合理取值范围,为实际应用提供了依据。以刚塑性有限元分析方法为基础,建立了翅片切削-挤压整体成形工艺的三维有限元分析模型,并对仿真过程中的屑-体分离准则、网格畸变等关键问题进行了分析；采用Ansys有限元方法进行了静力分析,得到了翅片内部应力、应变分布规律,获得了翅片脱落的判据；采用Deform-3D有限元方法,对三维翅片成形过程进行了模拟,获得了与理论分析相一致的翅片结构和尺寸的模拟结果,以及应力、应变场的变化规律,为实验研究提供了重要的参考。在理论分析和数值模拟的基础上,针对直翅片结构,在不同切削用量与刀具几何参数条件下,通过单因素和多因素实验研究,获得了工艺参数对翅片几何尺寸的影响规律和翅高、翅厚的经验公式,得到了紫铜和铝材在不同工艺条件下的翅片成形范围；并分析了翅片的实际翅尖结构和理想形状的差异及产生翅片堆积、翅片弯曲、翅尖直立的原因,从而获得了切削-挤压成形过程完整的工艺参数和参数匹配方法。通过对理论与实验分析,建立了切削-挤压力的分析模型,获得了紫铜和铝材切削-挤压力的经验公式。结果表明：采用该方法加工时三个方向分力比普通切削时要大,挤压力起着重要作用,并且轴向力的方向与普通切削时相反,这对刀具设计及设备调整有很好的指导意义。对切削-挤压翅片管换热器进行了模拟计算和实验研究；分析了翅片管结构参数、翅片管内外流体对换热效果的影响,获得了翅片间距、厚度、高度以及翅片管外不同流体对换热效果的影响规律,并通过实验验证了数值模拟的正确性,为翅片管结构参数优化和指导切削-挤压成形过程参数选择提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及其研究意义
• 1.2 翅片管加工现状
• 1.3 切削模拟研究现状
• 1.3.1 金属切削机理研究
• 1.3.2 有限元技术的发展
• 1.3.3 切削过程有限元模拟技术的发展现状
• 1.4 主要研究内容
• 2 切削-挤压复合成形原理
• 2.1 切削-挤压成形过程
• 2.2 翅片的几何形状
• 2.2.1 切削层参数的影响
• 2.2.2 翅片几何尺寸的理论计算
• 2.2.3 变形对翅形的影响
• 2.2.4 翅片表面积计算
• 2.3 切削-挤压复合成形刀具设计
• 2.3.1 刀具的设计原则
• 2.3.2 刀具的几何角度
• 2.4 翅型结构分析
• 2.4.1 副切削刃刃形的影响
• 2.4.2 翅型结构的归类
• 2.5 特殊翅形结构
• 2.5.1 双向翅片结构
• 2.5.2 螺纹表面的加工
• 2.6 本章小结
• 3 切削-挤压过程的刚塑性有限元求解
• 3.1 刚塑性有限元原理
• 3.1.1 刚塑性材料边值问题
• 3.1.2 刚塑性材料不完全广义变分原理
• 3.1.3 基于修正罚函数法的刚塑性有限元基本原理
• 3.2 刚塑性有限元求解
• 3.2.1 刚塑性有限元基本方程
• 3.2.2 初始速度场的确定
• 3.2.3 离散化及位移模式的选择
• 3.2.4 应变矩阵计算
• 3.2.5 单元刚度矩阵计算
• 3.2.6 切削力计算
• 3.3 本章小结
• 4 切削-挤压成形过程仿真
• 4.1 有限元分析方法
• 4.2 切削-挤压过程中的关键技术问题
• 4.2.1 切削-挤压过程中的摩擦
• 4.2.2 切屑-基体分离准则
• 4.2.3 网格畸变问题
• 4.3 切削-挤压过程的有限元静力分析
• 4.3.1 有限元静力分析模型
• 4.3.2 应力应变数值模拟
• 4.3.3 翅片加工失效判据
• 4.4 切削-挤压过程的成形模拟
• 4.4.1 有限元分析模型的建立
• 4.4.2 模拟计算结果分析
• 4.5 刀具应力分析
• 4.5.1 前、后刀面应力分析
• 4.5.2 主、副切削刃应力分析
• 4.6 本章小结
• 5 工艺参数对翅片结构参数的影响
• 5.1 实验条件
• 5.2 翅片几何尺寸的单因素实验
• 5.2.1 切削深度对翅片几何尺寸的影响
• 5.2.2 进给量对翅片几何尺寸的影响
• 5.2.3 切削速度对翅片几何尺寸的影响
• 5.2.4 主偏角对翅片几何尺寸的影响
• 5.2.5 实验结论
• 5.3 翅片几何尺寸的多因素实验
• 5.3.1 数学模型的建立
• 5.3.2 翅片几何尺寸的多因素实验
• 5.4 翅片的有效成形范围
• 5.4.1 紫铜翅片的有效成形范围
• 5.4.2 铝翅片的有效成形范围
• 5.5 翅片的翅尖结构
• 5.6 本章小结
• 6 切削-挤压成形的切削力研究
• 6.1 切削-挤压力
• 6.2 切削-挤压力实验
• 6.2.1 实验条件
• 6.2.2 切削用量对切削-挤压力的影响
• 6.2.3 切削用量及主偏角对切削-挤压力的影响
• 6.2.4 实验结果分析
• 6.3 切削-挤压力有限元仿真
• 6.3 本章小结
• 7 切削-挤压成形翅片管换热特性研究
• 7.1 翅片管换热器模型的建立
• 7.1.1 CFD概述
• 7.1.2 几何模型的建立
• 7.1.3 格的划分
• 7.1.4 湍流模式选择
• 7.2 数值计算结果分析
• 7.2.1 翅片管外流体速度与温度的分布
• 7.2.2 翅片管结构参数优化
• 7.2.3 内、外流体对换热效果的影响
• 7.3 翅片管换热特性的实验研究
• 7.3.1 实验原理及装置
• 7.3.2 实验对象及结果分析
• 7.3.3 数值模拟与实验结果对比分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 发展与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及参与研究项目