热管式立铣刀温度场及动态特性研究

论文摘要

如何加快金属切削过程中切削热的耗散是机械加工中面临的重要问题。传统切削过程中采用大量切削液冷却,这样不但成本高,而且对环境和工人健康带来危害。近年来国内外针对采用热管给刀具散热的方法进行了探索,初步研究结果显示了热管可以降低刀柄和刀头的温度,从而减少刀具的热膨胀量和磨损率。本课题拟在前人对热管刀具研究成果的基础上,以热管式立铣刀为研究对象,以兼顾热管铣刀的散热性和铣削稳定性为研究目标,借助理论分析和有限元仿真等手段,对铣削过程中,热管铣刀的温度场和动态特性、热管铣刀与主轴匹配的动态特性及稳定性进行研究。建立了热管铣刀切削温度场的数学模型,用热源法将求解剪切面热源和刀—屑摩擦热源的温度场问题,转化为求解移动的有限长热源的温度场问题进行求解。设两个变量：一是热管的直径与铣刀直径的比值,二是热管与刀尖顶点的轴向距离与铣刀总体长度的比值,建立了简化的热管铣刀有限元模型,分析了变量对热管铣刀温度场的影响规律。建立了热管铣刀的铣削动力学模型,通过有限元仿真得出了不同直径比和长度比热管式立铣刀的动态特性。建立热管铣刀与主轴匹配的有限元模型,分析了直径比和长度比对热管铣刀与主轴匹配的动态特性的影响规律,基于二维稳定性极限图法预测了热管铣刀与主轴匹配的稳定性。根据温度场分析、动态特性以及稳定性分析的结论,综合考虑热管铣刀的散热效能、切削稳定性、实际应用推广以及其经济性方面,提出了热管铣刀的设计原则。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的目的和意义
• 1.2 热管技术及热管式刀具的研究现状
• 1.2.1 热管式钻头
• 1.2.2 热管式车刀
• 1.2.3 热管式磨头/砂轮
• 1.2.4 热管式铣刀
• 1.3 铣削温度场的研究现状
• 1.4 铣削稳定性预测的研究现状
• 1.5 本课题来源以及主要研究内容
• 第2章 热管铣刀的温度场模型
• 2.1 热管铣刀的传热模型
• 2.2 热源法求解移动线热源温度场
• 2.2.1 固体热传导微分方程
• 2.2.2 瞬时点热源
• 2.2.3 瞬时有限长线热源
• 2.2.4 移动的有限长线热源
• 2.3 热管铣刀切削温度场
• 2.3.1 剪切面产生的温度场
• 2.3.2 铣刀与切屑摩擦面产生的温度场
• 2.3.3 剪切面热源与切屑摩擦热源同时作用下的温度场
• 2.4 本章小结
• 第3章 热管铣刀切削温度场有限元仿真
• 3.1 仿真模型假设及边界条件
• 3.2 温度场的仿真
• 3.3 仿真结果分析
• 3.3.1 直径比对铣刀温度场的影响
• 3.3.2 长度比对铣刀温度场的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 热管铣刀的动态特性及稳定性分析
• 4.1 动态铣削过程建模
• 4.1.1 热管铣刀的动态铣削力模型
• 4.1.2 热管铣刀动力学模型
• 4.2 稳定性极限值
• 4.3 热管铣刀的动态特性及稳定性
• 4.3.1 热管铣刀动态特性
• 4.3.2 热管铣刀与主轴匹配动态特性
• 4.3.3 热管铣刀的稳定性极限图
• 4.4 热管铣刀的设计原则
• 4.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录 仿真建模过程所用代码
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表