低温喷雾射流冷却技术及其在钛合金机械加工中的应用

论文摘要

在难加工材料的加工过程中,由于所消耗的能量大部分以热能的形式积聚在加工区,若不能及时将这些热量疏导出去,将导致加工区温度的急剧升高,并很快造成工具的失效或零件的报废。为达到及时冷却的目的,加工过程中使用的冷却液用量也越来越大,但能够进入到加工区并真正起到换热作用的冷却液仅占极小的比例,这样既无法满足加工中冷却的实际需要又有悖于绿色环保的要求。而现有的绿色冷却技术由于各自的局限性,均无法从根本上解决加工区的换热问题,这在难加工材料的加工中表现尤为明显。本文从这种现状出发,基于绿色制造的理念,提出了一项可望从根本上解决加工区换热问题的独创构想——关于低温喷雾射流冲击强化换热的构想。该项构想的核心是凭借低温喷雾射流冲击集低温气、液两相强对流、射流冲击和充分汽化三重强化的换热优势,充分发挥冷却介质的换热潜力以获得最佳的强化换热效果。围绕此构想,本文主要完成了以下几项工作:1、研制了一套低温喷雾射流冷却装置,该装置通过低温气体与少量冷却液混合可产生低温喷雾射流。然后以此装置为基础建立了传热实验平台,通过该平台可完成瞬态和稳态传热实验。2、测定了不同工况条件下的气液流量、喷雾温度、射流速度以及雾滴平均粒径等参数,并对低温喷雾射流参数进行了优化匹配组合,为下一步的传热实验研究提供科学依据。测量结果表明,采用Ф1.2mm喷口时不仅消耗的水量较少,而且可以获得较优的喷雾射流参数,在气压0.5MPa和水压0.4MPa的工况条件下,10~40mm靶距的喷雾射流速度均可控制在150m/s以上,最高可达280m/s,雾滴平均粒径也可控制在20μm以内。3、完成了低温喷雾射流的传热学基础实验研究。通过瞬态和稳态传热实验,获得了不同工况条件下的表征低温喷雾射流换热效率的临界热流密度和传热系数。实验结果显示,相对于池内饱和沸腾的情况,低温喷雾射流冷却的临界热流密度和换热系数可分别提高近70倍和25倍。而与低温冷风射流和浇注冷却对比结果表明,其临界热流密度相当于浇注冷却1.7倍,相当于低温冷风射流最高表面热流密度的10倍以上,其换热系数分别相当于浇注冷却和低温冷风射流的近3倍和22倍以上。4、完成了低温喷雾射流冷却条件下的钛合金车削加工试验及切削刀具温度场仿真。通过对不同冷却方式下的加工效果对比研究发现,相对于其它两种冷却方式,低温喷雾射流具有更强的换热能力,可以更有效地降低切削区温度,提高刀具寿命,获得较好的表面粗糙度及断屑效果,初步验证了低温喷雾射流冷却技术在切削加工中的冷却效果。而切削刀具温度场的仿真结果也表现出与试验结果较好的一致性,这从另一方面确证了低温喷雾射流冷却技术的强大换热优势。5、最后将低温喷雾射流冷却方式应用于钛合金磨削和高速铣削加工中,通过与其它两种冷却方式的加工效果对比发现,低温喷雾射流均表现出较强的换热优势,可获得更好的加工效果,这进一步确证了其在难加工材料高效加工中的巨大应用潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 绿色制造及绿色制造工艺
• 1.2 绿色切削加工技术
• 1.2.1 干切削技术
• 1.2.2 绿色冷却技术
• 1.3 基于绿色制造的难加工材料加工技术
• 1.3.1 难加工材料的切削加工特点
• 1.3.2 难加工材料的绿色加工技术
• 1.4 关于低温喷雾射流冲击强化换热的构想
• 1.5 本课题拟开展的主要工作
• 第二章 低温喷雾射流冷却系统的研制及传热实验平台的建立
• 2.1 低温喷雾射流冷却系统的研制
• 2.1.1 制冷方式的选择
• 2.1.2 气液供给装置
• 2.1.3 气动雾化喷嘴
• 2.2 传热实验平台的建立
• 2.3 加热装置
• 2.3.1 瞬态传热实验加热装置
• 2.3.2 稳态传热实验加热装置
• 2.4 温度信号的测试与采集装置
• 2.5 本章小结
• 第三章 低温喷雾射流参数的测定
• 3.1 喷雾冷却介质流量的测量
• 3.1.1 气流量的测量
• 3.1.2 水流量的测量
• 3.2 喷雾射流温度的测量
• 3.2.1 低温冷风射流温度的测量
• 3.2.2 低温喷雾射流温度的测量
• 3.3 低温喷雾射流雾化性能的测定
• 3.3.1 低温喷雾射流雾化指标
• 3.3.2 实验装置及实验原理
• 3.3.3 喷嘴雾化性能参数的测量
• 3.3.4 实验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 低温喷雾射流强化换热的基础研究
• 4.1 喷雾射流冷却强化传热理论基础
• 4.1.1 沸腾换热理论
• 4.1.2 喷雾冷却强化换热技术
• 4.2 低温喷雾射流瞬态传热实验研究
• 4.2.1 试件表面热流密度的确定
• 4.2.2 实验方法及步骤
• 4.2.3 实验结果及分析
• 4.3 低温喷雾射流稳态传热实验研究
• 4.3.1 实验方法及步骤
• 4.3.2 换热系数的确定
• 4.3.3 实验结果及分析
• 4.4 低温喷雾射流强化换热效果评估
• 4.5 本章小结
• 第五章 低温喷雾射流冷却在钛合金车削加工中的应用
• 5.1 钛合金材料的特性及加工特点
• 5.1.1 钛合金材料特性
• 5.1.2 钛合金切削加工特点
• 5.2 低温喷雾射流冷却技术在钛合金车削中的应用
• 5.2.1 试验条件及方法
• 5.2.2 不同冷却条件下的切削温度对比
• 5.2.3 不同却条件下的切削力对比
• 5.2.4 不同冷却条件下的刀具寿命对比
• 5.2.5 不同冷却条件下的工件表面粗糙度对比
• 5.2.6 不同冷却条件下的断屑效果对比
• 5.3 低温喷雾射流冷却切削加工区刀具温度场仿真
• 5.3.1 温度场模型的建立
• 2、热量分配系数R₂及热流密度q 的确定'>5.3.2 前刀面热源Q₂、热量分配系数R₂及热流密度q 的确定
• 5.3.3 刀具温度场的数学模型
• 5.3.4 切削加工区刀具温度场仿真
• 5.3.5 关于低温喷雾射流冷却时刀具温度场仿真结果的讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 低温喷雾射流冷却在钛合金磨削及高速铣削中的应用
• 6.1 低温喷雾射流冷却在钛合金磨削中的应用
• 6.1.1 钛合金磨削加工特点
• 6.1.2 试验条件及方法
• 6.1.3 不同冷却条件下的磨削力对比
• 6.1.4 不同冷却条件下的磨削温度对比
• 6.1.5 不同冷却条件下的工件加工表面粗糙度对比
• 6.2 低温喷雾射流冷却在钛合金高速铣削中的应用
• 6.2.1 钛合金的高速铣削
• 6.2.2 试验条件及方法
• 6.2.3 不同冷却条件下的铣削温度对比
• 6.2.4 不同冷却方式下刀具磨损对比
• 6.2.5 不同冷却条件下的工件表面粗糙度对比
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要研究成果及结论
• 7.2 开展后续研究工作的设想
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文