风冷却切削实验与仿真及刀具设计

论文摘要

随着全球环境的日益恶化,人们对环境问题越来越重视。同时可持续发展战略的提出,使得绿色制造得到越来越多的关注。使用涡流管的风冷切切削技术已经成为绿色制造中的研究热点内容之一。因此,本文结合黑龙江省杰出青年科学基金项目“绿色制造中清洁切削关键基础技术的研究”,提出了内冷车刀的设计方案,应用涡流管进行风冷却与干切削对比试验,分析风冷却的效果,并采用有限元软件对切削过程进行仿真分析。文中首先对涡流管的制冷原理、能量分离过程进行理论分析,并在此基础上,提出了切削用涡流管的设计要点,计算得出结构参数,并且根据生产实际要求设计了内置涡流管的刀具,为涡流管风冷切削技术的进一步研究打下了基础。其次,本文构建了涡流管风冷却系统,并使用PCBN刀具对高硬度材料GCr15轴承钢进行干切削及风冷却切削试验研究。分析实验结果表明,风冷却与干切削相比,其对切削过程中切削力、切削温度、切屑形成过程等方面均有影响:由于金属软化效应,使得风冷却的切削力比干切削切削力大;冷风加快了切削热在工件、切屑和刀具之间的传导,使切削区温度降低,进一步减小刀具磨损,提高了已加工表面质量;风冷却切削时工件材料局部冷脆,有利于切屑的剪切断裂,降低了切削负荷,切屑变形大。最后,应用三维有限元软件DEFORM—3D对干切削过程中切削力、切削温度和刀具应力情况进行了仿真研究,得出切削速度及进给量对其影响的趋势。同时,还进行了风冷却干切削对比的仿真。仿真结果呈现了与试验结果相一致的规律。仿真结果对风冷却切削技术的实际应用具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 绿色制造概述
• 1.2.1 绿色制造有效控制制造业环境污染源头问题
• 1.2.2 绿色制造为现代机械制造业带来新发展
• 1.2.3 绿色制造将带动新技术发展
• 1.3 绿色制造的应用与发展
• 1.3.1 干切削加工技术
• 1.3.2 准干切削加工技术
• 1.4 低温冷风切削
• 1.4.1 风冷却加工系统
• 1.4.2 风冷却切削的国内、外研究现状及存在问题
• 1.5 课题的提出及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 课题的提出
• 1.5.3 主要研究内容
• 第2章 风冷却切削用涡流管及刀具结构设计
• 2.1 风冷却切削用涡流管
• 2.1.1 涡流管研究的历史背景
• 2.1.2 涡流管的理论研究
• 2.1.3 涡流管的应用情况
• 2.2 涡流管的制冷原理和热力过程分析
• 2.2.1 涡流管的制冷原理
• 2.2.2 涡流管热力过程分析
• 2.3 涡流管性能参数计算
• 2.4 内置涡流管的刀具设计
• 2.4.1 涡流管基本构件和结构参数
• 2.4.2 刀具结构设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 干切削及涡流管风冷切削实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 涡流管风冷却实验系统的组成及实验方法
• 3.2.1 涡流管风冷却系统
• 3.2.2 试验方法与装置介绍
• 3.3 实验参数及结果
• 3.3.1 PCBN 车刀及工件的材料特性
• 3.3.2 试验参数
• 3.3.3 实验结果的分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 干切削及风冷切削的有限元仿真分析
• 4.1 有限元法简介
• 4.1.1 切削加工中有限元法的应用情况
• 4.1.2 有限元法的函数选择和收敛性
• 4.1.3 有限元软件DEFORM 的介绍
• 4.2 有限元仿真分析
• 4.2.1 直角正交切削几何模型的建立
• 4.2.2 切削有限元模型的建立
• 4.2.3 冷源的添加
• 4.2.4 仿真分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢