面向綠色切削的熱管刀具研究結(jié)題摘要

采用大量澆注切削液的傳統(tǒng)冷卻方法不但成本高，而且不利于生態(tài)環(huán)境和工人健康。一些新的切削區(qū)冷卻方法研究（如噴射低溫氣體、最小潤滑量氣霧冷卻等）雖取得一定成果，但是這些方法都仍然基于消耗大劑量的冷質(zhì)帶走切削區(qū)的熱量，因冷卻介質(zhì)發(fā)生設(shè)備投資、冷卻介質(zhì)消耗以及后處理，導(dǎo)致了成本增加，此外對加工質(zhì)量的可靠性尚難以保障。突破傳統(tǒng)思維的限制，發(fā)展新的刀具切削區(qū)強(qiáng)制散熱理論與技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和必要性。本課題面向綠色環(huán)保的干切削，把無需消耗冷卻介質(zhì)的高效散熱器件—微熱管引入刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對這種新概念的熱管刀具進(jìn)行了切削熱和溫度場以及力熱耦合的實(shí)驗(yàn)與模擬研究，探索了其獨(dú)特的強(qiáng)制散熱規(guī)律，掌握了不同形式的熱管和熱管內(nèi)嵌刀具不同位置與方式對切削散熱的影響，優(yōu)化出有實(shí)用前景的熱管車刀、熱管立銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用這些刀具的工藝條件。在所做切削實(shí)驗(yàn)條件下，采用熱管刀具時(shí)，取得熱管直接轉(zhuǎn)移的熱量占流入刀具總熱量的比例達(dá)25~42%、熱管車刀比同類型普通車刀最高溫度降低70~110oC（最大降溫率達(dá)11~22%）、熱管銑刀比普通銑刀最高溫度降低35~50 oC、刀具最大綜合應(yīng)力和最大變形分別降低5.3～8.2%和3.7%～6.9%的顯著效果。本項(xiàng)目研究成果為突破切削刀具傳統(tǒng)的散熱方式限制，開發(fā)綠色環(huán)保的新型熱管刀具，打下了良好的理分析基礎(chǔ)并形成一套完整有效的新實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

采用大量澆注切削液的傳統(tǒng)冷卻方法不但成本高，而且不利于生態(tài)環(huán)境和工人健康。近年來一些新的切削區(qū)冷卻方法研究（如噴射低溫氣體、最小潤滑量氣霧冷卻）等取得一定成果，但是這些方法都仍然基于消耗大劑量的冷質(zhì)來帶走切削區(qū)的熱量，冷卻介質(zhì)消耗和冷卻介質(zhì)發(fā)生設(shè)備以及一些后處理，導(dǎo)致了成本增加，此外對加工質(zhì)量的可靠性尚難以保障，所以這些方法尚未得到廣泛應(yīng)用。因此，突破傳統(tǒng)思維的限制，發(fā)展新的刀具切削區(qū)強(qiáng)制散熱理論與技術(shù)具有十分有意義的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和必要性。本課題面向綠色環(huán)保的干切削，把無需消耗冷卻介質(zhì)的高效散熱器件-微熱管引入刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對這種新概念的熱管刀具進(jìn)行切削熱和溫度場的實(shí)驗(yàn)與模擬研究，探索其獨(dú)特的強(qiáng)制散熱規(guī)律，分析其對于刀具磨破損、工件已加工表面質(zhì)量及其可靠性的影響，掌握不同形式的熱管和熱管不同嵌入位置與方式的應(yīng)用效果，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出有實(shí)用前景的熱管刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用這種刀具的工藝條件。

要實(shí)現(xiàn)高速切削，刀具材料是關(guān)鍵。高速切削材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。

硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。它們各有優(yōu)點(diǎn)，適合不同的工件材料和不同的切削速度范圍。必須注意的是刀具材料和工件材料副之間有一個(gè)適配性問題，即一種刀具材料與工件材料時(shí)性能良好，但加工另一種工件材料時(shí)卻不理想，換句話說，不存在一種萬能刀具材料可適用于所有工件材料的高速加工。

高速切削數(shù)控刀具材料必須根據(jù)所加工的工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，陶瓷刀具、涂層刀具及CBN刀具適合于加工鋼鐵等黑色金屬的高速加工；PCD刀具適合于對鋁、鎂、銅等有色金屬高速加工。