面向綠色切削的熱管刀具研究項目摘要

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。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)生設備以及一些后處理，導致了成本增加，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)強制散熱理論與技術(shù)具有十分有意義的學術(shù)研究價值和必要性。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)設計中，對這種新概念的熱管刀具進行切削熱和溫度場的實驗與模擬研究，探索其獨特的強制散熱規(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用效果，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出有實用前景的熱管刀具結(jié)構(gòu)設計以及應用這種刀具的工藝條件。

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)生設備投資、冷卻介質(zhì)消耗以及后處理，導致了成本增加，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)強制散熱理論與技術(shù)具有重要的學術(shù)研究價值和必要性。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)設計中，對這種新概念的熱管刀具進行了切削熱和溫度場以及力熱耦合的實驗與模擬研究，探索了其獨特的強制散熱規(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)化出有實用前景的熱管車刀、熱管立銑刀結(jié)構(gòu)設計以及應用這些刀具的工藝條件。在所做切削實驗條件下，采用熱管刀具時，取得熱管直接轉(zhuǎn)移的熱量占流入刀具總熱量的比例達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驗技術(shù)。

要實現(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，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適配性問題，即一種刀具材料與工件材料時性能良好，但加工另一種工件材料時卻不理想，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。