內(nèi)冷式智能車刀設(shè)計與分析及其實驗研究.pdf

1、針對難加工材料的無污染、高效加工需求，并根據(jù)內(nèi)冷卻所具備的無污染和冷卻效果好等優(yōu)勢，本文提出了一種內(nèi)冷式智能刀具概念，即在刀具內(nèi)布置具有進(jìn)出口的微小冷卻液通道，切削時冷卻液從入口進(jìn)入刀具體內(nèi)冷卻刀具，然后通過出口回到冷卻系統(tǒng)中，冷卻液不直接排出，從而組成無污染的循環(huán)式冷卻系統(tǒng)。通過測量冷卻液在進(jìn)、出口處的溫度來預(yù)測刀-屑接觸面的平均溫度，實現(xiàn)切削溫度的在線監(jiān)測，從而根據(jù)測量的切削溫度可以反映刀具的切削狀態(tài)，控制系統(tǒng)根據(jù)切削溫度的高低采取

2、措施對切削過程進(jìn)行控制。本文主要對內(nèi)冷式智能刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法、熱學(xué)特性、刀具磨損預(yù)測和控制等關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，并通過切削實驗以驗證所研制的內(nèi)冷式智能刀具的切削性能。
　　優(yōu)良的內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)高效冷卻的基礎(chǔ)?；趯?nèi)冷式刀具的冷卻以及冷卻液溫升與切削溫度關(guān)系的研究，并根據(jù)內(nèi)冷式刀具的切削工藝要求，提出了內(nèi)冷式刀具設(shè)計的一般原則。本文以內(nèi)冷式車刀為例，運(yùn)用 FEA-CFD聯(lián)合仿真方法對刀具的內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)

3、化分析，并制備了優(yōu)化后的內(nèi)冷式車刀。通過仿真分析，對比了普通車刀和內(nèi)冷式車刀的力學(xué)和熱學(xué)性能，結(jié)果表明內(nèi)冷式車刀和普通車刀在強(qiáng)度和剛度性能方面基本一致；通入冷卻液后內(nèi)冷式車刀能有效地降低切削溫度，在小于轉(zhuǎn)折流速范圍內(nèi)，切削溫度隨著流速的增加而快速下降，而當(dāng)超過轉(zhuǎn)折流速后，切削溫度隨流速的增加而緩慢下降。通過仿真分析研究了刀-屑接觸面面積和熱流率、冷卻液入口流速和溫度對內(nèi)冷式智能車刀冷卻效果的影響規(guī)律。
　　精確的切削溫度和進(jìn)出口溫

4、度之間關(guān)系的解析模型是實現(xiàn)在線測量切削溫度的理論依據(jù)?；跀?shù)值仿真結(jié)果，采用指數(shù)函數(shù)對刀具表面的溫度分布進(jìn)行了擬合，對刀具與水接觸的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行了等效處理，運(yùn)用集總參數(shù)法建立了內(nèi)冷式刀具的熱特性理論分析模型，得到了切削溫度、冷卻液出口溫度的時間響應(yīng)解析表達(dá)式。仿真結(jié)果表明所建立的內(nèi)冷式刀具熱特性理論模型和數(shù)值模型的結(jié)果相吻合。研究了冷卻液流速、刀-屑接觸面面積對切削溫度與進(jìn)出口溫度之間關(guān)系的影響規(guī)律，運(yùn)用最小二乘法擬合得到了切削平均

5、溫度和進(jìn)出口溫度之間的解析表達(dá)式。對冷卻液流速的選擇做了分析，對測量過程中存在的誤差源進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。通過加熱實驗驗證了所建模型的正確性。
　　刀具磨損的監(jiān)測和控制是提高加工質(zhì)量和效率的前提。本文在系統(tǒng)地分析刀具磨損和臨界切削溫度之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了它們之間的關(guān)聯(lián)模型。切削過程中可通過實時調(diào)節(jié)冷卻液流量、切削參數(shù)來調(diào)節(jié)切削溫度來間接控制刀具磨損速率，即通過切削溫度的控制來控制刀具的磨損。對刀具磨損時的熱特性

6、進(jìn)行了理論分析，通過數(shù)值仿真研究了后刀面磨損對切削溫度、出口溫度的影響規(guī)律，得到了刀具磨損下切削溫度的預(yù)測模型，并和不考慮刀具磨損下的預(yù)測模型進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明在刀具的正常磨損范圍內(nèi)，兩種模型預(yù)測的切削溫度基本一致。建立了利用出口溫度變化率預(yù)測刀具磨損的數(shù)學(xué)模型。提出了基于臨界切削溫度約束的刀具磨損控制方法，并設(shè)計了PID控制器對切削溫度進(jìn)行控制，通過仿真分析和切削實驗證明了控制器的有效性。
　　為了考察內(nèi)冷式智能車刀的測溫