低溫噴霧射流冷卻技術及其在鈦合金機械加工中的應用.pdf

1、在難加工材料的加工過程中，由于所消耗的能量大部分以熱能的形式積聚在加工區(qū)，若不能及時將這些熱量疏導出去，將導致加工區(qū)溫度的急劇升高，并很快造成工具的失效或零件的報廢。為達到及時冷卻的目的，加工過程中使用的冷卻液用量也越來越大，但能夠進入到加工區(qū)并真正起到換熱作用的冷卻液僅占極小的比例，這樣既無法滿足加工中冷卻的實際需要又有悖于綠色環(huán)保的要求。而現(xiàn)有的綠色冷卻技術由于各自的局限性，均無法從根本上解決加工區(qū)的換熱問題，這在難加工材料的加工中

2、表現(xiàn)尤為明顯。本文從這種現(xiàn)狀出發(fā)，基于綠色制造的理念，提出了一項可望從根本上解決加工區(qū)換熱問題的獨創(chuàng)構想——關于低溫噴霧射流沖擊強化換熱的構想。該項構想的核心是憑借低溫噴霧射流沖擊集低溫氣、液兩相強對流、射流沖擊和充分汽化三重強化的換熱優(yōu)勢，充分發(fā)揮冷卻介質(zhì)的換熱潛力以獲得最佳的強化換熱效果。圍繞此構想，本文主要完成了以下幾項工作： 1、研制了一套低溫噴霧射流冷卻裝置，該裝置通過低溫氣體與少量冷卻液混合可產(chǎn)生低溫噴霧射流。然后以

3、此裝置為基礎建立了傳熱實驗平臺，通過該平臺可完成瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱實驗。 2、測定了不同工況條件下的氣液流量、噴霧溫度、射流速度以及霧滴平均粒徑等參數(shù)，并對低溫噴霧射流參數(shù)進行了優(yōu)化匹配組合，為下一步的傳熱實驗研究提供科學依據(jù)。測量結果表明，采用Ф1.2mm噴口時不僅消耗的水量較少，而且可以獲得較優(yōu)的噴霧射流參數(shù)，在氣壓0.5MPa和水壓0.4MPa的工況條件下，10~40mm靶距的噴霧射流速度均可控制在150m/s以上，最高可達2

4、80m/s，霧滴平均粒徑也可控制在20μm以內(nèi)。 3、完成了低溫噴霧射流的傳熱學基礎實驗研究。通過瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱實驗，獲得了不同工況條件下的表征低溫噴霧射流換熱效率的臨界熱流密度和傳熱系數(shù)。實驗結果顯示，相對于池內(nèi)飽和沸騰的情況，低溫噴霧射流冷卻的臨界熱流密度和換熱系數(shù)可分別提高近70倍和25倍。而與低溫冷風射流和澆注冷卻對比結果表明，其臨界熱流密度相當于澆注冷卻1.7倍，相當于低溫冷風射流最高表面熱流密度的10倍以上，其換熱系

5、數(shù)分別相當于澆注冷卻和低溫冷風射流的近3倍和22倍以上。 4、完成了低溫噴霧射流冷卻條件下的鈦合金車削加工試驗及切削刀具溫度場仿真。通過對不同冷卻方式下的加工效果對比研究發(fā)現(xiàn)，相對于其它兩種冷卻方式，低溫噴霧射流具有更強的換熱能力，可以更有效地降低切削區(qū)溫度，提高刀具壽命，獲得較好的表面粗糙度及斷屑效果，初步驗證了低溫噴霧射流冷卻技術在切削加工中的冷卻效果。而切削刀具溫度場的仿真結果也表現(xiàn)出與試驗結果較好的一致性，這從另一方面確