面向绿色切削的热管刀具研究

采用大量浇注切削液的传统冷却方法不但成本高，而且不利于生态环境和工人健康。一些新的切削区冷却方法研究（如喷射低温气体、最小润滑量气雾冷却等）虽取得一定成果，但是这些方法都仍然基于消耗大剂量的冷质带走切削区的热量，因冷却介质发生设备投资、冷却介质消耗以及后处理，导致了成本增加，此外对加工质量的可靠性尚难以保障。突破传统思维的限制，发展新的刀具切削区强制散热理论与技术具有重要的学术研究价值和必要性。本课题面向绿色环保的干切削，把无需消耗冷却介质的高效散热器件—微热管引入刀具结构设计中，对这种新概念的热管刀具进行了切削热和温度场以及力热耦合的实验与模拟研究，探索了其独特的强制散热规律，掌握了不同形式的热管和热管内嵌刀具不同位置与方式对切削散热的影响，优化出有实用前景的热管车刀、热管立铣刀结构设计以及应用这些刀具的工艺条件。在所做切削实验条件下，采用热管刀具时，取得热管直接转移的热量占流入刀具总热量的比例达25~42%、热管车刀比同类型普通车刀最高温度降低70~110oC（最大降温率达11~22%）、热管铣刀比普通铣刀最高温度降低35~50 oC、刀具最大综合应力和最大变形分别降低5.3～8.2%和3.7%～6.9%的显著效果。本项目研究成果为突破切削刀具传统的散热方式限制，开发绿色环保的新型热管刀具，打下了良好的理分析基础并形成一套完整有效的新实验技术。

采用大量浇注切削液的传统冷却方法不但成本高，而且不利于生态环境和工人健康。近年来一些新的切削区冷却方法研究（如喷射低温气体、最小润滑量气雾冷却）等取得一定成果，但是这些方法都仍然基于消耗大剂量的冷质来带走切削区的热量，冷却介质消耗和冷却介质发生设备以及一些后处理，导致了成本增加，此外对加工质量的可靠性尚难以保障，所以这些方法尚未得到广泛应用。因此，突破传统思维的限制，发展新的刀具切削区强制散热理论与技术具有十分有意义的学术研究价值和必要性。本课题面向绿色环保的干切削，把无需消耗冷却介质的高效散热器件-微热管引入刀具结构设计中，对这种新概念的热管刀具进行切削热和温度场的实验与模拟研究，探索其独特的强制散热规律，分析其对于刀具磨破损、工件已加工表面质量及其可靠性的影响，掌握不同形式的热管和热管不同嵌入位置与方式的应用效果，在此基础上优化出有实用前景的热管刀具结构设计以及应用这种刀具的工艺条件。

要实现高速切削，刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。

硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料与工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。

高速切削数控刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工；PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。