专利名称：一种热管刀具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及切削刀具，特别是涉及一种热管刀具；该热管刀具是指基于热管 传热的用于金属切削的刀具。
背景技术：
切削加工目前仍然是机械制造业中一种主要的成形工艺方法。切削过程中产生大 量的切削热集中在切削区域会引起刀具高温并快速磨损、工件热变形等现象。切削热的产 生不可避免，切削过程中如何加速切削热消散以避免切削区域过热，是保证工件加工质量 和刀具工作寿命的重要问题。传统切削加工中一般采用浇注大量切削液的方法来带走大部分切削热，降低切削 区域温度，并能帮助排屑，起到延长刀具寿命及提高工件表面质量的作用。然而，生产中采 用这种冷却方式时，需要对加工系统中的切削液进行补偿、调度以及处理，为此增加成本费 用；此外，由于切削液中往往含有碳氢化合物和硫、磷、氯等化学成分，其使用和排放会对操 作人员和环境造成空气、水体和土壤污染。近年来，为了替代大量浇注切削液的冷却方式，相继出现了最小量润滑(MQL)、高 压冷却(HPC)、低温冷却、压缩空气冷却、水蒸汽冷却以及固体润滑/冷却剂等冷却技术。虽 然对这些技术的研究已取得了不少成果，但是这些技术都需要借助于施加外来介质实现对 切削区域进行冷却，各自都存在一些难以克服的固有缺陷。例如采用MQL技术时，会产生大 量可被人体呼吸器官吸入的油雾并影响加工操作观察。而且这些替代大量浇注切削液的冷 却方式均需要占空间不小、费用不匪、使用并不方便的附加设备，其在加工系统自动运行中 欠缺保障性。因此这些冷却技术目前在生产中还没得到广泛应用。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有技术成本过高、污染环境和需辅助装备等缺点，提 供一种设有热管的刀具，利用热管超常的热传导能力，将切削过程中集中在刀头区域的部 分热量消散出去，以达到降低刀头温度和减少刀具热伸长、减缓刀具磨损、延长刀具寿命和 保护环境、实现绿色切削加工之目的。本实用新型的热管刀具可以为整体式刀体、组合式刀体，组合式刀体含有刀片。本实用新型通过以下技术方案实现一种热管刀具，包括刀具本体、热管和固定装置，热管由金属薄壁管壳、管壳内壁 毛细吸液芯以及起传递热能的工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴向分为依次 连通的蒸发段、绝热段和冷凝段；热管通过固定装置安装在刀具本体上，其中，热管的蒸发 段位于主刀刃和刀尖后端，热管的蒸发段与刀具本体紧密接触，热管的绝热段与刀具设有 间隔，热管的冷凝段设置在刀具的外侧。为进一步实现本实用新型目的，所述冷凝段上优选设有散热片。所述冷凝段上优选设有散热片。[0011]所述热管的形状优选为圆柱状管、扁平状管、直管、弧形弯管或转折管。所述刀具本体为整体式的刀体，固定装置为支撑夹；所述热管通过固定装置安装 在刀具上是指刀体中设有内孔，用于安放热管，内孔从刀体尾端延伸至刀头内部主刀刃和 刀尖后端，刀体的内孔前端位于主刀刃和刀尖后端，与热管的蒸发段顶端紧密接触，内孔前 端之后的部分与热管的绝热段间隔连接，内孔前端后的直径大于热管绝热段的直径，刀体 的内孔末端设有支撑夹，用于固定热管。所述内孔前端的直径与热管的蒸发段直径相同，并且内孔前段与热管的蒸发段外 周之间涂有导热胶；或者内孔前段的直径大于热管的蒸发段直径，在内孔壁与热管蒸发段 外表面之间灌注高导热系数液体后局部封装。所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀 具本体上是指刀片的前刀面和刀柄上开有连通的明槽，明槽从刀片延伸到刀柄的末端，用 于嵌装热管；明槽前端位于主刀刃和刀尖后部，明槽的深度为热管直径的3/4-1倍；刀片上 明槽的宽度与热管蒸发段的外径形同，刀柄上明槽的宽度大于热管绝热段的外径；热管的 蒸发段与刀片之间接触界面涂有导热胶；刀片和热管的蒸发段一起被夹紧杠杆和紧定螺钉 固定在刀柄前端的刀片座上；刀柄的明槽内面与热管的绝热段之间设有1 2固定卡，固定 并支撑热管，使明槽内面与热管的绝热段保持间隔。所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀 具本体上是指刀片通过夹紧杠杆和紧定螺钉固定在刀柄前端的刀片座上；热管固定在刀片 的后刀面以及刀柄的侧面，其中热管的蒸发段与刀片的后刀面的接触界面涂敷导热胶；热 管的绝热段与刀柄之间设有第二固定卡，并且在蒸发段和绝热段连接处设有过渡转折，使 得绝热段与刀柄保持间距。所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀 具本体上是指刀片和热管一起被夹紧杠杆和紧定螺钉固定在刀柄前端的刀片座上；热管固 定在刀片的前刀面以及刀柄上端面，其中热管的蒸发段与刀片的前刀面之间接触界面涂敷 导热胶，热管的绝热段与刀柄的上端面之间设有固定卡，支撑和固定热管，蒸发段和绝热段 连接处设有过渡转折，使绝热段与刀柄保持间距。相对于现有技术，本实用新型具有如下优点和有益效果(1)切削刀具工作中，工件切削层材料发生强烈塑性变形，成为切屑从前刀面流 出，切屑底面与前刀面、正在加工的工件与后刀面之间发生强烈摩擦，切削热集中在刀具头 部很小的局部区域(刀刃、刀尖附近)难以及时消散，使该区域温度升高，这是导致刀具磨 损失效的一个主要原因。本实用新型借助热管这种高效导热元件将刀具头部热量源源不断 地传输到外界，可以强化刀头散热条件，降低刀头温度，从而可延长刀具寿命。(2)由于热管强化散热不需要借助外部流动介质及辅助设备，因此将会节约这些 辅助设备的昂贵开支以及外来冷却介质的使用和处理费用。(3)热管的成本和制作热管刀具的费用低廉，而且热管刀具结构简单，其使用过程 没有特殊的要求，在实际生产中使用简便，容易推广。
图1是实施例1内装式热管刀具装置结构示意图；[0022]图2是实施例2槽嵌式热管刀具装置结构示意图；图3是实施例3侧夹式热管刀具装置结构示意图；图4是实施例4上夹式热管刀具装置结构示意图。
具体实施方案
以下结合附图和实施方案对本实用新型做进一步说明，但本实用新型要求保护的 范围不局限于实施例表述的范围。实施例1如图1所示，利用热管改善切削散热的内装式热管刀具，包括整体式的刀体1、热 管2、支撑夹3和散热片4。热管2由金属薄壁管壳、管壳内壁毛细吸液芯以及起传递热能的 工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴向可分为依次连通的蒸发段Z、绝热段J和 冷凝段L ；刀体1中设有内孔，用于安放热管2，内孔从尾端延伸至刀头内部主刀刃e和刀尖 r后端，与主刀刃e和刀尖r的具体距离需根据刀具材质和切削载荷确定，在保证刀头具有 承受载荷的强度前提下使内孔端最接近主刀刃e和刀尖r。刀体1的内孔前端位于主刀刃 e和刀尖r后端，与热管2的蒸发段Z的顶端紧密连接，紧密连接是指内孔前段的直径与热 管2的蒸发段Z直径相同，并且内孔前端与热管2的蒸发段Z外周之间涂有导热胶g，使热 管蒸发段Z与刀体内孔之间有充分而可靠的面接触传热，或者内孔前段的直径大于热管的 蒸发段直径，在内孔壁与热管蒸发段外表面之间灌注高导热系数液体后局部封装，使热管 蒸发段Z与刀体内孔之间借助高导热系数液体而充分可靠地大面积传热；内孔前端之后的 部分与热管2的绝热段J间隔连接，间隔连接是指内孔前端之后的直径大于热管2的绝热 段J直径；热管2从刀体1末端孔口装入，刀体1的内孔末端设有支撑夹3，用于固定热管 2，支撑夹3用导热系数小的材料制成，为Ω形的薄板结构，用螺钉固定在刀体1尾端。热 管2的冷凝段L处于刀体1之外，冷凝段L上设有散热片4。切削过程中，刀体1前端(刀头)主刀刃e和刀尖r产生的热量经刀体1传导到 热管蒸发段Z，热管蒸发段Z内工质吸热而沸腾，相变后携带热量的高压蒸气经过中间绝热 段J到达冷凝段L，在冷凝段L，气体工质冷凝成液态而释放潜热，这些热量通过散热片4消 散到周围环境，液态工质依靠吸液芯的毛细吸力又回流到蒸发段Z，从而完成一周期的传热 过程。如此循环不止，刀体1切削产生的热量不断由热管蒸发段Z传至冷凝段L散发，有效 减少了刀具头部热量积聚和温度升高。本例中，整体式的刀体1可为整体式移动或旋转切 削刀具的刀体，具体可为车刀、刨刀、拉刀、铣刀或钻头等。热管的热响应速度接近音速，导 热系数可达普通铜管的上千倍，本例应用热管散热可以大大改善整体式切削刀具的冷却条 件。实施例2如图2所示，利用热管改善切削散热的槽嵌式热管刀具，包括刀片1、夹紧杠杆2、 紧定螺钉3、刀柄4、热管5、固定卡6和散热片7。热管5由金属薄壁管壳、管壳内壁毛细吸 液芯以及起传递热能的工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴向可分为依次连通 的蒸发段Z、绝热段J和冷凝段L ’刀片1的前刀面A和刀柄4上开有连通的明槽，明槽从刀 片1延伸到刀柄4的末端，用于嵌装热管5 ；明槽前端位于主刀刃e和刀尖r后部，具体距 离可根据刀具材质和切削载荷确定，在保证刀头承受载荷的强度前提下，使明槽前端最接近主刀刃e和刀尖r。明槽的深度为热管5直径的3/4-1倍。刀片1上明槽的宽度与热管 5蒸发段Z的宽度形同，刀柄4上明槽的宽度大于热管绝热段J的宽度；热管5的蒸发段Z 与刀片1之间涂有导热胶g，使热管5的蒸发段Z与刀片1有充分而可靠的面接触传热。刀 片1和热管5的蒸发段Z —起被夹紧杠杆2和紧定螺钉3固定在刀柄4前端的刀片座上， 夹紧杠杆2和紧定螺钉3类似于普通机加刀具的夹紧杠杆和和紧定螺钉，但夹紧杠杆2与 热管5的蒸发段Z之间接触面积尽量小并用导热系数小的材料绝热；刀柄4的明槽内面与 热管的绝热段J之间设有1 2固定卡6，用于支撑热管，使明槽内面与热管的绝热段J不 接触。固定卡6与热管接触面积很小并用导热系数小的材料绝热，固定卡6的结构类似在 墙上固定电缆线的卡子，本身用螺钉固定在刀柄上，其有凹槽部分卡住热管不晃动。热管冷 凝端L伸出刀柄4末端之外；热管5的冷凝段上装有散热片7。切削过程中，刀片1前端主刀刃e和刀尖r产生的热量经刀片1传导到热管蒸发 段Z，热管蒸发段Z内工质吸热而沸腾，相变后携带热量的高压蒸气经过中间绝热段J到达 冷凝段L，在冷凝段L，气体工质冷凝成液态而释放潜热，这些热量通过散热片7消散到周围 环境，液态工质依靠吸液芯的毛细吸力又回流到蒸发段Z，从而完成一周期的传热过程。如 此循环不止，刀片1切削产生的热量不断由热管蒸发段Z传至冷凝段L散发，有效减少了刀 片1热量积聚和温度升高。本例中，刀片1和刀柄4组合的刀具可以是移动或旋转切削刀 具，具体可为车刀、刨刀、拉刀、铣刀或钻头等。热管的热响应速度接近音速，导热系数可达 普通铜管的上千倍，本例应用热管散热可以大大改善组合式切削刀具的冷却条件。实施例3如图3所示，利用热管改善切削散热的侧夹式热管刀具，包括刀片1、夹紧杠杆2、 紧定螺钉3、刀柄4、热管5、第一固定卡6、第二固定卡7、散热片8。热管5由金属薄壁管 壳、管壳内壁毛细吸液芯以及起传递热能的工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴 向可分为依次连通的蒸发段Z、绝热段J和冷凝段L ’刀片1被夹紧杠杆2和紧定螺钉3固 定在刀柄4前端的刀片座上，夹紧杠杆2和紧定螺钉3是普通机加刀具的夹紧杠杆和和紧 定螺钉；热管5固定在刀片1的后刀面B以及与刀柄4的侧面，其中热管5的蒸发段Z与刀 片1的后刀面B的接触界面涂敷导热胶g，使热管蒸发段Z与后刀面B有充分而可靠的面 接触传热；热管5的蒸发段Z与第一固定卡6之间接触面积尽量小并用导热系数小的材料 绝热；热管5的绝热段J与刀柄4之间设有第二固定卡7，第二固定卡7与热管接触面积很 小并用导热系数小的材料绝热；第一固定卡6和第二固定卡7的结构类似在墙上固定电缆 线的卡子，本身用螺钉固定在刀柄上，其有凹槽部分卡住热管不晃动。热管蒸发段Z和绝热 段J连接处有过渡转折，使得绝热段J与刀柄4保持间距；热管5的冷凝段L伸出刀柄4之 外；热管5的冷凝段上装有散热片8。确定热管5蒸发段Z贴在刀片1后刀面B上的具体位置时，根据切削参数和工件形 状，保证刀刃能顺利切入工件而不会被热管干涉，工件加工面不会与热管及固定卡相摩擦， 在此前提下，使热管5蒸发段Z尽量接近主刀刃e和刀尖r。根据刀体材质和形状、尺寸，同 时考虑工件形状和切削参数，确定热管蒸发段Z和绝热段J的转折量和在刀柄4上的支撑 位置，保证刀具能够稳固安装在机床上，防止在切削中振动和振颤。切削过程中，刀片1前端主刀刃e和刀尖r产生的热量经刀片1传导到热管蒸发 段Z，热管蒸发段Z内工质吸热而沸腾，相变后携带热量的高压蒸气经过中间绝热段J到达冷凝段L，在冷凝段L，气体工质冷凝成液态而释放潜热，这些热量通过散热片8消散到周围 环境，液态工质依靠吸液芯的毛细吸力又回流到蒸发段Z，从而完成一周期的传热过程。如 此循环不止，刀片1切削产生的热量不断由热管蒸发段Z传至冷凝段L散发，有效减少了刀 片1热量积聚和温度升高。本例中，刀片1和刀柄4组合的刀具可以是移动或旋转切削刀 具，具体可为车刀、刨刀、拉刀、铣刀或钻头等。热管的热响应速度接近音速，导热系数可达 普通铜管的上千倍，本例应用热管散热可以大大改善组合式切削刀具的冷却条件。实施例4如图4所示，利用热管改善切削散热的上压式热管刀具，包括刀片1、夹紧杠杆2、 紧定螺钉3、刀柄4、热管5、热管固定卡6和散热片7。热管5由金属薄壁管壳、管壳内壁毛 细吸液芯以及起传递热能的工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴向可分为依次 连通的蒸发段Z、绝热段J和冷凝段L ；热管5的蒸发段Z贴紧刀片1的前刀面A，刀片1和 热管5 —起被夹紧杠杆2和紧定螺钉3固定在刀柄4前端的刀片座上；热管5固定在刀片 1的前刀面A以及刀柄4上端面，其中热管5的蒸发段Z与刀片1的前刀面A之间涂敷导热 胶g，使热管5的蒸发段Z与刀片1的前刀面A之间有充分而可靠的面积接触；夹紧杠杆2 和紧定螺钉3类似于普通机加刀具的夹紧杠杆和和紧定螺钉，但夹紧杠杆2与热管5的蒸 发段Z之间接触面积尽量小并用导热系数小的材料绝热；热管5的绝热段J与刀柄4的上 端面之间设有固定卡6，用于支撑和固定热管5，热管蒸发段Z和绝热段J连接处有过渡转 折，使绝热段J与蒸发段Z不在同一平面，并使绝热段J与刀柄4保持间距，固定卡6与热 管接触面积很小并用导热系数小的材料绝热，固定卡6的结构类似在墙上固定电缆线的卡 子，本身用螺钉固定在刀柄上，其有凹槽部分卡住热管不晃动；热管5的冷凝段L伸出刀柄 4之外；热管5的冷凝段上装有散热片7。确定热管5蒸发段Z贴在刀片1前刀面A上的具体位置时，根据切削参数和切屑 形式及流向，保证刀刃能顺利切入工件而不会被热管干涉，切屑从前刀面A流出不会受阻， 在此前提下，使热管5蒸发段Z尽量接近主刀刃e和刀尖r。根据刀体材质和形状、尺寸，同 时考虑工件形状和切削参数，确定热管蒸发段Z和绝热段J的转折量和在刀柄4上的支撑 位置，保证刀具能够稳固安装在机床上，防止在切削中振动和振颤。切削过程中，刀片1前端主刀刃e和刀尖r产生的热量经刀片1传导到热管蒸发 段Z，热管蒸发段Z内工质吸热而沸腾，相变后携带热量的高压蒸气经过中间绝热段J到达 冷凝段L，在冷凝段L，气体工质冷凝成液态而释放潜热，这些热量通过散热片7消散到周围 环境，液态工质依靠吸液芯的毛细吸力又回流到蒸发段Z，从而完成一周期的传热过程。如 此循环不止，刀片1切削产生的热量不断由热管蒸发段Z传至冷凝段L散发，有效减少了刀 片1热量积聚和温度升高。本例中，刀片1和刀柄4组合的刀具可以是移动或旋转切削刀 具，具体可为车刀、刨刀、拉刀、铣刀或钻头等。热管的热响应速度接近音速，导热系数可达 普通铜管的上千倍，本例应用热管散热可以大大改善组合式切削刀具的冷却条件。以上各实施例中，热管的选择可根据刀片工作温度范围和热管导热率相匹配来选 择；如果导热率大，可考虑在热管冷凝段与强冷介质相连而不用散热片。如上所述即可较好实施本实用新型。
权利要求一种热管刀具，其特征在于，包括刀具本体、热管和固定装置，热管由金属薄壁管壳、管壳内壁毛细吸液芯以及起传递热能的工质构成，形成一个高真空封闭系统；沿热管轴向分为依次连通的蒸发段、绝热段和冷凝段；热管通过固定装置安装在刀具本体上，其中，热管的蒸发段位于主刀刃和刀尖后端，热管的蒸发段与刀具紧密接触，热管的绝热段与刀具设有间隔，热管的冷凝段设置在刀具本体的外侧。
2.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述冷凝段上设有散热片。
3.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述热管的形状为圆柱状、扁平状、 直管、弧形弯管或转折管。
4.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述刀具本体为整体式的刀体，固定 装置为支撑夹；所述热管通过固定装置安装在刀具上是指刀体中设有内孔，用于安放热管， 内孔从刀体尾端延伸至刀头内部主刀刃和刀尖后端，刀体的内孔前端位于主刀刃和刀尖后 端，与热管的蒸发段顶端紧密接触，内孔前端之后的部分与热管的绝热段间隔连接，内孔前 端后的直径大于热管绝热段的直径，刀体的内孔末端设有支撑夹，用于固定热管。
5.根据权利要求4所述的热管刀具，其特征在于所述内孔前端的直径与热管的蒸发 段直径相同，并且内孔前段与热管的蒸发段外周之间涂有导热胶；或者内孔前段的直径大 于热管的蒸发段直径，在内孔壁与热管蒸发段外表面之间灌注高导热系数液体后局部封 装。
6.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、 紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀具本体上是指刀片的前刀面和刀柄上开有连 通的明槽，明槽从刀片延伸到刀柄的末端，用于嵌装热管；明槽前端位于主刀刃和刀尖后 部，明槽的深度为热管直径的3/4-1倍；刀片上明槽的宽度与热管蒸发段的外径形同，刀柄 上明槽的宽度大于热管绝热段的外径；热管的蒸发段与刀片之间接触界面涂有导热胶；刀 片和热管的蒸发段一起被夹紧杠杆和紧定螺钉固定在刀柄前端的刀片座上；刀柄的明槽内 面与热管的绝热段之间设有1 2固定卡，固定并支撑热管，使明槽内面与热管的绝热段保 持间隔。
7.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、 紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀具本体上是指刀片通过夹紧杠杆和紧定螺钉 固定在刀柄前端的刀片座上；热管固定在刀片的后刀面以及刀柄的侧面，其中热管的蒸发 段与刀片的后刀面的接触界面涂敷导热胶；热管的绝热段与刀柄之间设有第二固定卡，并 且在蒸发段和绝热段连接处设有过渡转折，使得绝热段与刀柄保持间距。
8.根据权利要求1所述的热管刀具，其特征在于所述刀具本体包括刀片、夹紧杠杆、 紧定螺钉和刀柄；热管通过固定装置安装在刀具本体上是指刀片和热管一起被夹紧杠杆和 紧定螺钉固定在刀柄前端的刀片座上；热管固定在刀片的前刀面以及刀柄上端面，其中热 管的蒸发段与刀片的前刀面之间接触界面涂敷导热胶，热管的绝热段与刀柄的上端面之间 设有固定卡，支撑和固定热管，蒸发段和绝热段连接处设有过渡转折，使绝热段与刀柄保持 间距。
专利摘要本实用新型公开了一种热管刀具，该热管刀具包括刀具本体、热管和固定装置，热管沿热管轴向分为依次连通的蒸发段、绝热段和冷凝段；热管通过固定装置安装在刀具本体上，其中，热管的蒸发段位于主刀刃和刀尖后端，热管的蒸发段与刀具紧密接触，热管的绝热段与刀具设有间隔，热管的冷凝段设置在刀具的外侧。本实用新型刀头主产生的热量经刀头传导到热管蒸发段，热管蒸发段内工质吸热而沸腾，相变后携带热量的高压蒸气经过绝热段到达冷凝段，在冷凝段冷凝而释放潜热，依靠吸液芯的毛细吸力液体又回流到蒸发段，完成一周期的传热过程，如此循环，使刀头切削产生的热量不断由热管蒸发段传至冷凝段散发，有效防止刀头温度升高。
文档编号B23C5/28GK201711551SQ20102025655
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者全燕鸣, 曾上铭, 梁良 申请人:华南理工大学