基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法
【专利摘要】本发明提供一种对环境友好的、在铣削，尤其是高速铣削，加工条件下，能显著提高端铣刀耐用度的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，包括一新型端铣刀，所述新型端铣刀包括：热管、端铣刀柄、端铣刀体、端铣刀头，所述端铣刀体一端为端铣刀头、另一端为端铣刀柄，热管以平行于端铣刀体轴线的方向，从端铣刀柄植入端铣刀体，并接近端铣刀头上的主切削刃部位，所述热管内填充有吸液芯。本发明采用热管相变传热方法比切削液具有较高的传热效率，且采用热管技术降低端铣刀切削温度比切削液环保，且对操作人员无人身伤害，另外，本发明采用的热管市面价格相对切削液便宜，能减少企业产品的制造成本。
【专利说明】基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械加工领域，具体为一种基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法。
【背景技术】
[0002]在机械加工行业，切削热一直是人们普遍关心的问题，也是企业亟待解决的技术关键。切削加工产生很多切削热，大量的切削热传入刀具，致使刀具切削部位温度升高。过高的切削温度将加快刀具发生磨损，如扩散磨损，粘结磨损和化学磨损，进而降低了刀具耐用度，促使刀具提前发生失效。
[0003]铣削加工属于断续切削。在铣削过程中，由于切削层的总面积不断发生变化，因而铣削力波动较大。当铣削时，尤其在高速铣削状态，常引发较高的切削温度，切削刃部位较大的温度梯度，进而会促使端铣刀发生磨损，加速切削刃部位裂纹的滋生速度。在较大波动的铣削力作用下，这些裂纹会加速扩展，因而极大地削弱了端铣刀切削刃部位的刚度和强度，致使端铣刀提前失效。因此快速、有效地传出切削热对保证端铣刀耐用度，获得零部件必要的加工精度非常重要。
[0004]目前国内外通常采用切削液来降低端铣刀的切削温度，但对铣削过程来说，切削液，尤其是水溶性切削液，会增大端铣刀切削刃部位的温度梯度，滋生更多的微裂纹，对端铣刀寿命极为不利；更为重要的是，切削液含有毒性化学物质，能污染环境，对操作人员有害，而且会增加企业的生产成本，如美国制造业用于购置、处理切削液的费用占整个产品制造总费用的36%。为此，近年来国内外学者提出了一种新的降低切削温度的方法，即利用热管技术，借助热管高效相变传热特点来降低刀具切削区的温度，发表的文献主要包括:((International Journal of Advanced Manufacturing Technology〉〉的 Investigation ofdry machining with embedded heat pipe cooling by finite element analysis andexperiments 和 An Investigation of a Heat Pipe Cooling System for Use Turningon a Lathe;南京航空航天大学硕士论文《环形热管砂轮设计及其传热性能分析》和《热管式金刚石磨头的研制》。热管是一种一端靠近热源，另一端靠近温度较低区域，以较小的温度梯度进行热量传输，而无需外加动力的组件，其主要特点是:传热效率极高、对环境友好、价格便宜、安全、可靠。目前热管技术在车削、磨削领域有一定程度的应用，但在端铣削加工领域，迄今为止，尚未见任何专利出现。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题在于提供基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，以解决上述【背景技术】中的问题。
[0006]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，包括一新型端铣刀，所述新型端铣刀包括:热管、端铣刀柄、端铣刀体、端铣刀头，所述端铣刀体一端为端铣刀头、另一端为端铣刀柄，热管以平行于端铣刀体轴线的方向，从端铣刀柄植入端铣刀体，并接近端铣刀头上的主切削刃部位，所述热管内填充有吸液芯，所述热管冷凝段与端铣刀柄共平面；端铣刀主切削刃部位产生的切削热量，在热管壁和热管内部浸满工质的吸液芯的热传导作用下，进入到热管的蒸发段，使得蒸发段部位的工质温度升高，热管管内空间处于负压状态；随着吸收热量增多，蒸发段部位吸液芯内的工质发生汽化，在微小压差作用下流向热管的冷凝段，并向外界释放出热量且凝结成液体；该液体工质在热管内部贴壁金属网丝毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段，并再次受热汽化；如此反复循环，连续不断地将切削热量从端铣刀主切削刃区域传入热管蒸发段，传向冷凝段，实现了降低端铣刀切削温度，并减小切削刃部位温度梯度。
[0007]进一步地，所述新型端铣刀为014-050的锥柄端铣刀，材料为硬质合金。
[0008]进一步地，所述热管为碳钢-水热管。
[0009]进一步地，所述热管冷凝段的外端，与端铣刀的柄部等平面。
[0010]进一步地，所述新型端铣刀内装入热管的孔的直径等于使用的热管直径加0.6?1.2mm。
[0011]优选地，所述新型端铣刀内植入热管的孔的孔壁与热管管壁之间设有接触热阻，接触热阻的材料为固态锡。
[0012]进一步地，所述新型端铣刀均匀缓慢加热到316°C，以保证液态锡材料能分布均匀在新型端铣刀和热管之间。
[0013]优选地，所述热管内部使用的吸液芯材料为碳钢。
[0014]优选地，所述端统刀头每齿进给量Sz = 0.05?0.15mm/z,统削深度t = 3?7mm,使用时铣床主轴转速η = 4000?6000rpm。
[0015]本发明对比已有技术具有以下显著优点:
[0016]1、热管相变传热方法比切削液具有较高的传热效率。
[0017]2、采用热管技术降低端铣刀切削温度比切削液环保，且对操作人员无人身伤害。
[0018]3、本发明采用的热管市面价格相对切削液便宜，能减少企业产品的制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1a为本发明的一具体实施例结构示意图。
[0020]图1b为本发明的一具体实施例立体示意图
[0021]图1c为本发明的原理结构示意图。
[0022]图2a为本发明实施例1中的不使用切削液和热管时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图。
[0023]图2b为本发明实施例1中的使用切削液时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图。
[0024]图2c为本发明实施例1中的使用热管时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图。
[0025]图3a为本发明实施例2中的不使用切削液和热管时，端铣刀在加工完1490个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图。
[0026]图3b为本发明实施例2中的使用切削液时，端铣刀在加工完1751个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图。[0027]图3c为本发明实施例2中的使用热管时，端铣刀在加工完2000个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图。
[0028]图4为本发明实施例3的结果示意图。
[0029]图中1、热管；2、端铣刀体；3、端铣刀柄；4、端铣刀头；5、主切削刃部位；11、蒸发段；13、冷凝段；15、接触热阻。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
[0031]如图1a-图1c所示，基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，包括一新型端铣刀，所述新型端铣刀包括:热管1、端铣刀柄、端铣刀体2、端铣刀头4，所述端铣刀体2 —端为端铣刀头4、另一端为端铣刀柄3，热管I以平行于端铣刀体2轴线的方向，从端铣刀柄3植入端铣刀体2，并接近端铣刀头4上的主切削刃部位5，所述热管I内填充有吸液芯，所述热管I冷凝段13与端铣刀柄3共平面；端铣刀主切削刃部位5产生的切削热量，在热管I壁和热管I内部浸满工质的吸液芯的热传导作用下，进入到热管I的蒸发段11，使得蒸发段11部位的工质温度升高，热管I管内空间处于负压状态；随着吸收热量增多，蒸发段11部位吸液芯内的工质发生汽化，在微小压差作用下流向热管I的冷凝段13，并向外界释放出热量且凝结成液体；该液体工质在热管I内部贴壁金属网丝毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段11，并再次受热汽化；如此反复循环，连续不断地将切削热量从端铣刀主切削刃区域传入热管I蒸发段11，传向冷凝段13，实现了降低端铣刀切削温度，并减小切削刃部位温度梯度。
[0032]进一步地，所述新型端铣刀为014- 050的锥柄端铣刀，材料为硬质合金。
[0033]进一步地，所述热管I为碳钢-水热管I。
[0034]进一步地，所述热管I冷凝段13的外端，与端铣刀的柄部等平面。
[0035]进一步地，所述新型端铣刀内装入热管I的孔的直径比使用的热管I直径大
1.0mm0
[0036]优选地，所述新型端铣刀内植入热管I的孔的孔壁与热管I管壁之间设有接触热阻15，接触热阻15的材料为固态锡。
[0037]进一步地，所述新型端铣刀需要均匀缓慢加热到316°C，以保证液态锡材料能分布均匀在新型端铣刀和热管I之间。
[0038]优选地，所述热管I内部使用的吸液芯材料为碳钢。
[0039]优选地,所述端统刀头4每齿进给量Sz = 0.1mm / z,统削深度t = 5mm,使用时统床主轴转速n = 5000rpmo
[0040]实施例1
[0041]如图2a-图2c所示，不同使用条件下端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图，其中:实验测量使用的端统刀规格是014mm，侧吃刀量a。取14mm。
[0042]图2a表示:不使用切削液和热管I时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图；图2b表示:使用切削液时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图；图2c表示:使用热管I时，端铣刀切削刃加工温度随时间变化示意图。[0043]测量结果表明:在相同的加工条件下，使用热管I的端铣刀切削温度比使用切削液的切削温度低。
[0044]由于本发明使用的三面刃端铣刀具有几何结构对称性，因而每个切削刃受载，切削温度变化状况相同；同时，在实际加工过程中，端铣刀主切削刃外刀尖比内刀尖温度高，易磨损，因此，图2a-图2c表示的是该端铣刀某一切削刃外刀尖的加工温度随时间变化示意图。
[0045]另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
[0046]实施例2
[0047]如图3a_图3c所示，不同使用条件下端铣刀在加工完若干个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图，其中:实验测量使用的端铣刀规格是028mm，侧吃刀量a。取28mm ;图3a表示:不使用切削液和热管I时，端铣刀在加工完1490个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图；图3b表示:使用切削液时，端铣刀在加工完1751个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图；图3c表示:使用热管I时，端铣刀在加工完2000个沟槽后，测量的主切削刃外刀尖的磨损状况示意图。
[0048]测量结果表明:在相同的加工条件下，使用热管I的端铣刀后刀面磨损状况比使用切削液的端铣刀后刀面磨损状况要轻。
[0049]另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
[0050]实施例3
[0051]如图4所示，不同使用条件下端铣刀使用寿命示意图，其中:实验测量使用的端铣刀规格是050mm，侧吃刀量a。取50mm ；SD表示:不使用切削液和热管I的情形；CF表示:使用切削液的情形；HF表示:使用热管I的情形。下标1、2分别表示不同冷却条件下，端铣刀的数目。
[0052]测量结果表明:在相同的加工条件下，使用热管I的端铣刀的寿命比使用切削液的端铣刀的寿命要长。
[0053]另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
[0054]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，包括一新型端铣刀，其特征在于:所述新型端纟先刀包括:热管、端f先刀柄、端f先刀体、端统刀头，所述端f先刀体一端为端f先刀头、另一端为端铣刀柄，热管以平行于端铣刀体轴线的方向，从端铣刀柄植入端铣刀体，并接近端铣刀头上的主切削刃部位，所述热管内填充有吸液芯，所述热管冷凝段与端铣刀柄共平面；端铣刀主切削刃部位产生的切削热量，在热管壁和热管内部浸满工质的吸液芯的热传导作用下，进入到热管的蒸发段，使得蒸发段部位的工质温度升高，热管管内空间处于负压状态；随着吸收热量增多，蒸发段部位吸液芯内的工质发生汽化，在微小压差作用下流向热管的冷凝段，并向外界释放出热量且凝结成液体；该液体工质在热管内部贴壁金属网丝毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段，并再次受热汽化；如此反复循环，连续不断地将切削热量从端铣刀主切削刃区域传入热管蒸发段，传向冷凝段，实现了降低端铣刀切削温度，并减小切削刃部位温度梯度。
2.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述新型端铣刀为014-050的锥柄端铣刀，材料为硬质合金。
3.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述热管为碳钢-水热管。
4.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述热管冷凝段的外端，与端铣刀的柄部等平面。
5.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述新型端铣刀内装入热管的孔的直径等于使用的热管直径加0.6?1.2mm。
6.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述新型端铣刀内植入热管的孔的孔壁与热管管壁之间设有接触热阻，接触热阻的材料为固态锡。
7.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述新型端铣刀均匀缓慢加热到316°C，以保证液态锡材料能分布均匀在新型端铣刀和热管之间。
8.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述热管内部使用的吸液芯材料为碳钢。
9.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高端铣刀使用寿命的方法，其特征在于:所述端统刀头每齿进给量Sz = 0.05?0.15mm/z,统削深度t = 3?7mm,使用时统床主轴转速 n=4000 ?6000rpm。
【文档编号】B23C5/06GK103537950SQ201310472837
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】朱林, 尹成龙, 任天健, 程曦, 彭双双, 方梁菲 申请人:安徽农业大学