基于ABAQUS旋轉(zhuǎn)熱管磨具的有限元分析

周小青 孫 濤 杜冬東 馬 飛

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

眾所周知，綠色制造技術(shù)是未來(lái)制造技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。在切削和磨削過(guò)程中，切削溫度是刀具和磨粒磨損的主要原因，常規(guī)的做法是在加工中使用大量的切削液降低切削溫度，這就會(huì)造成環(huán)境污染，并且增加了加工成本和環(huán)境處理成本。

利用熱管通過(guò)蒸發(fā)潛熱快速傳遞熱量的優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)熱管在切削刀具方面的應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。T.C.Jenetal.[1]分析了熱管施加到鉆孔的可行性。一些關(guān)鍵參數(shù)是通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如深度和熱管的直徑，輸入的熱量，蒸發(fā)器的長(zhǎng)度等來(lái)確定。R.L.Judd[2]和梁良[3]研究冷卻熱管的系統(tǒng)與車(chē)刀不同安裝形式，例如嵌入、橫向壓縮和槽嵌入。劉志軍[4]研究測(cè)量溫度可知銑刀銑削通過(guò)基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化的熱管散熱。這些研究成果為熱管在切削過(guò)程過(guò)程中的應(yīng)用提供了有效的實(shí)際參考，但均未涉及磨削的應(yīng)用。

在本文中，采用旋轉(zhuǎn)熱管磨具解決磨削過(guò)程中的散熱問(wèn)題，通過(guò)旋轉(zhuǎn)熱管磨具的有限元分析研究，以考核旋轉(zhuǎn)熱管磨具工作的剛度和振動(dòng)性能并避免共振，為綠色制造提供了新的技術(shù)選擇和實(shí)際參考。

1 旋轉(zhuǎn)熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，熱管磨具由尾部和磨頭組成。尾部上端設(shè)計(jì)有抽真空的排氣孔，下端設(shè)計(jì)有翅片。磨頭圓柱外表面釬焊有CBN磨粒，為磨削工作區(qū)域，直徑為30mm；磨頭上表面與尾部下端定位并焊接固定。尾部上端為圓柱形狀，直徑為20mm，用于在銑床主軸上裝夾；翅片用于提高散熱面積，提高換熱效率。

圖1 旋轉(zhuǎn)熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作時(shí)，磨頭圓柱外表面磨削工件，產(chǎn)生磨削熱，熱量通過(guò)磨頭管壁導(dǎo)入到磨頭內(nèi)部（蒸發(fā)段），蒸發(fā)段的工作液受熱蒸發(fā)，并帶走熱量，蒸汽向上運(yùn)動(dòng)到達(dá)冷凝段，在翅片的作用下加速蒸發(fā)潛熱的釋放，蒸汽冷凝成液體，在磨頭錐度內(nèi)腔的離心力作用下，液體返回到蒸發(fā)段進(jìn)行周而復(fù)始的工作。

2 熱管磨具的有限性分析

2.1 熱管磨具的靜力分析

首先，熱管磨具的模型由Pro/E軟件建立并導(dǎo)入到ABAQUS軟件。其次，一些參數(shù)的定義，如作業(yè)名，標(biāo)題材料模型。在這種情況下，材料模型包括：彈性模量為2E11，泊松比為0.3，而材料密度為7800。分析結(jié)果如圖2和3所示。

圖2 應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖3 應(yīng)力與路徑的關(guān)系

2.2 熱管磨具的模態(tài)分析

首先，熱管磨具的模型由Pro/E軟件建立并導(dǎo)入到ABAQUS軟件。其次，一些參數(shù)的定義，如作業(yè)名，標(biāo)題，材料模型。在這種情況下，材料模型包括：彈性模量為2E11，泊松比為0.3，而材料密度為7800。第三，該模型是由自動(dòng)網(wǎng)格劃分嚙合。第四，負(fù)載和解決的日期，其中包括加載定義，擴(kuò)展模態(tài)和模態(tài)解決。在這種情況下，熱管磨具尾部被充分抑制裝載定義，從而來(lái)分析的前4階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式，在結(jié)束時(shí)，完整的振動(dòng)模型可以通過(guò)模態(tài)擴(kuò)展被觀察。最后，該解決結(jié)果如圖4和5所示。圖5顯示的熱管磨具自然頻率是通過(guò)ABAQUS軟件處理的得出結(jié)果。圖6為熱管模具第1到第4階固有振動(dòng)模型結(jié)果。

圖4 熱管磨具的自然頻率

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2中得出，在磨具切削過(guò)程中，最大彎曲應(yīng)力集中在散熱片處。從圖3中我們可以看出，當(dāng)磨具在切削過(guò)程中，所受的壓應(yīng)力與磨具在切削過(guò)程中的位移成正比，且其變形量很小，具有良好的剛度。

從圖4和圖5中可以得出，當(dāng)模型剛剛進(jìn)入強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，此時(shí)很弱，在較弱的振動(dòng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振幅和振動(dòng)形狀比較平穩(wěn)，如圖5中的（a）、（b）、（c）。 在振動(dòng)中，其大部分的節(jié)點(diǎn)的振幅較大，從而如圖5中（d）中，其出現(xiàn)了明顯的變形。其次，當(dāng)磨具的頻率接近加工系統(tǒng)的頻率，此時(shí)有可能發(fā)生共振。磨具Vmax＝2500r/min時(shí)，其最大頻率為42HZ經(jīng)計(jì)算。如圖5所示，熱管磨具在旋轉(zhuǎn)磨削時(shí)，其振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離自然頻率。在這種情況下，其共振不易發(fā)生，所以磨具變形相對(duì)比較小，即旋轉(zhuǎn)熱管具有良好的穩(wěn)定性。

圖5 熱管磨具四階的節(jié)點(diǎn)位移圖

3 結(jié)論

（1）由熱管磨具的靜力分析，表明磨削時(shí)其彎曲應(yīng)力主要集中在葉片的根處，且旋轉(zhuǎn)熱管的變形量非常的小。

（2）熱管磨具的模態(tài)分析結(jié)果表明，磨具在外力影響下，其振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離自然頻率，磨具變形相對(duì)比較小。

（3）設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)熱管磨具具有良好的剛度和穩(wěn)定性，可以滿足實(shí)際的加工需求。

［1］T.C.Jen,G.Gutierrez,S.Eapen,et a1.Investigation of heat pipe cooling in drilling applications.part I:preliminary numerical analysis and verification[J].International Journal ofMachineTools&Manufacture,2002,42(5):643－652.

［2］R L Judd,H S MacKenzie,M A Eibestawi.Investigation of a heat pipe cooling system for use in turning on a lathe[J].Int.J.Adv.Manuf.Techn.,1995,10(6):357－366.

［3］梁良,全燕鳴.熱管刀具的設(shè)計(jì)及散熱性能測(cè)試[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(5):13－17,23.

［4］劉志軍,全燕鳴.熱管銑刀散熱基本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(12):47－52.