內冷式智能車刀設計與分析及其實驗研究.pdf

1、針對難加工材料的無污染、高效加工需求，并根據內冷卻所具備的無污染和冷卻效果好等優(yōu)勢，本文提出了一種內冷式智能刀具概念，即在刀具內布置具有進出口的微小冷卻液通道，切削時冷卻液從入口進入刀具體內冷卻刀具，然后通過出口回到冷卻系統中，冷卻液不直接排出，從而組成無污染的循環(huán)式冷卻系統。通過測量冷卻液在進、出口處的溫度來預測刀-屑接觸面的平均溫度，實現切削溫度的在線監(jiān)測，從而根據測量的切削溫度可以反映刀具的切削狀態(tài)，控制系統根據切削溫度的高低采取

2、措施對切削過程進行控制。本文主要對內冷式智能刀具的結構設計理論與方法、熱學特性、刀具磨損預測和控制等關鍵基礎技術進行了系統的理論分析，并通過切削實驗以驗證所研制的內冷式智能刀具的切削性能。
　　優(yōu)良的內冷卻結構是實現高效冷卻的基礎。基于對內冷式刀具的冷卻以及冷卻液溫升與切削溫度關系的研究，并根據內冷式刀具的切削工藝要求，提出了內冷式刀具設計的一般原則。本文以內冷式車刀為例，運用 FEA-CFD聯合仿真方法對刀具的內冷卻結構進行了優(yōu)

3、化分析，并制備了優(yōu)化后的內冷式車刀。通過仿真分析，對比了普通車刀和內冷式車刀的力學和熱學性能，結果表明內冷式車刀和普通車刀在強度和剛度性能方面基本一致；通入冷卻液后內冷式車刀能有效地降低切削溫度，在小于轉折流速范圍內，切削溫度隨著流速的增加而快速下降，而當超過轉折流速后，切削溫度隨流速的增加而緩慢下降。通過仿真分析研究了刀-屑接觸面面積和熱流率、冷卻液入口流速和溫度對內冷式智能車刀冷卻效果的影響規(guī)律。
　　精確的切削溫度和進出口溫

4、度之間關系的解析模型是實現在線測量切削溫度的理論依據?；跀抵捣抡娼Y果，采用指數函數對刀具表面的溫度分布進行了擬合，對刀具與水接觸的表面?zhèn)鳠嵯禂颠M行了等效處理，運用集總參數法建立了內冷式刀具的熱特性理論分析模型，得到了切削溫度、冷卻液出口溫度的時間響應解析表達式。仿真結果表明所建立的內冷式刀具熱特性理論模型和數值模型的結果相吻合。研究了冷卻液流速、刀-屑接觸面面積對切削溫度與進出口溫度之間關系的影響規(guī)律，運用最小二乘法擬合得到了切削平均

5、溫度和進出口溫度之間的解析表達式。對冷卻液流速的選擇做了分析，對測量過程中存在的誤差源進行了分析，并提出了相應的預防措施。通過加熱實驗驗證了所建模型的正確性。
　　刀具磨損的監(jiān)測和控制是提高加工質量和效率的前提。本文在系統地分析刀具磨損和臨界切削溫度之間關系的基礎上，建立了它們之間的關聯模型。切削過程中可通過實時調節(jié)冷卻液流量、切削參數來調節(jié)切削溫度來間接控制刀具磨損速率，即通過切削溫度的控制來控制刀具的磨損。對刀具磨損時的熱特性

6、進行了理論分析，通過數值仿真研究了后刀面磨損對切削溫度、出口溫度的影響規(guī)律，得到了刀具磨損下切削溫度的預測模型，并和不考慮刀具磨損下的預測模型進行了對比分析，結果表明在刀具的正常磨損范圍內，兩種模型預測的切削溫度基本一致。建立了利用出口溫度變化率預測刀具磨損的數學模型。提出了基于臨界切削溫度約束的刀具磨損控制方法，并設計了PID控制器對切削溫度進行控制，通過仿真分析和切削實驗證明了控制器的有效性。
　　為了考察內冷式智能車刀的測溫