工程科学与技术，国际期刊19（2016）1190全长文章硬态车削中热管冷却刀具的研究R. Robinson Gnanaduraia，*，A.S.瓦拉塔拉詹baKarunya大学机械工程系，Coimbatore，641114，Tamil Nadu，印度b印度喀拉拉邦Pampady，Thrissur 680597尼赫鲁工程学院和研究中心A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：2015年11月14日收到2016年1月29日接受2016年3月24日在线发布关键字：硬车削最小的流体应用脉冲射流热管硬态车削减油技术是近年来发展起来的一种解决切削减油问题的新技术。在此过程中，非常少量的切削液作为窄的高速脉冲射流施加由于切削液的用量很少，本文尝试用热管辅助冷却刀具，以加强散热，从而提高切削性能。热管安装在与工具接触的垂直位置，用于从工具提取更多的采用田口试验设计方法分析了刀具热管冷却对切削性能的影响。据观察，使用热管在最低限度的切削液应用减少切削温度和刀具磨损的最大值分别为22%和15%，与传统的硬车削与最低限度的切削液应用没有热管的帮助。看来，热管可以成功地采用作为一种手段，冷却的工具，在硬车削与最小的冷却液的应用。© 2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V. 这是CC下的开放获取文章BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍硬态车削工艺由于工件的高硬度以及在刀具-切屑界面和刀具-工件界面处存在高摩擦而固有地产生高切削温度。硬态车削时，通常通过供给大量切削液来提高刀具寿命。然而，切削液的引入带来了健康和安全问题[1，2]。 此外，切削油的采购、储存和处置成本比刀具成本高出数倍[3]。由于超硬刀具材料、新型刀具涂层材料和刀具几何形状的优化等技术创新，发展了一种称为干式车削的无切削油加工然而，在干车削操作中，切屑和刀具之间的摩擦力和粘附力往往更高，这导致更高的温度、更高的磨损率和因此更短的刀具寿命。此外，干式车削需要非常刚性的机床，这难以用现有机床在车间地板所有这些与传统切削冷却和纯干式车削相关的问题导致了对最少使用切削液的加工的研究[4]。* 通讯作者。联系电话：+91 09894575243，传真：+91 04222615615。电子邮件地址：robinson@karunya.edu（R. RobinsonGnanadurai）。由Karabuk大学负责进行同行审查。最少使用切削液的加工（MFA）是一种减少车间地板上切削液使用的技术。在该技术中，将极少量（2至5 ml）的专有切割液作为脉冲射流施加在关键区域。据报道，两个滑动表面之间的摩擦力可以通过快速波动润滑剂填充间隙的宽度来降低[5]。利用这一原理开发了切削液用量最少的切削在MFA中，填充在刀具前刀面和切屑之间的间隙中的润滑宽度的波动是通过高速窄脉冲射流实现的。据报道[6在最小的切削液应用中，可使用2 ml/min数量级的极少量切削液，用于冷却和润滑的双重目的。切屑根部附近存在的极端温度条件可能导致切削油的热降解。因此，切削油失去了其润滑性能，不能降低切削区的摩擦条件如果设计一些辅助冷却手段来冷却刀具，将避免切削液的劣化，提高切削性能。热管可以成功地用于在许多应用中去除热量，如在文献中发现的。在切削加工中利用热管冷却刀具，可以减少切削液的用量和环境污染。审查http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.01.0122215-0986/©2016 Karabuk University. 出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestchR.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）119011981191的文献清楚地表明，还没有关于热管在具有最少的流体应用的加工领域中的应用的研究。因此，为了实现有效的冷却的工具，在加工过程中，最小的冷却液applica- tion，使用热管进行了探讨，在目前的工作。2. 文献综述热管是一种导热系数很高的传热装置。它用于将热量从一个位置传输到另一个位置，而不需要通过扩散提供外部电源[9]。热管由一个两端密封的真空容器、一个毛细结构和少量与其自身蒸汽平衡的工作流体组成。热管具有三个部分，即蒸发器部分、绝热（输送）部分和冷凝器部分。蒸发器部分上的外部热负荷导致工作流体蒸发。所产生的蒸气压驱动蒸气通过绝热部分到达冷凝器部分。在绝热段中，没有热量被吸收或排出。冷凝部分冷凝蒸汽，工作流体的汽化潜热被排放到大气中。然后，冷凝的工作流体通过芯结构中产生的毛细压力被泵回。热的输送可以是连续的，只要有足够的热输入到蒸发器部分，使得产生足够的毛细管压力以驱动冷凝的液体返回到蒸发器。当与其它传统的热传递方法相比较时，使用热管，大量的热可以通过小的横截面积在相当长的距离上传输，而不需要向系统输入额外的功率。热管用于冷却目的，在广泛的应用，褶皱最近，它被应用于制造领域，以控制压铸、注塑和金属加工的过程温度。热管技术作为一种替代传统的切削区散热方法，在金属切削加工中的应用正引起人们的广泛兴趣。切削刀具的冷却降低了切削温度，并通过减少刀具磨损来提高刀具寿命[10Noorul Hag等人[14]研究了热管直径、热管长度、热管真空度和制造热管所用材料等参数对切割性能的影响。研究了混合氧化铝镶块硬态车削发动机曲柄销材料通过九次实验得出了一组热管性能最佳的参数当在使用的由黄铜制成的具有40 mm长和7 mm直径的热管中保持400 mm Hg真空时，工具寿命有相当大的改善。Liang等人[15]研究了热管在干车削中降低刀具刀-屑界面温度的效果结果表明，热管冷却能有效地降低刀具的刀-屑界面温度，且切削速度越高，刀-屑界面温度降低越多Zhu等人[16]通过实验验证了端铣操作中热管冷却的可行性和有效性。结果表明，采用热管冷却，可减少立铣刀的刀具磨损，延长刀具寿命。Zhu等人[17]进行了一项数值研究，通过预测工具的热、结构静态和动态特性数值模拟结果表明，与干式钻削相比，热管辅助钻削降低了刀具尖端的峰值温度和应力。Liang等人[18]估计了进入车削刀具的热量以及由热管带走的热量。结果表明，热管的存在增加了进入刀具的热量，同时也增加了刀具的热传导量从工具中消散，这有助于降低工具切屑界面处的温度。通过对现有文献的回顾，发现通过引入热管来去除刀具的热量可以改善切削性能。热管辅助冷却系统可以减少或消除切削油的使用和对环境的污染。此外，上述文献清楚地表明，还没有进行与热管在具有最小的流体应用的加工领域中的应用相关的研究。在目前的研究工作中，试图调查的适用性热管冷却的切削刀具在硬车削过程中，以最小的冷却液的应用。目的是研究在使用多层涂层硬质合金刀片以最少的切削液应用车削硬化的AISI 4340钢时，刀具的热管冷却对切削力、刀具磨损、表面光洁度和切削温度3. 实验程序在Kirloskar Turn master- 35车床上进行了切削试验，研究了热管辅助冷却刀具在微量润滑条件下对切削性能的影响使用硬度为45 HRC的AISI 4340钢作为工作材料。在实验中使用由具有雕刻前刀面的碳化钨刀片（规格为SNMG 120408）和Taegutec的刀架PSBNR 2525M12组成的由于切削液用量极少，故采用了一种特殊配方的切削液。该制剂由石油磺酸盐（15重量%）、乙二醇（1重量%）、油酸（3重量%）、三乙醇胺（3重量%）、醇乙氧基化物（3重量%）和仲丁基矿物油（余量）组成[19，20]。它充当水包油乳液。石油磺酸盐用作乳化剂、防锈剂、表面活性剂和极压剂。乙二醇由于其低凝固点而抗冻结，并用作偶联剂以增加乳液的稳定性。油酸在气雾剂产品中用作乳化剂或增溶剂。它作为一种改进切削油润滑性的试剂。三乙醇胺用于提供保护工件不生锈所需的碱度，并作为抗氧化剂。它还控制切削液中水分的蒸发速率。醇乙氧基化物比许多其他表面活性剂具有更大的抗水硬度使用市售的仲丁基矿物油作为基础。在刀具工作界面上应用切削液，最小的液体涂抹器图1所示的最小量的切割液涂抹器可以以 高速脉冲射流，并具有改变Fig. 1. 最小的应用程序系统。1192R.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）11901198图二. 热管的线条示意图。注射压力（高达120巴）、脉冲频率（高达1000脉冲/分钟）和切割液体的输送速率（高达30毫升/分钟）。本研究所用热管为电解铜热管，以水为工质。在填充水之前，使用真空泵通过抽空去除存在的不可冷凝气体（如有）。将水填充在管内，10- 3毫巴的压力，以降低水的沸点水的入口通道被卷曲并密封。在选择热管结构参数之前，对吸液芯结构的类型、方向和热管的位置进行了初步的实验优化。因此，已选择具有沿热管长度的轴向凹槽的凹槽型芯用于研究，以使工作流体在热管内循环，其具有比其他类型的芯（例如，网状和烧结粉末型芯）更小的流动阻力[21]。热管的冷凝器部分在75 mm的长度上设置有10mm宽和0.5 mm厚的为了冷却翅片，使用风扇以500 m/min图2所示为装配好的热管的外形尺寸示意图。热管的详细结构参数见表1。该工具持有人提供了一个6.5毫米的孔的顶面上使用EDM工艺安装热管在垂直位置。孔的位置以这样的方式选择，即热管和工具插入件之间存在足够的表面接触。使用具有高导热性的热水泥将热管固定到刀架上，以确保刀片与热管之间的良好热图1示意性地示出了带有热管的刀架的装配。3.第三章。表1热管的结构参数。结构参数数值蒸发器长度，mm 10绝热段长度，mm 5冷凝器长度，mm75热管外径，mm<$6.3热管壁厚，mm 1翅片宽度，mm 10翅片厚度mm 0.5翅片长度，mm 75壁材电解铜吸液芯型槽型凹槽尺寸，mm 0.5 × 0.5凹槽间距，mm 1热管工质水工作充液量为热管容积的30%（0.45 ml）实验装置的照片如图所示。 四、基于田口技术[22]设计了一个输入参数及其各自的级别见表2。设计图三. 刀架与热管的装配。见图4。使用热管对刀具冷却时的切削性能进行评估的实验装置照片R.R. Gnanadurai，A.S.Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1190 11981193表2输入参数及其级别。参数水平1水平2切削液流速q（ml/min）q1 = 2 q2 = 8脉冲频率F（脉冲/分钟）F1 = 300 F2 = 700组成C（水中油的%）C1 = 5 C2 = 15由Varadarajan et al.[23]基于有限元分析。将两个不确定度为±0.2 °C的标准K型热电偶对称地放置在切削刀具刀片和刀夹之间的界面处。刀片的底部和两侧是绝缘的，用于刀片与刀架的热隔离。温度由两个热电偶同时测量，热管（HP）HP 0无热管HP1热管在插入件中实现稳态条件。利用有限元模型，建立了切削刀片与刀柄接触面温度与刀尖平均温度的相关关系，并进行了表3中示出了16轮实验的矩阵。对于每次试验，切割时间固定为60秒，实验以随机顺序进行，重复两次。保持恒定的参数列表如表4所示。切削力使用Kistler三分量9257 B测力计测量，不确定度为± 0.1N。切削温度的测量使用的外推技术开发表316次运行实验的设计矩阵。Exp. 没有切削速度频率组合物热管液体（q）脉冲（F）（丙）（惠普）1Q1F1C1HP12Q1F1C1HP03Q1F1C2HP14Q1F1C2HP05Q1F2C1HP16Q1F2C1HP07Q1F2C2HP18Q1F2C2HP09Q2F1C1HP110Q2F1C1HP011Q2F1C2HP112Q2F1C2HP013Q2F2C1HP114Q2F2C1HP015Q2F2C2HP116Q2F2C2HP0表4保持不变的参数列表参数值切削液压力（p）80 Bar切割速度（V）80 m/min进给（f）0.1 mm/rev切割深度（d）1.25 mm使用工具工作热电偶技术。使用工具制造商±0.01 mm），并使用轮廓投影仪（不确定度为±0.01 mm）。使用触针式TIME-TR 100表面粗糙度测试仪测量表面粗糙度，不确定度为± 1.5%。通过刀具寿命试验，研究了切削过程中刀具磨损和表面粗糙度随时间的变化规律。4. 结果和讨论在16次运行实验期间观察到的平均值见表5。使用Qulitek-4软件分析观察结果，表6中列出了用于实现最佳性能的输入参数水平集。据观察，热管的存在形成了影响切削温度、切削力、表面粗糙度、刀具磨损和刀具切屑接触长度的最重要参数还观察到，为了实现更好的切割性能，将流体施加的速率保持在水平2（8 ml/min）并且将脉冲频率保持在水平1（300脉冲/min）当脉冲频率保持在较低水平（水平1）而切割液施加速率保持在较高水平（水平2）时，每个脉冲输送的切割液的量如果每个脉冲输送的切削液量非常小，则切削液粒子将不具有足够的动能来穿透到刀具工作界面中并通过靠近刀具尖端的工件材料上当 脉 冲 频 率 保 持 在 1 级 （ 300 脉 冲 /min ） 和 高 水 平 （ 8ml/min）的切削液施加速率时，每个脉冲输送的切削液量将相当高，并且切削液颗粒将具有进入刀-屑界面所需的动能，从而导致更好的表5切割实验中的观察结果Exp. 号切削温度，T（°C）主切削力，F z（N）表面光洁度，R a（μm）侧面磨损，V B（mm）切屑接触长度，L（mm）R1R2Avg.R1R2Avg.R1R2Avg.R1R2Avg.R1R2Avg.1142.6144.5143.55145.82149.22147.523.453.213.330.050.070.060.040.060.052156.32150.78153.55131.66117.42124.541.721.61.660.050.030.040.030.010.023209.45215.95212.7147.91154.21151.062.433.512.970.060.040.050.030.030.034141.84144.98143.41130.2143.5136.851.221.561.390.030.030.030.020.040.035173.78167.12170.45191.25187.65189.452.673.012.840.070.070.070.090.070.086152.81144.99148.9158.29146.01152.151.921.321.620.040.060.050.070.030.057201.62215.34208.48140.31148.47144.393.12.42.750.050.070.060.030.070.058107.21105.25106.23149.02145.38147.21.981.661.820.070.090.080.040.040.049182.33188.43185.38150.29154.09152.192.462.942.70.10.080.090.030.050.0410129.3127.94128.62144.95140.01142.481.251.811.530.030.050.040.030.030.0311186.2183.44184.82150.67144.77147.723.22.762.980.050.050.050.050.030.0412120.92118.3119.61140.12133.86136.991.611.831.720.090.050.070.070.030.0513198.56184.6191.58184.74174.56179.652.763.162.960.050.030.040.090.010.0514137.22139.46138.34152.2159.81561.61.881.740.040.040.040.040.040.0415220.12223.88222148.69152.13150.412.553.112.830.040.060.050.040.060.0516105.32112.22108.77140.34145.08142.711.671.731.70.030.030.030.030.050.041194R.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）11901198阿克斯表6最佳性能的操作参数水平因子最优水平那张脸EFGH。如果k是插入件材料的导热率，A是插入件侧面的面积，x是面ABCD和EFGH之间的距离则从面ABCD传递到EFGH的热速率（Q1）由下式给出：QkATT2（一）热管阿姆斯壮 润滑，并在一定程度上增强冷却，当热管安装时（图 6（b）），设T3为表面EFGH处的平均温度。热传递速率（Q2）由下式给出：蒸发为了获得更好的切削性能，切削油的组成应保持在2级（15%油）QkAT1T（二）在刀具/切屑界面处存在的富油切削油起到了电介质的作用，防止了刀具前刀面与切屑底面之间的表面相互作用，这防止了切屑粘附到前刀面上，并改善了前刀面润滑。在此基础上，刀-屑界面处的摩擦状态由粘着变为滑动，从而导致切削力的降低。切削力的降低导致了刀具磨损的减少和表面光洁度的改善。切削温度、主切削力、表面粗糙度平均值和齿面磨损等操作参数的相对重要性分别见图5（a）结果表明，在所选择的参数中当未安装热管时（图6（a）），设T1为刀片表面ABCD处的平均切削温度，T2由于热管的存在，面EFGH将被冷却，并且因此T3< T2，并且根据等式（1）和（2），可以看出，Q2> Q1。 当更多的热量从ABCD面传递时，刀头的温度相关损坏的严重性降低，这在图中是明显的。7.第一次会议。平均切削温度被认为是加速各种形式刀具磨损的因素。因此，当以更快的速率去除工具上产生的热量时，导致不同形式的工具磨损的机制变得不那么活跃，从而导致工具磨损的减少。通过热管的存在使得从接触区快速移除热量这导致接触区的条件从粘附变为滑动。这导致减少(a)（b）第（1）款(c)（d）其他事项图五. 操作参数对（a）主切削力、（b）切削温度、（c）表面粗糙度和（d）刀具磨损的相对重要性。1601581561541521501481461441421402 8300 7005 15HP0 HP1参数水平2001901801701601501401301202 8300 7005 15HP0 HP1参数水平32.82.62.42.221.81.61.41.212 8300 7005 15HP0 HP1参数水平主切削力，Fz（N）0.070.0650.060.0550.050.0450.040.0350.032 8300 7005 15HP0 HP1参数水平表面粗糙度，Ra（µm）Flank Wear，VB（mm）切削温度，T（oC）最小切割流速，q（ml/min）8脉冲频率，F（脉冲/分钟）300最小切削液组成，C（%）15热管（HP）HP1R.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）119011981195(a) 无热管时的传热(b) 热管存在时的传热见图6。（a）没有热管时的热传递。(b)热管存在下的传热。刀具切屑接触长度和相关的主切削力减小。更好的前刀面润滑和减少刀具磨损可实现更好的表面光洁度。在表6所示的最佳参数下，将具有最小量润滑液应用的热管辅助车削的切削性能与湿式车削和具有常规的不具有热管的最小量润滑液应用的车削进行比较，并且结果示于图7（a）在湿车削过程中，在切削区以750 ml/min的速率施加切削液。在常规的和热管辅助的最小切削液应用中，以8 ml/min的速率以80巴的注射压力和300脉冲/min的脉冲频率在工具工作界面处施加在湿车削和最小切削液应用条件下均使用了15%组成（15%油+其余水）的矿物油基切削液在所有这些实验中，切削速度、进给速率和切削深度保持恒定在80 m/min、0.1mm/rev和0.1mm/rev。1.25 mm分别。发现湿车削过程中的切削性能与最小量的切削液应用有关。在最小应用期间，由于对流和蒸发热传递而发生冷却，而湿车削中的热提取仅通过对流热传递来完成。蒸发热传递通过增加切削油液滴的表面积来促进。因此，切削液的应用提供了有效的热传递，从而使切削温度比湿式车削更低。此外，在最小的切削液应用期间，切削液的高速脉冲射流可以穿透到根部以及切屑的下侧这种机制是不可能的湿车削。与传统的不使用热管的最小量切削液应用相比，观察到使用热管辅助冷却的最小量切削液应用的车削获得的切削温度降低22.27%，刀具磨损降低15.22%，主切削力降低2.94%，表面粗糙度降低0.83%。进行了刀具寿命测试，以比较干车削、湿车削、具有最少切削液应用的常规硬车削和具有最少切削液应用的热管辅助硬车削期间的切削槽磨损和表面粗糙度，并且结果示于图1A和1B中。8和9。结果发现，热管辅助硬车削与最小的润滑油的应用导致较低的磨损和较低的表面粗糙度比其他车削方法。这从图10所示的与热管一起使用和不与热管一起使用的磨损插入件的SEM照片中也是明显的。发现在存在热管的情况下，在车削过程中使用最少的润滑液时，对工具的损坏最小。当不使用热管时，刀具上存在更多的损伤，其形式为从前刀面去除涂层。热管的存在通过有效地去除切削区的热量，导致平均切削温度的总体降低。这减少了切削油的热降解，有助于保持其润滑能力。较好的前刀面润滑在热管辅助的最小润滑液应用中带来热管的存在可从切削区提取更多热量并冷却切削工具，从而减少工具磨损并改善表面光洁工具温度的整体降低有助于减少工具磨损，从而改善表面光洁度。5. 结论在目前的工作中，进行了实验研究，以量化的好处，可以通过安装热管作为性能增强剂，在硬车削过程中，最小的润滑油的应用。对干式车削、湿式车削、常规硬态切削加微量切削液、热管辅助微量切削液的切削性能进行了对比研究。根据目前的工作可以得出以下结论：1. 在硬态车削过程中，热管辅助冷却刀具可以在最少的润滑液使用量下带来2. 通过热管的存在从切削区域提取更多的热量导致平均切削温度的总体降低3. 在相同的切削条件下，与不使用热管从刀具中提取热量的常规微切削液应用相比，在微切削液应用中引入热管后，切削温度降 低了 22% ， 刀 具 磨损 降 低了 15% ， 表 面 粗糙 度 降低 了0.83%，4. 热管的设计使其可以轻松安装在刀架上，并且可以被视为正常车削操作以及遇到高切削温度的情况下的候选材料。1196R.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）119011981.281.261.241.221.21.181.16湿车削常规最小热管辅助流体应用MFA（MFA）不同冷却方式(a)（b）第（1）款(c)（d）其他事项见图7。在湿式车削、传统的最小切削液应用和具有热管辅助冷却的刀具的最小切削液应用期间，见图8。不同车削方法下的刀具箱磨损变化。150145140135130125湿车削常规最小热管辅助流体应用MFA（外交部）不同冷却方式300250200150100500湿车削常规最小热管辅助流体应用MFA（外交部）不同冷却方式0.120.10.080.060.040.020湿车削常规最小 热管辅助流体应用MFA（MFA）不同冷却方式0.220.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020050100时间（秒）150200干式车削湿式车削使用MFA热管辅助MFA车削侧面磨损（mm）主切削力（N）切削温度（°C）Flank Wear，VB（mm）R.R. Gnanadurai，A.S. Varadarajan/工程科学与技术，国际期刊19（2016）119011981197图9.第九条。不同加工条件下表面粗糙度的变化。a）无热管b）有热管见图10。 切削过程中使用的磨损刀片的SEM照片，使用最少的切削液，以及在存在热管的情况下使用最少的切削液。AC知识作者感谢Karunya大学机械科学学院设计与制造工程研究中心（CRDM）为开展这项研究工作提供了设施。作者要感谢先生。J.琼斯·罗宾先生Siva Sankaran先生。”叶天说道。他们感谢M/sTaegu Tec通过提供切削刀片来支持这项研究工作命名法MFA最小切削液应用EDM放电加工V切削速度[m/min]q切削液流速[ml/min]N脉冲频率[脉冲/分钟]p切削液压力[bar]Fz主切削力[N]T切割 温度[°C]Ra表面粗糙度[μm]VB侧面磨损[mm]Q传热速率[J/s]A传热面积[m2]导热系数[W/mK]引用[1] J.W.萨瑟兰，V.N.北卡罗来纳州库卢尔王志文，空气品质之实验研究，国立成功大学环境工程研究所硕士论文，2000。[2] M. 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