CN102346160B

CN102346160B - 热管砂轮的换热效果评价装置与方法

Info

Publication number: CN102346160B
Application number: CN 201110186443
Authority: CN
Inventors: 傅玉灿; 徐九华; 赫青山; 徐鸿钧; 马可
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102346160A

Abstract

本发明提供一种结构简单、能够对热管砂轮的换热效果进行评价的装置与方法，特别适用于对不同的热管砂轮尺寸以及在不同热端与冷端条件下的热管砂轮进行换热效果评价。本发明装置主要由热管砂轮、模拟磨削弧区加热台、加热电源、测温热电偶以及冷却装置组成。所述模拟磨削弧区加热台包括支座、支撑台以及安装在支撑台上的导热组件，所述导热组件通过铜电极与所述加热电源相连接，该铜电极固定安装在支撑台上，且导热组件上连接有所述测温热电偶，同时导热组件的底面与侧面隔热设置，所述热管砂轮的外圆面为光滑面，所述冷却装置用来对热管砂轮的冷端进行冷却。

Description

热管砂轮的换热效果评价装置与方法

技术领域

本发明涉及一种热管砂轮的换热效果评价装置与方法，用于评价热管砂轮的换热效果，属于难加工材料高效磨削加工领域。

背景技术

航空制造领域现已大量使用钛合金、高温合金材料，而这些材料都属于难加工材料，以磨削加工上述材料为例，由于材料的导热性能差，往往导致磨削弧区的温度很高，易造成加工材料表面热烧伤、残余应力以及微裂纹的产生，目前常用的冷却方式是大流量高压注液冷却，但是由于磨削弧区是一个相对封闭的区域，冷却液进入弧区困难，特别是磨削弧长较长或是高速、超高速磨削条件下的冷却效果更不理想，因此，为了避免磨削高温带来的加工问题，现有技术条件对钛合金、高温合金这些难加工材料的加工效率都很低，但从更深层次分析可以发现，如何实现提高这些难加工材料的加工效率关键就在于能够有效解决材料在磨削过程中磨削弧区热量的疏导以及对磨削弧区温度的控制。

热管具有热的“超导体”的美称，具有极高的传热效率，以常温热管（0℃～250℃）为例，其传热率可以是铜的几十甚至1000倍，基于热管这一优异特点，热管已在机械加工领域（如车削、钻削）有过实际应用的报道，在近几年，磨削加工方面也出现了使用热管的相关报道，它们都是利用工具自身的热管迅速将磨削弧区中产生的热量传导出去，从而达到降低磨削弧区温度，进一步实现提高钛合金等难加工材料加工效率的目的。

由于热管砂轮的换热效率受热管砂轮结构、抽真空效果、工质性质与工质注入量、砂轮转速、热管砂轮的热端与冷端状况等诸多因素的影响，且会在一定范围内发生变化，因此，如何准确评价一个热管砂轮的换热能力大小以及达到最大换热效率时的临界条件，从而为热管砂轮在实际磨削加工材料时磨削工艺的确定提供依据有着非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单、能够对热管砂轮的换热效果进行评价的装置与方法，特别适用于对不同的热管砂轮尺寸以及在不同热端和冷端条件下的热管砂轮进行换热效果评价。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种用于热管砂轮的换热效果评价装置，该装置主要由热管砂轮、模拟磨削弧区加热台、加热电源、测温热电偶以及冷却装置组成。所述模拟磨削弧区加热台包括支座、支撑台以及安装在支撑台上的导热组件，所述导热组件通过铜电极与所述加热电源相连接，所述铜电极固定安装在支撑台上，且导热组件上连接有所述测温热电偶，同时导热组件的底面与侧面隔热设置；所述热管砂轮的外圆面为光滑面；所述冷却装置用来对热管砂轮的冷端进行冷却。

所述热管砂轮的直径范围在Φ200mm～Φ400mm，砂轮外圆面宽10mm～27mm，且热管砂轮的外圆面为光滑面，表面粗糙度Ra小于1.6μm。

所述支座包括底板以及分别固定安装在底板两端的两支柱，该两支柱相对地开设一组纵向滑槽，并于每一个滑槽内安置一块导向滑块；所述支撑台包括胶木块，所述胶木块的两端分别与两纵向滑槽内的导向滑块固定连接，且胶木块的上端面开设有凹槽，所述导热组件安装固定在凹槽内，且导热组件与胶木块的纵轴线同轴设置，而铜电极分设在导热组件的两侧，同时，铜电极以及导热组件两者的上端面连线处于同一水平线；另外，所述导热组件底面和侧面充填有莫来石；所述胶木块的底面与支座的底板之间设置有弹簧片。

所述导热组件包括紫铜块以及压设在紫铜块与莫来石之间的Ni-Cr合金片，所述Ni-Cr合金片的两端分别压设在铜电极下，Ni-Cr合金片与紫铜块之间还铺设有一层金刚石微粉，厚度0.1mm～0.2mm；所述紫铜块覆盖在Ni-Cr合金片上，且紫铜块的上表面为圆弧面，粗糙度Ra小于1.6μm，该圆弧面曲率半径与热管砂轮外圆面的曲率半径一致，且两面通过研磨后能够实现贴合。

所述加热电源采用直流电源，功率0～25KW，通过模拟磨削弧区加热台能够向热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域提供0～60W/mm²的热流密度，而所述热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域为热管砂轮的热端。

所述测温热电偶的测量点穿过导热组件两侧面莫来石上所开设的通孔后与紫铜块的两侧面相触，测量点设置在热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域，且在紫铜块圆弧面的最低处位置。

所述冷却装置包括冷风发生装置以及冷风管，冷风管喷嘴出口面向热管砂轮的冷端表面，位置在热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的上方。

本发明的另一个技术目的是采用上述热管砂轮换热效果评价装置进行评价热管砂轮换热效果的方法，包括以下步骤：

首先，把模拟磨削弧区加热台固定在磨床工作台上，通过位置调节后将旋转的热管砂轮外圆面与模拟磨削弧区加热台中导热组件里的紫铜块圆弧面进行贴合；

其次，使用冷却装置对热管砂轮的冷端表面进行冷却；

然后，加热导热组件，并由加热电源加载的功率控制热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的热流密度q，同时通过测温热电偶获得上述接触区域处于稳态时的温度T；

最后，得到热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域在不同热流密度q下与测温热电偶测得上述接触区域在处于稳态时的温度T之间的q-T曲线。若在大热流密度输入下，热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域温度越低，说明热管砂轮的换热效果越好，即q-T曲线斜率越大，热管砂轮的换热效果越好。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、本发明所述热管砂轮的换热效果评价装置，可以向所述热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域提供一个能够模拟实际磨削弧区热量产生的稳态面热源，热流密度为0～60W/mm²；同时，所述冷却装置的冷却能力可以进行调节。

2、所述发明装置中的导热组件底面和侧面进行隔热设置，加热时可以实现热量的一维传递；另外，所述胶木块的底面与支座的底板之间设置有弹簧片，保证了所述热管砂轮在旋转时能够与所述紫铜块始终处于贴合状态。

3、通过本发明所述热管砂轮的换热效果评价装置与方法，可实现对不同尺寸的热管砂轮进行换热效果评价。

因此，本发明装置结构简单、能够对热管砂轮的换热效果进行评价，特别适用于对不同的热管砂轮尺寸以及在不同热端与冷端条件下的热管砂轮进行换热效果评价。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是模拟磨削弧区加热台结构；

图3是图2的俯视图；

图4是测温热电偶测温点示意图；

图5是本发明q-T之间的对应关系图。

图中各标号的名称：加热电源1；磨床工作台2；模拟磨削弧区加热台3；热管砂轮4；冷却装置5；支座6；导向滑块7；胶木块8；铜电极9；Ni-Cr合金片10；紫铜块11；金刚石微粉层12；莫来石13；弹簧片14；测温热电偶15。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明内容作详细的描述。

如图1至图4所示，本发明所述热管砂轮的换热效果评价装置，用于评价热管砂轮的换热效果。将模拟磨削时加热台3固定在磨床的工作台2上，所述模拟磨削弧区加热台3包括支座6、支撑台以及安装在支撑台上的导热组件，其中支座6又包括底板以及分别固定安装在底板两端的两支柱，该两支柱相对地开设一组纵向滑槽，并于每一个滑槽内安置一块导向滑块7；所述导热组件通过铜电极9与加热电源1相连接，且加热电源1采用直流电源，功率为0～25KW，所述铜电极9固定安装在所述支撑台上，且导热组件与测温热电偶15连接；所述支撑台包括胶木块8，胶木块8的两端分别与两纵向滑槽内的导向滑块7固定连接，且胶木块8的上端面开设有凹槽，所述导热组件通过两端的螺钉固定在凹槽内，且导热组件与胶木块的纵轴线同轴设置，而铜电极9分设在导热组件的两侧，同时，铜电极9以及导热组件两者的上端面连线处于同一水平线；所述导热组件的底面与侧面有隔热设置，充填有莫来石13，使得导热组件产生的热量向着热管砂轮3方向实现一维传递；所述导热组件包括紫铜块以及压设在紫铜块11与莫来石13之间的Ni-Cr合金片10，该Ni-Cr合金片10的两端分别压设在铜电极9下，Ni-Cr合金片10与紫铜块11之间还铺设有一金刚石微粉层12，厚度0.1mm～0.2mm，用来保证两者之间绝缘，且导热组件的热阻最小；紫铜块11覆盖在Ni-Cr合金片10上，且紫铜块11的上表面为圆弧面，粗糙度Ra小于1.6μm，该圆弧面曲率半径与热管砂轮4外圆面（热管砂轮外圆面为光滑面，粗糙度Ra小于1.6μm）的曲率半径一致，且两面通过研磨后能够实现贴合，胶木块8的底面与支座的底板之间设置有弹簧片14，使得所述热管砂轮4与紫铜块11在贴合后带有一定的柔性，并保证热管砂轮4在旋转时两者能够始终处于贴合状态；同时，所述Ni-Cr合金片10的厚度0.1mm～0.5mm，宽度10mm～25mm，长度50mm～130mm，所述紫铜块11宽度10mm～25mm，长度40 mm～100mm，圆弧面弧长20mm～80mm，且所述热管砂轮外圆面与紫铜块在贴合时的接触区域面积在200mm²～2000mm²，另外，所述热管砂轮4直径范围为Φ200mm～Φ400mm，砂轮外圆面宽度10mm～27mm。

通过所述模拟磨削弧区加热台、铜电极以及直流电源，可以实现向热管砂轮外圆面提供一个稳态面热源，该面热源能够向热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域提供0～60W/mm²的热流密度，且所述热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域为热管砂轮的热端。

所述测温热电偶15为一对标准Ni-Cr/Ni-Si热电偶丝，测量点穿过导热组件两侧面莫来石上所开设的通孔后与紫铜块11的两侧面相触，其中一侧面与Ni-Cr丝相触，相对的侧面与Ni-Si丝相触，其测量点设置在热管砂轮外圆面与紫铜块的接触区域，且都在紫铜块圆弧面的最低处位置，从而可以测得热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域在最低处位置的平均温度。

所述冷却装置5包括冷风发生装置和冷风管，所述冷风发生装置安装在磨床工作台2上，冷风管延伸至热管砂轮的冷端，位置在热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的上方，且喷嘴出口面向热管砂轮的冷端表面，冷风管喷嘴的出口形状为矩形，同时冷风管在砂轮两侧同时布置，另外，喷嘴的出口面积20mm²～80mm²，冷风出口速度50m/s～250m/s，冷风出口温度-30℃～0℃，冷风管喷嘴出口距离热管砂轮的冷端表面的距离为2mm～8mm。

本发明的另一个技术目的是提供一种采用上述热管砂轮的换热效果评价装置进行评价热管砂轮换热效果的方法，包括以下步骤：首先，首先，把模拟磨削弧区加热台固定在磨床工作台上，通过位置调节后将旋转的热管砂轮外圆面与模拟磨削弧区加热台中导热组件里的紫铜块圆弧面进行贴合，为了提高测试精度，热管砂轮外圆面与紫铜块圆弧面可以尽可能的完全紧密贴合；其次，使用冷却装置对热管砂轮的冷端表面进行冷却；然后，加热导热组件，并由加热电源加载的功率控制热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的热流密度q，同时通过测温热电偶获得上述接触区域处于稳态时的温度T；最后，得到热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域在不同热流密度q下与测温热电偶测得上述接触区域在处于稳态时的温度T之间的q-T曲线，见图5。

q的计算方法为：

所述Ni-Cr合金片的有效加热面积的计算方法：

（Ni-Cr合金片长度—与电极接触长度）×Ni-Cr合金片宽度。

比如，Ni-Cr合金片长度为110mm，宽度20mm，压在两端铜电极下的Ni-Cr合金片长度各为5mm，那么Ni-Cr合金片的有效加热面长为100mm，而有效加热面积为2000mm²。

T的温度为：热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域在不同热流密度下达到稳态时的温度。

热管砂轮换热效果的评价方法为：若在大热流密度输入下，热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域温度越低，说明热管砂轮的换热效果越好，即q-T曲线斜率越大，热管砂轮的换热效果越好。

Claims

1.一种热管砂轮的换热效果评价装置，用于评价热管砂轮的换热效果，其特征在于：该装置主要由热管砂轮、模拟磨削弧区加热台、加热电源、测温热电偶以及冷却装置组成，所述模拟磨削弧区加热台包括支座、支撑台以及安装在支撑台上的导热组件，所述导热组件通过铜电极与所述加热电源相连接，所述铜电极固定安装在支撑台上，且导热组件上连接有所述测温热电偶，同时导热组件的底面与侧面隔热设置；所述热管砂轮的外圆面为光滑面；所述冷却装置用来对热管砂轮的冷端进行冷却；所述支座包括底板以及分别固定安装在底板两端的两支柱，该两支柱相对地开设一组纵向滑槽，并于每一个滑槽内安置一块导向滑块；所述支撑台包括胶木块，所述胶木块的两端分别与两纵向滑槽内的导向滑块固定连接，且胶木块的上端面开设有凹槽，所述导热组件安装固定在凹槽内，且导热组件与胶木块的纵轴线同轴设置，而铜电极分设在导热组件的两侧，同时，铜电极以及导热组件两者的上端面连线处于同一水平线。

2.根据权利要求1所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述热管砂轮的外圆面为光滑面，表面粗糙度Ra小于1.6μm，热管砂轮的直径范围在Φ200mm～Φ400mm，砂轮外圆面宽10mm～27mm。

3.根据权利要求1所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述导热组件底面和侧面充填有莫来石；所述胶木块的底面与支座的底板之间设置有弹簧片。

4.根据权利要求3所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述导热组件包括紫铜块以及压设在紫铜块与莫来石之间的Ni-Cr合金片，所述Ni-Cr合金片的两端分别压设在铜电极下，所述紫铜块覆盖在Ni-Cr合金片上，且紫铜块的上表面为圆弧面，粗糙度Ra小于1.6μm，该圆弧面曲率半径与热管砂轮外圆面的曲率半径一致，且两面通过研磨后能够实现贴合。

5.根据权利要求4所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述Ni-Cr合金片与紫铜块之间还铺设有一层金刚石微粉，厚度0.1mm～0.2mm。

6.根据权利要求3所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述测温热电偶的测量点穿过导热组件两侧面莫来石上所开设的通孔后与紫铜块的两侧面相触，测量点设置在热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域，且在紫铜块圆弧面的最低处位置。

7.根据权利要求1所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述加热电源采用直流电源，功率0～25KW，通过所述模拟磨削弧区加热台能够向热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域提供0～60W/mm²的热流密度。

8.根据权利要求1所述热管砂轮的换热效果评价装置，其特征在于：所述冷却装置包括冷风发生装置以及冷风管，冷风管喷嘴出口面向热管砂轮的冷端表面，位置在热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的上方。

9.一种采用权利要求1所述热管砂轮的换热效果评价装置进行评价热管砂轮换热效果的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先，把模拟磨削弧区加热台固定在磨床工作台上，通过位置调节后将旋转的热管砂轮外圆面与模拟磨削弧区加热台中导热组件里的紫铜块圆弧面进行贴合；其次，使用冷却装置对热管砂轮的冷端表面进行冷却；然后，加热导热组件，并由加热电源加载的功率控制热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域的热流密度q，同时通过测温热电偶获得上述接触区域处于稳态时的温度T；最后，得到热管砂轮外圆面与紫铜块接触区域在不同热流密度q下与测温热电偶测得上述接触区域在处于稳态时的温度T之间的q-T曲线。