CN103537737A - 基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种对环境友好的、在钻削，尤其是高速钻削，加工条件下，能显著提高标准直柄麻花钻耐用度的基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，本方法引入热管理论及技术，利用热管相变传热特性，不采用切削液，借助热管快速降低麻花钻主刀刃、横刃部位的切削温度，以减缓麻花钻上述区域磨损程度，达到提高麻花钻使用寿命的目的。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，且采用热管技术比切削液环保，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。

Description

基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法
技术领域
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麻花钻使用寿命的方法。
背景技术
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，使刀具提前发生失效。
钻削加工属于半封闭式加工，切削时，麻花钻既做主运动，又做进给运动，因而产生的切削热多且不易散发。这样，大量的切削热积聚在麻花钻的切削部位一横刃、主切削刃区域，进而加快了切削部位的磨损失效，因此快速、有效地传出切削热对保证麻花钻耐用度，获得零部件必要的加工精度非常重要。
目前国内外常用切削液来降低麻花钻的切削温度，但对钻削加工来说，切削液会致使切屑流入工件内，如孔的内表面，造成工件制造精度降低；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 ManufacturingTechnology》的Investigation of dry machining with embedded heat pipe cooling byfinite element analysis and experiments和An Investigation of a Heat Pipe CoolingSystem for Use Turning on 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，但在钻削加工领域，迄今为止，尚未见任何专利出现。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，以解决上述背景技术中的问题。
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麻花钻使用寿命的方法，包括麻花钻，所述麻花钻包括：热管、麻花钻体、麻花钻柄部、麻花钻主刀刃、横刃，所述麻花钻体包括：麻花钻切削部分、麻花钻导向部分和麻花钻柄部，其中麻花钻切削部分包括麻花钻横刃、主切削刃和副切削刃，所述麻花钻体一端为麻花钻柄部、另一端为麻花钻切削部分，热管以平行于麻花钻体轴线的方向，从麻花钻柄部植入麻花钻内，并接近麻花钻主刀刃、横刃区域，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；所述热管植入麻花钻内，热管的蒸发段接近麻花钻主切削刃和横刃区域，冷凝段接近麻花钻柄部；麻花钻主切削刃和横刃区域产生的切削热量，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麻花钻的主切削刃和横刃区域传入热管蒸发段，传向冷凝段，降低麻花钻切削温度。
进一步地，所述麻花钻为直径为3、3.5、6、10、20mm的标准直柄麻花钻，材料为高速钢。
进一步地，所述热管为碳钢-水热管。
进一步地，所述冷凝段的外端与麻花钻的柄部等平面。
进一步地，所述麻花钻内装有热管的孔的直径等于使用的热管直径加0.6～1.2mm。
优选地，所述麻花钻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。
进一步地，所述麻花钻均匀缓慢加热到316℃，以保证液态锡材料能分布均匀在新型麻花钻和热管之间。
优选地，所述热管内部使用的吸液芯材料为碳钢。
优选地，所述端铣刀头每齿进给量Sz＝0.12～0.13mm/z，使用时铣床主轴转速n＝400～600rpm。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1、热管相变传热方法比切削液具有较高的传热效率。
2、采用热管技术降低麻花钻切削温度比切削液环保，且对操作人员无人身伤害。
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。
附图说明
图1a为本发明的一具体实施例结构示意图。
图1b为本发明的一具体实施例麻花钻头示意图
图2为本发明的原理结构示意图。
图3为本发明实施例1中不同使用条件下麻花钻后刀面的磨损状况示意图。
图4为本发明实施例2中不同使用条件下麻花钻使用寿命示意图。
图5为本发明实施例3中不同使用条件下麻花钻加工温度随时间变化示意图。
图中1、热管；2、麻花钻体；3、麻花钻柄部；4、麻花钻主刀刃；5、横刃；6、蒸发段；7、接触热阻；8、冷凝段。
具体实施方式
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。
如图1a、图1b、图2所示，基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，包括麻花钻，所述麻花钻包括：热管1、麻花钻体2、麻花钻柄部3、麻花钻主刀刃4、横刃5，所述麻花钻体2一端为麻花钻柄部3、另一端为麻花钻主刀刃4、横刃5，热管1以平行于麻花钻体2轴线的方向，从麻花钻柄部3植入麻花钻内，并接近麻花钻主刀刃4、横刃5，所述热管1内填充有吸液芯，所述热管1冷凝段8与端铣刀柄共平面；所述热管1植入麻花钻内，热管1的蒸发段6接近麻花钻主切削刃和横刃5区域，冷凝段8接近麻花钻柄部3；麻花钻主切削刃和横刃5区域产生的切削热量，在热管1壁和热管1内部浸满工质的吸液芯的热传导作用下，进入到热管1的蒸发段6，使得蒸发段6部位的工质温度升高，热管1管内空间处于负压状态；随着吸收热量增多，蒸发段6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1的冷凝段8，并向外界释放出热量且凝结成液体；该液体工质在热管1内部贴壁金属网丝毛细抽吸力的作用下返回到蒸发段6，并再次受热汽化；如此反复循环，连续不断地将切削热量从麻花钻的主切削刃和横刃5区域传入热管1蒸发段6，传向冷凝段8，降低麻花钻切削温度。
进一步地，所述麻花钻为直径为3mm的标准直柄麻花钻，材料为高速钢。
进一步地，所述热管1为碳钢-水热管1。
进一步地，所述冷凝段8的外端与麻花钻的柄部等平面。
进一步地，所述麻花钻内装入热管1的孔的直径等于使用的热管1直径加1.0mm。
优选地，所述麻花钻内植入热管1的孔的孔壁与热管1管壁之间设有接触热阻7，接触热阻7的材料为固态锡。
进一步地，所述麻花钻缓慢加热到316℃，以保证液态锡材料能分布均匀在新型端铣刀和热管1之间。
优选地，所述热管1内部使用的吸液芯材料为碳钢。
优选地，所述端铣刀头每齿进给量Sz＝0.127mm/r，使用时铣床主轴转速n＝500rpm。
首先，沿着麻花钻轴线的方向加工出一定长度的中心孔，中心孔的直径比嵌入此麻花钻内的热管1的直径略大，且中心孔的前端离麻花钻钻头有适当的距离；其次，清洗带有中心孔的麻花钻，并在中心孔内注入少许的固态锡材料；然后，均匀加热麻花钻至适当温度，待锡材料溶化成液态后，将预先选定好的碳钢-水热管1插入中心孔内；接着，对热管1进行封装并焊接其柄部加固，检验其密封性；垂直上下串动带有热管1的麻花钻，进一步判断植入热管1性能的有效性；最后，对带有热管1的麻花钻钻头部位，再进行均匀加热至适当温度，以获得热管1与麻花钻间较小的热阻。
实施例1
如图3所示，不同使用条件下麻花钻后刀面的磨损状况示意图，其中：实验测量使用的麻花钻直径为3mm；CF-Block(1-3)分别表示：使用切削液时，本发明麻花钻后刀面的磨损状况示意图；HF-Block(1-3)分别表示：使用热管1时，本发明麻花钻后刀面的磨损状况示意图；Block(1-3)表示：实验测量使用的3块工件。
测量结果表明：在相同的加工条件下，使用热管1的麻花钻后刀面磨损状况比使用切削液的麻花钻后刀面磨损状况要轻。
另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
实施例2
如图4所示，不同使用条件下麻花钻使用寿命示意图，其中：实验测量使用的麻花钻直径为10mm；SD表示：不使用切削液和热管1的情形；CF表示：使用切削液的情形；HF表示：使用热管1的情形。
测量结果表明：在相同的加工条件下，使用热管1冷却的麻花钻的寿命比使用切削液的麻花钻的寿命要长。
另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
实施例3
如图5所示，不同使用条件下麻花钻加工温度随时间变化示意图，其中：实验测量使用的麻花钻直径为20mm；SD表示：不使用切削液和热管1的情形；CF表示：使用切削液的情形；HF表示：使用热管1的情形；下标1、2分别表示不同冷却条件下，麻花钻的数目。
测量结果表明：在相同加工条件下，使用热管1冷却时的麻花钻切削部位温度比使用切削液时的麻花钻切削部位温度低。
另外，本实验采用的切削液是制造业常用的切削油液。
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。

Claims (9)

1.一种基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，包括麻花钻，其特征在于：所述麻花钻包括：热管、麻花钻体，所述麻花钻体包括：麻花钻切削部分、麻花钻导向部分和麻花钻柄部，其中麻花钻切削部分包括麻花钻横刃、主切削刃和副切削刃，所述麻花钻体一端为麻花钻柄部、另一端为麻花钻切削部分，热管以平行于麻花钻体轴线的方向，从麻花钻柄部植入麻花钻内，并接近麻花钻主刀刃、横刃区域，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；所述热管植入麻花钻内，热管的蒸发段接近麻花钻主切削刃和横刃区域，冷凝段接近麻花钻柄部；麻花钻主切削刃和横刃区域产生的切削热量，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麻花钻的主切削刃和横刃区域传入热管蒸发段，传向冷凝段，降低麻花钻切削温度。
2.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述麻花钻为直径为3、3.5、6、10、20mm的标准直柄麻花钻，材料为高速钢。
3.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，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麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述冷凝段的外端与麻花钻的柄部等平面。
5.根据权利要求1所述的基于热管相变的提高麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述麻花钻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麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述麻花钻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麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述麻花钻均匀缓慢加热到316℃，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麻花钻使用寿命的方法，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麻花钻使用寿命的方法，其特征在于：所述端铣刀头每齿进给量Sz＝0.12～0.13mm/z，使用时铣床主轴转速n＝400～600rpm。
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