CN103962593B - 一种自冷却切削刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自冷却切削刀具，在刀柄上装有刀片，在刀片的正下方放置自冷却刀具垫片，并通过刀片压紧件压紧，所述的自冷却刀具垫片是在刀具垫片上开有散热孔，在散热孔中填充有传热材料。本发明的优点表现在：1刀具垫片采用散热结构拓扑优化技术进行开孔处理，且刀具垫片开孔处采用传热材料进行填充，使垫片本身具有很强的散热能力。2刀具垫片跟刀片直接接触，不与刀杆等刀具系统接触，可减少因刀具系统热涨而引起的加工误差；且刀具垫片的上表面跟刀片的下表面完全接触，可将刀片上的热量迅速的传递到刀具垫片上，并通过刀具垫片的散热，以降低刀片的温度，延长刀具的使用寿命。3可有效改善干切削中刀具的冷却条件，且换刀方便，可广泛应用于干切削加工，尤其是切削温度高的难加工材料的干切削加工。

Description

一种自冷却切削刀具
技术领域
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种自冷却切削刀具。
背景技术
切削加工目前仍然是机械制造业中一种主要的成型工艺方法。如今，在全球环保意识不断增强与环保立法日益严格的大趋势下，干切削加工技术的研究和应用被不断扩大。但是，干切削加工过程中，由于没有切削液的润滑和冷却作用，刀具与切屑、工件之间的摩擦异常剧烈，切削力增大，切削热激增且散失困难，切削温度急剧升高，容易导致切削刀具使用寿命的下降以及加工工件表面质量的恶化。另外，如果大量切削热通过刀片向刀柄等刀具系统传递，将会导致因刀具系统热涨而产生的加工误差。切削热的产生不可避免，切削过程中如何加速切削热消散以避免切削区域过热，是保证工件加工质量和刀具工作寿命的重要问题。
近年来，为了替代使用切削液浇注的冷却方式，相继出现了最小量润滑MQL、喷雾冷却及低温风冷冷却、气体氛围冷却及水蒸气冷却、固体润滑剂冷却及液氮冷却等冷却技术。虽然国内外学者都在努力研究无污染的绿色切削技术，无论是MQL技术，还是液氮冷却及冷风冷却等都各有特点且在某些领域取得了成功，但也有局限性。例如采用MQL技术时，会产生大量可被人体吸入的油雾，影响工人的身心健康。还有液氮冷却和冷风冷却的加工方法都面临切削过程中润滑性差的问题。因此对于多数材料和加工方式而言，这些冷却技术目前还没在生产中得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，改进刀具进行干切削加工时的冷却效果，提供一种自冷却切削刀具。
本发明的技术方案是，一种自冷却切削刀具，在刀柄上装有刀片，在刀片的正下方放置自冷却刀具垫片，并通过刀片压紧件压紧，所述的自冷却刀具垫 片是在刀具垫片上开有散热孔，在散热孔中填充有传热材料。
刀具垫片上的散热孔通过采用散热结构拓扑优化技术，进行切削条件下的开孔设计，确定刀具垫片的开孔尺寸及排布位置。
散热孔相互连通。
传热材料为金属Cu。
本发明将拓扑优化技术引入刀具自冷却，对刀具垫片进行散热结构拓扑优化，使其达到最佳散热效果和结构强度。相对于现有的技术，本发明的优点表现在：1刀具垫片采用散热结构拓扑优化技术进行开孔处理，且刀具垫片开孔处采用传热材料进行填充，使垫片本身具有很强的散热能力。刀具切削时所产生的热量经刀片迅速传递到刀具垫片上，刀具垫片将热量散发到周围环境。2刀具垫片跟刀片直接接触，不与刀杆等刀具系统接触，可减少因刀具系统热涨而引起的加工误差；且刀具垫片的上表面跟刀片的下表面完全接触，可将刀片上的热量迅速的传递到刀具垫片上，并通过刀具垫片的散热，以降低刀片的温度，延长刀具的使用寿命。3该方法不需要借助外部流动介质及辅助设备，因此将会节约这些辅助设备的昂贵开支以及外来的冷却介质的使用和处理费用。本发明的一种自冷却切削刀具可有效改善干切削中刀具的冷却条件，且换刀方便，可广泛应用于干切削加工，尤其是切削温度高的难加工材料的干切削加工。
附图说明
图1是本发明立体图。
图2是本发明通过采用散热结构拓扑优化技术在在刀具垫片上开的散热孔的刀具垫片立体图。
图3是图2的A-A剖面立体图。
图4是图2的A-A剖面俯视图。
图5是本发明在散热孔中填充有传热材料的刀具垫片立体图。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种自冷却切削刀具，在刀柄1上装有刀片2，在刀片2的正下方放置自冷却刀具垫片，并通过刀片压紧件4压紧，所述的自冷却刀具垫片是在刀具垫片3上开有散热孔5；在散热孔5中填充有传热材料6；刀具垫片3上的散热孔5通过采用散热结构拓扑优化技术，进行切削 条件下的开孔设计，确定散热孔5的开孔尺寸及排布位置，散热孔5相互连通；传热材料6为金属Cu。
散热结构拓扑优化技术对刀具垫片散热孔在切削条件下的开孔设计如下：
1、以刀具垫片体积为约束，以最小势能耗散为优化目标，以单元的相对热传导率为设计变量，建立刀具垫片热传导的拓扑优化有限元模型。
2、定义优化参数及初始单元密度，建立拓扑优化过程中新空洞边界的判断策略和复杂边界条件的自适应处理方法，以投影梯度和进化法进行优化计算，计算目标函数敏度及约束函数敏度，得到三类边界条件下的刀具垫片两相材料的优化拓扑结构。
3、根据拓扑优化结果，确定刀具垫片的开孔尺寸及排布位置，得到初步设计完成的刀具垫片散热结构。
4、对初步设计完成的刀具垫片散热结构进行强度和刚度校核，根据校核结果，对初步设计的刀具垫片散热结构进行调整，获得具有承受刀片切削载荷强度的最终散热结构形式。

Claims (1)

1.一种自冷却切削刀具，在刀柄(1)上装有刀片(2)，其特征在于：在刀片(2)的正下方放置自冷却刀具垫片，并通过刀片压紧件(4)压紧，所述的自冷却刀具垫片是在刀具垫片(3)上开有散热孔(5)，在散热孔(5)中填充有传热材料(6)；刀具垫片(3)上的散热孔(5)通过采用散热结构拓扑优化技术，进行切削条件下的开孔设计，确定散热孔(5)的开孔尺寸及排布位置；散热孔(5)相互连通；传热材料(6)为金属Cu。
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