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采用旋转热管砂轮进行环保加工
摘要：随着难加工材料和缓进给磨削工艺的发展，工件和砂轮的高磨削温度引起的缺陷越来越明显。通常用于散热的冷却剂会对环境造成危害，增加加工成本。提出了一种将旋转热管与砂轮相结合的新方法，以提高砂轮接触区的传热性能。本研究以45m/s的速度，模拟研究了旋转热管砂轮在蒸发器和冷凝段的传热机理。结果表明，在此条件下会发生自然对流换热和膜状凝结现象。在不同的工作流体、热流密度和转速下，对该结构的传热和启动性能进行了研究。最后，对Inconel 718的蠕变磨削进行了实验，实验使用的是无旋转热管、无冷却剂的RHPGW和砂轮。结果表明，使用RHPGW可以使磨削温度保持在100℃以下，而且工件和砂轮的质量都优于不使用旋转热管进行磨削的质量
- 介绍
磨削是零件生产中常用的最终加工方法，具有良好的表面质量和良好的公差和粗糙度。随着钛合金、高温合金等难加工材料的广泛应用，缓进给磨削、高速磨削、高效深磨削等高效磨削工艺应运而生，以满足这些材料的加工要求。然而，高效率磨削的高比能要求会导致更大的热量产生，从而导致更高的磨削温度在接触区内，会影响磨削表面的质量，造成砂轮的磨损。因此，改善磨削工艺的主要目标是消除工件与砂轮接触区产生的热量。
许多研究致力于磨削过程中的热通量分布。计算了工件、切屑、冷却剂和砂轮之间的热能分配。对于难加工的材料，如Inconel 718，由于其导热系数较低，工件的散热性较差。此外，由于芯片能量的限制，芯片带走的热量是有限的。因此，使用冷却剂散热的方法在过去的几十年里得到了发展、改进和优化。其中的一些已经集中在几何形状和系统中喷嘴的数量而其他人已经集中在速度和冷却剂的压力。这些方法在磨削过程中产生了可观的冷却效果。然而，用于冷却和润滑机器的液体会对环境和机器操作者造成伤害，这是不符合绿色制造和可持续发展的原则的。为此，人们做了很多努力来降低加工过程中的冷却剂消耗。一个有吸引力的研究方向是对环境友好的最小润滑磨削。采用植物油作为基础油，减少了对环境的污染。最少量的润滑油先与压缩空气混合，然后蒸发并喷入研磨区，这与将冷却剂倒入研磨区相比有很多优点。
另一种冷却方法涉及降低砂轮基体的热阻，从而促进通过砂轮本身的热传递。自从20世纪40年代初被动除热的想法诞生以来，热管已经成为许多热工系统不可或缺的组成部分。无源除热装置不使用电源在源与散热器之间传递热量。在各种热管中，旋转热管是一种高效的两相传热装置，利用离心力将冷凝液从冷凝器段回流到蒸发段。与旋转热管相比，旋转热管的旋转轴是垂直或平行于(但偏移)它自己的轴。这些管道可用于旋转系统或机械的热管理，包括高速钻机、电动机和压缩机。于是提出了一种新的冷却方法，在砂轮的环形圆盘中加入旋转热管，使热管的热量通过砂轮矩阵进行散热。该方法的目标是通过改变工件、切屑和砂轮之间的热分配比，向干磨方向发展。在他的研究中，对AISI 1045钢进行了干磨，对钛合金Ti-6Al-4V进行了湿磨。结果表明，与传统的砂轮相比，采用RHPGW的砂轮在冷却方面有明显的改善。然而，对热管内的传热机理没有进行深入的研究，也没有对热管内的工作流体类型、热流密度和转速等相应参数进行优化。因此，在他的研究中还没有实现难加工材料的干磨。
本文对旋转热管砂轮的传热机理进行了分析。在RHPGW评价系统中，研究了工作流体类型、热流密度和转速等因素的影响。摘要以铬镍铁合金718为研究对象，在无旋转热管的情况下，分别进行了干式磨削和旋转热管干式磨削的对比实验。从磨削温度、工件微观组织和砂轮表面条件等方面对结果进行了比较。
- 旋转式热管砂轮
2.1RHPGW的概念
图1为RHPGW的结构，其中有磨粒的外圆磨削面为蒸发段，冷却的旋转边为冷凝器段。在磨削过程中，接触区产生的热量通过晶粒和固壁传导到液层这个矩阵。然后热量被传递到工作流体中，导致了从液体到蒸汽的相变。由于气相的压力梯度，蒸汽流到冷凝器部分，在那里冷凝，通过外部冲击冷空气射流冷却释放潜热。凝结水在离心力和逆流液汽流相互作用下回流到蒸发器，完成热力循环。
