基于ABAQUS旋转热管磨具的有限元分析

周小青 孙 涛 杜冬东 马 飞

（徐州工程学院机电工程学院，江苏 徐州 221000）

众所周知，绿色制造技术是未来制造技术发展的重要组成部分。在切削和磨削过程中，切削温度是刀具和磨粒磨损的主要原因，常规的做法是在加工中使用大量的切削液降低切削温度，这就会造成环境污染，并且增加了加工成本和环境处理成本。

利用热管通过蒸发潜热快速传递热量的优点，许多学者对热管在切削刀具方面的应用方面进行了研究。T.C.Jenetal.[1]分析了热管施加到钻孔的可行性。一些关键参数是通过理论分析和实验验证，如深度和热管的直径，输入的热量，蒸发器的长度等来确定。R.L.Judd[2]和梁良[3]研究冷却热管的系统与车刀不同安装形式，例如嵌入、横向压缩和槽嵌入。刘志军[4]研究测量温度可知铣刀铣削通过基本结构优化的热管散热。这些研究成果为热管在切削过程过程中的应用提供了有效的实际参考，但均未涉及磨削的应用。

在本文中，采用旋转热管磨具解决磨削过程中的散热问题，通过旋转热管磨具的有限元分析研究，以考核旋转热管磨具工作的刚度和振动性能并避免共振，为绿色制造提供了新的技术选择和实际参考。

1 旋转热管的结构设计

如图1所示，热管磨具由尾部和磨头组成。尾部上端设计有抽真空的排气孔，下端设计有翅片。磨头圆柱外表面钎焊有CBN磨粒，为磨削工作区域，直径为30mm；磨头上表面与尾部下端定位并焊接固定。尾部上端为圆柱形状，直径为20mm，用于在铣床主轴上装夹；翅片用于提高散热面积，提高换热效率。

图1 旋转热管的结构设计

工作时，磨头圆柱外表面磨削工件，产生磨削热，热量通过磨头管壁导入到磨头内部（蒸发段），蒸发段的工作液受热蒸发，并带走热量，蒸汽向上运动到达冷凝段，在翅片的作用下加速蒸发潜热的释放，蒸汽冷凝成液体，在磨头锥度内腔的离心力作用下，液体返回到蒸发段进行周而复始的工作。

2 热管磨具的有限性分析

2.1 热管磨具的静力分析

首先，热管磨具的模型由Pro/E软件建立并导入到ABAQUS软件。其次，一些参数的定义，如作业名，标题材料模型。在这种情况下，材料模型包括：弹性模量为2E11，泊松比为0.3，而材料密度为7800。分析结果如图2和3所示。

图2 应力场分布图

图3 应力与路径的关系

2.2 热管磨具的模态分析

首先，热管磨具的模型由Pro/E软件建立并导入到ABAQUS软件。其次，一些参数的定义，如作业名，标题，材料模型。在这种情况下，材料模型包括：弹性模量为2E11，泊松比为0.3，而材料密度为7800。第三，该模型是由自动网格划分啮合。第四，负载和解决的日期，其中包括加载定义，扩展模态和模态解决。在这种情况下，热管磨具尾部被充分抑制装载定义，从而来分析的前4阶固有频率和对应的振动模式，在结束时，完整的振动模型可以通过模态扩展被观察。最后，该解决结果如图4和5所示。图5显示的热管磨具自然频率是通过ABAQUS软件处理的得出结果。图6为热管模具第1到第4阶固有振动模型结果。

图4 热管磨具的自然频率

2.3 试验结果分析

从图2中得出，在磨具切削过程中，最大弯曲应力集中在散热片处。从图3中我们可以看出，当磨具在切削过程中，所受的压应力与磨具在切削过程中的位移成正比，且其变形量很小，具有良好的刚度。

从图4和图5中可以得出，当模型刚刚进入强烈振动时，此时很弱，在较弱的振动中，每个节点的振幅和振动形状比较平稳，如图5中的（a）、（b）、（c）。 在振动中，其大部分的节点的振幅较大，从而如图5中（d）中，其出现了明显的变形。其次，当磨具的频率接近加工系统的频率，此时有可能发生共振。磨具Vmax＝2500r/min时，其最大频率为42HZ经计算。如图5所示，热管磨具在旋转磨削时，其振动频率远离自然频率。在这种情况下，其共振不易发生，所以磨具变形相对比较小，即旋转热管具有良好的稳定性。

图5 热管磨具四阶的节点位移图

3 结论

（1）由热管磨具的静力分析，表明磨削时其弯曲应力主要集中在叶片的根处，且旋转热管的变形量非常的小。

（2）热管磨具的模态分析结果表明，磨具在外力影响下，其振动频率远离自然频率，磨具变形相对比较小。

（3）设计的旋转热管磨具具有良好的刚度和稳定性，可以满足实际的加工需求。

［1］T.C.Jen,G.Gutierrez,S.Eapen,et a1.Investigation of heat pipe cooling in drilling applications.part I:preliminary numerical analysis and verification[J].International Journal ofMachineTools&Manufacture,2002,42(5):643－652.

［2］R L Judd,H S MacKenzie,M A Eibestawi.Investigation of a heat pipe cooling system for use in turning on a lathe[J].Int.J.Adv.Manuf.Techn.,1995,10(6):357－366.

［3］梁良,全燕鸣.热管刀具的设计及散热性能测试[J].华南理工大学学报:自然科学版,2012,40(5):13－17,23.

［4］刘志军,全燕鸣.热管铣刀散热基本结构的优化[J].华南理工大学学报:自然科学版,2012,40(12):47－52.