高速干切滚齿工艺切削热传递特性及其量化分析方法研究

摘要

绿色制造是《中国制造2025》规划中重点发展的五项重大工程之一，绿色制造工艺理论、技术及装备的创新是机械工业实施绿色制造的迫切需要。齿轮是重要的机械传动基础零部件，但传统的齿轮滚切工艺大量使用切削油进行冷却润滑，导致了严重的车间环境污染和职业健康危害。高速干切滚齿技术是近年来新兴的一种绿色、高效齿轮制造工艺，受到国内外学术界和产业界的广泛关注。但高速干切滚齿加工中的切削热传递及其调控机理尚未阐明，制约了高速干切滚齿加工精度、热变形、滚刀寿命等性能指标的进一步改善。鉴于此，在国家自然科学基金项目（编号：51475058）和国家863计划课题（编号：2012AA040107）的资助下，论文较为系统地开展了高速干切滚齿工艺切削热传递特性及其量化分析方法的研究工作。
　　首先，结合滚齿多刃断续切削原理，阐述高速干切滚齿切削热产生及其在切削区传递的特征，并在此基础上建立高速干切滚齿机床空间切削热传递的三阶段过程模型。第一阶段是指材料去除过程中弹塑性变形与摩擦产生切削热及其在切削接触界面的分配过程；第二阶段是指切削热在切屑、滚刀、压缩空气、工件之间的传递过程；第三阶段是指切削热在机床切削空间的传递过程。
　　其次，基于切屑几何形谱开展切屑载热能力及滚刀温升的量化分析方法研究。针对滚齿工艺多刃断续切削加工过程中形成一系列几何形状各异的切屑的特点，结合切削比能修正方法，提出基于异构形切屑厚度和体积的高速干切滚齿工艺切削热计算模型；根据第一、第二阶段切削热传递特性，建立高速干切滚齿工艺切屑载热量和载热效率的量化分析模型，以及热传导、热对流、热辐射耦合作用下的滚刀温升时变量化分析方法。
　　第三，开展高速干切滚齿工艺切削空间热平衡模型及优化方法研究。根据切削热的第三阶段传递特性，在量化分析滚刀、切屑、工件与压缩空气、空气换流装置、机床等之间的热传递关系的基础上，建立切削空间的热平衡模型；并进一步以切削空间参考点温升极小化为优化目标，以滚刀转速、轴向进给量、空气质量流量、压缩空气温度为变量，建立切削空间温升优化模型。
　　最后，综合上述研究，以Mathematica为平台，开发高速干切滚齿工艺切削热及热平衡分析应用系统，并结合案例对该系统进行应用验证。

目录

1 绪 论

1.1 论文的选题背景

1.2 国内外相关领域的研究现状

1.3 论文研究的意义及课题来源

1.4 论文研究内容及组织框架

2 高速干切滚齿多刃断续加工切削热及其传递特性

2.1 概述

2.2 齿轮滚切工艺原理及其多刃断续切削特征

2.3 高速干切滚齿工艺切削热的生成过程

2.4 高速干切滚齿工艺切削热传递特性

2.5 本章小结

3 基于切屑形谱的切屑载热能力及滚刀温升量化分析方法

3.1 概述

3.2 基于切屑形谱的高速干切滚齿工艺切削热计算方法

3.3 高速干切滚齿工艺切屑载热能力量化分析方法

3.4 高速干切滚齿工艺滚刀温升量化分析方法

3.5 量化分析方法应用案例及实验验证

3.6 本章小结

4 高速干切滚齿工艺切削空间热平衡模型及优化方法

4.1 概述

4.2 高速干切滚齿工艺切削空间热量累积特征

4.3 高速干切滚齿工艺切削空间热平衡模型

4.4 高速干切滚齿工艺切削空间温升优化方法

4.5 优化方法应用案例及实验验证

4.6 本章小节

5 高速干切滚齿工艺切削热及热平衡分析应用系统

5.1 概述

5.2 应用系统的功能结构设计

5.3 应用系统的功能实现

5.4 应用案例

5.5 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间获授权或公开的发明专利

C. 攻读博士学位期间参加的主要科研项目

D. 攻读博士学位期间获得的奖励