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低温喷雾射流冷却技术及其在钛合金机械加工中的应用

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在难加工材料的加工过程中，由于所消耗的能量大部分以热能的形式积聚在加工区，若不能及时将这些热量疏导出去，将导致加工区温度的急剧升高，并很快造成工具的失效或零件的报废。为达到及时冷却的目的，加工过程中使用的冷却液用量也越来越大，但能够进入到加工区并真正起到换热作用的冷却液仅占极小的比例，这样既无法满足加工中冷却的实际需要又有悖于绿色环保的要求。而现有的绿色冷却技术由于各自的局限性，均无法从根本上解决加工区的换热问题，这在难加工材料的加工中表现尤为明显。本文从这种现状出发，基于绿色制造的理念，提出了一项可望从根本上解决加工区换热问题的独创构想——关于低温喷雾射流冲击强化换热的构想。该项构想的核心是凭借低温喷雾射流冲击集低温气、液两相强对流、射流冲击和充分汽化三重强化的换热优势，充分发挥冷却介质的换热潜力以获得最佳的强化换热效果。围绕此构想，本文主要完成了以下几项工作： 1、研制了一套低温喷雾射流冷却装置，该装置通过低温气体与少量冷却液混合可产生低温喷雾射流。然后以此装置为基础建立了传热实验平台，通过该平台可完成瞬态和稳态传热实验。 2、测定了不同工况条件下的气液流量、喷雾温度、射流速度以及雾滴平均粒径等参数，并对低温喷雾射流参数进行了优化匹配组合，为下一步的传热实验研究提供科学依据。测量结果表明，采用Ф1.2mm喷口时不仅消耗的水量较少，而且可以获得较优的喷雾射流参数，在气压0.5MPa和水压0.4MPa的工况条件下，10~40mm靶距的喷雾射流速度均可控制在150m/s以上，最高可达280m/s，雾滴平均粒径也可控制在20μm以内。 3、完成了低温喷雾射流的传热学基础实验研究。通过瞬态和稳态传热实验，获得了不同工况条件下的表征低温喷雾射流换热效率的临界热流密度和传热系数。实验结果显示，相对于池内饱和沸腾的情况，低温喷雾射流冷却的临界热流密度和换热系数可分别提高近70倍和25倍。而与低温冷风射流和浇注冷却对比结果表明，其临界热流密度相当于浇注冷却1.7倍，相当于低温冷风射流最高表面热流密度的10倍以上，其换热系数分别相当于浇注冷却和低温冷风射流的近3倍和22倍以上。 4、完成了低温喷雾射流冷却条件下的钛合金车削加工试验及切削刀具温度场仿真。通过对不同冷却方式下的加工效果对比研究发现，相对于其它两种冷却方式，低温喷雾射流具有更强的换热能力，可以更有效地降低切削区温度，提高刀具寿命，获得较好的表面粗糙度及断屑效果，初步验证了低温喷雾射流冷却技术在切削加工中的冷却效果。而切削刀具温度场的仿真结果也表现出与试验结果较好的一致性，这从另一方面确证了低温喷雾射流冷却技术的强大换热优势。 5、最后将低温喷雾射流冷却方式应用于钛合金磨削和高速铣削加工中，通过与其它两种冷却方式的加工效果对比发现，低温喷雾射流均表现出较强的换热优势，可获得更好的加工效果，这进一步确证了其在难加工材料高效加工中的巨大应用潜力。

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