CA10B前刹车调整臂外壳设计说明书 - 图文

毕业设计（论文）任务书

专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓名 下发日期 题目 专题 前刹车调整臂外壳加工工艺规程及专用夹具设计 1. 设计CA10B前刹车调整臂外壳加工工艺设计 2. Ф60孔及端面加工车床夹具设计, Ф13.8和Ф16沉孔加工钻床夹具设计 要求： 在指导老师的帮助下，根据设计任务，合理安排时间和进度，认真地、有计划地按时完成任务，培养良好的工作作风。工艺规程设计应该注意理论和实践的结合满足加工质量，生产率，经济性要求，机床夹具设计方案应该合理。计算步骤清晰，计算结果正确；设计制图符合国家标准；使用计算机绘图；说明书要求文字通顺，语言简练，图示清晰。 主要内容： （1） 确定生产类型，对零件进行工艺分析。 （2） 选择毛坯种类及其制造方法，绘制零件—毛坯图。 （3） 拟定零件的加工工艺过程，选择各工序的加工设备和工艺装备，确定各工序切削用量，计算工序的工时定额。 （4） 填写工艺文件： 工艺过程卡片，工序卡片。 （5） 设计指定工序的专用夹具，绘制装配总图和主要零件图。 （6） 撰写毕业设计说明书。 任务内容： 设计说明书不少于45页，查阅文献10篇以上，翻译英文资料，译文数量不少于5000字，绘制图纸折合总量不少于两张半的A0。 主 要 内 容 及 要 求 主要技 术参数 该零件图一张，年生产纲领8000件，每日一班。 进 度 及 完 成 日 期 3月8 日—3月19日 ：实习 二周 3月22日—3月26日 ：绘制被加工零件图和毛坯图 一周 3月29日—4月9 日 ：绘制加工工艺路线，编制工艺卡 二周 4月12日—4月23日 ：进行设计和计算 二周 4月26日—5月14日 ：设计夹具装配图 三周 5月17日—5月28日 ：设计夹具的零件图 二周 5月31日—6月4 日 ：翻译英文资料 一周 6月7 日—6月11日 ：编制和整理设计计算说明书 一周 6月14日—6月18日 ：机动 一周 6月21日—6月25日 ：准备答辩和答辩 一周 教学院长签字 指导教师签字 教研室主任签字 日 期 指导教师签字 日 期 工艺卡片（10张） 工艺过程卡片 以上为全套 说明书未完全，想要完整版的请联系： QQ：2919550449 同时可免费帮您详细讲解一下答辩所需的问题以及主要提问的钻床与车床的工作原理 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 评 定 成 绩 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字

摘要

调整臂外壳的加工工艺及专用夹具设计，考虑到零件在机床运行过程中所受冲击不大，零件结构又比较简单，故选择铸造。调整臂外壳的主要加工面是调整臂的几个端面、方槽和孔，由于面的加工精度要比孔的加工精度容易保证。因此，采用先面后孔的原则，以保证加工精度。该设计中，应先以大端外圆加工出两端面，再以该基准面加工小段端面和相应的孔。在其余工序中，均以此孔与端面为定位基准，加工调整臂的孔、槽和一些端面，在整个加工过程中，用到了车床、铣床和钻床。为了加工精确快速，特别设计了铣侧面、镗孔和铣槽的专用夹具，并对它们的定位都采用了一面两销定位。由于该零件的尺寸不大，所需的夹紧力不大。因此，夹紧方式都采用手动夹紧，它的夹紧方式简单，机构的设计更为方便，满足夹紧要求。

关键词： 调整臂外壳零件，毛坯，加工工序，切削用量，专用夹具，装夹

I

ABSTRACT

Adjusting arm housing processing technology and special fixture design，Taking into account the parts in the machine is not running during the hardest hit, spare parts and relatively simple structure, so select the cast. Adjusting arm housing the main processing area is to adjust a few arm end, square slots and openings, due to surface precision machining accuracy than the hole is hard to guarantee. Therefore, using the principles of the hole after the first plane to ensure accuracy. The design should be the first to be processed into both ends of the big end of cylindrical surface, then the base-level face processing in short sections and the corresponding hole. In the remaining processes are positioning this as the base hole and face processing adjustment arm holes, slots, and some face in the whole process, the use of the lathe, milling and drilling. In order to precise and rapid processing, specially designed side milling, boring and milling slot fixture, and their positioning have adopted the two side pin positioning. As the size of the parts is not required clamping force is not big. Therefore, the clamping means are manually clamped, clamping it simple, more convenient for the design of institutions to meet the clamping requirements.

Key words: Adjustment arm shell parts, rough, processing technology, a dedicated fixture, positioning, clamping

II

目录

摘要 ................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................. II 目录 .............................................................................................................. III 第一章 绪论 ................................................................................................. 1 第二章 概述 ................................................................................................. 2

2.1夹具夹紧装置及夹具体的基本要求 ....................................................................... 2 2.2机床夹具功用 ........................................................................................................... 2 2.3机床夹具在机械加工中的作用 ............................................................................... 3 2.4机床夹具组成 ........................................................................................................... 4 2.5机床夹具的分类 ....................................................................................................... 5 2.6机床夹具的设计要求 ............................................................................................... 6 2.7现代机床夹具的发展发向 ....................................................................................... 6

第三章 零件的分析 ..................................................................................... 8

3.1零件的作用 ............................................................................................................... 8 3.2零件的工艺分析 ....................................................................................................... 8

第四章 工艺规程设计 ................................................................................... 9

4.1确定毛坯的制造形式 ............................................................................................... 9 4.2基准的选择 ............................................................................................................... 9 4.3制定工艺路线 ........................................................................................................... 9 4.4机械加工余量及毛坯尺寸的确定 ......................................................................... 11 4.5确立切削用量及基本工时 ..................................................................................... 14

第五章 夹具设计 ........................................................ 错误！未定义书签。

5.1Φ13.8孔和Φ16沉孔加工钻床夹具设计 ............................... 错误！未定义书签。 5.2 定位基准的选择 .................................................................... 错误！未定义书签。 5.3 切削力和夹紧力的计算 ........................................................ 错误！未定义书签。 5.4定位误差分析 ......................................................................... 错误！未定义书签。 5.5 夹具设计及操作的简要说明 ................................................ 错误！未定义书签。

参考文献 .......................................................................................................21

III

致谢 ...............................................................................................................22 附件1 ............................................................................................................23 附件2 ............................................................................................................39

IV

第一章 绪论

随着科学技术的进步和生产力的发展，要求机械工业不断提供先进的技术设备，加之市场需求的变化多端，产品更新换代的周期越来越短，多品种、小批量生产的比例在提高。这样，传统的生产技术准备工作，很不适应新的生产特点。为了适应机械工业又好又快发展的需要，机床夹具的设计与制造技术也必须与时俱进，要求企业的高级技能人才能不断设计出构思合理、结构准确、工艺精良的夹具。所以，在大学毕业之前，选择简单的夹具设计，希望通过此次设计，在过程中希望得到以下训练：

（1）运用机械制造工艺学课程中的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中的定位，夹紧以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。

（2）提高结构设计能力。通过设计夹具的训练，获得根据被加工零件的加工要求，设计出高效，省力，经济合理而能保证加工质量的夹具的能力。

（3）学会使用手册以及图表资料。掌握与本设计有关的各种资料的名称，出处，能够做到熟练的运用。

（4）熟悉零件的工艺制定，和有关计算。

毕业设计是在学完大学的全部课程之后进行的，毕业设计对所学各课程的深入综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，毕业设计是大学至关重要的一环。本设计就CA10B解放牌汽车的前调整臂的外壳的工艺规程及其加工过程中的专用夹具进行设计，由于作者的能力有限，设计难免存在不足和错误，恳请各位老师给予指教，在此致谢！

1

在切削区慢慢消退。图19显示了在干燥和空气冷却刀尖试验产生的铁屑。左侧是干燥刀尖试验和右侧是空气冷却产生的铁屑。

总结

先前的研究，如刘等人。[12]证明，压缩空气没有像油水乳液或水蒸汽达到工具的界面，使之良好散热。然而，结果得到利用压缩空气与涡管结合表明，这种冷却工具接口方法是有效的，与传统的冷却方法相比,格外好。在图20中可以看出，此种方法的温度记录是60℃，比传统的湿加工降低40℃，比干加工低了210℃。这些温度距工具界面1毫米开始测量，所以其在这个位置产生的温度记录要比工具表面的低一些。但是，必须假定该工具界面以及工具的测点的温度将减少。因为我们知道，刀具寿命和磨损机制之间的关系将由切削温度升高显示出来，所以是检测空气冷却效率的最便捷的方法就是通过检测刀具寿命。该工具的使用在显微镜的尖端检测证实，该工具被空气冷却时磨损减少，具有更长的刀具寿命。涡管空气冷却系统证明能够使刀尖有效散热，，证明空气冷却是一个冷却刀具尖端的有效方法。因此，干加工进行金属切削时，空气冷却的首选方法应纳入，因为它没有相关的环境问题，并延长了刀具寿命。

37

参考文献

1. Silverman, M.P., 1993. The Wirbelrohr’s Roar. Cambridge University Press, Chpt 6, pp: 221-240. 2. Ranque, G., 1993. Experiences sur la détente giratore avec productions simulanees d’un echappement d’air

chaud et d’um echappement d’air froid. Bull. Soc. France Phys., 1128: (J. Phys. Radium, 4, Ser.7).

3. Dissler, R.G. and M. Permutter, 1960. Analysis of the flow and energy separation in a turbulent vortex. Int. J. Heat Mass Transfer, 1: 173-191.

4. Gulyaev, A., 1966. Vortex tube and the vortex effect, soviet physics. Tech. Phys., 10 (10): 326-331. 5. Hilsch, R., 1947. The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process. Rev. Sci. Instrum., 18 (2): 108-1113.

6. Lewins J. and A. Benjan, 1999. Vortex tube optimisation theory. J. Energy, 24: 931-943.

7. Saidi, M.H. and M.R. Allaf Yazdi, 1999. Energy model of a vortex tube system with experimental results. J. Energy, 24: 625-632.

8. Ay, H. and W.J. Yang, 1998. Heat transfer and life of metal cutting tools in turning. Int. J. Heat Mass Trans., 41: 613-623.

9. O’Sullivan, D. and M. Cotterell, 2001. Temperature measurement in single turning point. J. Master. Proc. Tech., 118: 301-308.

10. Young, H.T., 1996. Cutting temperatures to flank wear. Wear, 201: 117-120.

11. Cook, N., 1973. Tool wear and tool life. ASME Tran. J. Energy. Ind., 95: 931-938.

12. Liu, J., 2005. Research on experiments and action mechanism with water vapour as coolant and lubricant in green cutting, Int. J. Mach. Tools Manuf., 45: 687- 694.

38

附件2

39

2） 大端端面及小端端面沿轴线方向的加工余量 查《机械制造技术基础课程设计指南》（以下称《设计指南》）表5-4，取铸件的机械加工余量等级为F时的机械加工余量RAM均为1.5mm；查表5-1取公差等级为CT11，再查表5-3得出尺寸公差CT为3.6mm。

由《设计指南》表达式5-1,5-2,5-3；则毛坯铸造时，工件两侧总共需要的留出的金属余量(双侧加工)

ΔR=2RAM+CT/2= 2?1.5+3.6/2=4.8mm，以单侧为2.4mm余量加工，单侧工序余量如下：

粗车 2mm； 半精车 0.4mm；

3） 内孔φ60（已铸φ50孔），φ12（已铸φ6孔）

仿照2），查《设计指南》，得铸件留出的金属余量(双侧加工) φ60是10mm，φ12是6mm；现制定单侧工序余量如下： ① φ60

粗车 3.5mm； 半精车 1.5mm； ② φ12

钻 2.5mm；

扩 0.5mm； 铰 0 mm；

12

4） 方槽

同上，取方槽端面铸造余量为2.5mm，工序余量 如下：

粗铣 2 mm； 半精铣 0.5 mm；

5） 三个凸台

同上，取凸台的铸造加工余量均为2mm，

则工序余量如下：

粗铣 1.5 mm； 半精铣 0.5 mm；

6）其他尺寸直接铸造得到

由于零件的粗糙度要求不是很高，且为中批量生产，应该采用调整加工。因此在计算最大、最小加工余量时都应按调整法加工方式予以确认。

13

4.5确立切削用量及基本工时

工序一 以R41外圆为粗基准，车大端端面以及φ60孔

(1) 加工条件

工件材料：KT350,σb =350MPa ,铸造。

加工要求：粗车大端端面，表面粗糙度Ra=12.5um，半精车大端端面，表面粗糙度Ra=6.3um；粗车φ60孔，表面粗糙度Ra=12.5um，半精车φ60孔，表面粗糙度Ra=6.3um；

机 床：C620-1型卧式车床。

刀 具：根据《机械加工工艺手册》第二卷（以下简称《工艺手册》）加工铸铁选择高速钢端面车刀。根据车床中心高选择刀杆尺寸16mm?25mm；选刀具前角?0＝15°,后角?0＝8°，副后角?0’=10°,主刃?r=60°,副刃?r’=15°

(2) 切削用量 1）车大端端面 1. 确定进给量

根据《设计指南》表5-114，当车刀刀杆尺寸为16mm?25mm，αp≤3mm时，工件的直径为60mm-100mm时，f=0.4-0.5mm/r。根据《设计指南》表5-57，取f=0.5mm/r。 2. 计算切削速度

查《工艺手册》表1.1-55，车削速度的计算公式

vc?cvTmapxvfyvkv （m/min）

上式中Cv?48.8，m?0.125，ap?2mm，xv 计算得，车削速度vc?33.21 m/min。 3. 确定主轴转速

?0，yv?0.5，f?0.5，kv?1；

由公式 ns?1000v?dw?1000?33.21?162.7r/min

??6514

按《设计指南》表5-56，与162.7r/min相近的车床转速为150r/min和185r/min, 现取185r/min，如果选150r/min，则速度损失很大，所以实际的切削速度为

v=37.76m/min。 4. 校验机床功率

由《工艺手册》表1.1-57，切削需要的功率

Fc?VP?6?104YX Fc?CFZ?apF?ff?VnF?kFZ

上式中CFZ?980，ap?2，f?0.5，XFz?1.0，YFz?0.75，nFz?0，

代入计算得P?0.512kw；

由《设计指南》表5-55，查C620-1车床的主电动机的功率为7kw，当主轴转速为185r/min时，主轴传递的最大功率为=5.9kw，所以机床的功率足够，可以正常加工。 故所选 背吃刀量ap?2mm，进给量f?0.5mm/r。

（3) 基本工时

tm?4444??28.5snw?f185?0.5因为工件面积很小，表面粗糙度要求很低，且若换刀或者变换切削速度所节约的时间很少，故只改变切削深度。半精车时再以0.4mm为切削深度，其余变量不变，走刀一次，故车大端端面所需时间t=28.5s?4=114s。

2） 车φ60孔 (1) 切削用量 1. 确定进给量

根据《设计指南》表5-114，当刀杆尺寸16mm?25mm，ap?3?5mm时，工件

直径为60mm时，f=0.5-0.8mm/r，根据《设计指南》表5-57，取f=0.71mm/r。

2. 计算切削速度

查《工艺手册》表1.1-55，车削速度的计算公式

15

vc?cvTmapxvfyvkv （m/min）

上式中Cv?48.8，m?0.125，ap?2mm，xv?0.2，yv?0.5，f?0.5，kv?1； 计算得，车削速度vc?25.16 m/min。 3. 确定主轴转速

由公式 ns?1000v?dw?1000?25.16?145.69r/min

??65按《设计指南》表5-56，与162.7r/min相近的车床转速为150r/min和185r/min, 选150r/min，所以实际的切削速度为v=25.91m/min。 4. 校验机床功率

Fc?VP? 6?104

Fc?CFZ?apXF由《工艺手册》表1.1-57，切削需要的功率

?fYf?VnF?kFZ上式中CFZ?980，ap?2，f?0.71，XFz?1.0，YFz?0.75，nFz?0，

代入计算得P?1.6kw；

由《设计指南》表5-55，查C620-1车床的主电动机的功率为7kw，当主轴转速为185r/min时，主轴传递的最大功率为=5.9kw，所以机床的功率足够，可以正常加工。 故所选 背吃刀量ap?2mm，进给量f?0.71mm/r。

(2) 基本工时

tm?10.510.5??9.6snw?f185?0.5因为工件面积很小，若换刀或者变换切削速度所节约的时间可以忽略，再快速走刀两次即可达到表面粗糙度要求。

工序二 以φ60孔和大端端面为精基准，铣小端端面

(1) 加工条件

16

工件材料：KT350,σb =350MPa ,铸造；

加工要求：铣小端端面，表面粗糙度Ra=6.3um； 机 床： X5012型立式铣床

刀 具：根据《工艺手册》表2.1-40选择高速钢铣刀。根据表2.1-20，选择刀杆直径d=40mm，长度L=63mm，齿数z=8；选刀具前角?0＝15°,后角?0＝12°，已知铣削宽度40mm，铣削深度αp=2mm，铣双面。

(2) 切削用量 1. 确定每齿进给量

根据《设计指南》表5-65，X5012型铣刀功率为1.5kw，工艺系统刚性为中等，根据《工艺手册》表2.1-71，查得进给量f=0.12-0.2mm/z，取f=0.15mm/z。 2. 选择铣刀磨钝标准及耐用度。

查《工艺手册》表2.1-75，铣刀最大的磨损量为0.5mm，耐用度90min。 3. 确定切削速度和工作台每分钟的进给量

其中

cvdqvvc?pvkvmXvYvUvTapfzaezae?40mm，ap?2mm，Cv?27，qv?0.45，xv?0.1，yv?0.4，

kv?kMv?kSv?1.0?0.8?0.8，uv?0.3，pv?0.1，m?0.33，T?90min，

fz?0.15mm/z，d=40Z?8，将以上数据代入公式：

27?400.45?0.8vc?0..330.10.40.30.190?2?0.15?40?8?17.21m/min

确定机床主轴转速： ns?1000vc?137.04r/min。 ?dw根据《设计指南》表5-72选择n=130r/min，则实际的切削速度为v=16.2m/min， 所以工作台每分钟的进给量 fmz?156mm/min

根据《设计指南》表5-73，X5012立式铣床的工作台进给量选择fmz=100mm/min, 则实际每齿的进给量fz=0.2mm/z。 4.校验机床功率。

根据《工艺手册》2.1-78计算铣削功率的公式为

17

P?Fc?V1?103XFFc?CFZ?ap?fYf?aeuF?zdqf?nwf?kfc式中CFZ?294，ap?2，f?0.71，XFz?1.0，YFz?0.72，

nFz?0，uF?0.86，wF?0，ap?2，fz?0.2mm/z，qF?0.86

代入计算得Fc=930.14N,P?0.25kw；

因为X5012型铣床的主电动机的功率为1.5kw，故所选的切削用量可用。

(2) 基本工时

根据《工艺手册》表2.1-99，一次进给铣削一端开口槽的基本时间是

T?w?60?24.6svf

由于表面的粗糙度值为6.3，一次铣削基本就可以达到精度要求，为保证精度要求合格，可再快速进给一次，机动时间约为8s。

工序三 以φ60孔和大端端面为精基准，钻、扩、铰、精铰φ12孔

(1) 加工条件

工件材料：KT350,σb =350MPa ,铸造；

加工要求：钻扩φ12孔，表面粗糙度Ra=6.3um； 机 床： Z535钻床

刀 具：根据《工艺手册》选择麻花钻d=11mm，d=12mm

(2) 切削用量 1） 钻孔φ11 1. 确定进给量

由《设计指南》表5-127可查，当铸铁的σb>200Pb，选d=11时，则每转进给量f=0.31-0.39mm/r。现根据《设计指南》表5-66，选择Z535钻床的进给量为0.32mm/r。

l?l 18

2. 确定钻头磨钝标准及寿命

后刀面最大磨损限度（查《工艺手册》）为0.6mm，寿命T?45min。 3. 确定切削速度

根据《设计指南》表5-134，取切削速度v=45m/min，所以钻床的转速

ns?1000?45?1302.8r/min11??根据《设计指南》表5-65可选Z535的转速接近1302.8r/min的是750r/min，则实际的切削速度v=33.16m/min。

（3) 基本工时

t?

L?y??12?10?2?60??60?4.68s

750?0.32750?0.32

2） 扩孔至φ12。

(1) 切削用量 1. 确定进给量

查《设计指南》表5-129，扩孔进给量为：f?0.5~0.6mm/r，并由《设计指南》表5-133，最终选定机床进给量为：f?0.5mm/r。 2. 确定切削速度

根据v扩?0.5?0.3v钻=22.5~15m/min，则主轴的转速为434.3~651.4r/min，按《设计指南》表5-65取n=530r/min，则实际切削速度为v=19.97m/min (2) 基本工时

L?y??12?5?3t??60??60?4.5s 530?0.5530?0.5

3） 铰孔 ：选高速钢铰刀 n=100r/min f=2mm/min d=11.94mm

t?L12?60??60?3.6s100?2100?219

20

参考文献

1、崇 凯 机械制造技术基础课程设计指南. 北京.化学工业出版社，2006 2、李昌年 机床夹具设计与制造. 北京.机械工业出版社，2006 3、王先逵 4、王先逵 5、王先逵 6、骆素君 7、陈于萍 8、史美堂 9、孙丽媛 10、吴 拓

机械加工工艺手册.第一卷. 机械加工工艺手册.第二卷. 机械制造工艺学. 朱诗顺 机械课程设计简明手册. 周兆元 互换性与测量技术基础. 金属材料及热处理. 机械制造工艺及专用夹具 机械制造工艺与机床夹具课程设计指导.

21

北京.机械工业出版社，2006 北京.机械工业出版社，2006 北京.机械工业出版社，2005 北京.化学工业出版社，2006 北京.机械工业出版社，2005 上海.科学技术出版社，2006 北京.冶金工业出版社，2002 北京.机械工业出版社，2005

致谢

大学毕业设计是四年来所学专业知识的综合。通过此次设计，可以提高综合运用知识的能力，其中包括看图、绘图、设计计算、查阅手册等诸多在机械设计制造行业必备的基本能力，毕业设计对于今后的学习和工作都是一次难得的演练。通过对前调整臂外壳工艺规程及其专用家具的设计，我对零件的工艺加工、工序设计以及夹具设计的方法和步骤有了深入的了解，自己感觉收获颇丰。

当然，本次设计不全是是我个人独立完成的，而是在郑培文老师的悉心指导和帮助下完成的。由于我的机械专业知识有限，实践经验更显空白，所以在设计中常常碰到阻碍，是在郑老师不厌其烦的指教和引导下，我才能顺利完成任务。郑老师的循循善诱，已经让我钦佩不已，而郑老师严谨的治学态度更是让我倍受教益。在此，我向郑老师表示最真诚的感谢。同时，感谢同学们的协作和帮助，使我能按时顺利地完成毕业设计。

22

附件1

用于金属切削的空冷技术

---------布赖恩博斯韦尔和蒂拉克 机械工程学系，科廷科技大学， 邮政总局信箱U1987，西澳大利亚珀斯6845

摘要：

空气冷却干燥加工都是切割金属行业为处理长期运行时为延长刀具寿命，降低机床故障和尽量减少在刀尖产生的热量等问题进行试验所获得的可能的解决方案。迄今为止，这个行业仍不得不使用大量昂贵的会造成环境破坏和健康危害的冷却剂。如今，干加工引入金属切削行业的目的是不懈地努力减少加工费用和化学物质对环境的影响。现代加工工具已经有能力维持其刀刃在较高温度下切割，然而即使有了这种改善，切削刃最终也会损坏。应用冷空气吹入这些现代工具的结合面也将有助于延长工具寿命，减少切削损失。空气干燥加工被用于到工具界面在这篇文章中认为有可能替代有害液基冷却。然而，低对流散热率与传统空冷相关方法一般是不足以及时散掉激烈的切割产生的热量，适当的能够提高冷却的过程方法，还没有建立起来。 引言

本研究旨在探讨一种被称作朗克，希尔施涡旋管的，在加工过程中用于冷却的有效设备。该?朗克- 希尔施涡旋管的影响是在30年代初，它的发明引起了很大轰动，因为它表明，通过压缩空气一管有可能产生热冷空气。起初 人们很难相信，这种装置可以产生热空气和冷空气并且达到有用的流量。涡旋管一个没有移动部件，简单的装置同时生产冷，热空气流。但是，到目前为止，很少有确定利用冷却工具涡流管的效率的研

23

究。因此，为确定在刀刃上的热效率转移过程的一系列实验调查已经开始进行了。这些试验将确定最合适的参数使用，如冷和热空气的质量流量，冷热管直径、长度，和可实现的冷空气最低气温。风冷从未被制造业采用是由于这样一个事实，多年来，传统的切削液已被证明是在机械加工冷却过程中有效的方法。这项研究结果将证明，在很多加工设备中，空气冷却都可以取代传统的切削液，不会减少刀具寿命或也不会造成工作质量的下降或是影响工件表面的完成。

给工件表面提供冷空气的朗克，希尔施涡旋管的使用说明表明提高空冷性能的重要。刀具结合界面的温度记录清楚地表明，刀刃的温度有显著的减少。用显微镜观察可发现，这种温度减缓降低了机械齿面的磨损。因此，当刀面用风冷时，监测后刀面磨损的发展情况，显示着被延长了的刀具寿命。

该?朗克，希尔施涡管[1]是一个了不起的设备，它能够同时独立为两个不同的气流，一股比进来的空气热和另一股比进来的空气冷，其间没有任何移动部分参与。该设备分离产生的冷空气和热空气穿过涡流管时的温度是尚未完全清楚。这是一个被称为麦克斯韦妖怪，一个幻想不经任何工作就能分离热量的装置。这种涡管基本上包括三个管和一个使压缩空气在冷管处的温度较低的供应装置。

?朗克[2]试图利用这种无运动部件就能产生热空气和冷空气的奇怪设备的商业潜力。不幸的是，这家合资公司失败了，涡流管也因此变得无人问津。该装置把冷传到热所依据的能量转移原理仍然很难理解。然而，对于这个基本物理现象有一场辩论，尽管大多数研究者认为该设备是基于互动动荡，可是由压缩和剪切的工作过程，却表现出浦大卫的戴斯勒和[3]分析。 最近，研究分为两类：

第一类称为外部研究关注与该管的性能。它是发现 Gulyaev [4]，该比例最低的长度管的直径是13。其他的研究建议40比50为最佳运作。至于隔膜，最适尺寸是2:3的比例膜片直径管的直径。涡流管由三个重要部分组成，空气进入到旋涡发电机（这增加了空气的速度）的中间部分，冷轧管，热管，如图1所示。

24

通常热管是约350毫米长，并在底部有一个锥形阀控制流出的热空气量。

涡流发生器的右侧是冷轧管出口。涡流发生器和冷轧管之间有个中心带有可以很容易改变大小的孔的隔膜，。带有可大可小孔的隔膜还可以增加或减少在寒冷的出口所得的温度。考虑到上述涡管，压缩空气以声波速度供应到圆形管，并产生一个每分钟1万转气旋（涡流）。空气是被迫自旋进入中心，在那里它然后沿着热管当前最不抵抗气流的道路逃离。旋转的空气，因为它继续沿管前行，直到它达到了锥形阀的地方变成了旋转的空气柱（涡部分内部本身）。较慢的内空气柱的旋转流动的空气放弃了它的热量，让其更快的旋转到空气柱外。寒冷的空气撞倒正奉命出的涡流发生器的旋转空气并且冷端的热空气耗尽流出的涡流管的另一端。调整锥形阀将内置闷热的空气排出可以改变这两个温度，空气流低至-55 ° C的由图所示。

涡流理论

目前没有人能确切地解释为什么涡管会如此运作：这个过程本身正如莱温和Bejan [6]

25

所述的那么简单。切向进气喷嘴对涡流发生器，因此可以提供一个高速旋转产生的气流旋涡。后来，有一径向温度梯度由管芯到管外壁增加。这是主要是因为空气的压缩势能转换为动能，由于附近空气中的外切向力矩进口形成的强迫涡。因此，高速旋转内流管，远离墙壁产生。涡旋内的热管现有的空气，通常与大气温度相等，当旋转气流的涡管流进它就扩大了，但其温度下降到比环境温度低。两气温的区别将导致温度梯度沿管生产比周围空气的核心更冷的空气。因此，中央空气分子将失去热将到达外部区域，如图所示3。

值得注意的是，该系统是一个动态的系统由于对管内气流的性质，因此将无法达到平衡。因此，周边的空气有较高的动能（温度超过内空气（冷））。

一个主要的压力梯度由于在径向方向被迫涡将提供一个圆形旋转的向心力，因此这将导致高压的在管壁上，并低压在中心处。当空气进入到周边地区（A），随着它的膨胀，由于它的扩张外部空气得以冷却。因此，内核的空气（B）会得到温暖，因为它是由压缩周边膨胀的空气。然后转热从内核（B）到外核心（A）。由于内部空气被压缩，自然会尝试推着向周边膨胀。因此，处理外核的空气，然后加热，由于膨胀和压力的不同，这会导致对工作要做周围的空气得到不同结果收缩的空气。因此，热量转移径向向外图所示4。当空气继续沿管旋进产生的更多的分离能量将发生轴向对流，而使空气向热端移动。在这个进程中，将热量从核心转的空气移到外部空气。

随着气流到达最热时，一小部分的空气将通过位于热端的锥形阀门排出，依靠临近中心的不良压力梯度，剩下的空气将在冷端旋转，如图所示5。

26

其余部分的温暖的空气保持垂直流动，其运动方向要么是沿管道顺时针要么是逆时针。 此外，这种气流 在管内核心的空气产生的气流的压力也较低。如果两空气流的角速度保持，这意味着任何两个取自图 4的粒子：示意图阵地周边和内部核心空气

图5：在涡管气流模式图无论是空气流将采取同样的时间才能完成围绕管周长一次循环。从角动量守恒原理，它似乎是在内核分子角速度将增加，见EQ：

公式表明，在内部的核心中，RA的值（径向距离测量中心在管中特别关注分子）很小，应该有一个相应的增加分子的角速度，以便让总的角动量守恒系统。此假设是微不足道，在管道内两任何空气分子的质量差异。然而，某一角速度在内部核心分子保持不变。这也就是说，在涡流管内的核心，角动量实际上已经失去了。由于热量转移到外的核心，对内核的角动量不保留或有更具体的跌幅，这将导致核心能量从内到外转移。 内核的热能损失事外核心范围内的空气分子升温。因此，外核变热和内核变凉。 当达到热极限，通过热锥形阀和管壁（热插座）之间的小开口将周围的空气逸出。不过，中央的空气较冷，是由锥形阀轴偏转，并继续对从热端流向冷管。只有最里面的空气分子通过隔膜和从收集冷空气的出口溢出。因此，空气分子被分为冷流和热流通过涡流管的冷热两端。

27

该图 6很好的绘出了涡流管。重要的是要注意，特别是在热端管发生分离。该锥形主轴（锥形阀），的目的是将一个寒冷的空气逆流到管轴向地区。该隔膜（孔另一方面）是用来挡周围的空气，使中央流会通过冷端溢出。涡管部件的缺少可能会造成这种错误的假设，这种现象是违反热力学规律的。

事实上，如果没有在室温下做任何工作，空气流可以分为两个不同的蒸汽，这一冷一热划分工作，似乎违背了热力学第二定律。不过，关键是要提的是，尽管有这个误导的观念，可是物理保持不变。虽然，该涡管物理学是复杂的，但作为热力学的基本原理研究，可以帮助加深对涡流管内发生了什么进行更深入的了解。

热力学第一定律是关于节约能源。根据这项规律，在系统之间的反应，它的环境，能源可以使从周围接收到该系统与从系统中传给周围的能量值相等。这种能量可以由两个不同状态显现：热和功。因此，对于每一个具体的控制体积热力学系统：图7：一涡管控制体积示意图

28

制冷实际情况对于确定该冷却装置的性能系数是如此的重要。

因此，确定性能系数的旋涡管和比较与传统制冷性能系数在使用它来确定它的效率，似乎合乎逻辑。涡流管可以用作制冷设备在寒冷的管壁是用来降低温度或作为加热装置，当热管墙是用来增加外壳温度。应该指出的是，对面是什么通常在热力学看，在这种情况下涡管是一个开放的控制储存装置。如果系统认为是稳定的状态，然后从第一定律热力学：

其中，?H_是系统焓的变化和平行的演算法之间的系统及其周围环境的热量交换。让我们假定平行的演算法近似为零，即使冷轧管上可能有霜冻，热管是很温暖。如果是这种情况则：

在那里，_Hc是冷流焓变化和_HH是热焓变流。假设为理想气体，总焓变的空气可以写为：

其中，mc，在冷管的质量流量，氢是热管的质量流量，Tc是冷空气的温度，Ti是进风温

29

度，Th是热空气的温度和Cp为空气比热在不断的压力和承担可逆的绝热过程。通过应

用热力学第二定律上述：

其中，_S是总熵变，q是传热和T为绝对温度。

在实际的稳态控制体积熵的变化是：熵变化的实际控制数量， 稳定状态是：

其中，_Sc和_Sh是从入口到出口的熵变的部分进入寒冷的空气管留下了，一部分是进入热管。

对于理想气体（空气）比热，熵变化可以

在那里我的下标，C和H分别进流，冷流和热流，R是理想气体（空气）保持不变。 自冷（或热外观）的影响时无运动部件将尝试管壁考虑为冰箱（或竞争此设备热泵），估计其系数性能（COP）是有效的。围绕冷却效果可以通过放置一个寒冷的管外壳，性能系数，可计算方法是：

冷流通过冷管壁像热（换热器）由一些喜欢在一冷箱源（冰箱）和W在本案中是工作压缩完成从大气压力和空气温度对管的入口条件。

30

其中，T2是压缩机出口温度和T1是压缩机进气温度（可逆的，多方过程;空气量：N = 1.4）。如果我们考虑一个完整的系统，P1和T1的是大气压力和温度， P2和T2的是压缩机出口条件，

空气被压缩后，它在保持在高压状态，在当时它冷却大气温度，使音速喷嘴的入口温度T1，相当于T1的温度：

方程（23）可从T2的计算式。 （24）这是一个理想的工作值，它比所需的驱动器的实际工作较少于压缩机。通过考虑上述方程和使用的EQ（21），对涡流管性能系数可以决定的。 实验分析涡管设计为了帮助比较的涡管数参数是非常有用的使用质量分数为冷这是可以对比以上的涡管范围测试。此参数是简单的空气质量流量比率在管冷端进口处的压缩空气的平均流速，。重要的是要注意气团在管热端流率各不相同，从它的最高值（即等于质量流量的压缩空气）到最低值（这是等于零），并显示在横向轴的图表。在冷端质量流量等于质量差的进气流量和质量流量率的冷端。因此，通过改变质量在热端流率，有效地控制你在制冷结束时，其最低流量的大规模最大的价值。

31

其中：

mc =空气质量在冷端流率 mh=空气质量流率在热端 mh=压缩空气的质量流率在进

寒冷空气的质量分数为输入压缩空气通过冷端释放管的百分比。一般来说，稍稍寒冷的空气被释放后，就会变得更寒冷。调节控制阀旋钮将改变不同寒冷度的质量分数。将给予质量分数高的寒冷更大的气流，但并没有给尽可能低的温度。高质量分数寒气流与冷温度组合，产生最大低温冷藏能力。另一方面低质量分数气流是指一股出来时体积较小且非常冷的空气。总之，较少的空气被释放，空气变得更冷。在最冷的那头，速度对温度下降的影响很有效，因为如果产生最低气温的速度是已知的，那么，压缩空气的压力和冷喷嘴直径可以达到最优化。喷嘴直径的减少也将迫使空气向热端流动，并会导致对涡管效率的提高有一定影响。

估计的性能系数可以用来给出了该冷却系统的制冷性能，这是一个能够确定涡流管的性能。

这对涡流管性能系数计算用到公式（21），并发现了1.38的价值。与传统制冷系统通常

32

约为3.5的值相比，1.38这个值较低。即使这表明，涡流管是不是空调系统的理想器件，它仍然合适现场冷却。对涡流管显示设计的测试，寒冷气流的温度下降的寒冷的质量分数由、是涡流管的一个功能，如式（27）所示。从这些实验情况表明，喷嘴使之产生一个最大降温如图 9所示。这已是最小光圈喷嘴直径（直径3毫米之间的发电机和冷涡管）。可以从这些测试得出结论，冷涡发生器出口直径越小，温度下降越大。

检查（图8 - 11B条）显示的趋势，最低气温伴随低的寒质量分数发生。不幸的是，该流量计没有测量接近零的寒冷质量分数的能力。因此，它无法找到确切的最低气温出现时的寒冷的质量分数。虽然，从图就可以假设这个值将介于0和0.1。在冷空气出口产生最大的温降，同时在热空气出口产生最大的温升，这个结果显示在用喷嘴 1时寒冷质量分数在0.6和0.7之间，如图8所示。 此图形9显示了不同喷嘴直径图的趋势，从0都开始增加至最高点，然后有一个温度下降趋势。这种方式是可以预见的，因为它是已知的，寒冷的质量分数低，一内旋转气流有很高的比例加入在出口外流动的热空气，因此，热气流的温度下降。由于锥形阀逐渐打开，一场更高的比例热空气逃脱出口，而其余部分则返回混入涡旋空气中通过冷端回来。这让热气流温度增加至其最高点以及生成最冷空气。继续打开超出其最佳位置锥形阀可以通过额外的空气逸出，使热空气出口

33

温度降低。

该热管的长度对能源上的涡管分离有重要的影响，可以由（图10A条，二）证明。例如，通过增加热管长度，温度下降的快。这是由于空气内流有更多的时间将能量转移到外部气流。但是，对大于对360毫米的涡流管进行测试显示：一旦超出了热管的最佳长度，温度下降速度开始下跌。这种温度的下降减少所造成的能量，使得外热流量开始让内流升温，当内流时到达锥形阀，它返回到更冷的温度冷端。

从图中可以得出结论说，所有的长度，最高温度可以通过增加0.4和0.7之间的寒冷质量分数进行测试。另外一个重要参数，对涡流管影响较大的是压力，因为所示（图11A条，乙），这表明一般通过增加更大的压力，您会获得一个温度下降。萨迪和亚兹迪[7]从他们的研究还发现，通过增加管长，温差增大，对能源的损失减少了。

斯蒂芬[7]在他的实验得到那些类似的趋势，在米= 0.8米= 0.95间得到最高温升。为此涡管的最高值被发现是在m= 0.5和m = 0.7间，如图11 b所示：作者与斯蒂芬的涡管

34

比较这些寒冷分数的测试，存在几何上的不同。

风冷金属切削

在刀尖嵌入的热电偶的位置图12上显示，最接近被测量工具接口由13个频道（Ch13热电偶）。图13显示了涡管，产生的冷空气正在走上工具界面直接在金属切削试验。这一过程的空气冷却性能可以进行评估，确定了此加工条件对刀具寿命等的影响。如图14所示的在测量工具提示之前加工与记录-5℃的温度热电偶2，如通道热电偶（Ch13）和（Ch15）表示

当空气涡流出口已达到-30℃左右，加工开始。正如在刀尖温度升高的现象[9]，该工具上升到了60摄氏度的温度稳定状态，如图15所示。

在最后一点温度下降时，表示已停止进料，没有更多的铁削正在生成。这使冷却空气流

35

过该工具时提供一个从减少工具的温度，加快工具更快的散热，如图16所示。 在切削实验的过程中涡流管的霜凝可以清楚地看到确认，涡流管是提供极冷的空气。

空气冷却对刀具寿命的影响

据了解，所有的磨损机制都会减少高温下刀具寿命[10]。 在寒冷的空气中，应用工具显示会避免长时间在尖端的温度下使用工具能够让刀具有一个较长的寿命[11]。空气冷却系统的效率可以显示，磨损为干切一1分钟，7分钟的加工风冷削减之间的比较。图第17A - D显示的后刀面磨损下一个具有63光学显微镜的放大倍率设定时间。

后刀面磨损的发展证明需要更长的时间，发展空气冷却时，应用到切削区，如图17d所示。

经过七年的干式加工分钟前刀面的月牙洼磨损开始发展，在0.5毫米的侧面，如图18a所示。干式加工将进一步加快这一磨损率。在这个阶段，刀具半径没有显示出磨损迹象和顶部侧面边缘没有明显的缺口。空气冷却工具显示在顶部前刀面和后刀面磨损没有明显的迹象是刀具磨损也大大减少。在干燥和空气的冷却表示，该芯片产生的热量多，正

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/madh.html