沈厚法，傅玉燦，陳佳佳

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

磨削是一種利用砂輪或砂帶進(jìn)行材料加工的方法，其去除單位體積材料所需要的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他傳統(tǒng)加工方法，并且大部分能量都是以熱量的形式積聚在磨削弧區(qū)中，導(dǎo)致磨削弧區(qū)溫度升高，引起工件燒傷、砂輪磨損等問題。因此在保證大材料去除率的前提下盡可能地降低磨削弧區(qū)溫度，避免磨削燒傷和砂輪磨損，保證工件的加工質(zhì)量成為當(dāng)今高效磨削加工亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對磨削弧區(qū)的強(qiáng)化換熱開展了一系列的研究工作。Webster[2]等人從優(yōu)化磨削液噴嘴的幾何形狀角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出新型圓形噴嘴，使磨削液能更加有效地進(jìn)入磨削弧區(qū)，降低磨削溫度。Schumack[3]等人則從提高磨削液射速的角度出發(fā)，提出利用高壓將磨削液的噴射速度提高到300 m/s以上，從而使磨削液能夠更加高效地進(jìn)入磨削弧區(qū)，保證了在高速、超高速磨削時(shí)的弧區(qū)冷卻效果。另外，Ebbrell[4]等人在砂輪周圍使用一套空氣擋板“scapers”裝置，通過砂輪高速旋轉(zhuǎn)引起的氣流降低砂輪旋轉(zhuǎn)對磨削液冷卻的影響，從而實(shí)現(xiàn)了磨削液在較低射流速度下也能夠順利進(jìn)入到磨削弧區(qū)進(jìn)行換熱的效果。

相對于外部射流冷卻，砂輪內(nèi)冷卻技術(shù)是另一種磨削液供給方式，其利用砂輪自身的孔隙結(jié)構(gòu)和砂輪旋轉(zhuǎn)的離心力作用，將磨削液由砂輪內(nèi)部射向磨削弧區(qū)[5]。

無論是外部射流沖擊冷卻，還是在砂輪內(nèi)冷卻，其本質(zhì)都是希望盡可能多地將磨削液送入磨削弧區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化換熱。但這無疑與現(xiàn)行“高效、低能耗、綠色”制造的發(fā)展趨勢相悖，同時(shí)也帶來一系列負(fù)面影響，譬如能耗增加、嚴(yán)重污染環(huán)境以及危害工人健康[6]。

熱管砂輪技術(shù)是基于熱管的磨削弧區(qū)強(qiáng)化換熱技術(shù)[7]。該項(xiàng)技術(shù)的核心是基于一定的結(jié)構(gòu)和工藝，將旋轉(zhuǎn)熱管于砂輪相結(jié)合，使磨削弧區(qū)的熱量直接導(dǎo)入熱管蒸發(fā)端并經(jīng)熱管迅速疏導(dǎo)出去，使冷卻的重心由工件轉(zhuǎn)向砂輪，以達(dá)到強(qiáng)化弧區(qū)換熱、提高材料去除率的目的。

雖然熱管砂輪用于強(qiáng)化難加工材料高效磨削弧區(qū)換熱的可行性已經(jīng)得到了相關(guān)驗(yàn)證，但是其工作機(jī)理和換熱性能優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。因此本文將探究熱管砂輪的幾個(gè)重要影響因素：充液率、熱流密度、砂輪轉(zhuǎn)速和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響，優(yōu)化出一組使熱管砂輪換熱性能最佳的使用參數(shù)。

1 熱管砂輪結(jié)構(gòu)

基于旋轉(zhuǎn)熱管的工作原理，在不銹鋼砂輪基體中設(shè)計(jì)加工出環(huán)形的熱管，該環(huán)形熱管的蒸發(fā)端接近磨削弧區(qū)，冷凝端遠(yuǎn)離弧區(qū)，熱管中充以適當(dāng)?shù)墓ぷ鹘橘|(zhì)，借由該環(huán)形熱管高效地疏導(dǎo)磨削弧區(qū)的磨削熱。熱管砂輪工作原理見圖1。液態(tài)工作介質(zhì)在離心力作用下均勻分布于環(huán)形工作腔壁面，在磨削弧區(qū)熱量作用下汽化，氣態(tài)工作介質(zhì)在壓差作用下運(yùn)動(dòng)至冷凝端，經(jīng)冷凝端冷卻后重新液化為液體，放出熱量，并在離心力作用下回到蒸發(fā)端，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了磨削弧區(qū)冷卻的目的。

圖1 熱管砂輪結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

1) 熱管砂輪的制備

熱管砂輪的原理是利用環(huán)形熱管的高導(dǎo)熱性來提高砂輪的換熱性能，從而強(qiáng)化磨削弧區(qū)散熱。所以熱管砂輪的制備主要是針對內(nèi)部環(huán)形熱管的熱備，圖2是環(huán)形熱管的制作平臺，該平臺由注射器、電容規(guī)、電容真空計(jì)、復(fù)合真空計(jì)、真空閥和分子泵組成。將不具有熱管功能的熱管砂輪置于該制作平臺上完成抽真空、注液和封尾等操作，使之具有環(huán)形熱管。熱管砂輪的實(shí)物如圖3所示。

圖2 環(huán)形熱管的制作平臺

圖3 熱管砂輪實(shí)物圖

2) 試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

對熱管砂輪進(jìn)行換熱性能試驗(yàn)，在模擬熱管砂輪實(shí)際磨削的情況下，實(shí)時(shí)測量熱管砂輪內(nèi)部環(huán)形熱管的溫度，從而評價(jià)熱管砂輪的換熱性能。圖4所示為熱管砂輪換熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)裝置簡圖，由熱管砂輪、電機(jī)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、低溫冷風(fēng)冷卻槍系統(tǒng)、軸向滑環(huán)電刷、信號調(diào)理電路和信號采集卡組成。熱管砂輪安裝于回轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上，利用變頻器來調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min；高頻感應(yīng)加熱設(shè)備作為模擬實(shí)際磨削時(shí)磨削弧區(qū)的熱源，其感應(yīng)線圈導(dǎo)磁體的面積為252 mm2；由低溫冷風(fēng)冷卻槍系統(tǒng)(型號Exair3925，在室溫為 20 ℃、入口壓力為0.6 MPa、入口流量為600 L/min的工作條件下，可產(chǎn)生比氣源溫度低20 ℃的低溫氣流)作為熱管砂輪冷凝端的冷卻設(shè)備[8]；在熱管砂輪的蒸發(fā)端內(nèi)壁布置了2個(gè)測溫節(jié)點(diǎn)(T1、T2)，在絕熱端(T3)和冷凝端內(nèi)壁(T4)分別布置了1個(gè)測溫點(diǎn)，通過軸向滑環(huán)和電刷保證砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)測溫信號輸出，然后讓測溫信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行硬件濾波，除去高頻感應(yīng)加熱器對測溫信號的干擾后，溫度信號由信號采集卡和Labview記錄。搭建完成的試驗(yàn)裝置圖如圖5所示。

圖4 熱管砂輪換熱試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

圖5 試驗(yàn)裝置圖

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

前已述及，熱管是依靠工作介質(zhì)的相變循環(huán)來傳遞熱量的，因此工作介質(zhì)的物理性質(zhì)對于熱管的工作特性有重要的影響。本文開展的試驗(yàn)中，熱管砂輪的工作溫度低于120 ℃，管殼材料為2Cr13不銹鋼，采用經(jīng)濟(jì)易得且綜合物理性質(zhì)較好的蒸餾水作為工作介質(zhì)。

熱管工作介質(zhì)的注入量要適度，注入量不足時(shí)換熱能力不夠，注入量過大則難以啟動(dòng)或阻塞冷凝端。因此本文中環(huán)形熱管的充液率分別為熱工作腔總?cè)莘e的5%、10%、15%、20%。由于高頻感應(yīng)加熱器的最大加熱功率僅有4 000 W，因此換熱試驗(yàn)中對熱管砂輪的加熱參數(shù)設(shè)為2 500 W/m2，5 000 W/m2，10 000 W/m2，15 000 W/m2。轉(zhuǎn)速選為500 r/min，1 000 r/min，1 500 r/min，2 000 r/min。具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 環(huán)形熱管對熱管砂輪換熱性能的影響

本文旨在探究充液率、轉(zhuǎn)速、熱流密度和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響，所以首先需要驗(yàn)證熱管砂輪相對于無熱管砂輪的確具有強(qiáng)化換熱的作用，即驗(yàn)證在換熱試驗(yàn)中，環(huán)形熱管對提高砂輪導(dǎo)熱性起到了顯著的作用。

圖6 測溫原始信號圖

圖6為本次換熱試驗(yàn)中熱管砂輪蒸發(fā)端T1和冷凝端T4測溫信號的原始信號，圖中縱坐標(biāo)是熱電勢信號，可以通過對測溫信號的熱電勢進(jìn)行標(biāo)定，將其轉(zhuǎn)化成溫度信號。圖中的干擾信號是由于變頻器的電磁干擾造成。如圖6所示，剛開始加熱時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端的溫度會(huì)迅速增加。當(dāng)熱管工作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端的溫度也開始趨于穩(wěn)定，最后蒸發(fā)端與冷凝端的溫差很小，符合熱管的均溫特性。

首先進(jìn)行有無熱管的對比試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速1 000r/min、熱流密度5 000W/m2、5%充液率、冷端條件為7℃的冷風(fēng)，出口速度為80m/s、加熱時(shí)間為300s的試驗(yàn)條件下，對比熱管砂輪和無熱管砂輪(將熱管砂輪工作腔的真空環(huán)境破壞掉使其內(nèi)部氣壓為大氣壓)內(nèi)部的測溫點(diǎn)的溫度。將原始信號經(jīng)過軟件濾波和標(biāo)定之后能夠得出有無熱管砂輪的蒸發(fā)端溫度T1隨時(shí)間變化的曲線圖7。

圖7 有無熱管蒸發(fā)端溫度對比圖

如圖7所示，穩(wěn)定時(shí)無熱管的蒸發(fā)端平均溫度值為67.8℃，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間為130s，而熱管砂輪的蒸發(fā)端平均溫度值僅為55.11℃，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間為80.1s。所以得出在相同試驗(yàn)條件下，熱管砂輪會(huì)比無熱管砂輪的溫度更低并且達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間更短。另外無熱管的蒸發(fā)端與冷凝端溫差為12.1℃，而熱管砂輪的蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅為3.68℃，所以無熱管的總熱阻是熱管砂輪的3.3倍。由上述分析可得，在相同試驗(yàn)條件下，環(huán)形熱管可以降低砂輪溫度，減少啟動(dòng)時(shí)間，提高砂輪的換熱性能。

3.2 熱流密度對熱管砂輪換熱性能的影響

熱流密度是影響熱管砂輪換熱性能的重要因素，若熱流密度太小，會(huì)使熱管砂輪無法啟動(dòng)，而熱流密度太大，會(huì)使熱管砂輪內(nèi)環(huán)形熱管失效。所以本節(jié)將分析熱流密度對熱管砂輪換熱性能的影響。

5%充液率下的熱管砂輪等效傳熱系數(shù)與蒸發(fā)端熱流密度之間的關(guān)系如圖8所示，在所有轉(zhuǎn)速條件下，熱管砂輪內(nèi)環(huán)形熱管的等效換熱系數(shù)都是隨著熱流密度增加而增加，主要是由于隨著熱流密度的增加，環(huán)形熱管內(nèi)部傳熱方式由表面蒸發(fā)轉(zhuǎn)變成核態(tài)沸騰，提高了傳熱效率，從而提高了環(huán)形熱管傳熱系數(shù)。但是如果熱流密度持續(xù)增加，環(huán)形熱管內(nèi)部傳熱方式會(huì)由核態(tài)沸騰變成膜態(tài)沸騰，使熱管失效。本試驗(yàn)中最大熱流密度為15 000W/m2，并沒有出現(xiàn)熱管失效的現(xiàn)象，可見熱管砂輪的失效條件幾乎很難達(dá)到。

圖8 5%充液率熱流密度對換熱性能的影響

圖9 20%充液率熱流密度對換熱性能的影響

圖9是20%充液率時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下熱管砂輪的等效換熱系數(shù)與熱流密度之間的關(guān)系。如圖9所示，20%充液率下，轉(zhuǎn)速在500r/min到2 000r/min時(shí)，熱管砂輪的等效換熱系數(shù)還是隨著熱流密度的增加而增加，與5%充液率條件下的變化規(guī)律一致。但是相較于5%的充液率，20%充液率下的熱管砂輪等效換熱系數(shù)受熱流密度影響的程度會(huì)更小一點(diǎn)。主要是因?yàn)楫?dāng)熱管砂輪內(nèi)工質(zhì)含量較大時(shí)，熱流密度在2 500W/m2至15 000W/m2的范圍內(nèi)變化時(shí)，只能使熱管砂輪內(nèi)的傳熱方式停留在表面蒸發(fā)的范圍，無法從表面蒸發(fā)變化成核態(tài)沸騰。因此當(dāng)熱流密度增加時(shí)，等效換熱系數(shù)變化梯度會(huì)相對較小一點(diǎn)。

綜上分析可得，熱管砂輪的等效換熱系數(shù)會(huì)隨著蒸發(fā)端熱流密度的增加而增加。而且充液率較小時(shí)，熱管砂輪等效換熱系數(shù)受加熱功率的影響更加明顯。所以對于一個(gè)充液率已經(jīng)確定的熱管砂輪，它更適用于磨削弧區(qū)熱流密度較大的情況下，從而可以保證熱管砂輪起到良好的導(dǎo)熱作用。

3.3 轉(zhuǎn)速對熱管砂輪換熱性能的影響

除熱流密度外，轉(zhuǎn)速同樣是熱管砂輪的重要影響因素之一。所以本節(jié)將分析轉(zhuǎn)速對熱管砂輪換熱性能的影響。首先在10%充液率、5 000W/m2熱流密度的條件下，熱管砂輪內(nèi)4個(gè)測溫點(diǎn)溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖10所示。T1和T2是蒸發(fā)端不同位置的2個(gè)測點(diǎn)，T3是絕熱端的測溫點(diǎn)，T4是冷凝端的測溫點(diǎn)。所以從圖中能夠看出T1和T2溫度值相差最大僅為8%，因此能夠認(rèn)為熱管砂輪蒸發(fā)端的溫度比較均勻。T3的溫度普遍比T1和T2高，主要原因是因?yàn)榻^熱端的測溫點(diǎn)是布置在熱管砂輪側(cè)壁面，而側(cè)壁面是金屬基體，相對于環(huán)形熱管導(dǎo)熱較慢，所以溫度較高。除此之外，隨著轉(zhuǎn)速的增加，每個(gè)測溫點(diǎn)的溫度都是逐漸下降的。這主要是由于轉(zhuǎn)速增加會(huì)使砂輪與空氣的對流換熱加強(qiáng)，從而使砂輪整體溫度下降，所以可以得出轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使熱管砂輪整體溫度降低。

圖10 熱管砂輪溫度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

圖11和圖12分別是熱流密度為2 500W/m2和15 000W/m2時(shí)不同充液率下熱管砂輪等效換熱系數(shù)和轉(zhuǎn)速之間的的關(guān)系。從圖中可以看出，充液率為10%時(shí)，不管是在低熱流密度或高熱流密度時(shí)，熱管砂輪等效換熱系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。而且當(dāng)轉(zhuǎn)速由1 000r/min增加到1 500r/min時(shí)，等效換熱系數(shù)會(huì)突然升高。而其他充液率下的熱管砂輪，在高熱流密度輸入時(shí)，轉(zhuǎn)速對熱管砂輪的等效換熱系數(shù)影響并不明顯，在低熱流密度輸入時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加會(huì)使熱管砂輪的等效換熱系數(shù)逐漸升高。這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樯拜嗈D(zhuǎn)動(dòng)會(huì)增加熱管砂輪與周圍空氣的強(qiáng)迫對流，并且轉(zhuǎn)速越高對流越強(qiáng)，但是輸入熱流密度較高時(shí)，對流加強(qiáng)的散熱效果并不明顯。當(dāng)輸入熱流密度較低時(shí)，轉(zhuǎn)速提高造成的對流加強(qiáng)會(huì)使輸入功率大幅度降低，從而使熱管砂輪的等效換熱系數(shù)得到提高。

圖11 2 500 W/m2換熱性能與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖12 15 000 W/m2換熱性能與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

綜上分析可得，轉(zhuǎn)速的增加會(huì)降低熱管砂輪的整體溫度，并在輸入熱流密度較小時(shí)，能夠提高熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。若輸入熱流密度較大時(shí)，轉(zhuǎn)速對熱管砂輪的換熱性能影響并不明顯。當(dāng)充液率為10%，轉(zhuǎn)速對熱管砂輪換熱性能的影響最明顯。特別當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和熱流密度為15 000 W/m2時(shí)，熱管砂輪的換熱性能達(dá)到最佳。

3.4 充液率對熱管砂輪換熱性能的影響

充液率的大小對熱管砂輪的換熱性能有著較大的影響。為了考察不同工質(zhì)充液率對熱管砂輪強(qiáng)化換熱性能的影響，本文選用熱管管腔總體積的5%、10%、15%和20%的充液率進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖13 熱管砂輪換熱性能與充液率之間的關(guān)系

圖13是轉(zhuǎn)速為1 500r/min時(shí)，不同熱流密度下熱管砂輪等效換熱系數(shù)與充液率的關(guān)系曲線圖。如圖所示，在不同熱流密度下，10%充液率下的等效換熱系數(shù)都最好，而且隨著熱流密度增加，10%充液率下的等效換熱系數(shù)也增加較快。其原因主要是因?yàn)楫?dāng)充液率為5%時(shí)，由于液體含量較少，所以由相變和液體對流傳遞的熱量較少，從而降低了熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。當(dāng)充液率為15%和20%時(shí)，由于液體含量較多，液膜厚度較厚，從而難以發(fā)生核態(tài)沸騰，而液膜較厚造成液膜熱阻較大，從而使熱管砂輪整體熱阻增加，等效導(dǎo)熱系數(shù)降低。所以10%充液率可以使熱管砂輪保持較好的等效換熱系數(shù)。

3.5 冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響

除了熱流密度、轉(zhuǎn)速和充液率之外，冷端條件也是影響熱管砂輪換熱性能的重要影響因素。冷端條件太小會(huì)使飽和蒸氣無法完全冷卻，使冷凝液無法回流至蒸發(fā)端、從而使環(huán)形熱管容易發(fā)生干涸，降低熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。所以本節(jié)通過改變低溫冷風(fēng)的出口速度，探究冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響。圖14是本次試驗(yàn)用于熱管砂輪冷凝端冷卻的渦旋管冷卻裝置。

圖14 渦旋管裝置圖

本次換熱試驗(yàn)選用低溫冷風(fēng)出口速度參數(shù)分別為0 m/s2，80 m/s2和150 m/s2，冷風(fēng)溫度為7 ℃。圖15為10%充液率、熱流密度為15 000 W/m2、轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)不同冷端條件下，熱管砂輪蒸發(fā)端內(nèi)壁和冷凝端內(nèi)壁測溫點(diǎn)的溫度分布，由圖中可以看出，隨著冷端條件的增加，各個(gè)測溫點(diǎn)的溫度都有所下降。所以可以得出，冷端條件的增加會(huì)使熱管砂輪整體溫度有所下降。

圖15 熱管砂輪溫度與冷端條件的關(guān)系

圖16為熱管砂輪換熱性能與冷端條件之間的關(guān)系。由圖中可得，隨著冷端條件增加，不同熱流密度下熱管砂輪的均溫性都會(huì)隨之變好，主要是由于冷端條件的增加，促進(jìn)了熱管內(nèi)相變發(fā)生，使熱管內(nèi)部的傳熱效率增加，從而使整個(gè)熱管砂輪的等效換熱系數(shù)提高。而且由圖中能夠得出，當(dāng)冷風(fēng)出口速度由80 m/s增加到150 m/s時(shí)，冷凝條件的影響更加明顯。而且當(dāng)熱流密度為15 000 W/m2時(shí)，冷端條件的影響也更加明顯。所以熱管砂輪用于真正磨削時(shí)，冷凝條件應(yīng)越大越好，從而可以保證熱管內(nèi)的相變效率，提高熱管砂輪的換熱性能。

圖16 等效換熱系數(shù)與冷端條件的關(guān)系

4 結(jié)語

針對熱管砂輪開展了換熱性能試驗(yàn)研究，探究了轉(zhuǎn)速、熱流密度、充液率和冷端條件對熱管砂輪換熱性能的影響。得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1) 相同加熱條件下，熱管砂輪會(huì)比無熱管砂輪的溫度更低，啟動(dòng)時(shí)間更短，換熱性能更好。表明了環(huán)形熱管確實(shí)能夠顯著提高熱管砂輪的換熱性能。

2) 熱管砂輪的等效換熱系數(shù)會(huì)隨著蒸發(fā)端熱流密度的增加而增加。而且充液率較小時(shí)，熱管砂輪等效換熱系數(shù)受加熱功率的影響更加明顯。所以對于一個(gè)充液率已經(jīng)確定的熱管砂輪，它更適用于磨削弧區(qū)熱流密度較大的情況下，從而可以保證熱管砂輪起到良好的導(dǎo)熱作用。

3) 轉(zhuǎn)速的增加會(huì)降低熱管砂輪的整體溫度，并在輸入熱流密度較小時(shí)，能夠提高熱管砂輪的等效換熱系數(shù)。若輸入熱流密度較大時(shí)，轉(zhuǎn)速對熱管砂輪的換熱性能影響并不明顯。

4) 5%的充液率由于工質(zhì)含量較少，所以相變傳遞的熱量較少，因此熱管砂輪換熱性能較低。15%和20%的充液率由于工質(zhì)含量較多，會(huì)導(dǎo)致液膜較厚，蒸發(fā)端熱阻增加，降低整個(gè)環(huán)形熱管的換熱性能。因此10%充液率下的熱管砂輪具有最好的換熱性能。

5) 熱管砂輪冷凝端采用低溫冷風(fēng)射流沖擊冷卻方法，冷風(fēng)的出口速度增大會(huì)使熱管內(nèi)蒸發(fā)端和冷凝端的溫度都有著明顯的下降，并且冷端條件的變化對熱流密度較大的情況影響更加明顯。