传热学在机械制造方面的应用

传热学在机械制造方面的应用

[摘要]：传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。传热现象在我们的日常生活中司空见惯，早在人类文明之初，人们就学会了烧火取暖。随着工业革命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继出现，传热研究更是得到了飞速的发展被广泛地应用于工农业生产与人们的日常生活之中。当今世界，国与国之间的竞争是经济竞争．而伴随着经济的高速发展，也带来了资源、人口与环境等重大国际问题，传热学在促进经薪发展和加强环境保护方面起着举足轻重的作用。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却等。

[关键词]:热传递，传热学，机械领域，发展趋势

1 传热学

传热学概念

通常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学[1]。传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后者只讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。传热学是研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热学问[2]。

传热学发展

传热学作为学科形成于19世纪[2]。在热对流方面，英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时，提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式，不过它并没有揭示出对流换热的机理。对流换热的真正发展是19世纪末叶以后的事情。1904年德国物理学家普朗特的边界层理论和1915年努塞尔的因次分析，为从理论和实验上正确理解和定量研究对流换热奠定了基础。1929年，施密特指出了传质与传热的类同之处。

在热传导方面，法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表述。稍后，法国的傅里叶运用数理方法，更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式热辐射方面的理论比较复杂。

1860年，基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体，论证了在相同温度下以黑体的辐射率(黑度)为最大，并指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等，被后人称为基尔霍夫定律。

1878年，斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实，1884年又为玻耳兹曼在理论上所证明，称为斯忒藩-玻耳兹曼定律，俗称四次方定律。1900年，普朗克在研究空腔黑体辐射时，得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系，还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。

2传热学与机械

现代的机械加工工艺[3]已经不再限于传统的车、铣、刨、磨等，像激光切割、激光钻孔这类高热流的新型加工手段已经应用于石油钻井等有特殊要求的场合，而且取得了良好的效益，这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题不能再用传统的导热理论来分析，必须加入对热量传输速度的考虑，这类问题被称为“非傅里叶导热”，这是在机械生产设备领域的又一个里程碑。又如钛及其合金的加工，由于钛及其合金传热率低，在其切削加工过程中，由切屑与刀具之间的滑动摩擦、切屑的塑性变形等产生热量，不能及时散发，而集中在刀具刀刃上，造成刀具寿命降低，加工质量差等，很多类似的新材料[4]都有不同的加工难题。因此正确选用加工条件，合理运用传热学的理论进行导热，显得非常重要，不仅可以提高切削加工速率，延长设备和刀具寿命，还可提高工件的加工质量。各种材料的热处理，例如金属材料的锻造、铸造、淬火、退火、回火，还有一些工程塑料的注塑成型等都离不开温度的控制。

传热学在传统工业机械领域和农业机械领域中的应用

(1)在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导；

(2)在各类机械控制方面，近百年来单机容量从几万干瓦扩大到百万千瓦，很大程度上是靠冷却技术的不断改进得以实现的，从空冷、氢冷发展到水冷，冷却技术的进步显着提高了电磁负荷强度和材料的利用率；

(3)农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过程中所使用的各种机械。各种机械的研发设计都离不开《工程热力学与传热学》这一门学科。

传热学是研究热量传递规律的一门学科，而机械设计制造及使用的过程中与传热几乎是形影不离

的，我们通过机械设备把其他形式的能量转化成我们需要的运动或者动力，但最终那些能量还是要变成热量散失到环境中去，当然少不了传热学中所讲的三种方式：对流换热、导热和辐射换热。

机械材料制备中与传热学关系密切

机械材料制备[5]中与传热学关系密切。从机械制造的毛坯开始，金属、非金属等等各种材料中没有那几种是可以直接拿过来用的，以应用最广泛的铸造来说，浇注过程中的温度控制和铸件冷却过程中的热量传递直接影响了铸件内部晶相组织的结构和相应的切削加工性能与使用性能，以及铸件的表面质量高低。工件温度场的测算和控制，不同工作条件、不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律的制约。

机械设备使用中的传热问题

机械设备使用中的传热问题也是不容忽视的。在机械结构中，摩擦做功产生的热量的散失是影响机械系统使用性能的主要来源，当系统由于温度过高导致零件产生膨胀变形，使尺寸精度降低，从而影响了零件之间的配合关系，在机床中则使系统精度降低，影响工件加工精度。在液压系统中传热问题更为显着。液压油在系统中与管路的摩擦产生的热量如果不及时散失，不仅使传动精度降低，液压油变质，严重者将使系统瘫痪，使设备存在安全隐患。

传热学通过分析不同条件下物体中温度分布和热量传递规律，以及不同材料的传热特点，并在热加工工艺和系统设计中合理利用，在保证工艺实施，提高产品质量和产量等方面起着关键作用。

机械加工过程[6]中的散热问题也是限制制造业发展的重要因素。

金属切削刀具的散热问题与刀具的强度决定了刀的使用寿命和被加工表面的质量与加工精度。金属切削加工时，材料弹性和塑形变形做的功以及前后刀面与工件表面的摩擦做功产生的热量都需要通过切屑、工件、刀具和周围介质散失到环境中，而切削刃的磨损情况与散热的快慢最为密切。当工件材料或者刀具材料的导热系数大时，切削区散热良好，刀具的磨损减轻，使用寿命较长，反之，刀具因温度过高发生组织性能转变，磨损加剧，因而需要使用不同的切削液来加快散热，延长刀具寿命。同时，刀具的散热影响了切削用量的选择，进而影响加工表面的质量，通过对刀具切削区温度场建立传热模型进行分析，可以更合理的设计刀具结构和选择切削量，从而提高零件的加工精度，这方面在超精密加工中显得尤为重要。

传热学在金属切削方面的应用