CN102458731B - 用于间接地冷却切削刀具元件的装置 - Google Patents

Abstract

一种具有诸如刀片的切削元件的切削刀具由抵靠着刀片的后面而安装的微通道热交换器间接地冷却。该热交换器形成有接收诸如冷冻剂的冷却剂的内部腔体。该腔体可包括用以增强冷冻剂从刀片移除热的翅片。冷却剂入口管和出口管联接到热交换器的内部，以将冷冻剂供应给该腔体。在给定的加工作业期间冷却刀片所需的冷冻剂的流率小于在相同的加工作业期间冷却相同的刀片所需的标准冷却剂量的百分之一。

Description

用于间接地冷却切削刀具元件的装置

本发明是根据美国环境保护局和陆军部授予的合同No. 68-D-02-016、68-D-03-042和DAAE30-03-D-1009-2而在政府支持下做出的。政府享有本发明的某些权利。

技术领域

所公开的装置是用于刀具-切屑界面的间接冷却系统，其利用安装在刀架上的微通道热交换器来移除在加工期间产生的热能的一部分。

背景技术

多年来在加工过程中使用切削流体，以通过直接在切削刀具和零件上将冷却剂喷射到加工区中来提高润滑。这具有减小切屑和刀具之间的摩擦的作用，这又降低了刀具温度，增加刀具寿命，并且改进零件质量。这些益处也带来了某些缺陷。在大批量加工作业中，至少16%的加工成本与切削流体的获取、维护和处置相关联。此成本还不包括在使用这些流体时工人遭受的健康风险。与切削流体或其薄雾接触可引起疾病，例如皮炎和呼吸疾病。切削流体中的一些添加剂可能是致癌的。

近年来，由于这些问题，大批量加工工业转移到干加工，以减少或消除切削流体的使用。但是，干加工增加了化石燃料的消耗和能源成本，因为需要较大型的且较大功率的机器来处理较不光滑的材料。由于消耗了更多的切削刀具并需要更多的加工时间，干加工还提高了每零件成本。当加工钛和其它低导热性材料时，问题被加剧，因为刀具-切屑界面处产生的热不能通过材料本身轻易地从该界面传导开。另外，干加工对于其中往往不能得到用于新机器的资金的相对较小的车间场所来说是不可行的。

以往的研究努力和专利集中于在内部或在外部冷却切削刀架，将液态氮喷射到加工区中，使用高压冷却剂，以及将由液态氮冷却的帽状贮存器结合在切削刀具刀片的顶部上。

已经使用热管而实验性地测试了在内部或在外部冷却切削刀具。实现了一些程度的冷却，但是该设计的传热效率非常低。对于切削刀具侧翼磨损减少没有采取措施，可能是因为该系统工作台(bench-top)上的性能不佳。

已经证明，将液态氮射流喷射到加工区中是冷却切削刀具的有效手段，但是因为此方法相对低的传热效能，在该过程中使用了大量液态氮。由于这两个原因而增加了液态氮射流对环境的影响。第一，需要通风系统来移除冷却过程期间产生的大量氮蒸气。第二，产生由这种冷却方法使用的大量液态氮所需的电功率需要更多化石燃料，并且相应地增加了污染。

还对使用高压冷却剂射流来减少刀具磨损进行了调查。此类方法可有效地减少刀具磨损，但是有若干缺陷。第一，射流需要使用消耗电功率的大型压缩机的加压冷却剂，这增加了该过程的成本和环境影响。第二，需要把射流施加到切削刀具刀片上的特定位置。这需要小直径的高压射流相对于切削刀具刀片的精确且可重复的定位。此方法在生产环境中是不可行的，在生产环境中，与快速地操纵高压液体射流相关联的开销抬高了加工时间和成本。第三，高压射流需要比如本文公开的对刀具-切屑界面进行间接冷却大大约一至三个量级的液体流率。该现实大大增加了使用高压射流的成本和环境影响。

另一种方法涉及将用液态氮冷却的帽状贮存器结合在切削刀具刀片的顶部上，并且这已经显示了会减少刀具磨损。但是这种布置具有相对低的传热效率，而且因此，必要流率比本文公开的方法大二至三个量级。因为贮存器位于切削刀具刀片的顶部上，所以难以在生产环境中使用该装置。为了对刀片进行分度或改变，操作员需要移除和重新附连处于制冷温度的贮存器。这些操作需要特殊训练，从而增加了成本，并且增加了操作员的健康风险。由于这些原因，在生产环境中使用这种系统是不可能的。

发明内容

如下面所描述，使用非常小流率的制冷冷却剂(例如液态氮)作为工作流体来间接地冷却切削刀具。如本文所用，用语制冷或冷冻剂指的是在低于约110K(-160°C)的温度下沸腾且用来获得非常低的温度的液体，例如液态氮。在此应用中使用冷冻液体的主要益处是使用冷冻剂的蒸发的潜热作为移除来自刀具-切屑界面的热量的手段。与可感测的传热相反，其中通过单相流体的任何热增加都伴随着温度升高；潜热传递使用从饱和液体到蒸气的等温相变作为吸热的手段。此方法消除了传统切削流体所造成的环境和职业健康问题，并且允许小型和大型机加工车间消除对环境不友好、有潜在毒性且昂贵的切削流体的使用。另外，间接冷却使用的工作流体的流率比直接冷却方法(例如加工冷却剂的射流冲击或者使用液态氮或其它冷冻剂的现有技术)小几个量级。间接冷却减小了机加工作业的环境影响，同时降低了生产成本。

间接冷却使用放置在切削元件后面且使用液态氮作为工作流体的微通道热交换器。与热管相比，间接冷却具有非常高的传热效率，并且提供减少的刀具磨损和较低的零件生产成本。

与将氮喷射到冷却区中相比，切削元件的间接冷却因为其高传热效率而少使用二至三个量级的氮。因此，与用液态氮进行射流冷却或用典型的加工冷却剂进行传统的泛流冷却相比，液态氮生产的环境影响非常小。另外，切削元件的间接冷却使得关键技术能够嵌入刀具中，并且提高系统在生产环境中的可用性和可负担性。

附图简述

图1显示了用于非旋转刀具的现有技术刀架和刀片。

图2是带有具有间接冷却的刀片的刀架的端部的放大图。

图3是安装在图2的刀片下方的热交换器的内部的细节图。

图4显示了用于图2中显示的热交换器的盖板的下侧，而且是盖板在热交换器上就位的刀架的端部的俯视图。

图5显示了图2的刀架的下侧。

图6是显示了在多种切削速度下使用具有带微通道翅片表面的热交换器对刀具寿命的影响的曲线图。

图7是显示了在多种表面速度下使用没有带微通道翅片表面的热交换器对刀具寿命的影响的曲线图。

具体实施方式

图1显示了总体由参考标号10指示的典型现有技术切削刀具。切削刀具10包括由夹具14保持在支架13中的切削元件，例如刀片12，夹具14可通过螺钉16紧固到刀片12上。刀片12装配到形成于支架13的端部中的凹穴17中，并且刀片12的切削刃18延伸超过支架13的端部15，使得切削刃可接合正被刀具10切削的材料。如果刀片如所示为正方形，则刀片可在切削刃18变得被磨损时旋转九十度，以使刀片的未使用侧暴露于被切削的材料。如果以此方式使用，则正方形刀片12实际上就具有四个切削刃18。具有其它数量的切削刃的其它刀片也是众所周知的。这种类型的切削刀具和支架可用于其中切削刀具不旋转的应用中，诸如例如车削机床或车床中。

图2显示了已经修改成对刀片12实施间接冷却的切削刀具10。绝热体21放置在凹穴17中，并且热交换器19定位在绝热体21上。导热体板23放置在微通道热交换器19的顶部上，并且刀片12定位在导热体23的顶部上。夹具14用来将元件的堆迭保持在凹穴17中。

图3是支架13的端部和热交换器歧管22的细节图，热交换器歧管22是微通道热交换器19的一部分。绝热体21安装在支架13的凹穴17中，并且热交换器歧管22安装在绝热体21上。绝热体21可固定到热交换器歧管22上，并且可通过电子束焊接将这两项的组件固定到凹穴17上，但是可使用其它附连形式。热交换器歧管22包括由被四个壁28-31包围的底板27形成的大体长方形的腔体26。第一孔口33形成于腔体26的一个角落中，而第二孔口34形成于定位成与第一孔口33沿对角线相对的第二角落中。在本发明的一个实施例中，第一孔口33是用于待容许进入腔体26的冷却剂的入口，而第二孔口34是用于待从腔体排出的冷却剂的出口。槽口或凹槽36沿着壁28-31的顶表面形成，以接收用于热交换器的盖板38，如在下面更加完整地描述的那样。

图4显示了安装在热交换器歧管22的顶部上的热交换器盖板38的下侧。被通道41彼此隔开的多个平行的传热翅片40形成于热交换器盖板38的内表面上。当热交换器盖板安装在热交换器歧管22的腔体26上面时，如图5中所示，传热翅片40延伸到该腔体中，并且增加腔体中的冷却剂与安装在支架13的端部上的切削刀片12之间的热交换。

图4还显示了在热交换器盖板38定位在包围腔体的壁28-31上时的腔体26的内部。热交换器盖板38装配到形成于四个壁的顶部上的槽口36中。冷却剂入口区43形成于微通道热交换器19的内部上，来自入口孔口33的冷却剂在此处进入热交换器，而且这是热交换器的最冷的区域。当刀片夹在支架13中时，冷却剂入口区43位于刀片的切削刃18附近。冷却剂出口区44形成于微通道热交换器19的内部上，来自热交换器的冷却剂在此处被收集且被传送到冷却剂出口孔口34。在一个实施例中，传热翅片40布置成平行四边形的形状，使得传热翅片的侧面46平行于边界壁29和31，而传热翅片的端部47形成与边界壁28和30成角度的点轨迹(locus of points)。传热翅片40的阵列的平行四边形形状为冷却剂入口区43和冷却剂出口区44两者提供了三角形形状，冷却剂入口33和冷却剂出口34定位成紧邻三角形的短边。热交换器盖板38安装在边界壁28-31的顶部上，以分别包围传热翅片40，以及冷却剂入口区43和出口区44。当安装在边界壁28-31上时，传热翅片40的顶部与腔体26的底板27接触，以使通过微通道热交换器19的冷却剂流限于形成于翅片之间的通道41。

图5是刀架13的下侧的透视图。凹槽51形成于支架的下侧中，并且冷却剂入口管52和冷却剂出口管53安装在凹槽51中。此凹槽51在刀架(未显示)的后部处终止，并且被抽空以形成绝热的真空空间。冷却剂入口管52联接到热交换器腔体26中的冷却剂入口孔口33上，而冷却剂出口管53联接到冷却剂出口孔口34上。绝热材料制成的安装块56可分别定位在支架13的本体以及冷却剂入口管52和出口管53之间，以最大程度地减少从管到支架13的热泄漏，并以机械的方式将管支承在支架上。这些安装块56未连接到刀架13上，以消除从热的刀架13到冷却剂入口管52的潜在传导性热泄漏。冷却剂入口管52和出口管53可由覆盖凹槽51的外护罩(未显示)保护。在使用中，冷却剂入口管52通常将液态氮(LN₂)传送给热交换器19，而冷却剂出口管53通常传送来自热交换器19的可为气态的加温的液态氮。在另一个实施例中，出口管可导引至刀架的端部15，以提供额外冷却。绝热体21最大程度地减小刀架13和热交换器19之间的传热，而导热体23则优化热交换器19和刀片12之间的传热。绝热体21和导热体23优化了热交换器19的性能，但是对于热交换器对刀片12执行其冷却功能来说不是绝对需要的。

虽然本文描述的切削刀具使用具有切削刃18的刀片12，但是本领域技术人员将认识到，该装置的原理可应用于使用铜焊、固定或以别的方式与切削刀具本体形成整体的无刀片型固定切削元件(例如多晶金刚石(PCD)或碳化物切削元件)的切削刀具。

在使用中，来自刀片12的热通过导热体23联接到热交换器19的翅片40上。液态氮(LN₂)流到冷却剂入口管53，从固定源(未显示)流到刀具后部上的界面(未显示)。在LN₂离开该源时，来自环境的少量传热会使少量冷冻剂在进入冷却剂入口管52之前蒸发。在这时，已知氮为两相流体(部分液体和部分气体)。以下，如果大多数两相流体基于质量是液体的话，则液态氮被称为(LN₂)。如果大多数两相流体基于质量是气体的话，则气态氮被称为(GN₂)。来自冷却剂入口管52的液态氮(LN₂)进入冷却剂入口区43，并且在液态氮穿过传热翅片40之间的通道41之前，对刀片的切削刃18提供最大冷却。当冷却剂穿过传热翅片40时，来自刀片12的热传递到(LN₂)，(LN₂)通过使一些液体蒸发成气体来吸收此热。GN₂然后聚集在冷却剂出口区44中。热交换器中的液态氮利用(LN₂)的蒸发的潜热来移除来自刀片12的热。此潜热传递使用液态氮的从饱和液体到蒸气的等温相变作为吸热的手段。在所显示的实施例中，冷却剂出口区中的 GN₂被输送到冷却剂出口管53，并且远离刀架13的工作端。在另一个实施例(未显示)中，GN₂可被导引到端部15的孔口中或刀架的底部，并且排到大气中。

测试结果

图6是针对干加工、用商业上可获得的冷却剂(例如NAS200^TM机床冷却剂)进行的射流冷却以及使用具有间接刀片冷却的切削刀具进行的冷却而对416不锈钢进行的加工测试得到的刀具寿命结果的图示。在测试中使用的所有切削速度下，具有间接刀片冷却的切削刀具系统比干加工或用机床冷却剂进行的射流冷却产生长得多的刀具寿命。

测试显示，对于具有间接冷却的切削刀具系统的侧翼磨损区域的程度比干切削或者使用NAS200^TM机床冷却剂进行的射流冷却都小。干加工期间的过度加热会在切削刀具上引起一些积屑瘤。在具有间接刀片冷却的切削刀具上没有观察到这种累积。

在加工试验之后对零件进行检查，并且测量了它们的尺寸精度。还测量了算术平均表面粗糙度和洛氏B硬度。在下面的表1中给出了这些测量的结果。

所有零件的尺寸精度均在机器或操作员误差内。用来测量表面粗糙度的仪器限制为6.5μm或更小的值。干加工的零件和射流冷却的零件的加工表面高于这个值。使用利用间接刀片冷却的图2的切削刀具系统加工的零件的平均表面粗糙度总是低于6.5μm，且平均值为5.7μm。测量结果显示，不管切削状况如何，经加工的表面没有统计上显著的硬度变化，这表示各个切削状况均在表面附近产生相同的微结构。这些结果显示，使用具有间接刀片冷却的切削刀具系统的刀具冷却产生无意料之外的微结构变化的精确的平滑部件。

据信具有间接冷却的切削刀具系统所提供的长刀具寿命是定位在切削刀具刀片12的后面的微通道热交换器22的结果。热交换器22提高了传热系数和传热面积，这两者均减小了刀片的后部面和用来冷却热交换器的液态氮之间的热阻。为了展示这种效果，移除了微通道热交换器22，并且将没有微通道的金属板插入微通道热交换器22的位置。在图7中给出了测试结果。虽然类似于具有间接刀片冷却但是没有热交换器22的切削刀具的切削刀具的性能比干切削或用机床冷却剂进行的射流冷却更好，但是在移除了微通道热交换器22的情况下，切削刀具系统的冷却能力和刀具寿命降低了。

在加工期间在刀片的背部获得的温度测量证实：与干切削相比，切削刀具系统中的微通道热交换器使刀片的温度降低了多于220开尔文。对于传统冷却加工和干加工，刀片背部上的温度在加工趟次(pass)期间提高，并且在刀具从加工趟次尽头运动回到零件的自由端时降低。然后温度在另一个加工趟次起始时升高。对于间接冷却的刀具刀片，温度在加工开始期间升高，但是在加工趟次期间达到稳定值(而非不断增加)。因此，间接冷却的刀具刀片比在传统泛流冷却加工条件或干加工条件下操作的刀片更加热稳定。对应于15个加工趟次，在十五个此类循环期间测量温度。在具有间接刀片冷却的切削刀具的情况下，存在系统在加工之前被预冷却的三分钟时期。在预冷却时期期间的冷却剂流包括在切削刀具系统所需的总流率的计算中。在没有微通道热交换器的情况下，与干切削相比，刀片温度仅降低约50开尔文。由于热电偶的定位的原因，没有在用冷却剂射流进行冷却的期间精确地测量刀片温度。但是，基于侧翼磨损结果和这些切削流体的相对弱的传热能力，可以合理地推断：刀片的背部的温度接近针对干切削而测得的温度。

益处

具有用于间接切削刀具冷却的微通道热交换器22的切削刀具提供了若干性能益处。加工过程的环境影响相对于干加工降低了21%，而相对于用合成冷却剂进行的射流冷却降低了两倍。刀具寿命在高切削速度下提高了50%，而在低切削速度下提高了700%。零件生产成本降低了至少20%。成品零件质量得到改进，同时保持完成的零件中的高度尺寸精确度。

间接冷却方法具有若干环境和成本益处：

零毒物排放。如上所述使用惰性液态氮是以预防为导向的污染控制方法，该方法消除了来自与切削流体相关联的加工过程的毒物排放。间接冷却方法仅产生处于比传统的直接冷却方法小二百五十倍的流率下的惰性气态氮。可将在过程中使用的少量氮容易且安全地排到环境中。

低成本。成本研究显示，当与干切削或使用合成冷却剂的射流冷却相比时，间接冷却方法代表了加工的最低成本选择。消除了获取、维护、清洁和处置切削流体的成本。间接冷却的实施不需要对机床进行重大修改，而且因此，大型和小型加工中心两者均可容易地且可负担地实施间接冷却。

工作流体非常低的流率。因为其高传热能力，所以与使用2000升合成冷却剂的同等的传统加工作业相比，间接冷却方法仅需要10升液态氮就将切削刀具寿命提高了两倍或更多。这些冷却剂体积表示一台机器持续运行八小时一班所需要的冷却剂。

干切削的所有益处。干切削的其中一个主要益处在于，切屑和完成的零件在离开机器时是干净的、干燥的，且为下一个生产步骤做好了准备。通过使用间接冷却，以较低的成本实现了相同的益处。

在如此描述了该装置后，各种修改和变更对本领域技术人员来说是显而易见的，此类修改和变更将处于所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于间接地冷却安装在切削刀架上的切削刀具元件的装置，所述切削刀具元件具有至少一个切削刀刃，所述装置包括：

在所述切削刀具元件和所述切削刀架之间安装在所述切削刀架的端部中的热交换器，所述热交换器具有外表面和内表面；

在所述切削刀具的端部上定位在所述切削刀具和所述热交换器之间的绝热体，由此所述切削刀具和所述热交换器之间的热交换被最小化；

用于将处于低于环境温度的冷却剂供应给所述热交换器的所述内表面的冷却剂源；

具有低于110K的沸腾温度的液态氮构成冷却剂，由此所述热交换器中的所述液态氮利用所述液态氮的蒸发的潜热来移除来自所述切削刀具元件的热；

由此与使用干加工技术加工工件相比，所述液态氮能够在加工工件期间使所述切削刀具元件的温度降低200开尔文以上；以及

由此当使用小于在加工相同工件时合成冷却剂所需的流率的百分之一的流率来加工工件时，所述液态氮能够降低所述切削刀具元件的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

构成所述热交换器的热交换器歧管和盖板，由此当所述盖板安装在所述热交换器歧管上时，在所述热交换器的内部中形成腔体。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

联接到所述热交换器中的第一孔口上的冷却剂入口管和联接到所述热交换器中的第二孔口上的冷却剂出口管，所述冷却剂入口管将冷却剂源联接到所述热交换器的所述腔体上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

定位在所述热交换器的所述腔体中的多个传热翅片，由此所述传热翅片增强所述热交换器移除来自所述刀片的热的能力。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述切削刀具元件是切削刀具刀片。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述切削刀具元件被铜焊或以别的方式永久地固定到所述切削刀架上。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述切削刀具元件与所述切削刀架形成整体。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

在所述腔体中的冷却剂入口区，所述冷却剂入口区包括用于冷却剂入口管且邻近所述元件的所述至少一个切削刃的孔口，由此进入所述腔体的冷却剂首先进入所述冷却剂入口区，以对所述元件的所述至少一个切削刀刃提供最大冷却。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

形成于平行的传热翅片之间的多个通道，由此所述腔体中的冷却剂从所述第一孔口流到所述冷却剂入口区，并且流过所述传热翅片之间的通道，从而为所述元件提供冷却。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

在所述腔体中形成于所述腔体的与所述冷却剂入口区相对的侧上的冷却剂出口区，由此所述冷却剂在所述热交换器的一侧上进入所述腔体，并且通过形成于平行的传热翅片之间的通道而被引导到所述腔体的相对的侧上的所述冷却剂出口区。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述传热翅片的侧面垂直于所述至少一个切削刀刃，并且所述传热翅片的端部与所述至少一个切削刀刃成角度，使得所述冷却剂入口区具有三角形的形状，且来自所述冷却剂入口管的入口位于所述三角形中。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

定位在所述热交换器和所述元件之间的导热体，由此所述元件和所述热交换器之间的热交换被增加。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，由此液态氮从所述冷却剂入口管进入所述冷却剂入口区，穿过所述传热翅片之间的通道，并且在通过所述冷却剂出口管离开所述热交换器的所述腔体之前进入所述冷却剂出口区。