CN103831664A - 一种用于气动切削润滑的工具箱及供给量标定和调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气动切削润滑的工具箱及供给量标定和调整方法，所述工具箱包括箱体、箱盖、喷射装置和软管束，其特征在于所述箱体包括切削供气用的切削气源调整回路和提供切削润滑的微量复合喷射回路；其中微量复合喷射回路包括喷气支路、润滑支路、冷却支路等，该工具箱可进行油、水、气的通断控制和供给量的调节。使用工具箱进行供给量标定和调整时，对于油液供给量的调整可以采用先将油路调节针阀固定在某一位置，然后再调整润滑支路减压阀的方法；而对于水的供给量调整则可以采用先将冷却支路减压阀固定在某一位置，然后再调整水路调节针阀的方法。该工具箱具有结构简单、集成度高、调节方便、供给稳定、润滑效果好、便于携行等优点。

Description

一种用于气动切削润滑的工具箱及供给量标定和调整方法

技术领域

本发明属于机械加工领域的供气和供液集成装置，具体是涉及一种油、水、气复合喷射润滑与气动切削供气的集成装置，以及该装置供油和供水量的标定方法及调整方法，该装置和方法适用于钛合金等金属的切削润滑，尤其适用于飞机的战伤抢修领域。

背景技术

军用飞机的蒙皮、桁条等薄壁结构件在使用中会产生疲劳及应力腐蚀裂纹，作战受攻击时会出现各种带尖角状弹孔、撕裂状破孔以及划伤等战伤形式，不仅大大降低其结构强度，严重时还会造成飞机解体。在外场条件下或战伤抢修条件下（如英国皇家空军规定除了冷气瓶以外没有任何动力的修理条件），当此类损伤低于其损伤容限时，一般是采用钻止裂孔抢修工艺（用气钻在裂纹或破孔尖角末端3～5mm处钻直径为3～4mm的止裂孔）来阻止裂纹进一步扩展；而超过损伤容限时，则应采用气动切割工具将损伤切割为规则圆孔或长圆孔，再利用补片将切割后的孔洞通过铆接来提高损伤部件的结构强度。随着钛合金等材料在新型战机机体结构上的大量应用，对钛合金结构的损伤抢修提出了挑战：钛合金材料切削性能差，切削力大，切削温度高，刀具磨损严重，切削质量差，操作费时费力等问题。另外，为保持机体腐蚀进程和机内电气设备安全，原位切削中限制了传统切削液的使用，而在无冷却润滑时，钛合金切削条件更加恶劣，严重影响了修理质量与抢修速度。

微量润滑技术（Minimum quantity cooling lubrication，MQL）是国外较为流行的准干式切削方法，它在压缩空气中混入微量的无公害油雾，代替大量油剂对切削点实施冷却、润滑和排屑。该种方法可油雾渗入刀具前刀面与切削变形区之间的毛细管以改善切削区摩擦状况，达到降低切削力和切削热，延长刀具寿命等目的。微量润滑技术是解决原位切削中润滑难题的有效技术途径，但微量润滑存在冷却效果不足的问题。CN101811269A的发明申请公布了一种低温微量润滑系统，将低温切削与微量润滑相结合，达到了既可有效利用润滑剂的润滑特性，又可有效降低切削区温度的目的，产生了较好的切削效果。但是该低温微量润滑系统装有多级制冷装置，其结构复杂、体积较大、不便于携行，而且需要使用电源等能源，不适用于军用飞机钛合金等金属结构的战伤抢修。

发明内容

本发明的目的在于发明一种适用于军用飞机钛合金等金属结构的战伤抢修的集成装置，以解决现有切削供液装置中存在的各种问题。该装置的微量复合喷射回路喷出的油、水、气直接用于金属切削等机械加工过程中，该装置的切削气源调整回路为金属切削供气、提供动力，微量复合喷射回路和切削气源调整回路使用同一冷气瓶供气。该装置可调节油、水、气的通断，以及通过减压阀、针阀、流量阀可分别调节油、水、气的供给量，具有润滑效果好、使用油液少、结构简单、集成度高、供给量调节方便、供给稳定、便于携行，仅需冷气瓶供气并提供动力，尤其适用于飞机外场使用等优点。

本发明提出了一种用于气动切削润滑的工具箱，该工具箱具体包括箱体、箱盖、喷射装置和软管束，其特征在于所述箱体包括切削气源调整回路和微量复合喷射回路。

切削气源调整回路包括气源接头、气体过滤装置、阀门、减压阀、压力表、流量阀、接头。

微量复合喷射回路包括阀门和喷气支路、润滑支路、冷却支路；其中喷气支路包括减压阀、压力表、流量阀和接头；润滑支路包括减压阀、压力表、单向阀、油箱、阀门和接头；冷却支路包括减压阀、压力表、单向阀、水箱、阀门和接头。

喷射装置包括喷射调节器、导管和喷头，喷射调节器包括气路通道、油路通道和水路通道，油路通道中安装有油路调节针阀，水路通道中安装有水路调节针阀，油路通道和气路通道经油气混合腔后合二为一。通过油气混合腔先混合油气，可提高油液的雾化程度，而且便于控制并减小油液的供给量。

软管束包括三根软管，一根软管用于连接喷气支路的接头和喷射调节器进气接头，一根软管用于连接润滑支路的接头和喷射调节器进油接头，一根软管用于连接冷却支路的接头和喷射调节器进水接头。

其中软管束与箱体之间以及软管束与喷射装置之间采用快卸接头连接，除此之外还可以采用螺纹连接、弹簧卡扣连接的等可拆卸的连接方式。

其中喷射装置的喷头为内外双层结构，喷射装置的导管也为内外双层导管，该导管与喷头的结构相互配合；喷头的喷口开度可以调节，可进一步提高油液和水的雾化效果。

其中箱盖的内侧安装有固定喷射装置所用固定装置，固定装置可以是绑带式、粘扣式、与喷射装置外形相配合的凹槽、与喷射装置外形相配合的凸出弹性卡扣等形式。这些固定装置可将喷射装置固定在箱盖内侧，防止在携行时喷射装置在工具箱中任意移动造成箱内调节旋钮或喷射装置等部件的损伤。

其中箱盖的外侧上方安装有携行用提手，箱体的左右两侧安装有搬运用提手；箱体和箱盖之间采用可拆卸的连接方式，即工具箱后方安装两个可拆卸铰链，前方安装两个锁扣。该可拆卸的连接形式还可以是工具箱前后各安装两个锁扣等形式，采用可拆卸的连接形式是为了在切削工作时将箱盖取下，便于各种管路接头的连接和阀门的调节，也为了进一步减轻工具箱的重量，以便将其搬运至机翼等飞机表面上工作；箱体为工程塑料材质，一方面是为了减轻工具箱的重量、并提高工具箱的耐冲击性能，另一方面是为了减小工具箱对飞机表面的磨损。

油箱盖上安装放气螺塞和透明观察窗，可通过透明观察窗观察箱内的油位，油箱盖与油箱采用螺纹连接,将油箱盖取下后可补充油液，油箱的进气口和出液口布置在油箱的底部，进气口上连接有高于液面的进气管。水箱和油箱采用相同的结构。

该工具箱中的润滑用油液为蓖麻油等植物油或者其它易溶于水的绿色润滑剂。

使用上述工具箱进行切削润滑时，使用的油和水的用量都非常少，油水混合液的流量通常小于1000ml/h。由于油水的混合比通常介于5:100～10:100之间，所以油液的使用量更少，这给油液流量的调节、测量和显示都带来了不少的困难。

在进行气动切削润滑时，油液的供给量可通过润滑支路的减压阀和油路调节针阀进行调节；而水的供给量可通过冷却支路的减压阀和水路调节针阀进行调节。试验结果表明，调节针阀的调整对供给量的变化影响更为明显，而且单独调整油路调节针阀很难将油液供给量稳定在一个比较小的数值（如小于100ml/h的某一数值）。为了解决上述供给量调节中存在的问题，对于油液供给量的调整可以采用先将油路调节针阀固定在某一位置，然后再调整润滑支路减压阀的方法；而对于水的供给量调整则可以采用先将冷却支路减压阀固定在某一位置，然后再调整水路调节针阀的方法。

由于在进行气动切削润滑时，需要根据切削对象和切削参数的不同，调整油液和水的供给量。为了能够在使用时可以在较短的时间内调整好油液流量和水的流量，需要在使用前对油水混合物的供给量进行标定。可采用如下的方法对上述工具箱的切削润滑混合物的供给量进行标定，具体的标定方法包括以下步骤：

a.调整冷却支路中的减压阀，将水箱中的气压固定为某一气压值；

b.再逐渐调整喷射调节器中的水路调节针阀；

c.测量水路调节针阀旋钮从关闭到完全打开过程中对应的水流量；

d.在水路调节针阀旋钮周边的固定面上标定出旋钮转动角度对应的水流量；

e.调整油路调节针阀，将针阀的开度固定在某一位置；

f.再逐渐调整润滑支路中的减压阀，使油箱内的压力随之变化；

g.测量润滑支路中的减压阀旋钮从关闭到完全打开过程中对应的油液流量；

h.在润滑支路中的减压阀旋钮周边的固定面上标定绘制出旋钮转动角度对应的油液流量。

通过上述方法不断调整和试验（试切削和润滑），最终确定出水箱的气压固定值、油路调节针阀的固定位置；在水箱中气压为固定值的情况下，在水路调节针阀旋钮周边的固定面上最终标定出旋钮转动角度对应的水流量；在油路调节针阀处于固定位置的情况下，在润滑支路减压阀旋钮周边的固定面上最终标定出旋钮转动角度对应的油液流量。并记录此时的切削对象参数（材质、厚度等）、切削参数（钻头参数、切削转速、切削进给速度等）等参数，以留作日后参考。标定后，在切削对象参数、切削参数等参数未发生变化时，不需要再调整冷却支路的减压阀和油路调节针阀。

在供给量标定后，可采用如下的方法调整切削润滑混合物的供给量，具体的调整方法包括以下步骤：

a.根据标定的水流量数值，通过调整喷射调节器中的水路调节针阀，将其旋转至对应位置，获得所需的水流量；

b.根据标定的油液流量数值，通过调整润滑支路中的减压阀，将其旋转至对应位置，获得所需的油液流量。

本发明的一种用于气动切削润滑的工具箱及供给量标定和调整方法，其优点在于：

a.该工具箱可将油液进行充分雾化，并与水雾进行混合后，高速喷射至加工表面；

b.该工具箱可调节油、水、气的通断，以及通过减压阀、针阀、流量阀调节油、水、气的供给量；

c.该工具箱可产生高速切削润滑用复合油水雾，高速气流用于排除切削过程中产生的切屑，水雾用于降低切削区的温度，油雾用于润滑切削摩擦区域；

d.该工具箱仅需使用冷气瓶供气并提供动力，尤其适合于飞机外场等缺少电源供电的地方使用；也可使用空气压缩机等其它供气装置提供动力，使用范围可进一步扩大；

e.该工具箱结构简单、集成度高、便于携行，适用于钛合金、合金钢、铝合金等金属材料的气动切削加工，尤其适用于军用飞机的原位战伤抢修；

f.该工具箱使用绿色润滑剂，解决了传统切削过程中切削液用量、控制困难、环境污染严重等问题；

g.该工具箱耗材少、成本低、消耗资源少，可适用于批量生产；

h.该工具箱油液、水的供给量调节方便，而且小流量供给稳定。

附图说明

图1 气动切削润滑工具箱结构原理图，其中111-气源接头、112-气体过滤装置、113-阀门、114-减压阀、115-压力表、116-流量阀、117-接头；121-减压阀、122-压力表、123-流量阀、124-接头；131-减压阀、132-压力表、133-单向阀、134-油箱、135-阀门、136-接头；141-减压阀、142-压力表、143-单向阀、144-水箱、145-阀门、146-接头；15-阀门；31-喷射调节器、32-导管、33-喷头；41-软管、42-软管、43-软管。

图2 喷射装置结构示意图，其中311-油路调节针阀、312-水路调节针阀、313-油气混合腔。

图3 喷头结构示意图，其中32-导管、33-喷头。

图4 绑带式固定装置示意图，其中31-喷射调节器。

图5 凹槽式固定装置示意图。

图6工具箱外部结构示意图，其中1-箱体、2-箱盖、16-提手、21-提手。

图7 油箱结构示意图。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明提出了一种用于气动切削润滑的工具箱。该工具箱具体包括箱体1、箱盖2、喷射装置和软管束，其特征在于所述箱体1包括切削气源调整回路和微量复合喷射回路。

切削气源调整回路包括气源接头111、气体过滤装置112、阀门113、减压阀114、压力表115、流量阀116、接头117。本实施例中的接头117为并联的双接头，其尺寸规格分别为6mm和8mm，以适用于不同规格的常用气动工具连接管路。

微量复合喷射回路包括阀门15和喷气支路、润滑支路、冷却支路；其中喷气支路包括减压阀121、压力表122、流量阀123和接头124；润滑支路包括减压阀131、压力表132、单向阀133、油箱134、阀门135和接头136；冷却支路包括减压阀141、压力表142、单向阀143、水箱144、阀门145和接头146。

回路中的各种元件之间使用管路进行连接，如图1所示。

喷射装置包括喷射调节器31、导管32和喷头33，喷射调节器31包括气路通道、油路通道和水路通道，油路通道中安装有油路调节针阀311，水路通道中安装有水路调节针阀312，油路通道和气路通道经油气混合腔313后合二为一，如图2所示。

软管束包括软管41、软管42和软管43三根软管，软管41用于连接接头124和喷射调节器进气接头，软管42用于连接接头136和喷射调节器进油接头，软管43用于连接接头146和喷射调节器进水接头。为了在不使用时，便于将软管收纳在工具箱中，软管41、软管42和软管43采用弹簧软管。

其中软管束与箱体1之间以及软管束与喷射装置之间采用90度快卸接头连接。

其中喷头33为内外双层结构，导管32也为内外双层导管，双层导管为同心结构，内层导管连接喷射调节器31的水路通道，外层导管连接油气混合腔313，导管32与喷头33的结构相互配合，如图3所示。

其中箱盖2的内侧安装有固定喷射装置所用的绑带式固定装置，如图4所示。（固定装置也可以是与喷射装置外形相配合的凹槽，如图5所示；另外还可以是粘扣形式、或与喷射装置外形相配合的突出弹性卡扣等形式。）

其中箱盖2的外侧上方安装有携行用提手21，箱体1的左右两侧安装有搬运用提手16；箱体1和箱盖2之间采用如图6所示的可拆卸的连接方式，即工具箱后方安装两个可拆卸铰链，前方安装两个锁扣。

油箱134的结构如图7所示。油箱盖上安装放气螺塞和透明观察窗，油箱内壁上标有刻度，可通过透明观察窗观察箱内的油位，从而计算油液的用量，油箱盖与油箱采用螺纹连接,将油箱盖取下后可补充油液，油箱的进气口和出液口布置在油箱的底部，进气口上连接有高于液面的进气管。水箱144和油箱134采用相同的结构。

为了便于调节，工具箱中除了喷射调节器上三个接头和两个调节针阀以外的其它各种压力表头、阀门、油箱盖以及接头都布置在工具箱箱体1的上表面。

该工具箱中的润滑用油液为EL-40蓖麻油聚氧乙烯醚，该润滑用油液具有易溶于水、无毒性、易降解等特点。

以工具箱采用冷气瓶供气，供气压力为0.6MPa，油液采用EL-40蓖麻油聚氧乙烯醚，使用HSS标准麻花钻（直径4mm，顶角修磨角度为135度，转速500rpm，进给速度0.05mm/r）切削TC4钛合金板材（厚度2mm）为例。可具体采用如下的方法对上述工具箱的切削润滑混合物的供给量进行标定，具体的标定方法包括以下步骤：

a.调整冷却支路中的减压阀141，将水箱144中的气压固定为0.2MPa（试验证明水箱气压值固定在0.2MPa时，通过调整水路调节针阀312所得的水流量可以满足多数切削冷却用量的需要，最大水流量可达1000ml/h）；

b.再逐渐调整（每次调整量约为全量程的1/5）喷射调节器31中的水路调节针阀312（本实施例中的调节阀旋钮可在0～5/8圈的范围内调整）；

c.测量水路调节针阀312旋钮从关闭（对应0圈）到完全打开（对应5/8圈）过程中对应的水流量，水的流量通过带刻度的水箱和秒表进行测量，计算水的流量值（1/8圈时水流量为490ml/h，2/8圈时水流量为550ml/h，3/8圈时水流量为620ml/h，4/8圈时水流量为830ml/h，5/8圈时水流量为1000ml/h），可根据计算所得的水流量值，拟合出水流量与针阀旋钮的对应关系曲线，以获得其它位置大致对应的水流量；

d.在水路调节针阀312旋钮周边的固定面上标定出旋钮转动角度对应的水流量（本实施例中标定了1/8圈、2/8圈、3/8圈、4/8圈和5/8圈的位置及其对应的水流量）；

e.调整油路调节针阀311，将针阀的开度固定在3/8圈的位置（本实施例中针阀旋钮从关闭到完全打开分别对应0圈～5/8圈，试验证明针阀开度位于3/8圈时，通过调整油路压力所得的油液流量可以满足多数切削润滑用量的需要，最大油液流量可达90ml/h）；

f.再逐渐调整润滑支路中的减压阀131，使油箱134内的压力随之变化；

g.测量润滑支路中的减压阀131旋钮从关闭到完全打开过程中对应的油液流量（油液流量的测量方法如同前述水流量的测量方法，然后计算不同压力下油液流量，0.1MPa时油液流量为50ml/h，0.2MPa时油液流量为60ml/h，0.3MPa时油液流量为70ml/h，0.4MPa时油液流量为80ml/h，0.5MPa时油液流量为90ml/h）；

h.在润滑支路中的减压阀131旋钮周边的固定面上标定绘制出旋钮转动角度对应的油液流量（本实施例中标定了0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa的位置及其对应的油液流量）。

经过试验，发现在油路调节针阀311旋钮固定在3/8圈的位置，油箱气压调整至0.3MPa，使得油液流量为70ml/h；水箱气压调整至0.2MPa，水路调节针阀312旋钮调整至接近3/8圈时，使得水流量约为600ml/h的情况下，本实施例可以达到较好的切削润滑效果。标定后，油路调节针阀311和减压阀141不需再次调整，位置固定即可。

根据上述试验结果，在供给量标定后，可采用如下的方法调整切削润滑混合物的供给量，具体的调整方法包括以下步骤：

a.根据标定的水流量数值，通过调整喷射调节器31中的水路调节针阀312，将其旋转至接近3/8圈的位置，即旋转至标定的600ml/h的位置，获得当前切削所需的水流量；

b.根据标定的油液流量数值，通过调整润滑支路中的减压阀131，将其旋转至0.2MPa的位置，即旋转至标定的60ml/h的位置，获得当前切削所需的油液流量。

使用气动切削润滑工具箱进行钛合金金属切削和润滑的具体操作方法：

a.将外部气源输送管与气源接头111相连接；

b.将气动切削工具的输气管与接头117相连接；

c.通过软管束的三根软管连接箱体和喷射调节器；

d.打开阀门15，将压缩气引入微量复合喷射回路；

e.打开阀门135和阀门145；

f.调整水路调节针阀312和减压阀131，确定所需的水和油液的流量；

g.打开流量阀123，进行喷气和雾化；

h.打开阀门113和气动切削工具进行切削。

本发明的用于气动切削润滑的工具箱及供给量标定和调整方法不仅适用于军用飞机钛合金的战伤抢修切削，而且适用于其它飞机及其它结构的钛合金及其它金属的切削。 

Claims (10)

1.一种用于气动切削润滑的工具箱，包括箱体（1）、箱盖（2）、喷射装置和软管束，其特征在于所述箱体（1）包括切削气源调整回路和微量复合喷射回路；

所述切削气源调整回路包括气源接头（111）、气体过滤装置（112）、阀门（113）、减压阀（114）、压力表（115）、流量阀（116）、接头（117）；

所述微量复合喷射回路包括阀门（15）和喷气支路、润滑支路、冷却支路，其中喷气支路包括减压阀（121）、压力表（122）、流量阀（123）和接头（124），润滑支路包括减压阀（131）、压力表（132）、单向阀（133）、油箱（134）、阀门（135）和接头（136），冷却支路包括减压阀（141）、压力表（142）、单向阀（143）、水箱（144）、阀门（145）和接头（146）；

所述喷射装置包括喷射调节器（31）、导管（32）和喷头（33），喷射调节器（31）包括气路通道、油路通道和水路通道，油路通道中安装有油路调节针阀（311），水路通道中安装有水路调节针阀（312），油路通道和气路通道经油气混合腔（313）后合二为一；

所述软管束包括软管（41）、软管（42）和软管（43）三根软管，软管（41）用于连接接头（124）和喷射调节器进气接头，软管（42）用于连接接头（136）和喷射调节器进油接头，软管（43）用于连接接头（146）和喷射调节器进水接头。

2.如权利要求1所述的一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述软管束与箱体（1）之间以及软管束与喷射装置之间采用可拆卸的连接方式。

3.如权利要求1所述的一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述喷头（33）为内外双层结构，导管（32）也为内外双层导管，导管（32）与喷头（33）的结构相互配合。

4.如权利要求1所述的一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述箱盖（2）内侧安装有固定喷射装置所用的固定装置。

5.如权利要求1所述的一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述箱盖（2）的外侧上方安装有携行用提手（21），箱体（1）的左右两侧安装有搬运用提手（16）。

6.如权利要求1所述的一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述油箱（134）的油箱盖和水箱（144）的水箱盖上分别安装放气螺塞和透明观察窗。

7.如权利要求1-6所述的任一一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述箱体（1）和箱盖（2）之间采用可拆卸的连接方式。

8.如权利要求1-6所述的任一一种用于气动切削润滑的工具箱，其特征在于所述箱体（1）为工程塑料箱体。

9.一种切削润滑供给量的标定方法，该方法包括以下步骤：

a.调整冷却支路中的减压阀（141），将水箱（144）中的气压固定为某一气压值；

b.再逐渐调整喷射调节器（31）中的水路调节针阀（312）；

c.测量水路调节针阀（312）旋钮从关闭到完全打开过程中对应的水流量；

d.在水路调节针阀（312）旋钮周边的固定面上标定出旋钮转动角度对应的水流量；

e.调整油路调节针阀（311），将针阀的开度固定在某一位置；

f.再逐渐调整润滑支路中的减压阀（131），使油箱（134）内的压力随之变化；

g.测量润滑支路中的减压阀（131）旋钮从关闭到完全打开过程中对应的油液流量；

h.在润滑支路中的减压阀（131）旋钮周边的固定面上标定出旋钮转动角度对应的油液流量。

10.一种切削润滑供给量的调整方法，该方法包括以下步骤：

a.根据标定的水流量数值，通过调整喷射调节器（31）中的水路调节针阀（312），将其旋转至对应位置，获得所需的水流量；

b.根据标定的油液流量数值，通过调整润滑支路中的减压阀（131），将其旋转至对应位置，获得所需的油液流量。

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