CN103921166A - 一种自启动少切削液冷却润滑系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少切削液冷却润滑系统，包括超声波雾化单元、喷嘴雾化单元、切削热检测单元和电路控制模块，其中超声波雾化单元和喷组雾化单元各自包括设置在刀具前刀面和主后刀面区域附近的多个雾化组件，并基于切削热检测单元所实时检测的刀具前刀面温度，通过对这些雾化组件进行一体化控制，由此实现多种冷却润滑介质的灵活组合应用。本发明还公开了相应的电气控制方法。通过本发明，能够在保证整体良好冷却润滑效果的同时，大幅度降低切削液的用量，同时具备冷却效果好、便于操控和适用面广等特点，因而尤其适用于机床加工之类的规模化工业生产场合。

Description

一种自启动少切削液冷却润滑系统及其控制方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，更具体地，涉及一种自启动少切削液冷却润滑系统及其控制方法。

背景技术

切削液是一种在金属切削、磨削加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体，切削液由多种超强功能助剂复合配成，并具备良好的冷却、润滑性能、防锈、除油清洗和防腐等特性。切削液所具备的以上特征，使得它在包括机床加工在内的多个机械加工领域中获得了广泛的应用。但切削液的使用也带来了很多问题，其中，最重要的是切削液使用过多而导致的成本增加和环境污染的问题。例如，有关数据表明，机床机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力约占30%，而与冷却润滑相关的能量消耗却占50%以上；而且金属加工后的废切削液对环境的污染也非常严重。此外，在实践应用中还存在切削液的使用效率偏低、冷却效果不够明显等不足。

针对上述技术问题，现有技术中已经提出了一些解决方案。例如，CN201010551978.9中公开了一种对切削加工进行润滑和冷却的方法和装置，其中披露了通过在切削液中加入纳米颗粒和分散剂，并在压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液雾化喷射，由此达到降低刀具与工件之间的摩擦以及提高换热效率的效果；此外，CN201220470665.5中公开了一种复合型微量润滑冷却系统，其中通过将植物性切削液与高压气体和水混合后形成复合油雾喷射到加工区域，以此方式来执行加工工具和被加工零件的冷却和润滑效果。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术的改进主要集中在对切削液自身的配料类型、切削液的复合以及喷射方式等方面，在整个加工过程中切削液的用量仍然偏多，相应引起的能耗高昂和环境污染严等问题并未获得有效解决，此外也没有充分结合切削加工的工艺流程特点进行考虑和设计。相应地，在本领域亟需寻找更为完善的切削液冷却润滑方式，以便在保证实现良好冷却和润滑的同时，能够尽可能地减少切削液的用量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种自启动少切削液冷却润滑系统及其控制方法，其中通过针对加工刀具的不同位置区域来配备多种雾化单元，同时结合切削加工各阶段的工艺流程特点充分采用水汽混合物来替代切削液执行冷却润滑，测试表明能够在保证良好冷却润滑效果的同时，大幅度降低切削液的用量，由此取得节约能耗、资源利用率高和避免环境污染等效果，并尤其适用于机床加工的应用用途。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种少切削液冷却润滑系统，其特征在于，该系统包括超声波雾化单元、喷嘴雾化单元、切削热检测单元和电路控制模块，其中：

所述超声波雾化单元包括鼓风机、给水组件和多个超声波雾化器，其中鼓风机和给水组件分别通过配备有控制阀的管道向超声波雾化器输送空气和水，超声波雾化器分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得输送至此的空气和水执行混合雾化后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和/或主后刀面区域喷射水汽混合物；

所述喷嘴雾化单元包括切削液容纳箱、空气压缩机、水泵和多个雾化喷嘴，其中切削液容纳箱通过配备有液体开停阀、液控单向阀和节流阀的管道向雾化喷嘴输送切削液，空气压缩机和水泵分别通过配备有控制阀的管道向雾化喷嘴输送空气和水，雾化喷组分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得切削液、压缩空气和水执行混合雾化形成复合油雾后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和主后刀面区域喷射该复合油雾；

所述切削热检测单元用于对切削加工过程中刀具前刀面的实时温度执行检测，并将检测结果传送给电路控制模块；

所述电路控制模块基于切削热检测单元所传送的检测温度，同时结合预设的第一、第二和第三温度阈值对超声波雾化单元和喷嘴雾化单元执行一体化控制：其中当检测温度高于第一温度阈值T₁且低于第二温度阈值T₂时，单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；当检测温度高于第二温度阈值T₂且低于第三温度阈值T₃时，同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当检测温度高于第三温度阈值T₃时，则启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑。

作为进一步优选地，所述超声波雾化单元和喷嘴雾化单元各自包括两个雾化器和雾化喷嘴，它们搭配组合成两组分别设置在刀具前刀面和主后刀面附近，并且各组内的雾化器和雾化喷嘴彼此相对于主切削刃对称，由此实现对作用区域的全面覆盖。

作为进一步优选地，所述超声波雾化单元还包括空气过滤器和空气气压计，由此分别用于对输送至超声波雾化器的空气执行过滤处理和气压监控；所述喷嘴雾化单元还包括液体压力计，由此用于对输送至雾化喷嘴的切削液液压进行监控。

作为进一步优选地，所述切削热检测单元优选为基于热电偶测温方式的检测单元。

作为进一步优选地，当检测温度高于第三温度阈值T₃时，所述电路控制模块可以使位于刀具前刀面区域附近的雾化喷嘴和超声波雾化器同时处于工作状态，由此对前刀面喷射切削液复合油雾和水汽混合物以执行冷却润滑。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）正常启动机床，使用加工刀具对工件进行切削加工，在刀具温度上升的过程中采用切削热检测模块对其前刀面温度进行实时检测；

（b）当检测温度上升达到预设的第一温度阈值T₁后，单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度下降低于第一温度阈值T₁后，则停止位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器；

（c）机床继续工作，当检测温度上升达到预设的第二温度阈值T₂后，同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度开始下降至第一温度阈值T₁后，则重复执行以上步骤（b）；

（d）机床继续工作，当检测温度上升达到预设的第三温度阈值T₃后，启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑；而当前刀面开始下降至第二温度阈值T₂后，则重复执行以上步骤（c）。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、由于在切削加工过程中针对初期刀具温度不是很高的情况，通过采用超声波雾化单元用水汽混合物来替代切削液对刀具前刀面和主后刀面以逐步递进的方式进行冷却和润滑，测试表明能够在保证整体良好冷却润滑效果的同时，大幅度降低切削液的用量，避免了能耗和资源的浪费，符合节能环保的时代主题；

2、通过对水汽混合物和切削液复合油雾两种类型冷却润滑物质的设置和喷射方式尤其是一体化电动控制进行设计，能够针对切削加工的具体应用场合单独或同时组合使用，在短时间内迅速反应且使得冷却润滑效果达到最佳；

3、按照本发明所构建的自启动少切削液冷却润滑系统整体结构紧凑、便于操控，能够针对刀具和被加工领域的不同区域实现大面积的良好冷却效果，同时具备使用灵活、作用效率高和适用面广等特点，因而尤其适用于机床加工之类的规模化工业生产场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的超声波雾化单元的结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例的喷嘴雾化单元的结构示意图；

图3是按照本发明优选实施例的切削热检测单元的结构示意图；

图4是按照本发明优选实施例的电路控制模块的原理示意图；

图5是用于示范性说明按照本发明的少切削液冷却润滑系统对刀具前刀面执行多介质雾化喷射时的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-鼓风机2-给水组件3-控制阀4-管道5-高频振荡器6-雾化片7-喷嘴8-箱体9-控制面板10-电源11-电控部分12-接水盘13-溢流阀14-刀具15-空气过滤器16-空气压力计17-液体压力计18-雾化喷嘴19-液控单向阀20-液体过滤器21-节流阀22-液体开停阀23-电压检测器24-A/D转换器25-变流检测器26-取样电阻27-等效电阻28-逆变电源29-电感30-铜压板31-计算机

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对背景技术中所述的切削液使用过多而导致的各种问题，本发明期望能够针对加工刀具的不同位置区域来配备多种雾化单元，同时结合切削加工各阶段的工艺流程特点充分采用水汽混合物来替代切削液执行冷却润滑，由此实现一种自启动少切削液冷却润滑体系。

下面将参照附图1-4来具体描述按照本发明的少切削液冷却润滑系统。该系统主要包括超声波雾化单元、喷嘴雾化单元、切削热检测单元和电路控制模块。具体而言，如图1中所示，所述超声波雾化单元可包括鼓风机1、给水组件1和多个超声波雾化器，其中鼓风机1和给水组件2分别通过配备有控制阀3的管道4向超声波雾化器输送空气和水，并可以配备有空气过滤器、空气气压计等组件，以便对鼓风机1向超声波雾化器所输送的空气进行过滤处理及气压监控。超声波雾化器譬如可由高频振荡器5和雾化片6等组件构成，它的数量可设定为2个，分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得输送至此的空气和水执行混合雾化后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和/或主后刀面区域喷射水汽混合物，并以此直接替代切削液。

所述喷嘴雾化单元可包括切削液容纳箱、空气压缩机、水泵和多个雾化喷嘴，如图2中所示，其中切削液容纳箱通过配备有液体开停阀22、液控单向阀19、液体过滤器20和节流阀21（此外还可以配备液体开停手柄、液体压力计17等其他配件）的管道向雾化喷嘴18输送切削液，空气压缩机和水泵分别通过配备有控制阀的管道向雾化喷嘴18输送空气（在输送空气的管路还可以根据需求设置空气过滤器15、空气压力计16等元件）和水，雾化喷组18分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得切削液、压缩空气和水执行混合雾化形成复合油雾后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和主后刀面区域喷射该复合油雾。

所述切削热检测单元用于对切削加工过程中刀具前刀面的实时温度执行检测，并将检测结果传送给电路控制模块。按照本发明的一个优选实施例，如图3中所示，该切削热检测单元可以包括铜压板30、电感29、逆变电源28、取样电阻26、变流检测器25、电压检测器23、A/D转换器24和计算机31等器件，并按照图中所示的电路连接方式执行切削热检测过程。其中铜压板30设置在刀杆不影响切削加工的位置且尽量靠近切削部位，用于将导线压紧固定在刀具末端，使整个切削系统形成一个回路，便于电压与电流的测量与检测；等效电阻27用于代替原电路中多个电阻而起到相同的效果，并简化电路；变流检测器25用于测量检测通过取样电阻的电流；取样电阻26和电源电路相连，由此将电流信号转换为电压信号来进行测量；A/D转换器则用于把检测到的电压或电流信号转换成计算机能够识别的等效数字量通过以上优选实施例，测试表明能够准确、快捷地实现对加工刀具前刀面的实时温度检测，同时便于与本系统的其他单元组合使用。

图4中显示了按照本发明优选实施例的电路控制模块的原理示意图。如图4中所示，该电路控制模块基于切削热检测单元所传送的检测温度，同时结合预设的第一、第二和第三温度阈值对超声波雾化单元和喷嘴雾化单元执行一体化控制：其中当检测温度高于第一温度阈值T₁且低于第二温度阈值T₂时，单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；当检测温度高于第二温度阈值T₂且低于第三温度阈值T₃时，同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当检测温度高于第三温度阈值T₃时，则启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑。本领域的技术人员容易理解，上述电路控制模块可以设计为多种具体的电路形式，只要其实现上述功能过程即可，因此在此不再赘述。

下面将具体解释按照本发明的系统控制流程。

首先，机床正常启动，刀具切削工件，刀具温度上升，切削热检测单元工作，检测刀具前刀面温度，由于在切削加工过程中刀具在开始阶段会达到热平衡温度（温度不再上升），其前刀面温度低于预设的第一温度阀值T₁（考虑到机床切削加工的常见工况，譬如可以将此第一温度阈值预设为450℃）超声波雾化单元和喷嘴雾化单元均不启动；

接着，机床继续工作，刀具切削工件，刀具温度上升，切削热检测单元工作，检测刀具前刀面温度，其前刀面温度高于第一温度阈值T₁且低于第二温度阈值T₂（该第二温度阈值譬如可预设为600℃）则单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度下降低于第一温度阈值T₁后，则停止位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器；

接着，机床继续工作，刀具切削工件，刀具温度继续上升，当检测温度上升达到预设的第二温度阈值T₂且低于第三温度阈值T₃（该第三温度阈值譬如可预设为750℃），则同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度开始下降至第二温度阈值T₁后，则按照以上控制原则重复执行以上步骤；

接着，机床继续工作，刀具温度继续上升，当检测温度上升达到预设的第三温度阈值T₃后，启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑；而当前刀面开始下降至第二温度阈值T₂后，则按照上述控制原则重复执行以上步骤，直至完成整个机床切削加工过程。

综上所述，通过本发明的自启动少切削液冷却润滑系统及其控制方法，通过采用超声波雾化单元用水汽混合物来替代切削液对刀具前刀面和主后刀面以逐步递进的方式进行冷却和润滑，测试表明能够在保证整体良好冷却润滑效果的同时，大幅度降低切削液的用量，避免了能耗和资源的浪费，符合节能环保的时代主题；此外，本发明能够针对刀具和被加工领域的不同区域实现大面积的良好冷却效果，同时具备使用灵活、作用效率高和适用面广等特点，因而尤其适用于机床加工之类的规模化工业生产场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种少切削液冷却润滑系统，其特征在于，该系统包括超声波雾化单元、喷嘴雾化单元、切削热检测单元和电路控制模块，其中：

所述超声波雾化单元包括鼓风机、给水组件和多个超声波雾化器，其中鼓风机和给水组件分别通过配备有控制阀的管道向超声波雾化器输送空气和水，超声波雾化器分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得输送至此的空气和水执行混合雾化后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和/或主后刀面区域喷射水汽混合物；

所述喷嘴雾化单元包括切削液容纳箱、空气压缩机、水泵和多个雾化喷嘴，其中切削液容纳箱通过配备有液体开停阀、液控单向阀和节流阀的管道向雾化喷嘴输送切削液，空气压缩机和水泵分别通过配备有控制阀的管道向雾化喷嘴输送空气和水，雾化喷组分别设置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面区域附近，并在其内部使得切削液、压缩空气和水执行混合雾化形成复合油雾后，根据电路控制模块的指令向刀具前刀面和主后刀面区域喷射该复合油雾；

所述切削热检测单元用于对切削加工过程中刀具前刀面的实时温度执行检测，并将检测结果传送给电路控制模块；

所述电路控制模块基于切削热检测单元所传送的检测温度，同时结合预设的第一、第二和第三温度阈值对超声波雾化单元和喷嘴雾化单元执行一体化控制：其中当检测温度高于第一温度阈值T₁且低于第二温度阈值T₂时，单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；当检测温度高于第二温度阈值T₂且低于第三温度阈值T₃时，同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当检测温度高于第三温度阈值T₃时，则启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑。

2.如权利要求1所述的少切削液冷却润滑系统，其特征在于，所述超声波雾化单元和喷嘴雾化单元各自包括若干个雾化器和雾化喷嘴，它们搭配组合成两组分别设置在刀具前刀面和主后刀面区域附近，并且各组内的雾化器和雾化喷嘴彼此相对于主切削刃对称，由此实现对作用区域的全面覆盖。

3.如权利要求1或2所述的少切削液冷却润滑系统，其特征在于，所述超声波雾化单元优选还包括空气过滤器和空气气压计，由此分别用于对输送至超声波雾化器的空气执行过滤处理和气压监控；所述喷嘴雾化单元还包括液体压力计，由此用于对输送至雾化喷嘴的切削液液压进行监控。

4.如权利要求3所述的少切削液冷却润滑系统，其特征在于，所述切削热检测单元优选为基于热电偶测温方式的检测单元。

5.如权利要求1-4任意一项所述的少切削液冷却润滑系统，其特征在于，当检测温度高于第三温度阈值T₃时，所述电路控制模块可以使位于刀具前刀面区域附近的雾化喷嘴和超声波雾化器同时处于工作状态，由此对前刀面喷射切削液复合油雾和水汽混合物以执行冷却润滑。

6.一种用于对如权利要求1-5任意一项所述的少切削液冷却润滑系统进行控制的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）正常启动机床，使用加工刀具对工件进行切削加工，在刀具温度上升的过程中采用切削热检测模块对其前刀面温度进行实时检测；

（b）当检测温度上升达到预设的第一温度阈值T₁后，单独启动位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器，对刀具的前刀面喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度下降低于第一温度阈值T₁后，则停止位于刀具前刀面区域附近的超声波雾化器；

（c）机床继续工作，当检测温度上升达到预设的第二温度阈值T₂后，同时启动位于前刀面和主后刀面区域的超声波雾化器，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射水汽混合物执行冷却润滑；而当前刀面温度开始下降至第一温度阈值T₁后，则重复执行以上步骤（b）；

（d）机床继续工作，当检测温度上升达到预设的第三温度阈值T₃后，启动喷嘴雾化单元的雾化喷嘴，对刀具的前刀面和主后刀面区域喷射切削液复合油雾来执行冷却润滑；而当前刀面开始下降至第二温度阈值T₂后，则重复执行以上步骤（c）。