CN104308247B - 一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，包括刀柄、刀头、收缩扩张型喷嘴和可转位刀片，所述刀柄与刀头连接，刀头上中心对称固定有两个可转位刀片，刀头上端设置有与可转为刀片位置相配合的内冷孔，内冷孔上连接有收缩扩张型喷嘴；两个内冷孔分别与分流道连接；刀柄中心设有冷却孔，冷却孔连接主流道，主流道贯穿刀柄内部，与两个分流道相通；本发明利用气流在喷嘴中不断的加速就能获得超音速气流，同时会导致温度急剧降低，从而获得低温的超音速气流，用于切削加工过程的低温冷却。

Description

一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀

技术领域

本发明涉及一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀。

背景技术

内冷式铣刀作为当前刀具发展的重要方向，其具有冷却效率高等优点，目前常用的内冷式铣刀以切削液内冷为主，也有压缩空气内冷式，但其气流温度为常温。制造业未来发展方向是绿色制造，在切削加工领域有多种绿色切削方式，其中一种重要方式是使用低温气体代替切削液作为切削加工的冷却介质。未来的切削加工过程中，切削液将会逐渐被气流冷却方式替代。

低温气体冷却切削能够减少环境污染，降低产品成本，提高产品质量。许多学者研究利用液氮冷却切削，但其成本较高。目前的内冷式刀具多以压缩空气为主，喷射气流速度为亚音速,气流温度为常温，吸收切削热的效果不理想。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，本装置利用空气、氮气、氩气、氦气，将相应的气体高压配气系统连接至机床内冷接口，或连接至刀柄的外冷转内冷接口，就可以产生超音速气流喷射到切削区，辅助材料断屑排屑，降低切削温度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，包括刀柄、刀头、收缩扩张型喷嘴和可转位刀片，所述刀柄与刀头连接，刀头上中心对称固定有两个可转位刀片，刀头上端设置有与可转为刀片位置相配合的内冷孔，内冷孔上连接有收缩扩张型喷嘴；两个内冷孔分别与分流道连接；刀柄中心设有冷却孔，冷却孔连接主流道，主流道贯穿刀柄内部，与两个分流道相通。

所述刀柄与刀头通过螺纹连接，且连接面上设有密封圈槽。

所述密封圈槽内装设有高压气体密封圈，以防止气体侧漏。

所述刀头内冷孔设置有喷嘴镶嵌孔，喷嘴镶嵌孔上设有喷嘴连接螺纹，收缩扩张型喷嘴通过所述喷嘴连接螺纹安装于刀头内冷孔上。

所述收缩扩张型喷嘴内部包括依次相连接的收缩段、喉部和扩张段，为两端宽、中间窄的结构。

所述可转位刀片通过螺钉固定于刀头的刀槽内。

所述收缩扩张型喷嘴可更换，其尺寸根据所要求的出口气流速度和温度而改变。

本发明的工作原理为：

通过收缩扩张型喷嘴实现超音速气流，首先对喷嘴工作原理进行分析，由微分形式的连续方程式1,可以看出：亚声速时候随着管截面收缩则流速增加，超声速时候随着管截面扩张则流速继续增加。

$({\mathrm{Ma}}^2-1)\frac{\mathrm{dV}}{V}=\frac{\mathrm{dA}}{A}---\left(1\right)$

$\frac{P}{P_e}={(1+\frac{k-1}{2}{\mathrm{Me}}^2)}^{\frac{k}{k-1}}---\left(2\right)$

$\frac{T}{T_e}=1+\frac{k-1}{2}{\mathrm{Me}}^2---\left(3\right)$

式1、2、3中，Ma为气体马赫数，V为气体流速，A为管道面积，P为收缩扩张型喷嘴入口总压力，P_e为收缩扩张型喷嘴出口静压力，k为气体的比热比,T为气体入口总温，T_e为气体出口静温，Me为收缩扩张型喷嘴出口马赫数。

通过式2、3可以看出，进出口压力比及进出口温度比均是出口马赫数的函数，当对于Me＝2，入口总温为T＝400K的空气(k＝1.4),可算出所需入口总压为7.82bar，T_e＝222K(-51℃)，因此只需要将符合条件的高压气体通入铣刀就可以获得-51℃下两倍音速的气流。

高压气体可以根据需要选择空气、氮气、氩气、氦气，经过刀柄上的内冷孔进入主流道，并通过与之相连接的刀头的分流道进入两个内冷孔内，并分为两部分，分别流向两个刀槽内的收缩扩张型喷嘴，在收缩扩张型喷嘴内，气流在收缩段不断加速，压力和温度随之降低，并在喉部达到音速，在扩张段继续加速，从而在出口得到低温超音速气流，并喷射进入切削区域。采用超音速低温气流内冷式刀具，能够明显降低切削温度，大幅度提高刀具的使用寿命和已加工表面质量。

本发明的有益效果为：

(1)能够获得温度可达-51℃或更低的低温气流，能够获得出口速度为超音速的气流，具有喷射速度高的特点，切削热对流效率高，同时高速喷射对于材料的断屑排屑有利；

(2)可以利用多种气体，满足不同的切削条件和切削材料使用；相对利用切削液的内冷铣刀本发明能够减少对环境的污染；

(3)用低温气体代替使用切削液，减少切削液的危害，而产生的超音速气流能够高效的带走切削热；

(4)喷嘴与喷嘴镶嵌孔为分离式结构，且喷嘴镶嵌孔位于流道末端，便于制造和拆卸，方便更换一系列的不同内形尺寸的喷嘴，获得不同速度和温度的超音速气流，这样能保证同一把刀具加工不同材料，根据材料最合适的气流温度和速度来更换喷嘴；

(5)主流道和分流道分别位于刀杆和刀头上，大大降低了制造难度，主流道位于中心，刀具旋转时方便实现气体的输入；

附图说明

图1是可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀外形示意图；

图2是可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀部件分解示意图；

图3是可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀剖面结构示意图；

图4是刀柄结构示意图；

图5是刀头结构示意图；

图6是收缩扩张型喷嘴结构示意图。

其中：1、刀柄，1a、刀柄冷却孔，1b、刀柄连接螺纹2、刀头，2a、刀头内冷孔，2b、刀头连接螺纹，2c、喷嘴连接螺纹，2d、密封圈槽，3、收缩扩张型喷嘴，3a、收缩扩张型喷嘴收缩段，3b、收缩扩张型喷嘴喉部，3c、收缩扩张型喷嘴扩张段，4、可转位刀片，5、螺钉6、高压气体密封圈。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，包括刀柄1，与刀柄1通过螺纹1b、2b连接的刀头2，刀柄1中心有内冷孔1a，刀头2上有两处内冷孔2a，分别通向两个刀槽，刀头2与刀柄1结合面上有密封圈槽2d，密封圈槽2d装有高压气体密封圈6，防止气体侧漏，刀头内冷孔2a末端有收缩扩张型喷嘴连接螺纹2c，通过喷嘴连接螺纹2c将收缩扩张型喷嘴3与刀头连接，刀头上有两个刀片槽，并利用螺钉5将可转位刀片4固定在刀头的刀槽内。

刀头2内冷孔设置有喷嘴镶嵌孔，喷嘴镶嵌孔上设有喷嘴连接螺纹2c，收缩扩张型喷嘴3通过所述喷嘴连接螺纹安装于刀头内冷孔上

如图5、图6所示，高压气体可以根据需要选择空气、氮气、氩气、氦气，经过刀柄1上的内冷孔1a进入与之相连接的刀头2的内冷孔2a内，并分为两部分，分别流向两个刀槽内的收缩扩张型喷嘴3，在收缩扩张型喷嘴收缩段3a气流不断加速，压力和温度随之降低，并在喉部3b达到音速，在扩张段3c继续加速，从而在出口得到低温超音速气流，并喷射进入切削区域。采用超音速低温气流内冷式刀具，能够明显降低切削温度，大幅度提高刀具的使用寿命和已加工表面质量。

收缩扩张型喷嘴喉部3b和出口满足一定的面积比且入口压力和出口压力之比足够当气体压力满足要求时，气流在喷嘴中不断的加速就能获得超音速气流，同时会导致温度急剧降低，从而获得低温的超音速气流，用于切削加工过程的低温冷却。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：包括刀柄、刀头、收缩扩张型喷嘴和可转位刀片，所述刀柄和刀头是分离的，通过螺纹连接，刀头上中心对称固定有两个可转位刀片，刀头上端设置有与可转刀片位置相配合的内冷孔，内冷孔上连接有收缩扩张型喷嘴，收缩扩张型喷嘴通过喷嘴连接螺纹安装于刀头内冷孔；两个内冷孔分别与分流道连接；刀柄中心设有冷却孔，冷却孔连接主流道，主流道贯穿刀柄内部，与两个分流道相通。

2.如权利要求1所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述刀柄与刀头通过螺纹连接，且连接面上设有密封圈槽。

3.如权利要求2所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述密封圈槽内装设有高压气体密封圈，以防止气体侧漏。

4.如权利要求1所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述刀头内冷孔设置有喷嘴镶嵌孔，喷嘴镶嵌孔上设有喷嘴连接螺纹，收缩扩张型喷嘴通过所述喷嘴连接螺纹安装于刀头内冷孔上。

5.如权利要求4所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述收缩扩张型喷嘴内部包括依次相连接的收缩段、喉部和扩张段，为两端宽、中间窄的结构。

6.如权利要求1所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述可转位刀片通过螺钉固定于刀头的刀槽内。

7.如权利要求4所述的一种可产生超音速低温气流的可转位式内冷铣刀，其特征是：所述收缩扩张型喷嘴可更换，其尺寸根据所要求的出口气流速度和温度而改变。