CN105583689A - 一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属切削加工相关领域，并公开了一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统，包括液氮供应源、流量单元、液氮输送管和液氮喷头单元，其中液氮供应源用于将低温液氮可控地予以输出；流量单元用于将液氮继续输送至液氮输送管，并对流经于其的液氮监测其流速；液氮输送管在保持液氮不予以气化的前提下将其继续输送至液氮喷头单元，并且该喷头单元呈双喷头结构，由此可精确控制地将液氮分别喷射至刀具的前刀面和后刀面，相应实现低温液氮在Inconel718合金切削加工过程中的良好应用。通过本发明，能够从液氮用量、液氮喷射位置和液氮存储密封性等多个方面获得更为精准的定向控制，同时具备清洁环保、切削质量好和便于操控的优点。

Description

一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统

技术领域

本发明属于金属切削加工相关领域，更具体地，涉及一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统。

背景技术

Inconel718(镍基高温合金718)是一种含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，由于具备高强度、良好韧性以及在高低温环境中均具耐腐蚀性等特性，因而在多个领域获得了广泛应用。然而，Inconel718合金属于难加工材料，当采用传统切削方式浇注普通切削液进行加工时，会对操作人员的身体健康、环境污染、后期处理、加工成本等多个方面产生不利影响。

在此情况下，在绿色制造环境和现代化加工模式的促进下，针对难加工材料的切削工艺开始寻求传统切削液的代替品。例如，可以采用液氮低温冷却加工来冷却及润滑切削区，在很大程度上有助于改善以上问题。然而，如何将液氮准确、高效地喷向变形区，以及有效解决液氮使用过程中的沸点低、难储存等，正成为本领域亟需解决的技术难点所在。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统，其中通过结合Inconel718的加工特性来针对性地设计专用液氮低温冷却加工设备，并对其关键组件如液氮输送管、液氮喷头单元和流量单元等的具体结构和设置方式进行研究改进，相应能够从液氮用量、液氮喷射位置和液氮存储密封性等多个方面获得更为精准的定向控制，同时具备清洁环保、切削质量好和便于操控的优点，因而尤其适用于Inconel718这类难加工高温合金的切削加工场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统，该系统包括依次保持可控连通的液氮供应源、流量单元、液氮输送管和液氮喷头单元，其特征在于：

所述液氮供应源整体呈高压密封罐的形式，并包括用于存储液氮的罐体、设置在该罐体出口处用于调节液氮输出量的控制阀门，以及用于显示所述罐体内部剩余液氮量的显示器件；

所述流量单元包括用于导入液氮的入口端、用于导出液氮的出口端、设置在该入口端与出口端之间的柄状结构，以及用于对液氮流速值进行实时测量和显示的流量计，并且该流量计的显示部件被安装在所述柄状结构上以保持与液氮具有一定间隔；

所述液氮输送管的一端与所述流量单元的出口端密封连通，另外一端与所述液氮喷头单元密封连通；

所述液氮喷头单元呈现双喷头的形式，并包括构成支撑本体的刀杆、固接在该刀杆侧面上的第一夹具、螺纹安装在所述第一夹具一侧且用于将来自所述液氮输送管的液氮分为两路后导入所述刀杆内部的第二夹具、螺纹安装在所述第一夹具的另外一侧且用于将所述刀杆内部的液氮继续分为两路导出的第三夹具，以及各自独立安装在该第三夹具上的两个液氮喷头；此外，这两个液氮喷头的喷射角度可调，并分别用于将定量的液氮喷射至用于切削加工Inconel718合金的刀具的前刀面和后刀面。

作为进一步优选地，所述液氮输送管呈现中空软管的形式，并且该软管从内到外包括两个不锈钢管层，并在外部设置泡沫绝热层。

作为进一步优选地，所述第一夹具、第二夹具和第三夹具均由不锈钢制成。

作为进一步优选地，所述控制阀门优选将液氮输出量调节在0.5L/min～1.5L/min的范围内，并且其阀门开口的直径优选设计为0.8cm～1cm；此外，所述液氮输送管的总长度优选被设计为1.5m～2m。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备下列优点：

1、通过采用低温液氮替代常规切削液来执行Inconel718合金的切削加工过程中的冷却及润滑处理，同时结合该高温合金和液氮自身的特征来针对性设计特定的冷却系统构造和技术指标，相应能够在获得更高切削加工质量的同时，有效克服对环境污染和后处理的问题，提高加工效率；

2、尤其是，通过进一步分析采用低温液氮来切削加工Inconel718合金时会遇上的喷向变形区难以精确控制、液氮在使用和输送过程中难于存储等技术难题，本发明中还对冷却系统中的关键组件如液氮输送管、液氮喷头单元和流量单元等的具体结构和设置方式进行了专门设计，相应能够以更为灵活、精准地引导及控制液氮的用量和喷射点，从而显著提高切削质量同时降低原料的浪费；

3、当采用上述双喷头式液氮冷却系统执行实际加工时，测试表明一些关键结构参数如控制阀门的开口直径、液氮的输送量以及液氮输送管的材质、长度等均会对最终的高温合金切削质量起到影响，相应在本发明中还对这些关键指标作出进一步的设计，由此有助于确保及提高低温液氮对Inconel718合金切削加工的整体效果。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的双喷头式液氮冷却系统的结构分解示意图；

图2是更为具体地显示图1中的液氮供应源的结构示意图；

图3是更为具体地显示图1中所示流量单元的结构示意图；

图4是更为具体地显示图1中所示液氮喷头单元的结构示意图。

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：

100-液氮供应源200-流量单元300-液氮输送管400-液氮喷头单元101-罐体102-控制阀门103-显示器件401-刀杆402-第一夹具403-第二夹具404-第三夹具405-液氮喷头

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的双喷头式液氮冷却系统的结构分解示意图。如图1中所示，该液氮冷却系统主要包括依次保持可控连通的液氮供应源100、流量单元200、液氮输送管300和液氮喷头单元400，相应构成一个集成式且特别适用于Inconel718合金切削加工过程的冷却系统，下面将对这些组件逐一具体进行说明。

可参见图2，液氮供应源100可整体呈高压密封罐的形式，并包括用于存储液氮的罐体101、设置在该罐体101出口处用于调节液氮输出量的控制阀门102，以及用于显示罐体101内部剩余液氮量的显示器件103。作为其中的关键结构，控制阀门102要求能够精确控制所提供的低温液氮的流量，因为其直接影响到后续冷却过程中对切削质量的效果。经过对比测试，在优选实施例中，控制阀门的液氮输出量优选被调节在0.5L/min-1.5L/min的范围内，并且其阀门开口的直径被设计为0.8-1cm，以此方式能够更为地在液氮持续输送和冷却效果之间取得平衡。此外，阀门可以通过设置控制电路进行自动化调节，或是在要求不太高的情况下戴防冻手套进行手动调节。显示器件置103可以清楚地看到液氮的剩余存储量，从而判断液氮的使用情况。

参见图3，更为具体地显示了流量单元200的结构示意图。如图所示，该流量单元包括用于导入液氮的入口端、用于导出液氮的出口端，以及用于对流经于此的液氮流速值进行实时测量和显示的流量计。此外，本发明中还专门设置有一个柄状结构，其可处于在入口端与出口端之间，譬如呈竖向设置，其顶端用于安装流量计的显示部件以让其与液氮保持一定的间隔，这样在精确监控液氮这种超低温液体的流速的同时，还能够使得流量计的显示部件避免低温的影响，由此确保测量数据的准确性进而提高切削加工中的最终冷却效果。

液氮输送管300优选呈中空金属软管的形式，它的一端与流量单元200的出口端密封连通，另外一端与液氮喷头单元400的第一夹具密封连通，其主要涉及要点在于在保证液氮基本属性的前提下，能够可持续、精确定量地将所需低温液氮输送至喷头单元。相应地，按照本发明的一个优选实施例，该金属软管从内到外具有两层隔热的不锈钢管，并且外层还设有一层保温层譬如泡沫绝热层。相应地，可有效避免液氮的气化和输送顺畅性。此外，考虑到液氮在输送过程中的改变会直接影响到最终冷却效果，经过对比测试，本发明中将液氮输送管的总长度优选设计为1.5m～2m，该长度能够有效克服液氮气化，同时获得所需质量的低温液氮用作切削冷却液用途。

作为本发明的另一关键组件，参见图4，液氮喷头单元400呈现双喷头的形式，并包括刀杆401、多个夹具402-404，以及液氮喷头405。更具体地，刀杆构成液氮喷头单元的支撑本体，内部中空设计；第一夹具譬如呈块状结构，并可通过螺栓固接在该刀杆的一个侧面上，并用作其余两个夹具的安装基础。第二夹具403譬如包括可通过螺纹安装在第一夹具402一侧的安装板、固定在安装板上的腔体结构，以及分别用于将来液氮输送管300的液氮分为两路后导入腔体结构然后继续倒入刀杆401内部的两个导管。第三夹具404可通过螺纹安装在第一夹具402的相对另外一侧，其结构与第二夹具相类似，并用于将刀杆内部的液氮继续分为两路导出。最后，在第三夹具的腔体结构上，分别独立安装有喷射角度可灵活调节的两个喷投，这两个喷头分别独立地将定量液氮喷射至用于切削加工Inconel718合金的刀具的前刀面和后刀面。

之所以采用以上设计，主要是考虑到低温环境下液氮的使用性能、液氮气化后的冷凝水处理以及对加工效果等因素的综合考虑，上述多个夹具均可使用不锈钢材料，并且与常规的整体式结构相比，由于结构的不规则，在进行装夹操作时，可以先将第二夹具和第三夹具分别安装在第一夹具上，然后再将第一夹具与刀杆等元件连接在一起。相应地，能够根据需求使得液氮可持续地精准喷向刀具的前刀面和后刀面，显著改善由喷射点偏差和喷射量偏差而导致的加工质量下降，同时有助于节省原料用量。

下面将具体解释按照本发明的液氮冷却系统的使用过程。

在使用时，首先将各个组件各自组装完成，然后从液氮罐开始，依次连接最后与刀杆连接。接着，通过将阀门由小到大的缓慢调节，获得所需的液氮流速。所有连接处都要通过密封圈进行密封，防止液氮漏出。切削前，开启高压液氮罐阀门测试系统的密封性，密封性合格后才能进行切削过程。

综上所述，通过本发明，高压液氮罐、流量计、不锈钢保温管、两个液氮喷头能够协同工作，从整体上保证采用低温液氮作为冷却液时对镍基高温合金718切削过程中冷却效果，解决了本领域研究者所集中关心的冷却液定点冷却，传统切削液不环保，难以控制切削液用量等问题，相应提高了切削过程的可控性和最终质量。

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 (4)

1.一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统，该系统包括依次保持可控连通的液氮供应源(100)、流量单元(200)、液氮输送管(300)和液氮喷头单元(400)，其特征在于：

所述液氮供应源(100)整体呈高压密封罐的形式，并包括用于存储液氮的罐体(101)、设置在该罐体(101)出口处用于调节液氮输出量的控制阀门(102)，以及用于显示所述罐体(101)内部剩余液氮量的显示器件(103)；

所述流量单元(200)包括用于导入液氮的入口端、用于导出液氮的出口端、设置在该入口端与出口端之间的柄状结构，以及用于对液氮流速值进行实时测量和显示的流量计，并且该流量计的显示部件被安装在所述柄状结构上以保持与液氮具有一定间隔；

所述液氮输送管(300)的一端与所述流量单元(200)的出口端密封连通，另外一端与所述液氮喷头单元(400)密封连通；

所述液氮喷头单元(400)呈现双喷头的形式，并包括构成支撑本体的刀杆(401)、固接在该刀杆侧面上的第一夹具(402)、螺纹安装在所述第一夹具(402)一侧且用于将来自所述液氮输送管(300)的液氮分为两路后导入所述刀杆内部的第二夹具(403)、螺纹安装在所述第一夹具(402)的另外一侧且用于将所述刀杆内部的液氮继续分为两路导出的第三夹具(404)，以及各自独立安装在该第三夹具上的两个液氮喷头(405)；此外，这两个液氮喷头的喷射角度可调，并分别用于将定量的液氮喷射至用于切削加工Inconel718合金的刀具的前刀面和后刀面。

2.如权利要求1所述的双喷头式液氮冷却系统，其特征在于，所述液氮输送管(300)呈现中空软管的形式，并且该软管优选从内到外包括两个不锈钢层，并在外部设置泡沫绝热层。

3.如权利要求1或2所述的双喷头式液氮冷却系统，其特征在于，所述第一夹具、第二夹具和第三夹具优选均由不锈钢制成。

4.如权利要求1-3任意一项所述的双喷头式液氮冷却系统，其特征在于，所述控制阀门(102)优选将液氮输出量调节在0.5L/min～1.5L/min的范围内，并且其阀门开口的直径优选设计为0.8cm～1cm；此外，所述液氮输送管(300)的总长度优选被设计为1.5m～2m。