CN107388042B - 用于超低温切削的液氮持续供给装置及方法 - Google Patents

Abstract

用于超低温切削的液氮持续供给装置及方法，本发明提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置包括：第一自增压液氮供给系统、第二自增压液氮供给系统、第一称重系统、第二称重系统、控制系统、第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀、第一单向阀、第二单向阀、三通阀；第一自增压液氮供给系统、第二自增压液氮供给系统分别放置在第一称重系统、第二称重系统上，并通过导线和控制系统相连，通过输送管路与第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀、第一单向阀、第二单向阀、以及三通阀相连，其中第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀通过导线与控制系统相连。

Description

用于超低温切削的液氮持续供给装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超低温切削冷却介质的持续供给方法，具体涉及一种液氮持续供给方法与装置。

背景技术

近年来，高性能加工技术的快速发展使得机械产品的高速、高效、精密加工成为可能。但是，如何在现有的机床与刀具技术水平条件下，进一步挖掘机床与刀具的潜力，仍是目前工业界的技术难题。大量的研究与应用实例表明，有效的冷却润滑是进一步提高难加工材料零件加工质量和加工效率的主要技术途径。

低温切削一直被认为是实现难加工材料零件绿色、高效、高质量加工的重要技术手段之一。根据低温介质与使用方法的不同，可将低温切削的温度分为三个领域：亚常温区（2-6℃）、低温区（0 - -30℃）与超低温区（-50℃以下）。自20世纪中期以来，国内外针对低温切削进行了大量的理论及试验方面的研究与探索，并取得了诸多研究成果。其中，切削介质温度在-40℃以上的低温风冷切削技术、低温微量润滑切削技术已在机加工领域得到了广泛的应用。目前，随着国家重点发展领域大量应用的难加工材料切削加工中存在的加工质量稳定性差、加工效率低、刀具耗费高、排污量大等技术难题的凸现，使得以液氮和液态二氧化碳为介质的超低温切削技术经过多年沉寂之后，又受到了国内外研究人员的高度关注与重视。

然而，液氮与液态二氧化碳在物理特性方面具有显著差异，如液态二氧化碳仅需要高压条件即可在常温状态下存储和输送，而液氮则对隔热条件具有严酷要求，其存储和输送均需要在具有优良隔热性能的常压或或高压存储系统和输送系统中，且输送方式较液态二氧化碳更加复杂。与此同时，这种存储和输送的显著差异导致液氮在超低温切削冷却润滑方面因供给系统的高要求而较液氮二氧化碳冷却润滑方式更难推广应用。目前，在超低温切削应用方面，仍缺少持续的液氮供给方法和相应装置，当瓶装液氮使用完时，需中断加工进行人工替换，无法满足连续加工。

在发明专利申请方面，CN201310351405.5提出了一种采用液氮泵进行液氮输送的装置和操作方法，但该装置仅有一个液氮容器，当液氮容器中的液氮用完之后，并无有效的措施进行无断续更换，因而无法实现液氮的持续供给；CN201510107745.2提出了一种通过在液氮容器的侧壁设置温度感应显示器的液氮液位监测系统，但是该方法对液氮容器有特殊要求，无法适用于商用自增压液氮罐或普通液氮容器；CN201410140763.6提出了一种液态二氧化碳的连续供给装置，采用液面控制器实现对两组液态二氧化碳罐的液态二氧化碳消耗监控，进而保证连续平稳输出液体二氧化碳，但该方法因与液氮存储和输送方式的显著差异而无法应用于液氮持续供给。

在实用新型专利申请方面，CN200920071900.X提出了一种用于培养箱的储气瓶自动切换装置，该装置在储气瓶中的二氧化碳气体快用完时压力下降触发压力传感器的电信号，通过微处理器来控制另一瓶储气瓶的电磁阀开关，可实现培养箱中的二氧化碳气体持续供应；CN201320052062.8亦提出了一种氮气连续供应装置，可实现在空分氮气供气压力不正常时，能够自动切换到备用系统，保障连续供气，但上述两种方法仅可以用于常温高压气体/液体，在存储和输送方式上与液氮存在显著差异而无法适用于液氮持续供给。此外，CN201220085914.9提出了一种液氮罐液位监测显示装置，通过在液氮罐的内部在垂直方向均匀设置一个铂热电阻，以监测液氮液位；CN201420277662.9亦提出了一种基于差压监测的液氮容器内液位监控系统，将传统的基于温度传感器（如铂电阻传感器）的液氮液位监控系统改变为基于微压差传感器的液氮液位监控系统，但上述两种方法均对液氮容器有特殊要求，无法适用于商用自增压液氮罐，因而无法应用于液氮持续供给。

综上所述，上述研究虽然提出了液氮、二氧化碳或压缩气体等输送装置与方法以及液位监测装置与方法，但各有自身的局限性。现有技术仍无法提供一种用于超低温切削的液氮持续供给方法与装置。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中无法提供用于超低温切削的液氮持续供给方法与装置；为解决所述问题，本发明提供用于超低温切削的液氮持续供给方法与装置。

本发明提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置包括：第一自增压液氮供给系统、第二自增压液氮供给系统、第一称重系统、第二称重系统、控制系统、第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀、第一单向阀、第二单向阀、三通阀；第一自增压液氮供给系统、第二自增压液氮供给系统分别放置在第一称重系统、第二称重系统上，并通过导线和控制系统相连，通过输送管路与第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀、第一单向阀、第二单向阀、以及三通阀相连，其中第一超低温电磁换向阀、第二超低温电磁换向阀通过导线与控制系统相连。

进一步，所述第一自增压液氮供给系统由第一自增压液氮罐，第一超低温电磁增压阀，第一超低温电磁放空阀，第一安全泄压阀，第一压力表，第一超低温电磁进/排液截止阀构成；所述第二自增压液氮供给系统由第二自增压液氮罐，第二超低温电磁增压阀，第二超低温电磁放空阀，第二安全泄压阀，第二压力表，第二超低温电磁进/排液截止阀构成；其中，第一、第二超低温电磁增压阀，第一、第二超低温电磁放空阀，第一、第二压力表，第一、第二超低温电磁进/排液截止阀分别通过导线与控制系统相连。

进一步，所述第一超低温电磁换向阀或第二超低温电磁换向阀内置人工热电偶，经导线与控制系统相连，通过实时反馈换向阀入口射流温度，实现液氮输送前期的气体射流排空，当射流温度接近液氮温度为-196℃时，切换射流通道，经第一单向阀或第二单向阀输送至三通阀。

进一步，所述第一称重系统、第二称重系统配置有压力传感器，并通过导线与控制系统相连，实现对第一自增压液氮供给系统、第二自增压液氮供给系统的液氮消耗进行实时监测。

本发明还提供采用所述用于超低温切削的液氮持续供给装置的供给方法，包括：

步骤一、用控制系统操控第一自增压液氮供给系统和第一超低温电磁换向阀，使液氮经第一单向阀输送至三通阀；

步骤二、通过控制系统和第一称重系统实时监测第一自增压液氮供给系统的液氮消耗，当液氮消耗量达到预设阈值时，自动开启第二自增压液氮供给系统，并监测第二超低温电磁换向阀的入口射流温度，当射流温度接近液氮温度-196℃时，切换射流通道，经第二单向阀输送至三通阀，同时关闭第一自增压液氮供给系统的液氮输送；

步骤三、人工更换第一自增压液氮供给系统中的第一自增压液氮罐，使之处于满液状态。

进一步，所述液氮持续供给装置的液氮出口压力维持在0.05MPa ~ 0.2MPa。

本发明的优点包括：

（1）由于液氮存储对于隔热效果的严酷要求，现有的压缩气体持续供给方法与压缩二氧化碳持续供给方法均无法适用于液氮的持续供给，本发明基于重量分析法并利用自动控制技术，对并联的两套自增压液氮供给系统及其液氮输送系统进行实时监测与控制，有效解决了现有液氮供给系统无法持续供给而导致的工业化应用难题。

（2）本发明采用超低温电磁阀门元件对商用自增压液氮供给系统中的手工调节阀门元件进行升级改造，并通过控制系统进行集成控制，大幅提升了操作的自动化程度，降低劳动强度和操作风险，有效节约了液氮存储装置的更换时间，避免了因液氮容器更换而导致的加工过程中断。

（3）本发明采用重量分析法对液氮存储装置中的液氮消耗进行监控，较现有的液面监测与温度监测等技术更加简单易行，可应用于多种液氮存储设备的液氮消耗实时监侧与控制。

（4）本发明结构简洁、操作便利、功能齐全、工作可靠、自动化程度高，可用于钛合金、高强度钢等难加工材料切削加工中的超低温冷却，亦可应用于其它一些需要液氮持续供给的工业作业，且施加过程绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置的结构示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置，包括：第一自增压液氮供给系统1、第二自增压液氮供给系统2、第一称重系统3、第二称重系统4、控制系统5、第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7、第一单向阀9、第二单向阀8、三通阀10；第一自增压液氮供给系统1、第二自增压液氮供给系统2分别放置在第一称重系统3、第二称重系统4上，并通过导线和控制系统5相连，通过输送管路与第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7、第一单向阀9、第二单向阀8、以及三通阀10相连，其中第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7通过导线与控制系统5相连。所述第一自增压液氮供给系统1、第二自增压液氮供给系统2通过导线与控制系统5相连，并通过输送管路分别与第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7和第一单向阀9、第二单向阀8相连，进而汇总于三通阀10，为后继的机床冷却系统持续供给液氮；所述第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7通过导线与控制系统5相连，通过温度反馈以实现气体射流排空与液氮持续输送。

继续参考图1，第一自增压液氮供给系统1由第一自增压液氮罐1-1，第一超低温电磁增压阀1-2，第一超低温电磁放空阀1-3，第一安全泄压阀1-4，第一压力表1-5，第一超低温电磁进/排液截止阀1-6构成；所述第二自增压液氮供给系统2由第二自增压液氮罐2-1，第二超低温电磁增压阀2-2，第二超低温电磁放空阀2-3，第二安全泄压阀2-4，第二压力表2-5，第二超低温电磁进/排液截止阀2-6构成；其中，第一、第二超低温电磁增压阀，第一、第二超低温电磁放空阀，第一、第二压力表，第一、第二超低温电磁进/排液截止阀分别通过导线与控制系统5相连。通过控制系统5控制第一超低温电磁增压阀1-2或第二超低温电磁增压阀2-2、第一超低温电磁放空阀1-3或第二超低温电磁放空阀2-3，预先设置第一安全泄压阀1-4或第二安全泄压阀2-4阈限值0.2MPa，使得第一自增压液氮罐1或第二自增压液氮罐2中的液氮部分气化升压，从而根据第一压力表1-5或第二压力表2-5指示，操控液氮经第一超低温电磁进/排液截止阀1-6或第二超低温电磁进/排液截止阀2-6排出，并进入后继输送管路。

用于超低温切削的液氮持续供给装置，所述第一超低温电磁换向阀6或第二超低温电磁换向阀7内置人工热电偶，经导线与控制系统5相连，通过实时反馈换向阀入口射流温度，实现液氮输送前期的气体射流排空，当射流温度接近液氮温度为-196℃时，切换射流通道，经第一单向阀9或第二单向阀8输送至三通阀10

第一称重系统3、第二称重系统4配置有压力传感器，并通过导线与控制系统5相连，可以实现对第一自增压液氮供给系统1、第二自增压液氮供给系统2液氮消耗的实时监测。

图1中，控制系统5主要由工控机、数据采集板、操作面板、报警器等构成，通过导线与第一超低温电磁增压阀1-2、第二超低温电磁增压阀2-2，第一超低温电磁放空阀1-3、第二超低温电磁放空阀2-3，第一压力表1-5、第二压力表2-5，第一超低温电磁进/排液截止阀1-6、第二超低温电磁进/排液截止阀2-6，第一称重系统3、第二称重系统4，第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7相连，进而对整个液氮持续供给装置进行实时监测与控制。

图1中，第一超低温电磁换向阀6、第二超低温电磁换向阀7具有内置人工热电偶，经导线与控制系统5相连，通过实时反馈换向阀入口射流温度，可实现液氮输送前期的气体射流排空，当射流温度接近液氮温度-196℃时，切换射流通道，经第一单向阀9、第二单向阀8输送至三通阀10。

如图1所示，本发明提供一种用于超低温切削的液氮持续供给方法，通过控制系统5和第一称重系统3、第二称重系统4实时第一检测自增压液氮罐1-1、第二检测自增压液氮罐2-1的重量，利用超低温电磁控制阀门元件在液氮排空前实现第一自增压液氮供给系统1、第二自增压液氮供给系统2的自动切换，而排空的自增压液氮罐1-1或2-1可以通过人工置换成储满液氮的自增压液氮罐，同时通过控制系统5检测第一超低温电磁换向阀6或第二超低温电磁换向阀7入口处的射流温度以排空前期因液氮气化而产生的气体射流并保证液氮快速通过第一超低温电磁换向阀6或第二超低温电磁换向阀7，第一单向阀9或第二单向阀8以及三通阀10，进而保证液氮被持续输送至机床冷却系统。

采用本发明实施例提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置的供给方法的具体实施步骤如下：

第一步：预先设置第一或第二安全泄压阀阈限值0.2MPa，利用控制系统操控第一自增压液氮供给系统中的第一超低温电磁增压阀、第一超低温电磁放空阀，使得第一自增压液氮罐中的液氮部分气化升压，从而根据第一压力表的反馈信号，将液氮经第一超低温电磁进/排液截止阀输送至第一超低温电磁换向阀。

第二步：利用控制系统监测第一超低温电磁换向阀的入口射流温度，当射流温度高于液氮温度-196℃时，此时管路中主要为液氮气化后的低温气体射流，需要由第一超低温电磁换向阀排出，而射流温度接近液氮温度-196℃时，切换射流方向，进而保证液氮经第一单向阀输送至三通阀。

第三步：通过控制系统和第一称重系统实时监测第一自增压液氮供给系统的液氮消耗，当液氮余量达到预设阈值满液状态的5/100时，自动开启第二自增压液氮供给系统开启方式同第一步，并监测第二超低温电磁换向阀的入口射流温度，当射流温度接近液氮温度时，切换射流通道，经第二单向阀8输送至三通阀，同时关闭第一自增压液氮供给系统的液氮输送并发出更换报警信号。

第四步：当控制系统中的第一自增压液氮罐更换报警信号灯亮起时，人工更换第一自增压液氮供给系统中的第一自增压液氮罐，使之处于满液状态。

第五步：重复第三步至第四步的工作，并对正在工作的自增压液氮供给系统及整个装置进行实时监测与控制，进而实现液氮的持续供给。

综上所述，本发明公开一种用于超低温切削的液氮持续供给方法与装置，通过控制系统实时监测自增压液氮罐的液氮消耗，利用超低温电磁控制阀门元件在液氮耗光前实现两套自增压液氮供给系统的自动切换，而排空的自增压液氮罐可以通过人工置换成储满液氮的自增压液氮罐，同时通过控制系统检测换向阀内的射流温度以排空前期的气体射流并保证液氮快速通过换向阀、单向阀和三通阀而被输送至机床冷却系统。本发明可持续稳定地输出液氮，具有设计合理、性能可靠、操作简便、自动化程度高、适用范围广等优点，可用于钛合金、高强度钢等难加工材料的超低温切削，以实现对切削区的冷却、润滑、排屑以及隔氧保护等作用，且施加过程绿色环保。此外，本发明还可用于其它一些需要持续供给液氮的工业作业。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.用于超低温切削的液氮持续供给装置，其特征在于，包括：第一自增压液氮供给系统（1）、第二自增压液氮供给系统（2）、第一称重系统（3）、第二称重系统（4）、控制系统（5）、第一超低温电磁换向阀（6）、第二超低温电磁换向阀（7）、第一单向阀（9）、第二单向阀（8）、三通阀（10）；第一自增压液氮供给系统（1）放置在第一称重系统（3）上，第二自增压液氮供给系统（2）放置在第二称重系统（4）上，所述第一自增压液氮供给系统（1）、第二自增压液氮供给系统（2）均通过导线和控制系统（5）相连，所述第一自增压液氮供给系统（1）通过输送管路与第一超低温电磁换向阀（6）、第一单向阀（9）相连，再连接三通阀（10），第二自增压液氮供给系统（2）通过输送管路与第二超低温电磁换向阀（7）、第二单向阀（8）相连，再连接三通阀（10），第一超低温电磁换向阀（6）、第二超低温电磁换向阀（7）通过导线与控制系统（5）相连；

所述第一自增压液氮供给系统（1）由第一自增压液氮罐（1-1），第一超低温电磁增压阀（1-2），第一超低温电磁放空阀（1-3），第一安全泄压阀（1-4），第一压力表（1-5），第一超低温电磁进/排液截止阀（1-6）构成；所述第二自增压液氮供给系统（2）由第二自增压液氮罐（2-1），第二超低温电磁增压阀（2-2），第二超低温电磁放空阀（2-3），第二安全泄压阀（2-4），第二压力表（2-5），第二超低温电磁进/排液截止阀（2-6）构成；其中，第一、第二超低温电磁增压阀，第一、第二超低温电磁放空阀，第一、第二压力表，第一、第二超低温电磁进/排液截止阀分别通过导线与控制系统（5）相连；

所述第一称重系统（3）、第二称重系统（4）配置有压力传感器，所述第一称重系统（3）和第二称重系统（4）均通过导线与控制系统（5）相连，实现对第一自增压液氮供给系统（1）、第二自增压液氮供给系统（2）的液氮消耗进行实时监测；

所述第一超低温电磁换向阀（6）、第二超低温电磁换向阀（7）内置人工热电偶，所述第一超低温电磁换向阀（6）和第二超低温电磁换向阀（7）内置的人工热电偶均经导线与控制系统（5）相连，通过实时反馈所述第一超低温电磁换向阀（6）或第二超低温电磁换向阀（7）的入口射流温度，实现液氮输送前期的气体射流排空，当射流温度接近液氮温度为-196℃时，切换射流通道，经第一单向阀（9）或第二单向阀（8）输送至三通阀（10）。

2.根据权利要求1所提供的用于超低温切削的液氮持续供给装置的供给方法，其特征在于，包括：步骤一、用控制系统（5）操控第一自增压液氮供给系统（1）和第一超低温电磁换向阀（6），使液氮经第一单向阀（9）输送至三通阀（10）；步骤二、通过控制系统（5）和第一称重系统（3）实时监测第一自增压液氮供给系统（1）的液氮消耗，当液氮消耗量达到预设阈值时，自动开启第二自增压液氮供给系统（2），并监测第二超低温电磁换向阀（7）的入口射流温度，当射流温度接近液氮温度-196℃时，切换射流通道，经第二单向阀（8）输送至三通阀（10），同时关闭第一自增压液氮供给系统（1）的液氮输送；步骤三、人工更换第一自增压液氮供给系统（1）中的第一自增压液氮罐（1-1），使之处于满液状态。

3. 根据权利要求2所述的供给方法，其特征在于，所述液氮持续供给装置的液氮出口压力维持在0.05MPa ~ 0.2MPa。

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