CN107661990A - 一种机床刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床刀具，包括安装于加工机床上的刀具主体、设于所述刀具主体内部的热交换单元和设于所述加工机床上且与所述热交换单元连通的温度控制单元，所述热交换单元包括设于所述刀具主体内部的冷却循环回路和设于所述冷却循环回路和刀具主体内壁之间的热交换结构。通过在刀具主体内部设置冷却循环回路和热交换结构，实现将刀具主体中的热量及时带出达到降温的效果，避免冷却介质对工件和刀具造成污染，便于工件加工的在线监测以实现闭环反馈的方式提升工件加工精度，与此同时，通过温度控制单元对冷却介质的温度进行精确控制，从而大幅提升对刀具温度的控制精度，本发明的机床刀具具有足够的刚度以满足精密和超精密加工的精度需求。

Description

一种机床刀具

技术领域

本发明涉及精密机械加工领域，具体涉及一种机床刀具。

背景技术

在机械加工过程中，由于刀具与工件之间的摩擦作用，刀具的温度会不断升高，如在车削加工过程中，刀具温度可能会上升到800℃，而过高的温度将会给刀具和工件带来诸多不好的影响。对于刀具而言，一方面如果工作温度很高，将使刀具磨损加快，严重影响刀具寿命；另一方面极高的工作温度将使刀具发生形变，进而影响加工精度，例如，假设摩擦热对刀具的影响长度为10mm，刀具的热膨胀系数为11ppm，在加工过程刀具的工作温度变化为16℃(温度变化率16/800＝2％)，因此而产生的无法受控误差达到1.8um，该误差对于普通加工可以忽略不计，但对于精密和超精密加工，则无法忽略。对于工件方面，过高的切削温度将会灼烧工件表面，一般来讲车削加工时传给工件的热量为10-30％，传给刀具的热量为1-5％，孔加工时，传给工件的热量为50％左右。而在磨削加工中则大部分热量都会传导给工件，如此，一方面将会形成较大的残余应力最终影响加工精度，另一方面，也会对工件表层材料金相构成影响，从而降低工件的质量和寿命。

目前，产业界对该问题的解决的主流手段包括主动式温控手段和被动式温控手段，主动式温控手段主要采用切削液水冷或者气冷对刀具和工件进行降温，该方法一般是在刀具旁边配置切削液或者冷却气喷嘴，或者高压空气喷嘴，通过向工件和刀具喷射切削液或者高压气体实现对加工温度进行限制的目的，也可以直接通过刀具向工件和刀具喷射切削液或者高压气体，从而精简了结构，且冷却更精准。如现有技术中提供的一种高速切削刀具的散热装置及其散热方法和一种内设切削液喷射通道镗刀，上述两种方法都是对现有通用方法的改进，它们共同的缺点就是喷射的冷却气会对工件和刀具造成污染，无法对工件加工进行在线监测以实现闭环反馈的方式提升工件加工精度，其目标仅仅是限制工件加工温度，避免温度太高影响刀具寿命和工件灼伤，并不能对加工温度实现精确控制，以消除刀具误差。现有技术中还提供一种多面型刀具，它采用多个刀刃刀具设计，通过降低单个刀具的工作时间实现对温度的控制，然而在本质上也不能解决问题。被动式温控手段则是通过各种手段对刀具或者加工温度进行监控，比如现有技术中提供的一种车削温度的红外测量装置，通过红外传感器检测刀具的加工温度，而另一种专用于机加工的感应式冷却水系统则是通过闭环反馈方式控制温度，还有一种智能瞬态切削测温刀具制作方法及测温方法，通过在刀具上制造热电偶传感器对刀具进行温度传感，但其并没有降温措施；另一种车削刀具异常状态自适应智能监测系统则是通过检测刀具的温度和震动来判断是否工作正常，上述方案都只是实现了对刀具和工件的温度检测，并没有实现对刀具和加工温度的控制。

发明内容

本发明提供了一种机床刀具，以解决现有技术中存在的容易对工件和刀具造成污染以及未能实现对刀具和加工温度进行控制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种机床刀具，包括安装于加工机床上的刀具主体、设于所述刀具主体内部的热交换单元和设于所述加工机床上且与所述热交换单元连通的温度控制单元，所述热交换单元包括设于所述刀具主体内部的冷却循环回路和设于所述冷却循环回路和刀具主体内壁之间的热交换结构。

进一步的，所述冷却循环回路包括冷却介质入口、冷却介质流入导管、冷却介质流出导管和冷却介质出口，所述冷却介质流入导管的两端分别连接所述冷却介质入口和热交换结构，所述冷却介质流出导管的两端分别连接所述热交换结构和冷却介质出口，所述冷却介质入口和冷却介质出口分别与所述温度控制单元连通。

进一步的，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为同心圆结构，所述冷却介质流入导管的管壁和冷却介质流出导管的管壁之间设有隔离结构。

进一步的，所述刀具主体为空心结构，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管沿所述刀具主体的径向由内向外依次分布。

进一步的，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为并行结构。

进一步的，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管成对设置。

进一步的，所述刀具主体的中心设有芯体支撑结构，所述芯体支撑结构的外周设有环形空隙，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管设于所述环形空隙内，且每一对所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管关于所述芯体支撑结构中心对称分布。

进一步的，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为网状结构或毛细管状结构。

进一步的，所述热交换结构为网状结构或毛细管状结构。

进一步的，所述冷却介质为去离子水或压缩空气。

进一步的，所述温度控制单元包括依次连接的冷却介质输入通道、恒温控制设备和冷却介质输出通道，所述冷却介质输入通道远离所述恒温控制设备的一端与所述冷却介质入口连通，所述冷却介质输出通道远离所述恒温控制设备的一端与所述冷却介质出口连通。

进一步的，所述热交换结构采用3D打印技术成型。

进一步的，所述机床刀具为车削刀具或磨削刀具或钻孔刀具。

本发明提供的机床刀具，包括安装于加工机床上的刀具主体、设于所述刀具主体内部的热交换单元和设于所述加工机床上且与所述热交换单元连通的温度控制单元，所述热交换单元包括设于所述刀具主体内部的冷却循环回路和设于所述冷却循环回路和刀具主体内壁之间的热交换结构。通过在刀具主体内部设置冷却循环回路和热交换结构，实现将刀具主体中的热量及时带出达到降温的效果，避免了冷却介质对工件和刀具造成污染，便于工件加工的在线监测以实现闭环反馈的方式提升工件加工精度，与此同时，通过温度控制单元对冷却介质的温度进行精确控制，从而大幅提升对刀具温度的控制精度，此外，本发明的机床刀具具有足够的刚度以满足精密和超精密加工的精度需求。

附图说明

图1是本发明实施例1中机床刀具的结构示意图；

图2是本发明实施例1中刀具主体的结构示意图；

图3是本发明实施例1中刀具主体的截面示意图；

图4是本发明实施例2中刀具主体的截面示意图。

图中所示：1、加工机床；2、刀具主体；21、芯体支撑结构；22、环形空隙；3、温度控制单元；31、冷却介质输入通道；32、恒温控制设备；33、冷却介质输出通道；4、冷却循环回路；41、冷却介质入口；42、42a、42b、冷却介质流入导管；43、43a、43b、冷却介质流出导管；44、冷却介质出口；5、热交换结构；6、隔离结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供一种机床刀具，包括安装于加工机床1上的刀具主体2、设于所述刀具主体2内部的热交换单元和设于所述加工机床1上且与所述热交换单元连通的温度控制单元3，所述热交换单元包括设于所述刀具主体2内部的冷却循环回路4和设于所述冷却循环回路4和刀具主体2内壁之间的热交换结构5。具体的，冷却介质通过温度控制单元3进行温控后进入冷却循环回路4，通过热交换结构5与刀具主体2进行热交换，将刀具主体2上的热量及时带出，达到降温的效果，不仅避免了冷却介质对工件和刀具造成污染，便于工件加工的在线监测以实现闭环反馈的方式提升工件加工精度，而且通过温度控制单元3对冷却介质的温度进行精确控制，大大提升了对刀具温度的控制精度。

所述冷却循环回路4包括冷却介质入口41、冷却介质流入导管42、冷却介质流出导管43和冷却介质出口44，所述冷却介质流入导管42的两端分别连接所述冷却介质入口41和热交换结构5，所述冷却介质流出导管42的两端分别连接所述热交换结构5和冷却介质出口44，所述冷却介质入口41和冷却介质出口44分别与所述温度控制单元3连通。其中，冷却介质流入导管42用于整流冷却介质，使其可以顺利流到需要进行温控的刀具区域，以便进行热交换，冷却介质流出导管42用于汇集，整流热交换后的冷却介质，使经过充分热交换的冷却介质可以顺利流出刀具主体2，具体的，冷却介质通过温度控制单元3进行温控后从冷却介质入口41进入冷却介质流入导管42进行整流，接着通过热交换结构5与刀具主体2进行充分热交换，在该过程中冷却介质可以先进行部分热交换，使刀具主体2进行初次降温，然后通过热交换结构5重复进行多次热交换，带走刀具车削等过程中产生的热量，经过热交换的冷却介质通过冷却介质流出导管43进行汇集和整流后经冷却介质出口44流出，最后进入温度控制单元3进行温控。优选的，所述冷却介质为去离子水或压缩空气，也可以是其他等效的高比热容液体，只要能实现快速热交换即可。

如图3所示，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43为同心圆结构，所述冷却介质流入导管42的管壁和冷却介质流出导管43的管壁之间设有隔离结构6。优选的，所述刀具主体2为空心结构，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43沿所述刀具主体2的径向由内向外依次分布，即冷却介质流入导管42位于刀具主体2的中心轴处，冷却介质流出导管43套设于冷却介质流入导管42的外周，且冷却介质流入导管42的管壁和冷却介质流出导管43的管壁之间设有隔离结构6，使冷却介质流入导管42的管壁和冷却介质流出导管43中的冷却介质相互隔离，避免发生热交换。

优选的，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43为网状结构或毛细管状结构，使冷却介质可以顺利在其中穿流，同时又可以保证刀具主体2的机械刚度，当然也可以是其他等效结构，此处不作限制。

优选的，所述热交换结构5为网状结构或毛细管状结构，既可以实现高效热交换，也可以保证刀具主体2的机械刚度，当然也可以是其他等效结构，此处不作限制。

如图1所示，所述温度控制单元3包括依次连接的冷却介质输入通道31、恒温控制设备32和冷却介质输出通道33，所述冷却介质输入通道31远离所述恒温控制设备32的一端与所述冷却介质入口41连通，所述冷却介质输出通道33远离所述恒温控制设备32的一端与所述冷却介质出口44连通。冷却介质在恒温控制设备32中进行恒温控制之后，通过冷却介质输入通道31传输至冷却介质入口41，经过热交换的冷却介质从冷却介质出口44流出后通过冷却介质输出通道33传输至恒温控制设备32中进行恒温控制，以进入下一次的循环换热。本实施例中，冷却介质输入通道31中的冷却介质通过机床主轴11传输至冷却介质入口41，同时从冷却介质出口44流出的经过热交换的冷却介质通过机床主轴11传输至冷却介质输出通道33。

优选的，所述热交换结构5采用3D打印技术成型。

优选的，所述机床刀具为车削刀具或磨削刀具或钻孔刀具等其他机械加工刀具，适用范围广。

实施例2

与实施例1不同的是，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43为并行结构。优选的，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43成对设置，即冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43设有若干对，并行设置，分别进行换热。

如图4所示，所述刀具主体2的中心设有芯体支撑结构21，所述芯体支撑结构21的外周设有环形空隙22，所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43设于所述环形空隙22内，且每一对所述冷却介质流入导管42和冷却介质流出导管43关于所述芯体支撑结构21中心对称分布。冷却介质经温度控制单元3进行恒温控制之后，分别进入不同的冷却介质流入导管42中进行整流后通过热交换结构5与刀具主体2进行热交换，热交换后的冷却介质通过对应的冷却介质流出导管43进行汇集和整流后从刀具主体2中流出至温度控制单元3进行恒温控制。图4中冷却介质流入导管42a和冷却介质流出导管43a构成一对，冷却介质流入导管42b和冷却介质流出导管43b构成一对，以此类推。

综上所述，本发明提供的机床刀具，包括安装于加工机床1上的刀具主体2、设于所述刀具主体2内部的热交换单元和设于所述加工机床1上且与所述热交换单元连通的温度控制单元3，所述热交换单元3包括设于所述刀具主体2内部的冷却循环回路4和设于所述冷却循环回路4和刀具主体2内壁之间的热交换结构5。通过在刀具主体2内部设置冷却循环回路4和热交换结构5，实现将刀具主体2中的热量及时带出达到降温的效果，避免了冷却介质对工件和刀具造成污染，便于工件加工的在线监测以实现闭环反馈的方式提升工件加工精度，与此同时，通过温度控制单元3对冷却介质的温度进行精确控制，从而大幅提升对刀具温度的控制精度，此外，本发明的机床刀具具有足够的刚度以满足精密和超精密加工的精度需求。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种机床刀具，其特征在于，包括安装于加工机床上的刀具主体、设于所述刀具主体内部的热交换单元和设于所述加工机床上且与所述热交换单元连通的温度控制单元，所述热交换单元包括设于所述刀具主体内部的冷却循环回路和设于所述冷却循环回路和刀具主体内壁之间的热交换结构。

2.根据权利要求1所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却循环回路包括冷却介质入口、冷却介质流入导管、冷却介质流出导管和冷却介质出口，所述冷却介质流入导管的两端分别连接所述冷却介质入口和热交换结构，所述冷却介质流出导管的两端分别连接所述热交换结构和冷却介质出口，所述冷却介质入口和冷却介质出口分别与所述温度控制单元连通。

3.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为同心圆结构，所述冷却介质流入导管的管壁和冷却介质流出导管的管壁之间设有隔离结构。

4.根据权利要求3所述的机床刀具，其特征在于，所述刀具主体为空心结构，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管沿所述刀具主体的径向由内向外依次分布。

5.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为并行结构。

6.根据权利要求5所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管成对设置。

7.根据权利要求6所述的机床刀具，其特征在于，所述刀具主体的中心设有芯体支撑结构，所述芯体支撑结构的外周设有环形空隙，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管设于所述环形空隙内，且每一对所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管关于所述芯体支撑结构中心对称分布。

8.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却介质流入导管和冷却介质流出导管为网状结构或毛细管状结构。

9.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述热交换结构为网状结构或毛细管状结构。

10.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述冷却介质为去离子水或压缩空气。

11.根据权利要求2所述的机床刀具，其特征在于，所述温度控制单元包括依次连接的冷却介质输入通道、恒温控制设备和冷却介质输出通道，所述冷却介质输入通道远离所述恒温控制设备的一端与所述冷却介质入口连通，所述冷却介质输出通道远离所述恒温控制设备的一端与所述冷却介质出口连通。

12.根据权利要求1所述的机床刀具，其特征在于，所述热交换结构采用3D打印技术成型。

13.根据权利要求1所述的机床刀具，其特征在于，所述机床刀具为车削刀具或磨削刀具或钻孔刀具。