CN108646810B - 一种异质材料切削区域温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种异质材料切削区域温度控制装置，包括冷却装置，所述冷却装置设于机床上，所述冷却装置包括温度测量装置、降温喷嘴和控制器，所述温度测量装置和所述降温喷嘴连接所述控制器；所述温度测量装置固定在机床的切削刀具上，所述降温喷嘴用于对刀具、工件切削区和已加工区域进行降温，所述控制器用于接收所述温度测量装置测量的实时温度，并在所述实时温度高于设定温度阈值时，控制所述降温喷嘴对刀具、工件切削区和已加工区域进行降温。解决了现有技术中的切削区温度控制系统及方法仅针对单一材料，没有考虑多种材料共同加工时加工区域的温度梯度对加工性能的影响，难以应用到异质材料加工中的问题。

Description

一种异质材料切削区域温度控制装置

技术领域

本发明涉及机械加工控制技术领域，更具体地，涉及一种异质材料切削区域温度控制装置。

背景技术

基于现代材料复合的成型理论及方法，出现了将两种或多种异质材料进行复合，以获得兼具各个单一材料优点的高性能材料，如共固化材料和叠层材料等。另一方面，为提高机械结构的连接性能，现代机械加工领域常出现对异质材料机械连接结构同时加工、一次成型的需求，如航空航天领域大量的金属与树脂基复合材料叠层机械连接结构等。

由于材料性能之间的差异，异质材料加工时会产生与单一材料加工不同的问题。不同材料切削时产生的切削热差异较大，且不同材料的耐热温度不同，因此异质材料加工时要尤其注意切削热对材料性能的影响。如金属树脂基复合材料叠层结构的加工，金属材料切削过程中，会产生大量的切削热，从而使切削区温度迅速升高，因此，在金属树脂叠层材料加工时，往往会导致界面处温度梯度显著易形成应力集中和加工缺陷，直接影响连接的可靠性，导致材料机械性能迅速下降，乃至连接失效。由此可见，切削温度控制对异质材料的加工具有重要意义。

考虑到异质材料加工区域的特殊性，在加工时不仅需要直接进行冷却降低切削温度，来避免材料热加工缺陷的产生，还需要对加工区域进行精准温度梯度控制来降低由温度差引起的加工应力。目前的切削区温度控制系统及方法仅针对单一材料，没有考虑多种材料共同加工时加工区域的温度梯度对加工性能的影响，因此难以在异质材料的加工中得到有效应用。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种异质材料切削区域温度控制装置，解决了现有技术中的切削区温度控制系统及方法仅针对单一材料，没有考虑多种材料共同加工时加工区域的温度梯度对加工性能的影响，难以应用到异质材料加工中的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种异质材料切削区域温度控制装置，包括冷却装置，所述冷却装置设于机床上，所述冷却装置包括温度测量装置、降温喷嘴和控制器，所述温度测量装置和所述降温喷嘴连接所述控制器；所述温度测量装置固定在机床的切削刀具上，所述降温喷嘴用于对刀具、工件切削区和已切削区域进行降温，所述控制器用于接收所述温度测量装置测量的实时温度，并在所述实时温度高于设定温度阈值时，控制所述降温喷嘴对刀具、工件切削区和已切削区域进行降温。

作为优选的，所述冷却装置为冷风冷却装置，所述冷风冷却装置包括依次连接的空气压缩机、保温管道，所述保温管道连接所述降温喷嘴。

作为优选的，所述降温喷嘴包括第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴、第二喷嘴设于靶距和喷射角度可调的机床随动机构上。

作为优选的，所述第一喷嘴对准切削区，对切削区和刀具的切削刃进行冷却，所述第二喷嘴对准工件端面，对已切削区域进行冷却。

作为优选的，所述冷风冷却装置还包括气体流量控制电动调节阀，气体流量控制电动调节阀连接有第一气体冷却器、第二气体冷却器，所述保温管道包括第一保温管道和第二保温管道，所述第一涡流管连接第一保温管道，所述第一保温管道连接第一喷嘴，所述第二涡流管连接第二保温管道，所述第二保温管道连接第二喷嘴，所述气体流量控制电动调节阀连接控制器。

作为优选的，所述温度测量装置包括热电偶，所述热电偶通过电熔焊焊接在临近刀具刀尖位置区域。

作为优选的，所述温度测量装置还包括下位机和上位机，所述下位机用于对热电偶测得的热电势信号进行处理，并将处理后的信号传输至上位机和控制器，所述上位机用于接收下位机传输的信号并进行存储和显示。

作为优选的，所述下位机包括信号处理单元、CPU和无线发射器；所述信号处理单元包括信号放大器、滤波器和A/D转换器，信号处理单元对热电偶测得的热电势信号进行放大、滤波和A/D转换处理后由CPU将信号传输到无线发射器和控制器，无线发射器将信号传输至上位机。

本发明提出一种异质材料切削区域温度控制装置，通过控制器预设不同材料切削时需要控制的切削温度值，控制器对冷风流量进行在线自动闭环反馈调节，使切削区温度保持在设定值；控制器按时间段设置不同的控制温度，可有效控制切削界面温度梯度；本发明采用的热电偶为无线传输，可适用于旋转和非旋转刀具，并在计算机上实时显示温度值和温度变化曲线；本发明的温度控制系统和方法可实现不同性质的材料组成的异质材料加工时切削区温度及界面温度梯度的在线自动控制，且采用无线传输热电偶可解决热电偶布线复杂及无法用于旋转刀具的问题，在工程上具有实用意义。

附图说明

图1为根据本发明实施例的温度控制装置结构示意图；

图2为根据本发明实施例的温度测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

金属树脂叠层材料切削过程中，会产生大量的切削热，从而使切削区温度迅速升高，由于两种材料结合界面两侧材料属性梯度明显，金属材料切削产生的大量切削热透过界面传递到树脂材料一侧，使界面处复合材料温度升高，如树脂基复合材料(Carbon FiberReinforcedPlastic/Polymer,CFRP)与金属组成的叠层材料在加工过程中，由于两种材料结合界面两侧材料属性梯度明显，金属材料切削产生的大量切削热透过界面传递到树脂基复合材料一侧，使界面处复合材料温度升高，而树脂基复合材料CFRP在高温(160℃)下会出现树脂基体软化对碳纤维失去支撑。

因此，在本实施例中，采用了金属与树脂基复合材料叠层材料作为异质材料进行切削处理，对本发明的异质材料切削区域温度控制装置进行说明，并不只限定于金属与树脂基复合材料叠层材料切削时的温度控制，在本发明实施例的基础上，其他异质材料在切削时也可以通过本发明的温度控制装置进行温度及温度梯度的控制。

如图1所示，图中示出了一种金属树脂叠层材料切割区域温度控制装置，图中材料1和材料2分别表示金属与树脂基复合材料叠层材料，包括冷却装置，所述冷却装置设于切削金属树脂叠层材料的机床上，所述冷却装置包括温度测量装置、降温喷嘴和控制器，所述温度测量装置和所述降温喷嘴连接所述控制器；所述温度测量器固定在机床的切削刀具12上，所述降温喷嘴用于对切削刀具12、工件切削区和已切削区域进行降温，所述控制器用于接收所述温度测量器测量的实时温度，并在所述实时温度高于设定温度阈值时，控制所述降温喷嘴对切削刀具12、工件切削区和已切削区域进行降温。

如图1中所示，在机床上安装好切削刀具12、工件等，在本实施例中，工件9为金属和CFRP组成的叠层材料(也可采用其他树脂基材料)，为了保证在切削加工过程中避免CFRP材料热加工缺陷的产生，在本实施例中配备了一套冷却装置，通过冷却装置对加工区域进行冷却降温，降低由温度差引起的加工应力，具体的，本实施例中通过将温度测量器直接通过电熔焊焊接在切削刀具12靠近刀尖的区域处，温度测量器与刀具被测点通过焊接融为一体，解决了测量温度滞后的问题，使得控制器能够及时根据切割区域的即时温度进行降温冷却处理，对切削区和已加工表面进行快速冷却，从而主动控制切削区温度及切削界面温度梯度。

在本实施例中，所述冷却装置为冷风冷却装置，所述冷风冷却装置包括依次连接的空气压缩机、保温管道，所述保温管道连接所述降温喷嘴。

具体的，在本实施例中，经冷却器对压缩空气进行冷却，冷风传输管道经保温设计，降低冷风传输过程中的温度损耗，改变冷风的供给温度，得到的最佳空气流量值Q有变化；且冷风温度并非越低越好，冷风温度过低时，切削区温度冷却速度过快，使刀具急冷，容易出现裂纹，影响刀具的使用寿命。

作为一种优选的实施方式，所述降温喷嘴包括第一喷嘴10和第二喷嘴11，所述第一喷嘴10、第二喷嘴11设于靶距和喷射角度可调的机床随动机构上，在本实施例中，所述机床随动机构包括两个(即图1中的13、14)，分别用来安装第一喷嘴10、第二喷嘴11。

具体的，在本实施例中，为了保证冷却过程与切削加工过程同步，在机床上还设有靶距和喷射角度可调的机床随动机构，同时为了保证在冷却过程中时，通过多个角度同时进行冷却，冷却侧和背对冷却侧有温度差，在本实施例中，所述降温喷嘴至少包括两个，在本实施例中，选择两个喷嘴，包括第一喷嘴10和第二喷嘴11，第一喷嘴10和第二喷嘴11安装在机床随动机构上，通过机床随动机构进行靶距和喷射角度的调整，以实现不同角度的喷射降温。

作为一种优选的实施方式，所述第一喷嘴10对准切削区，对切削区和刀具12的切削刃进行冷却，所述第二喷嘴11对准工件端面，对已加工区域进行冷却。

在本实施例中，调整第一喷嘴10与刀具12进给方向成160°角，靶距20mm，第二喷嘴11与切割刀具12进给方向成20°角，第二喷嘴11与工件端面垂直距离20mm；两支压缩空气分别进行冷却后，分别经过保温管道传输到第一喷嘴10和第二喷嘴11，第一喷嘴10对准切削区，对切削刃和切削区进行冷却；第二喷嘴11对准工件端面，对已加工区域进行冷却，同时实现了刀具12和加工区域的冷却。

作为一种优选的实施方式，所述冷风冷却装置还包括气体流量控制电动调节阀(即图中的电动调节阀)，气体流量控制电动调节阀连接有第一冷却器、第二冷却器，所述保温管道包括第一保温管道和第二保温管道，所述第一冷却器连接第一保温管道，所述第一保温管道连接第一喷嘴10，所述第二冷却器连接第二保温管道，所述第二保温管道连接第二喷嘴11，所述气体流量控制电动调节阀连接控制器。

具体的，在本实施例中，第一冷却器与第二冷却器为涡流管冷却，空气压缩机出气口经过气体流量控制电动调节阀后经分流分为两支，分别与第一涡流管和第二涡流管的进气口连接，第一涡流管经保温管道连接第一喷嘴10，第二涡流管经保温管道连接第二喷嘴11。其中第一喷嘴10固定在刀架上随刀具移动，对切削刃和切削区进行冷却；第二喷嘴11对准工件界面处，对界面及金属已加工区域进行冷却。增设第二冷风喷嘴的作用是对界面及金属已加工表面进行冷却，防止金属切削产生的切削热传递到金属/CFRP界面区域，同时可以辅助降低界面温度梯度。

控制器将接收到的温度信号与该设定温度阈值进行比较，根据差值控制电动调节阀的开度大小，调整压缩空气的流量；切削温度高于设定值时，控制器控制电动调节阀打开较大，冷风流量增大，对切削区和已加工表面进行快速冷却，从而主动控制切削区温度及界面温度梯度。

作为一种优选的实施方式，所述温度测量器包括热电偶，所述热电偶通过电熔焊焊接在临近切削刀具12刀尖位置区域。

热电偶焊接在刀具靠近刀尖的区域处，热电偶测得的是热电势信号，热电偶对接点与刀具被测点通过焊接融为一体，解决了测量温度滞后的问题，可准确测量切削区的温度。

作为一种优选的实施方式，所述温度测量器还包括下位机和上位机，所述下位机用于对热电偶测得的热电势信号进行处理，并将处理后的信号传输至上位机和控制器，所述上位机用于接收下位机传输的信号并进行存储和显示。

所述热电偶另一端与下位机相连，下位机固定在刀柄上，通过无线传输方式与所述上位机进行数据传输；所述下位机包括信号处理单元、CPU与无线发射装置，其中信号处理单元包括信号放大器、滤波器和A/D转换器；所述上位机包括无线接收装置和用于信号存储、处理、显示的计算机。

切削过程中温度的变化可通过计算机显示出数据及波形，通过控制单一变量法重复试验进行比较，可以得到该切削温度自动控制切削的最优切削方案。

热电偶将温度信号转换为电压信号并通过信号线传输到下位机中，下位机的信号处理单元对电压信号进行放大、滤波和A/D转换处理后由下位机的CPU将信号传输到无线发射装置和控制器。控制器将接收到的电压信号与该时段设定的参考值进行比较，根据差值及差值的变化率实时控制电动调节阀的开度大小，调整冷风流量，温度高于设定值时，控制器控制电动调节阀打开较大，冷风流量增大，对切削区和已加工表面进行快速冷却，从而主动控制切削区温度及界面温度梯度。

具体的，在本实施例中，控制器温度为分段设置，根据不同材料的切削时间设置需要控制的温度，以控制切削温度和异质材料界面温度梯度，具体控制过程包括：

1)、根据切削条件和工件尺寸计算金属的切削时间t₁和CFRP的切削时间t₂；

2)、通过控制器设置[0，t₁)时间段温度为150℃～180℃，[t₁，(t₁+t₂)]时间段温度为150℃；

3)通过热电偶测量切削区的温度并将其转变为电压信号，该电压信号经信号放大、滤波和A/D转换后传输到无线发射装置和控制器；

4)、无线接收装置接收到无线发射装置发射出的电压信号，并传输到计算机进行存储、处理与显示；

5)、控制器将接收到的电压信号与该时段设定值进行比较，根据差值及差值变化率控制电动调节阀的开度大小，调整压缩空气的流量；温度高于设定值时，控制器控制电动调节阀打开较大，空气流量增大；

6)、两支压缩空气分别通过第一涡流管和第二涡流管进行冷却后，分别经过保温管道传输到第一喷嘴10和第二喷嘴11，第一喷嘴10对准切削区，对切削刃和切削区进行冷却；第二喷嘴11对准工件端面，对已加工区域进行冷却；

7)、切削区和已加工表面经冷风冷却后，由热电偶实时测量切削区的温度，并经信号处理单元处理后反馈给控制器，从而实现切削区温度和界面温度梯度的自动控制；

8)、当工件材料和切削条件改变时，根据实际需求设定时间区间和参考温度，此时应重复进行1)～7)步操作。

具体的，热电偶将温度信号转换为电压信号并通过信号线传输到下位机中，下位机的信号处理单元对电压信号进行放大、滤波和A/D转换处理后由下位机的CPU将信号传输到无线发射装置和控制器。控制器将接收到的电压信号与该时段设定的参考值进行比较，根据差值及差值的变化率实时控制电动调节阀的开度大小，调整冷风流量，温度高于设定值时，控制器控制电动调节阀打开较大，冷风流量增大，对切削区和已加工表面进行快速冷却，从而主动控制切削区温度及界面温度梯度。当切削条件、工件材料、气源压力、喷嘴方位等任一因素发生变化时，都要重复上述过程。切削过程中温度的变化可通过计算机显示出数据及波形，通过控制单一变量法重复试验进行比较，可以得到该切削温度自动控制切削的最优切削方案。

本实施例中，还选用了CFRP和铝合金组成的叠层材料进行温度控制，具体包括：

1、工件9选用CFRP和铝合金组成的叠层材料，根据材料的厚度和切削速度计算金属切削所用时间t₁和CFRP切削所用时间t₂；

2、控制器分别设置[0，t₁)时间段和[t₁，(t₁+t₂)]时间段需要控制的温度值T₁和T₂；

3、调整第一喷嘴10与刀具12进给方向成160°角，靶距20mm；第二喷嘴11与刀具进给方向成20°角，喷嘴与工件端面垂直距离20mm；

4、打开空气压缩机，提供室温20℃左右、压力0.6MPa，气体流量10L/min的气体；

5、第一涡流管和第二涡流管可以使20℃的压缩空气冷却到﹣20℃，第一保温管道和第二保温管道保证冷风到达喷嘴时温度不变化；

6、打开计算机和机床进行工作，通过计算机记录空气流量Q和切削区温度变化曲线。

从上述实施例中可以得出，随着切削区温度的提高，电动调节阀中通过的气体流量增加；切削区的温度基本稳定在设定值附近，界面处的温度梯度在30℃以内。

本实施例中，还选用了CFRP和铝合金组成的叠层材料进行温度控制，具体包括：

1、工件选用CFRP和钛合金组成的叠层材料，根据材料的厚度和切削速度计算金属切削所用时间t1和CFRP切削所用时间t2；

2、控制器分别设置[0，t1)时间段和[t1，(t1+t2)]时间段需要控制的温度值；

3、调整第一喷嘴10与切割刀具12进给方向成160°角，靶距20mm；第二喷嘴11与刀具进给方向成20°角，喷嘴与工件端面垂直距离20mm；

4、打开空气压缩机，提供室温20℃左右、压力0.6MPa，气体流量20L/min的气体；

5、第一涡流管和第二涡流管提供的冷风温度分别为﹣10℃、﹣30℃、﹣40℃；第一保温管道和第二保温管道保证冷风到达喷嘴时温度不变化；

6、打开计算机和机床进行工作，通过计算机记录空气流量Q和切削区温度变化曲线。

从上述实施例中可以得出，在其他条件保持一致的情况下，改变冷风的供给温度，得到的最佳空气流量值Q’有变化。且冷风温度并非越低越好，冷风温度过低时，切削区温度冷却速度过快，使刀具急冷，容易出现裂纹，影响刀具的使用寿命。

综上所述，本发明提出一种异质材料切削区域温度控制装置，通过控制器预设不同材料切削时需要控制的切削温度值，控制器对冷风流量进行在线自动闭环反馈调节，使切削区温度保持在设定值；控制器按时间段设置不同的控制温度，可有效控制异质材料界面处的温度梯度；本发明采用的热电偶为无线传输，可适用于旋转和非旋转刀具，并在计算机上实时显示温度值与温度变化曲线；本发明的温度控制系统和方法可实现不同性质的材料组成的异质材料加工时切削区温度及界面温度梯度的在线自动控制，且采用无线传输热电偶可解决热电偶布线复杂及无法用于旋转刀具的问题，在工程上具有实用意义。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种异质材料切削区域温度控制装置，其特征在于，包括冷却装置，所述冷却装置设于机床上，所述冷却装置包括温度测量装置、降温喷嘴和控制器，所述温度测量装置和所述降温喷嘴连接所述控制器；所述温度测量装置固定在机床的切削刀具上，所述降温喷嘴用于对刀具、工件切削区和已切削区域进行降温，所述控制器用于接收所述温度测量装置测量的实时温度，并在所述实时温度高于设定温度阈值时，控制所述降温喷嘴对刀具、工件切削区和已切削区域进行降温，从而主动控制切削区温度及材料结合界面温度梯度；其中，所述设定温度阈值为分段设置，根据不同材料的切削时间设置需要控制的温度，以控制切削温度和异质材料界面温度梯度；

所述冷却装置为冷风冷却装置，所述冷风冷却装置包括依次连接的空气压缩机、保温管道，所述保温管道连接所述降温喷嘴；

所述降温喷嘴包括第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴、第二喷嘴设于靶距和喷射角度可调的机床随动机构上；

所述第一喷嘴对准切削区，对切削区和切削刀具的切削刃进行冷却，所述第二喷嘴对准工件端面，对已切削区域进行冷却。

2.根据权利要求1所述的异质材料切削区域温度控制装置，其特征在于，所述冷风冷却装置还包括气体流量控制电动调节阀，气体流量控制电动调节阀连接有第一气体冷却器、第二气体冷却器，所述保温管道包括第一保温管道和第二保温管道，所述第一气体冷却器连接第一保温管道，所述第一保温管道连接第一喷嘴，所述第二气体冷却器连接第二保温管道，所述第二保温管道连接第二喷嘴，所述气体流量控制电动调节阀连接控制器。

3.根据权利要求1所述的异质材料切削区域温度控制装置，其特征在于，所述温度测量器包括热电偶，所述热电偶通过电熔焊焊接在临近切削刀具刀尖位置区域。

4.根据权利要求3所述的异质材料切削区域温度控制装置，其特征在于，所述温度测量器还包括下位机和上位机，所述下位机用于对热电偶测得的热电势信号进行处理，并将处理后的信号传输至上位机和控制器，所述上位机用于接收下位机传输的信号并进行存储和显示。

5.根据权利要求4所述的异质材料切削区域温度控制装置，其特征在于，所述下位机包括信号处理单元、CPU和无线发射器；所述信号处理单元包括信号放大器、滤波器和A/D转换器，信号处理单元对热电偶测得的热电势信号进行放大、滤波和A/D转换处理后由CPU将信号传输到无线发射器和控制器，无线发射器将信号传输至上位机。