CN109333146A - 不同工况下铣削注入切削液的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种不同工况下铣削注入切削液的方法及系统，通过对不同工况下铣削区的气流场对切削液注入的影响进行分析，定量分析刀具的螺旋角和转速对流场的影响规律，综合确定最佳喷嘴的靶距、喷嘴与铣刀进给方向的角度以及喷嘴与工件表面的角度，依照确定的设置方式设置喷嘴，利用喷嘴将润滑油喷到铣削区，本公开的喷嘴的位置根据不同工况下的气流场进行选择，喷嘴的位置位于气障之内、进入流中，不用冲破气障的影响，节省了供液系统的无用功，同时进入流可以辅助切削液更有效的进入切削区。

Description

不同工况下铣削注入切削液的方法及系统

技术领域

本公开涉及一种不同工况下铣削注入切削液的方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，铣削加工是机械制造业最常用的一种切削加工，加工生产效率高、加工范围广、加工精度高。但在铣削时，刀具与工件的接触时间极短，刀具前刀面与切屑、后刀面与工件之间发生剧烈的摩擦，产生大量切削热，导致刀具急剧磨损，刀具失效过快，严重制约了加工效率的提高，因此，冷却液在加工中至关重要，具有润滑、冷却、清洗、防锈等功能。

常规的铣削加工由于大量使用切削液，对环境和工人造成巨大伤害，为了保护环境、降低成本，微量润滑和纳米流体微量润滑技术具有更大的优势。但这种供液方法具有一定的不足，空气具有粘性，高速旋转的铣刀会对靠近铣刀的空气流场的流体动力学特性产生影响。铣刀周围的空气本来是静止的，但高速旋转的铣刀会导致其产生流动，并且越靠近切削刃部位的空气的流动速度越高，从而在铣刀周围形成了一个封闭的“环形”区域，这些存在对切削液的进入产生了阻碍作用，切削液无法进入铣刀/工件界面，造成加工烧伤。因此，采用合适的切削液注入方法，增加切削液进入加工区的比例，对于提高冷却润滑效果，改善工件表面质量具有非常重要的作用。

但是，目前未出现铣削中切削液的注入方面的较好的研究成果。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种不同工况下铣削注入切削液的方法及系统，本公开使用铣刀铣削工件，测力仪测量铣削力，换刀系统实现刀具的换用，刀库系统实现刀具的存放，润滑系统向铣削界面提供润滑油，喷嘴的位置根据不同工况下的气流场进行选择，喷嘴的位置位于气障之内、进入流中，不用冲破气障的影响，节省了供液系统的无用功，同时进入流可以辅助切削液更有效的进入切削区。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种不同工况下铣削注入切削液的方法，包括以下步骤：

对不同工况下铣削区的气流场对切削液注入的影响进行分析，定量分析刀具的螺旋角和转速对流场的影响规律，以确定最佳喷嘴的靶距、喷嘴与铣刀进给方向的角度以及喷嘴与工件表面的角度，依照确定的设置方式设置喷嘴，利用喷嘴将润滑油喷到铣削区。

作为进一步的限定，当喷嘴顺着圆周流并且处于进入流中时，流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，增加切削液的有效利用率。

作为进一步的限定，喷嘴的位置影响因素中，靶距影响最大，其次是喷嘴与铣刀进给方向的角度，影响最小的是喷嘴与工件表面的角度。

作为进一步的限定，当喷嘴的射流方向与空气流场流线相切，切削液顺着气流方向注入，空气流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，此时的喷嘴射流角度为最佳的射流角。

作为进一步的限定，喷嘴的最佳靶距在气障内。

作为进一步的限定，最佳的喷嘴位置随着铣刀螺旋角、转速的变化而变化，喷嘴与铣刀进给方向的角度与铣刀螺旋角有关，此角度与螺旋角相同时最有利于切削液的进入，喷嘴的靶距与铣刀转速有关，铣刀的直径不影响喷嘴的位置。

作为更进一步的限定，当铣刀转速为600r/min和1200r/min时，靶距的最大值应在30mm以内，当铣刀转速为1800r/min和2400r/min时，靶距的最大值应在20mm以内。

作为进一步的限定，铣刀转速不影响喷嘴与铣刀进给方向的角度，但最佳靶距随着铣刀转速的增加而减小。

作为进一步的限定，在保证喷嘴的位置在气流场的进入流中的基础上，提高铣刀转速或/和增加铣刀直径，能够提升气流场对切削液的输运作用，提高切削液的有效利用率。

一种不同工况下铣削注入切削液的系统，包括润滑系统、刀库系统、换刀系统、切削系统和力测量系统，其中：

所述刀库系统，包括可转动的旋转轴，所述旋转轴上圆周分布有多个刀具组件，每个刀具组件上设置有心轴以及心轴下端连接的刀具，每个刀具的螺旋角并不一致，通过旋转轴的旋转，将与工况相适配的刀具与换刀系统相对；

所述换刀系统，包括两个朝向相反的机械手，两个机械手的中间设置有旋转轴，通过控制旋转轴的转动，实现两个机械手位置转换进而实现切削系统的主轴刀具与刀库系统刀具的更换；

所述切削系统，包括心轴，心轴上设置有主轴刀具，通过控制心轴转动带动主轴刀具转动，实现切削加工；

所述力测量系统设置于切削系统下端，当其上固定的工件受到切削力时，测量工件所受到的切削力大小，根据加工参数进行选择不同螺旋角的刀具进行铣削；

所述润滑系统向切削系统提供润滑油，所述润滑系统的动力源为高压气体，分别通过频率发生器和控制阀控制高压气体的输入频率与气量，间接调节润滑泵的润滑油油量，润滑系统提供的润滑油依次通过管道、喷嘴管和喷嘴喷到所述切削系统作用的铣削区，所述喷嘴的位置根据不同工况下铣削区的流场、刀具的螺旋角和转速的不同而调整。

作为进一步的限定，所述润滑系统包括进气接口、气源处理器、润滑泵、喷嘴和连接管路，以及设置在各个连接管路处的控制阀，所述进气接口固定于气源处理器上，高压气体由进气接口进入气源处理器过滤，为润滑系统提供高压气体，气源处理器通过双向接头接在电磁阀上，控制高压气体的进入，电磁阀出口处接一个三通，高压气体通过三通的一个出口管道进入频率发生器，通过频率发生器来控制高压气体的输入频率，高压气体从频率发生器出来后通过管道进入润滑泵，润滑泵出口接头连接喷嘴接头向切削系统提供润滑油；高压气体通过三通的另一个出口管道进入润滑泵，油杯接头一端通过螺纹连接，另一端通过螺纹连接润滑泵固定盖，润滑泵固定盖连接润滑泵，润滑泵固定盖固定在箱体上，通过调节气量调节旋钮来调节高压气体的气量，通过调节油量调节旋钮调节润滑油的油量。

作为进一步的限定，所述力测量系统，包括工作台、工件夹具和测量元件，所述工作台设置于切削系统的正下方，工件夹具固定在工作台上，利用工件的自身自由度通过工件夹具和工作台实现完全定位，测量元件采集工件所受的切削力，测量信号经放大器放大传给力信息采集仪，经过导线传到计算机并显示切削力的大小；

所述工件夹具包括XYZ轴三个方向上的夹紧件，所述X轴方向夹紧件包括若干定位螺钉，Y轴方向夹紧件包括紧固螺钉和定位块，所述定位块一面与工件侧面接触，一面与定位螺钉接触，拧紧定位螺钉使定位块在工件的X方向上进行夹紧；Z轴方向夹紧件包括若干个压板夹紧，每个压板为自调节压板，通过XYZ轴三个方向上的夹紧件实现装备根据工件的大小可调，满足工件的尺寸变化要求。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提供了一种不同工况下喷嘴的最佳位置确定方法，此位置可以避免在供给切削液过程中，冲破气障消耗能量，节省了供液系统的无用功能量，同时可以在压强和进入流的输运下，使切削液在气流场中获得更多的动力和能量，避免了返回流，增加了切削液通过刀具/工件界面的流量。

本公开提供了一种可以实现不同工况下铣削系统，可以实现干切削、浇注式润滑、微量润滑、纳米流体微量润滑工况下的铣削，同时可以根据不同的切削参数选择不同的刀具。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是一种不同工况下铣削注入切削液的方法及实验系统的轴侧图。

图2是润滑系统的爆炸装配图。图3是刀库系统的轴侧图。

图4是刀盘的俯视图。图5是心轴的轴侧图和主视图。

图6是换刀系统的轴侧图。图7是切削系统的轴侧图。

图8是力测量系统的轴侧图。图9是工件定位夹紧图。

图10是铣削测力仪轴测图。图11是喷嘴角度β示意图。

图12是喷嘴角度α示意图。图13是气流微元体上X和Y方向表面力示意图。

图14是铣削气流场物理模型及气流场示意图。图15是Z＝20mm截面气流场截图。

图16是30°截面空气流场局部放大图。图17是测量截线示意图。

图18是四条截线上Y向速度曲线图。图19是四条截线上压力曲线图。

图20是不同转速下Z＝20mm截面空气流场流线图。

图21是不同转速下30°截面空气流场流线图。

图22是不同转速下铣刀周围空气流动速度图。图23是不同转速下铣刀周围压强图。

图24是不同螺旋角铣刀下Z＝20mm截面空气流场流线图。

图25是不同螺旋角铣刀下最佳射流角截面空气流场流线图。

图26为不同铣刀直径下Z＝20mm截面空气流场流线图。

图27为不同铣刀直径下30°截面空气流场流线图。

其中，润滑系统I，刀库系统II，换刀系统III，切削系统IV，力测量系统V，

箱体I-1，油杯接头I-2，油杯I-3，固定螺钉I-4，垫圈I-5，固定螺钉I-6，润滑泵固定盖I-7精密微量润滑泵I-8，气量调节旋钮I-9，三通I-10，电磁阀I-11，气源处理器I-12，进气接口I-13，双向接头I-14，频率发生器I-15，管道I-16，管道I-17，管道I-18，油量调节旋钮I-19，润滑泵出口接头I-20。

电机箱II-1，心轴II-2，刀盘II-3，铣刀II-4。

电机箱III-1，机械手III-2，机械手III-3。

电机箱IV-1，管道IV-2，螺钉IV-3，垫圈IV-4，磁性吸盘IV-5，喷嘴接口IV-6，润滑泵固定盖IV-7，心轴IV-8，喷嘴IV-9，铣刀IV-10，工作台IV-11。

计算机V-1，导线V-2，力信息采集仪V-3，放大器V-4，压板V-5，圆柱垫片V-6，压板螺母V-7，压板螺钉V-8，工件V-9，平板螺钉V-10，小压板螺钉V-11，定位螺钉V-12，工件夹具V-13，定位块V-14，测力仪V-15，螺钉V-16，夹具螺钉V-17，平板V-18，平板V-19。

后角II-4-1，后刀面II-4-2，前角II-4-3，排屑槽II-4-4，前刀面II-4-5。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

图1是一种不同工况下铣削注入切削液的方法及实验系统的轴侧图。

如图1所示，本发明包括润滑系统I、刀库系统II、换刀系统III、切削系统IV、力测量系统V五个系统。润滑系统I主要实现为铣削提供润滑油进行冷却润滑，刀库系统II实现刀具的存放，换刀系统III实现刀具的调用，切削系统IV用来铣削工件，力测量系统V主要测量铣削工件时的铣削力。

图2是润滑系统的爆炸装配图。

如图2所示，润滑系统包括箱体I-1、油杯接头I-2、油杯I-3、固定螺钉I-4、垫圈I-5、固定螺钉I-6、润滑泵固定盖I-7、精密微量润滑泵I-8、气量调节旋钮I-9、三通I-10、电磁阀I-11、气源处理器I-12、进气接口I-13、双向接头I-14、频率发生器I-15、管道I-16、管道I-17、管道I-18、油量调节旋钮I-19、润滑泵出口接头I-20。

进气接口I-13固定于气源处理器I-12上，高压气体由进气接口I-13进入气源处理器I-12过滤，为润滑系统提供高压气体，气源处理器I-12通过双向接头I-14接在电磁阀I-11上，控制气体的进入，电磁阀I-11出口处接一个三通I-10，高压气体通过三通I-10的一个出口管道I-16进入频率发生器I-15，通过频率发生器I-15来控制气体的输入频率，高压气体从频率发生器I-15出来后通过管道I-17进入精密微量润滑泵I-8；另外，高压气体通过三通I-10的另一个出口管道I-18进入精密微量润滑泵I-8，油杯接头I-2一端通过螺纹连接I-2，另一端通过螺纹连接润滑泵固定盖I-7，润滑泵固定盖I-7通过2个固定螺钉I-6连接精密微量润滑泵I-8，润滑泵固定盖I-7通过2个固定螺钉I-4和垫圈I-5固定在箱体I-1上，通过调节气量调节旋钮I-9来调节高压气体的气量，通过调节油量调节旋钮I-19调节润滑油的油量，最后通过润滑泵出口接头I-20连接喷嘴接头IV-6向切削系统IV提供润滑油。

图3是刀库系统的轴侧图，图4是刀盘的俯视图，图5是心轴的轴侧图和主视图，图6是换刀系统的轴侧图。

结合图3-6进行说明，电机箱II-1通过内部结构实现刀盘II-3的转动，进而带动刀盘II-3上的心轴II-2以及铣刀II-4转动，电机箱III-1通过内部结构实现机械手III-2和机械手III-3位置转换，进而实现加工刀具的换用，可以实现根据不同工况选择不同的铣刀加工。

图7是切削系统的轴侧图，电机箱IV-1通过内部结构实现心轴IV-8的旋转，从而主轴铣刀IV-10旋转，实现切削加工，润滑系统I提供的润滑油通过管道IV-2、喷嘴管IV-7和喷嘴IV-9喷到切削区，磁性吸盘IV-5通过螺钉IV-3和垫圈IV-4与喷嘴接口IV-6固定，磁性吸盘IV-5吸在电机箱IV-1的箱体上。

图8是力测量系统的轴测图，图9是工件定位夹紧图，图10是测力仪轴测图。

结合图8-10进行说明，测力仪V-15用螺钉V-16紧固在工作台IV-11上。工件夹具V-13固定在测力仪V-15的工作台上，将工件V-9放在测力仪V-15的工作台上，工件V-9的六个自由度通过工件夹具V-13和测力仪V-15的工作台便可实现完全定位。工件V-9的X轴方向使用两个定位螺钉V-12进行夹紧，在工件的Y方向，使用工件夹具螺钉V-17对工件V-9进行夹紧。定位块V-14一面与工件V-9侧面接触，一面与两个定位螺钉V-12接触，拧紧定位螺钉V-12使定位块V-14在工件V-9的X方向上进行夹紧。工件V-9在Z方向上采用三个压板V-5夹紧，三个压板V-5借助平板V-18、平板V-19、圆柱垫片V-6和压板螺钉V-8、压板螺母V-7构成自调节压板，当工件V-9长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个夹具螺钉V-17、两个定位螺钉V-12和三个压板V-5实现装备可调，满足工件V-9的尺寸变化要求。定位块V-14用小压板螺钉V-11和定位螺钉V-12进行夹紧。工件V-9受到切削力时，测量信号经放大器V-4放大传给力信息采集仪V-3，最后经过导线V-2传到计算机V-1并显示切削力的大小。

图11是喷嘴角度β示意图，图12是喷嘴角度α示意图。

结合图11、12进行说明，在铣削中，喷嘴的位置对切削液冷却润滑作用的大小具有非常重要的影响，其中，靶距(h)影响最大，其次是喷嘴与铣刀进给方向的角度(β)，影响最小的是喷嘴与工件表面的角度(α)，由于铣削中气流场的作用，喷嘴的最佳射流位置会随着不同工况的改变而发生变化。

图13是气流微元体上X和Y方向的表面力示意图。

根据图13进行说明，在铣刀刀刃表面位置选取矩形空气流体微元体，忽略空气重力，空气在低速情况下，可以看做不可压缩流体，对于六面体微元体，在x方向：dt时间内沿从六面体x处与x+dx处输入与输出的质量差：

dt时间内，整个六面体内输入与输出的质量差：

微元体内的质量变化为公式(3)：

从而连续方程表示为公式(4)，其物理意义为流体在单位时间内流经单位体积空间输出与输入的质量差与其内部质量变化的代数和为零。

矢量形式为：

连续性方程是流体流动微分方程最基本的方程之一。任何流体的连续运动均必须满足。

理想流体运动微分方程式是研究流体运动学的重要理论基础，可用牛顿第二定律推导，微元体x轴正方向受质量力f_xρdxdydz以及表面力x轴负方向受表面力

根据牛顿第二定律得x轴方向的运动微分方程：

理想流体的运动微分方程即欧拉运动微分方程为：

粘性流场中任意一点的应力有9个分量，包括3个正应力分量和6个切应力分量，进一步推导出微元体表面力的总力分量：

以应力表示的运动方程为：

上式就是以应力表示的粘性流体的运动方程，适用于层流、湍流、牛顿、非牛顿流体。

要具体描述流体的运动必须建立纳维尔—斯托克斯(Navier-Stokes)方程，简称N-S方程。根据N-S方程建立常粘度条件下方程组：

矢量形式为

流函数和涡量方程见公式12、13。

进一步根据求解问题选择边界条件，采用迭代法可以求得全流场各节点的流函数值。

图14是铣削气流场物理模型及气流场示意图。

根据图14进行说明，在高速铣削中，主轴带动铣刀高速旋转，旋转运动会对周围空气产生扰动，在铣刀周围产生一个空气附面层，阻碍切削液进入加工区。铣刀的刀柄部分为圆柱形，形成的气流为圆周环流，刀刃部分具有铣刀槽，形成顺着刀槽方向的回转气流，圆周环流与回转气流相互影响，对切削液的供给具有阻碍作用。

因此，使用FLUENT软件来模拟旋转铣刀周围气流场分布，模型条件如下：铣刀直径R＝20mm，铣刀螺旋角β＝30°，旋转速度n＝1200r/min，铣刀处于静止的空气流畅中，仿真参数如表1。

表1旋转铣刀流场仿真参数

仿真采用3D求解器来计算，流场介质选择空气，流场出口边界设置为压力出口边界，pressure-outlet边界，工件边界条件设置为静止的wall，铣刀边界条件设置为旋转的wall，初始化边界条件，设置残差监视后进行求解计算，经迭代一定次数后，收敛后得到计算结果。

图15是Z＝20mm截面气流场截图。

根据图15进行说明，旋转铣刀在圆周方向形成的气流称为圆周流，可以看出圆周流呈螺旋形，铣刀进给方向沿Y轴负向，喷嘴射流朝向铣刀刀尖处，且射流方向与空气流场流线相切时，切削液顺着气流方向注入，空气流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，可以将更多的切削液输送到刀具/工件表面，因此此时的喷嘴射流角度为最佳的射流角，与铣刀进给方向呈30°。

图16是30°截面空气流场局部放大图。

根据图16进行说明，射流与水平方向的角度与距离也会影响切削液的注入，因此，进一步分析与铣刀进给方向呈30°时的截面气流场。可以看出铣削区周围各个气流分布。最外面一层为气障，阻碍切削液进入切削区，因此射流的位置要避免在气障之外。进入流是气流方向指向铣刀表面的气流，有利于切削液进入，切削液跟随进入气流到达铣刀周围以及铣刀槽处，达到输运切削液的作用。进一步，切削液经过径向流输运到达切削区，径向流是气流方向为轴向方向的气流，一部分切削液会在工件表面附着，形成一层致密的润滑油膜，起到减摩抗磨的作用，冷却润滑刀具/工件界面，一部分切削液会随“返回流”流出，“返回流”是气流方向背向铣刀表面的气流，“返回流”的存在会使部分切削液流出切削区，同时对切削液进入切削区起到阻碍作用，因此切削液的注入应避免与“返回流”接触。最佳切削液的注入角度与距离如图所示，根据测量，在喷嘴射流方向与刀具进给方向呈30°时，当喷嘴轴线与工件表面呈一定角度(40°-50°)和一定距离(20-30mm)时，气流场会对切削液起到输运的作用，同时“返回流”对切削液的阻碍最小，切削液更容易进入切削区，起到的润滑冷却作用最大。

图17是测量截线示意图。

根据图17进行说明，为了定量研究铣削流场中返回流出现的位置和径向流的厚度，在与铣刀进给方向呈30°的截面上，铣削流场内距离铣刀中心不同距离的四个测量截线上进行测量，四条测量截线分别距离铣刀中心L1＝12mm，L2＝15mm，L3＝20mm和L4＝25mm。

图18是四条截线上Y向速度曲线图，图19是四条截线上压力曲线图。

结合图18、19进行说明，根据分析，在30°截面上，当Y向速度为负时，速度方向指向铣刀，此时代表气流方向流向铣刀，为进入流，当Y向速度为正时则相反，代表此时气流流出铣刀，为返回流，X轴大小代表了与工件表面的距离，X越大，则距离工件表面越远。在l＝12mm的截线上，当x为0～4mm时，Y向速度为负，没有出现返回流，但当x＝4～4.5mm时，Y向速度出现正值，返回流出现，当x＞4.5mm时，返回气流又消失，代表返回气流在l＝12mm时出现，径向流的厚度为2mm，且气流速度最大。在l＝15mm的截线上，当x＜5mm时，速度均为正值，此时气流为返回流，当x＞5mm时，速度为负，气流为进入流。在l＝20mm和25mm截线上，返回流出现的范围都为x＝0～7mm时，当x＞7mm时，气流为进入流，且随着距离铣刀越远，返回流的速度越小。进一步，分析铣刀周围压力分布，四条截线上的压力曲线如图19，距离铣刀2mm、5mm和10mm的三条截线上，空气压力为负，且距离铣刀越近，压力越小，最小压力处于铣刀槽处，而在距离铣刀15mm的截线上，空气压力为正，在压力差的作用下，空气更容易进入铣刀/工件表面。

图20是不同转速下Z＝20mm截面空气流场流线图，图21是不同转速下30°截面空气流场流线图。

结合图20、21进行说明，刀具转速会对铣削区空气流场产生影响，因此在保证刀具直径、螺旋角和其他参数不变的情况下，改变刀具转速，分别为600r/min、1200r/min、1800r/min和2400r/min，观察气流场的变化。可以看出转速的大小不影响空气流场在圆周方向上的形状，因此铣刀转速不影响喷嘴与铣刀进给方向的角度，都为30°时最有利于切削液的注入。根据图21可以看出进入流的大小随着铣刀转速的增加而变小，而气障的大小会逐渐增大，说明铣刀转速的增加会增加切削液进入铣刀/工件界面的难度，同时，喷嘴的最佳距离应在气障内，因此，最佳靶距会随着铣刀转速的增加而减小，从图中可以看出，当铣刀转速为600r/min和1200r/min时，靶距的最大值应在30mm以内，当铣刀转速为1800r/min和2400r/min时，靶距的最大值应在20mm以内。进一步，铣刀的转速并不会影响喷嘴与工件表面的角度，即40°-50°时最有利于切削液输运到铣刀/工件界面。

图22是不同转速下铣刀周围空气流动速度图，图23是不同转速下铣刀周围压强图。

结合图22、23进行说明，为了定量分析旋转速度对铣刀周围空气流场速度的影响规律，分别采集了不同旋转速度下的铣刀周围的空气流动速度和压强，建立了不同转速下铣刀周围空气流动速度图和压强图。横坐标为距离工件表面的长度。从图中可以看出，空气流速随工件表面的距离成周期性变化，铣刀表面与排屑槽处空气气流速度不同，当距离工件表面30-40mm时，空气流速最小，根据伯努利流体的机械能守恒原理：如果速度小，压强就大。气流由铣刀周围进入狭小的铣刀槽处，压强增大，气流速度变小。其中，铣刀表面周围气流速度较大，空气气流速度分别可以达到0.62m/s(n＝600r/min)、1.19m/s(n＝1200r/min)、1.85m/s(n＝1800r/min)、2.49m/s(n＝2400r/min)，可以看出，随着旋转速度的提高，铣刀对周围空气流场速度的影响越来越明显，铣刀周围空气流场速度随着铣刀转速的提高成线性增大，也意味着：旋转速度的提高，会不断扩大铣刀周围的气障半径，增大切削液到达铣刀/切屑和铣刀/工件界面的难度，降低其冷却润滑效果。

从图23可以看出，铣刀周围的空气压强都为负压，且随着铣刀旋转速度的提高负压增大，其最大值分别可以达到-0.015Pa(n＝600r/min)、-0.035Pa(n＝1200r/min)、-0.062Pa(n＝1800r/min)、-0.089Pa(n＝2400r/min)，随着铣刀周围的负压值增大，进入流的压力差增大，更有利于切削液随着进入流到达径向流，进一步输运到铣刀/工件界面。因此，保证喷嘴的位置在进入流场中时，随着铣刀转速的增加，气流场对切削液的输运作用越明显，切削液的有效利用率越高。

图24是不同螺旋角铣刀下Z＝20mm截面空气流场流线图，图25是不同螺旋角铣刀下最佳射流角截面空气流场流线图。

结合图24、25进行说明，铣刀螺旋角也会对铣削区空气流场产生影响，因此在保证刀具直径、旋转速度和其他参数不变的情况下，改变铣刀螺旋角，分别为30°、35°、40°和45°，观察气流场的变化。可以看出圆周流的方向随着铣刀螺旋角的变化而发生不同，即喷嘴与铣刀进给方向的最佳角度发生变化，从图中可以看出，当喷嘴与铣刀进给方向的角度与铣刀螺旋角相同时，空气流场会辅助切削液输运，有利于切削液注入到铣刀/工件界面，增加切削液的有效利用率。根据图25，可以看出当喷嘴与铣刀进给方向所成角度与螺旋角相同时，此时的不同螺旋角旋转的铣刀形成的气流场相差不大，根据测量，其最佳靶距都应在20mm以内，且喷嘴与工件表面的最佳角度也都相同，都为40°-50°时最有利于切削液的输运，从而实现切削液的高利用率。

图26为不同铣刀直径下Z＝20mm截面空气流场流线图，图27为不同铣刀直径下30°截面空气流场流线图。

结合图26-27进行说明，铣刀直径也会对铣削区空气流场产生影响，因此在保证刀具螺旋角、旋转速度和其他参数不变的情况下，改变铣刀直径，分别为12mm、16mm、20mm和24mm，观察铣刀直径对气流场的影响。为了定量分析铣刀直径对端面铣削铣刀工件约束界面条件下的影响规律，分别采集了不同直径铣刀的刀具周围的空气流动速度和压强，建立了不同直径铣刀周围的空气流动速度图和压强图。可以看出，铣刀周围的空气流动速度随铣刀直径的增大而增大，其中，空气流动速度分别为0.62m/s(R＝12mm)、0.91m/s(R＝16mm)、1.22m/s(R＝20mm)、1.49m/s(R＝24mm)，这主要是因为刀具直径增加，导致刀具表面线速度增加，因此铣刀带动周围空气流动速度增加，当距离工件表面为20-35mm时，空气流速下降且最低，是因为此时位于排屑槽处，空气气流进入狭小的排屑槽后，压强变大，根据伯努利的流体机械能守恒原理，压强变大，速度减小。进一步观察压强变化，可以看出，铣刀周围的压强都为负值，且随着直径的增加，压强负压增大，其最大值分别可以达到-0.032Pa(R＝12mm)、-0.026Pa(R＝16mm)、-0.016Pa(R＝20mm)、-0.003Pa(R＝24mm)，随着铣刀周围的负压值增大，进入流的压力差增大，更有利于切削液随着进入流到达径向流，进一步输运到铣刀/工件界面。因此，保证喷嘴的位置在进入流场中时，随着铣刀直径的增加，气流场对切削液的输运作用越明显。

综上，喷嘴的位置，通过分析铣削区的流场进行设置，在端面铣削铣刀工件约束条件下，旋转铣刀周围的气流场主要有圆周流、进入流、径向流、返回流和气障层，根据旋转铣刀周围复杂的气流场可以判断喷嘴的最佳位置(喷嘴与铣刀进给方向的角度、喷嘴与工件表面的角度、靶距)，当喷嘴顺着圆周流并且处于进入流中时，流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，增加切削液的有效利用率。

最佳的喷嘴位置随着铣刀螺旋角、转速的变化而变化，喷嘴与铣刀进给方向的角度与铣刀螺旋角有关，此角度与螺旋角相同时最有利于切削液的进入，喷嘴的靶距与铣刀转速有关，铣刀的直径不影响喷嘴的位置，当铣刀转速为600r/min和1200r/min时，最佳靶距为30mm，当铣刀转速为1800r/min和2400r/min时，最佳靶距为20mm，喷嘴与工件表面形成的角度并不会变化，当为40°-50°时效果最好。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：包括以下步骤：

对不同工况下铣削区的气流场对切削液注入的影响进行分析，定量分析刀具的螺旋角和转速对流场的影响规律，综合确定最佳喷嘴的靶距、喷嘴与铣刀进给方向的角度以及喷嘴与工件表面的角度，依照确定的设置方式设置喷嘴，利用喷嘴将润滑油喷到铣削区。

2.如权利要求1所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：当喷嘴顺着圆周流并且处于进入流中时，流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，增加切削液的有效利用率。

3.如权利要求1所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：当喷嘴的射流方向与空气流场流线相切，切削液顺着气流方向注入，空气流场会对切削液的注入起到辅助输运的作用，此时的喷嘴射流角度为最佳的射流角。

4.如权利要求1所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：最佳的喷嘴位置随着铣刀螺旋角、转速的变化而变化，喷嘴与铣刀进给方向的角度与铣刀螺旋角有关，此角度与螺旋角相同时最有利于切削液的进入，喷嘴的靶距与铣刀转速有关，铣刀的直径不影响喷嘴的位置。

5.如权利要求4所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：喷嘴的最佳靶距在气障内。

6.如权利要求5所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：当铣刀转速为600r/min和1200r/min时，靶距的最大值应在30mm以内，当铣刀转速为1800r/min和2400r/min时，靶距的最大值应在20mm以内。

7.如权利要求1所述的一种不同工况下铣削注入切削液的方法，其特征是：在保证喷嘴的位置在气流场的进入流中的基础上，提高铣刀转速或/和增加铣刀直径，能够提升气流场对切削液的输运作用，提高切削液的有效利用率。

8.一种不同工况下铣削注入切削液的系统，其特征是：包括润滑系统、刀库系统、换刀系统、切削系统和力测量系统，其中：

所述刀库系统，包括可转动的旋转轴，所述旋转轴上圆周分布有多个刀具组件，每个刀具组件上设置有心轴以及心轴下端连接的刀具，每个刀具的螺旋角并不一致，通过旋转轴的旋转，将与工况相适配的刀具与换刀系统相对；

所述换刀系统，包括两个朝向相反的机械手，两个机械手的中间设置有旋转轴，通过控制旋转轴的转动，实现两个机械手位置转换进而实现切削系统的主轴刀具与刀库系统刀具的更换；

所述切削系统，包括心轴，心轴上设置有主轴刀具，通过控制心轴转动带动主轴刀具转动，实现切削加工；

所述力测量系统设置于切削系统下端，当其上固定的工件受到切削力时，测量工件所受到的切削力大小，根据加工参数进行选择不同螺旋角的刀具进行铣削；

所述润滑系统向切削系统提供润滑油，所述润滑系统的动力源为高压气体，分别通过频率发生器和控制阀控制高压气体的输入频率与气量，间接调节润滑泵的润滑油油量，润滑系统提供的润滑油依次通过管道、喷嘴管和喷嘴喷到所述切削系统作用的铣削区，所述喷嘴的位置根据不同工况下铣削区的流场、刀具的螺旋角和转速的不同而调整。

9.如权利要求8所述的一种不同工况下铣削注入切削液的系统，其特征是：所述润滑系统包括进气接口、气源处理器、润滑泵、喷嘴和连接管路，以及设置在各个连接管路处的控制阀，所述进气接口固定于气源处理器上，高压气体由进气接口进入气源处理器过滤，为润滑系统提供高压气体，气源处理器通过双向接头接在电磁阀上，控制高压气体的进入，电磁阀出口处接一个三通，高压气体通过三通的一个出口管道进入频率发生器，通过频率发生器来控制高压气体的输入频率，高压气体从频率发生器出来后通过管道进入润滑泵，润滑泵出口接头连接喷嘴接头向切削系统提供润滑油；高压气体通过三通的另一个出口管道进入润滑泵，油杯接头一端通过螺纹连接，另一端通过螺纹连接润滑泵固定盖，润滑泵固定盖连接润滑泵，润滑泵固定盖固定在箱体上，通过调节气量调节旋钮来调节高压气体的气量，通过调节油量调节旋钮调节润滑油的油量。

10.如权利要求8所述的一种不同工况下铣削注入切削液的系统，其特征是：所述力测量系统，包括工作台、工件夹具和测量元件，所述工作台设置于切削系统的正下方，工件夹具固定在工作台上，利用工件的自身自由度通过工件夹具和工作台实现完全定位，测量元件采集工件所受的切削力，测量信号经放大器放大传给力信息采集仪，经过导线传到计算机并显示切削力的大小；

所述工件夹具包括XYZ轴三个方向上的夹紧件，所述X轴方向夹紧件包括若干定位螺钉，Y轴方向夹紧件包括紧固螺钉和定位块，所述定位块一面与工件侧面接触，一面与定位螺钉接触，拧紧定位螺钉使定位块在工件的X方向上进行夹紧；Z轴方向夹紧件包括若干个压板夹紧，每个压板为自调节压板，通过XYZ轴三个方向上的夹紧件实现装备根据工件的大小可调，满足工件的尺寸变化要求。