CN109714848B - 一种应用于热装刀柄的感应加热线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于热装刀柄的感应加热线圈，包括具有一定锥度的耐高温材料制成的绕线柱、多股聚氨酯圆铜绞线、磁场聚集槽、磁场聚集盖、过热保护模块及工作指示灯等。本发明感应加热线圈通过电磁感应原理对刀柄进行非接触式加热，线圈采用特殊绕制结构、特制的磁场聚集部件及组装结构使其产生的磁场集中的线圈的中上部，使刀柄加热段集中在顶部，从而顺利实现刀柄对刀具的热装与取出，并且极大地提高了加热效率，缩短了刀具热装与取出得时间。

Description

一种应用于热装刀柄的感应加热线圈

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种应用于热装刀柄的感应加热线圈的设计。

背景技术

制造业的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标准之一，现代制造业的主要工业部门有：能源工业、汽车工业、航天航空工业、军事工业、电子工业和模具工业等，而这些部门所涉及的加工技术，都是刀具去除材料的切削加工技术为主。随着现代制造业的飞速发展，提出切削加工技术必须具备高速度、高精度和高效率的特点，因此基于高速数控中心、高性能刀具和涂层技术的发展，兴起了高速切削加工技术。

目前在高速加工工业中使用较为普及的有静压膨胀式刀柄、应力紧锁式刀柄和热装式刀柄三种，在精度变得越来越高的加工领域，刀具系统的尺寸精度、重复安装精度以及自身的减震性能变得越来越重要。热装刀柄由于具有高装夹精度、高刚性和高可靠性，已经逐渐成为高速切削工具系统的发展方向，并且取出一个刀具最快仅需几秒的时间，所以热装式刀柄的应用越来越普及。热装工具系统中使用较为普遍的热装刀柄有德国的HSK刀柄和日本的MST刀柄，HSK刀柄采用电磁感应加热方式，热装温度为300℃-450℃，对污染相对不敏感，并且加热时间较短，加热效率高；HSK刀柄因以其夹持精度高、夹持力强、弯曲刚度高和动平衡性能好等优点，得到了越来越广泛的应用。MST刀柄利用工业用热风机的热风对刀柄进行加热，可实现200热，300℃的低温热装，价格低廉且操作简单，但是其加热时间较长，热装效率低。

热装式刀柄的工作原理是主要是利用金属材料的热胀冷缩原理，在常温状态下刀具直径大于刀柄孔径，刀具无法直接插入刀柄，在通过对热装刀柄进行加热以后，刀柄受热膨胀致使孔径变大，从而完成刀具的插入时，在取出刀具时除了利用材料的热胀冷缩之外，还利用了刀柄与刀具材料的热膨胀系数之差，即升高同样温度时，夹持孔张大的程度要比刀具受热膨胀的程度要高，从而完成刀具的取出。

电磁感应加热的时需要将工频交流电通入电磁感应装置变为中高频交流电，然后将中高频交流电通入电磁感应线圈，基于电磁感应原理，流入线圈的交变电流在被加热的金属和工件中产生一个交变磁场，此交变磁场会在被加热金属工件中产生涡流，而涡流会在被加热工件中产生焦耳热，从而达到对工件加热的目的。

热缩刀柄与热缩工具系统在欧美、日本及以色列等国家已成为高速加工中心的标准配置，热缩刀柄的普及应用将是高速工具系统的发展趋势。现在高速加工中的热缩刀柄主要由一些国际知名刀具厂商提供，例如德国的翰墨(HAIMER)与戴博(DIEBOLD)、以色列的伊斯卡(ISCAR)、日本大昭(BIG)与恩司迪(MST)等，这些热缩刀柄材质特殊、性能优越，但是价格昂贵。国际知名刀具厂商都研发了与自主品牌热缩刀柄相配套的热装装置(热缩机)，常见的有德国翰默公司与戴博公司的热缩刀柄加热装置以及日本恩司迪与丰精工数控刀柄热缩机等。国际上的这些刀柄热装装置技术先进，与自我品牌的热缩刀柄匹配性能良好，但是价格也非常昂贵，并且由于技术保密和国际竞争等原因，几乎看不到这些国际知名刀具厂商有关热缩刀柄、热装装置及关键部件加热线圈的设计与制造技术、基础共性技术及理论的公开。

目前国内外研究人员主要研究线圈电流大小及和频率变化对加热性能的影响，对铜绞线不同绕制方式、铜线横截面积及铜线之间间距对加热影响的研究很少涉及，而根据刀柄的尺寸、形状、刀具热装和取出的原理，设计加热线圈使其产生的磁场要尽可能的集中在线圈的中上段，尽可能使刀柄中上段受热的研究更是鲜有涉及。目前国内还没有刀柄热装装置的设备研发报告，研发具有自主知识产权的刀柄热装装置将填补国内机械加工刀柄热装装置的空白，极大推进我国高速精密加工技术的发展，刀柄热装装置中的加热线圈是关键部件和设计难点。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种应用于热装刀柄的感应加热线圈，该线圈通过电磁感应原理对刀柄进行非接触式加热，线圈采用特殊绕制结构、特制的磁场聚集部件及组装结构使其产生的磁场集中的线圈的中上部，使刀柄加热段集中在顶部，从而顺利实现刀柄对刀具的热装与取出，并且极大地提高了加热效率，缩短了刀具热装与取出的时间。

一种应用于热装刀柄的感应加热线圈，包括绕线柱、线圈、磁场聚集槽和磁场聚集盖；所述线圈绕制于绕线柱上，所述绕线柱放置于磁场聚集槽内并在其顶部盖上磁场聚集盖；绕线柱贯穿开有供刀柄放入的通孔，工作时线圈被注入高频交变电流，从而实现对位于线圈中的刀柄进行电磁感应加热；

所述绕线柱上的线圈从内到外分为四层：第一层即最里层的线圈从中间往绕线柱两端绕制，该层采取平铺密集绕制；第二层线圈则分布绕制于绕线柱的上部和下部，上部绕制n匝，下部绕制n+1匝；第三层线圈的分布与第二层一致且上部和下部均绕制n匝；第四层线圈则分布绕制于绕线柱的下部且绕制n匝，n为大于1的自然数。该绕制方式改变了传统的一层一层平铺紧密绕制方式，从而改变了线圈磁场的分布。

进一步地，所述绕线柱采用具有一定锥度的耐高温材料(如聚四氟乙烯)制成，且两端设有挡线板；聚四氟乙烯具有耐高低温(-192摄氏度～260摄氏度)、耐腐蚀(强酸，强碱等)、高绝缘、不粘附、无毒害等优良综合特性。

进一步地，所述线圈采用多股聚氨酯圆铜绞线。

进一步地，所述线圈外侧绕有一圈导线，所述导线连接有工作指示灯，当线圈通入高频交变电流时，导线感应出电流从而点亮工作指示灯，提醒操作者线圈处于工作状态。

进一步地，所述线圈表面设有过热保护模块，其由双金属片温控器组成，所述过热保护模块外接控制线圈通断电的控制芯片，当过热保护模块感应到线圈表面温度超过一定的阈值，则通过该控制芯片停止对线圈进行通电。

进一步地，所述磁场聚集槽为圆筒状结构且采用软磁铁氧体材料高温烧制而成，其顶面敞开，底面开有通孔，侧面开有缺口供线圈及导线引出。

进一步地，所述磁场聚集槽内壁与线圈、导线、过热保护模块的间隙采用灌封胶填充，所述灌封胶不仅起到了固定线圈、导线及过热保护模块的作用，并将线圈、导线、过热保护模块与磁场聚集槽粘结为一个整体，提高了整个线圈的强度，同时提高了线圈的散热性能。

进一步地，所述灌封胶采用Ausbond的192型AB有机硅灌封胶，该有机硅灌封胶具有可耐高低温(-60℃～250℃)、收缩率低、导热系数高等优点。

进一步地，所述磁场聚集盖包括磁场聚集环和散热体，散热体加工成一定锥度的漏斗状且包裹着磁场聚集环，磁场聚集盖外边套有隔热保护套，磁场聚集环采用软磁铁氧体材料高温烧制而成，散热体由铜材料制成，隔热保护套采用聚四氟乙烯材料。

所述磁场聚集槽和磁场聚集盖的主要作用是屏蔽线圈的磁场，抑制线圈的磁场泄露；其次是使线圈的磁场聚集在刀柄周围，有利于提高加热效率，降低加热过程的损耗等。

本发明设计的适用于热装刀柄的感应加热线圈，通过ANSYS有限元分析软件对不同绕制方式的线圈进行仿真分析，以原始结构的线圈为基础对其进行优化设计，使其产生的磁场的聚集在线圈的中上部，最终本发明线圈可以对刀柄的上段进行集中加热，提高了加热效率。将本发明封装好的线圈接入刀柄热装系统，通过一系列实验证明了其可行性和合理性，可应用于不同厂家不同型号的热装刀柄，值得推广。

附图说明

图1为本发明感应加热线圈的整体结构示意图。

图2为绕线柱的结构示意图。

图3为磁场聚集槽的结构示意图。

图4为四层线圈每层紧密绕制情况下磁场强度H在XZ截面上的仿真分布示意图。

图5为四层线圈每层紧密绕制情况下磁场强度H在XY截面上的仿真分布示意图。

图6为底层线圈紧密绕制，2～4层中间绕制情况下磁场强度H在XZ截面上的仿真分布示意图。

图7为底层线圈紧密绕制，2～4层中间绕制情况下磁场强度H在XY截面上的仿真分布示意图。

图8为本发明线圈绕制的三维结构示意图。

图9为本发明线圈绕制方式下磁场强度H在XZ截面上的仿真分布示意图。

图10为本发明线圈绕制方式下磁场强度H在XY截面上的仿真分布示意图。

图11为本发明线圈整体结构磁场强度H在XZ截面上的仿真分布示意图。

图12为本发明线圈整体结构磁场强度H在XY截面上的仿真分布示意图。

具体实施方式

为了更为具体的描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明应用于热装刀柄感应加热线圈，包括绕线柱1、线圈2、工作指示灯3、普通导线4、双金属片温控器9及温控电路的引出导线6、磁场聚集槽5、磁场聚集盖8，在线圈2与磁场聚集槽5的缝隙中加入有机硅灌封胶7，磁场聚集盖8放置在绕线柱1顶部，双金属片温控器9通过有机硅灌封胶粘附于线圈2表面，线圈2采用多股聚氨酯圆铜绞线。

如图2所示，绕线柱采用聚四氟乙烯材料，该材料耐高低温(-190℃～+260℃)，耐强酸强碱腐蚀、高润滑、高绝缘；因国内外的热装刀柄多带有一定锥度，为了与之契合，绕线柱也带有一定锥度。

如图3所示，磁场聚集槽由软磁铁氧体材料高温烧制而成，磁场聚集槽一侧开口，以便将各类导线与铜绞线引出；磁场聚集槽底部中间开孔，孔径与线圈绕线柱底部的孔径相等，底部除开孔的部分形成线圈绕线柱的支撑圆环。

本实施方式中绕制好的线圈、接有工作指示灯的导线与由双金属片温控器组成的线圈过热保护电路放置于磁场聚集槽内，磁场聚集槽设计的高度与线圈绕线柱的顶部挡线板平齐。放置于磁场聚集槽内的线圈、接有工作指示灯的导线与由双金属片温控器组成的线圈过热保护电路与磁场聚集槽中间具有一定的空隙，在该空隙内注入灌封胶，灌封胶不仅起到了固定线圈、接有工作指示灯的导线与由双金属片温控器组成的线圈过热保护电路的作用，并将线圈、接有工作指示灯的导线、由双金属片温控器组成的线圈过热保护电路与磁场聚集槽粘结为一个整体，提高了整个线圈的强度；该步骤还有一个更重要的作用是为了提高线圈的散热性能。由于线圈在实际使用过程中会产生热量，而线圈本身散热性能很差，如果不采取散热措施，线圈的性能会下降。

本实施方式中灌封胶采用Ausbond的192型AB有机硅灌封胶，有机硅灌封胶具有可耐高低温(-60℃～250℃)、收缩率低、导热系数高等优点，其导热系数远大于空气的导热系数。

为了确保线圈安全工作在一定的温度范围内，在线圈中加入双金属片温控器来保护线圈，双金属片温控器由上层“高猛合金”(主动层)和下层的“殷钢”(被动层)组成，主动层的膨胀系数是被动层的几十倍，在常温状态下，铜片与弹簧片的触点是接通的，在温度升高时，主动层膨胀比被动层多，双金属片向下弯曲，温度升高到一定程度时，电路断开，冷却到一定程度时双金属片复原，电路接通。将双金属片连接到热装装置的控制芯片，控制芯片通过判断双金属片的断开和闭合来控制线圈的通电与断电，也就是说当线圈温度达到双金属片的断开温度时，控制芯片检测到双金属片断开，从而停止向线圈供电，停止加热操作。为了更加方便的显示线圈的工作状态，在线圈外侧绕有一圈普通导线，普通导线连接工作指示灯，当线圈中通入高频大电流时，导线上产生感应电流，从而点亮指示灯。

根据热装刀柄的热装工作原理，刀具热装在刀柄的加持孔内，要求设计的电磁感应加热线圈产生的磁场应集中在内部中上段，使刀柄的顶端集中受热，所以铜绞线绕制结构要使线圈内部中上段磁场强度大，本发明借助ANSYS有限元分析软件对不同绕制方式对线圈的磁场分布进行分析，最终发明了该线圈的绕制方式、特制的磁场聚集部件及组装结构，其设计步骤及工作原理如下：

首先对经典绕制方式的线圈，即每层都一圈一圈紧密绕制方式设计的线圈进行电磁场仿真分析，在进行电磁场仿真时需要建立仿真模型，建模后施加一定频率一定电流强度的交变电流，在线圈紧密绕制了4层的磁场分布仿真结果如图4和图5所示，从图4的XZ截面观察磁场强度为线圈内侧靠近铜绞线处磁场强度最大，在中轴线上，磁场强度由中间向上下两侧减小；从图5的XY截面观察的磁场分布情况，线圈内侧磁场强度最强，且强度由靠近线圈处向中心及外侧都在减小。对该原始绕制方式进行改变，在最底层一圈一圈紧密绕制一层铜绞线，在2～4层中间位置紧密绕制多圈铜绞线，利用同样的方法进行建模，建模后施加与第一种绕制方式下相同的工作频率和电流强度的交变电流，磁场仿真结果如图6和图7所示，从图6的XZ截面观察磁场强度在线圈的顶部、底部及中部紧密绕制多圈处磁场强度较大；从图7的XY截面可以得出，线圈内侧磁场强度最强，且强度由靠近线圈处向中心及外侧都在减小。

结合前面的仿真结果及分析，本发明线圈绕制三维结构如图8所示，具体绕制方式为：最底层一圈一圈紧密绕制；第二层靠近线圈顶部紧密绕制n圈，靠近线圈底部紧密绕制n+1圈；第三层靠近线圈顶部和底部均绕制n圈；第四层靠近线圈底部绕制n圈。利用与上面两种绕制方式下同样的方法进行建模，建模后施加相同的工作频率和电流强度的交变电流对其进行电磁场仿真，结果如图9和图10所示，从图9的XZ截面观察可以发现靠近线圈边缘处磁场强度较大，且线圈内部中上段磁场强度在相同交变电流和频率下比与前面2种结构有很大提升，从图10的XY截面观测得线圈中心磁场强度较小，从线圈边缘往外磁场衰减比前面的2种结构的衰减要快很多，磁泄露的现象得到了很大的改善。

为了更好地使线圈的磁场聚集在线圈的边缘和防止磁场泄露，本发明采用特制的磁场聚集部件，其一为磁场聚集槽，将绕制好的线圈放入磁场聚集槽内；为了将线圈的磁场聚集在线圈的顶部，将已经注入灌封胶的线圈顶部盖上另外一个磁场聚集部件，即磁场聚集盖。

磁场聚集盖由底部的磁场聚集环、中间散热体和隔热保护套组成，磁场屏蔽环采用软磁铁氧体制成，中间的散热体采用铜材料制成，散热体包裹着磁场聚集环，散热体表面加工成一定锥度的漏斗状，以加大散热面积，散热体的作用对磁场聚集环进行散热，防止底部的磁场聚集环在热装和取出刀具时因温度过高而磁饱和；磁场聚集盖外边套有防热保护套，高温保护套采用聚四氟乙烯材料，可耐260℃高温，以便操作人员进行更换不同孔径的磁场聚集盖，磁场聚集盖的孔径与刀具的尺寸相匹配。

利用仿真软件对加上磁场聚集槽和磁场聚集盖的线圈在相同的条件下进行仿真，得到磁场结果如图11和图12所示。从图11的XZ截面可得到线圈中上段磁场强度最强，并且与未加磁场聚集装置时有很大提升，从图12的XY截面可分析出磁场都集中在线圈边缘，且磁场分布均匀，从线圈边缘往外磁场都已经衰减完毕，几乎不存在磁泄露的现象，从线圈边缘往轴心方向磁场衰减也很快，使得线圈的磁场集中线圈边缘，这样特点在应用线圈给刀柄电磁感应加热时，刀柄的表面被加热而升温最快，从刀柄的表面往刀柄的内部由于磁场的衰减而加热逐渐减弱，这样有利的刀具的热装和取出，特别是在刀具的取出时，这样有利于刀柄表面受热最大而刀具受热最小，有利用刀具的取出。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于热装刀柄的感应加热线圈，其特征在于：包括绕线柱、线圈、磁场聚集槽和磁场聚集盖；所述线圈绕制于绕线柱上，所述绕线柱放置于磁场聚集槽内并在其顶部盖上磁场聚集盖；绕线柱贯穿开有供刀柄放入的通孔，工作时线圈被注入高频交变电流，从而实现对位于线圈中的刀柄进行电磁感应加热；

所述绕线柱上的线圈从内到外分为四层：第一层即最里层的线圈从中间往绕线柱两端绕制，该层采取平铺密集绕制；第二层线圈则分布绕制于绕线柱的上部和下部，上部绕制n匝，下部绕制n+1匝；第三层线圈的分布与第二层一致且上部和下部均绕制n匝；第四层线圈则分布绕制于绕线柱的下部且绕制n匝，n为大于1的自然数；

所述线圈外侧绕有一圈导线，所述导线连接有工作指示灯，当线圈通入高频交变电流时，导线感应出电流从而点亮工作指示灯，提醒操作者线圈处于工作状态；线圈表面设有过热保护模块，其由双金属片温控器组成，所述过热保护模块外接控制线圈通断电的控制芯片，当过热保护模块感应到线圈表面温度超过一定的阈值，则通过该控制芯片停止对线圈进行通电；

所述磁场聚集槽为圆筒状结构且采用软磁铁氧体材料高温烧制而成，其顶面敞开，底面开有通孔，侧面开有缺口供线圈及导线引出；磁场聚集槽内壁与线圈、导线、过热保护模块的间隙采用灌封胶填充；

所述磁场聚集盖包括磁场聚集环和散热体，散热体加工成一定锥度的漏斗状且包裹着磁场聚集环，磁场聚集盖外边套有隔热保护套，磁场聚集环采用软磁铁氧体材料高温烧制而成，散热体由铜材料制成，隔热保护套采用聚四氟乙烯材料。

2.根据权利要求1所述的感应加热线圈，其特征在于：所述绕线柱采用具有一定锥度的耐高温材料制成，且两端设有挡线板。

3.根据权利要求1所述的感应加热线圈，其特征在于：所述线圈采用多股聚氨酯圆铜绞线。

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