CN109759611B - 适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，包括金刚石刀片，金刚石刀片的基体中心具有标准压紧定位孔，定位孔内安装有压紧螺钉，压紧螺钉将金刚石刀片装配至刀头上，刀头内部设置冷气流及切削液的交叉通道，通道交汇处通过密封螺钉密封形成切削液雾化腔，刀头端部设置有螺纹与涡流管的冷气端连接，涡流管通过管接头与外部压缩气源连通，夹具座内部设置切削液导热及流量调节通道。本发明立足含能材料现有成熟机械加工工艺，与目前通用加工设备配合使用，引入微量润滑和温度控制切削加工方式对满足PBX复合炸药零件的表面优质加工十分有益，同时对产品切削发热、放电和冲击失稳等问题具有有效的抑制作用。

Description

适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具

技术领域

本发明涉及含能材料机械加工技术领域，尤其涉及适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具。

背景技术

高能炸药PBX(Polymer Bonded Explosives，高聚物粘结炸药)是一种综合性能优良的含能材料，作为各类重要战斗部的核心功能部件材料，广泛应用于陆、海、空和二炮各类武器系统之中。随着武器装备系统的快速发展，多种含能材料部件的精密机械加工需求也与日俱增，而机械加工安全性一直都是限制其工艺技术发展的关键。此外，该材料因刚度和强度较低，热膨胀系数大，并具有一定的粘弹性，是一种非常特殊的非均质宏观同性微观各向异性的复合材料，在加工特性上所表现出的软、粘、脆、弹等复杂特性，这一定程度上造成了产品的精密加工质量控制问题。然而，随着环保问题的日益严峻，对于含能材料这种具有毒性、难于回收的机械加工而言，引入绿色加工理念和微量切削加工技术必要性突显。

由于含能材料产品加工的特殊性，使得很多新型特种加工方法难于在该领域进行推广和应用，传统的分步隔离式机械加工方法仍旧占据主导地位，但这其中存在一些生产安全、加工质量和绿色制造的问题，现已成为含能材料机械加工领域的技术瓶颈之一，严重制约着其向前发展，如常用机械切削过程中的摩擦生热及放电问题、材料切削去除区域冷却润滑不充分等问题都会带来较大的安全隐患，而刀具刃口的磨损和破坏问题、刀具廓形和机床运行精度问题，材料受冲击和振动引发切削失稳导致的加工表面凹坑、崩边等质量问题均十分迫切。此外，含能材料的低排放绿色加工制造问题，尤其是机加废液的净化处理和循环使用新方法一直以来都是领域内关注的重点。因此，立足含能材料的现有成熟加工技术，改进生产设备、优化切削工艺，基于绿色制造理念实现含能材料的减磨降热切削和微量喷雾润滑加工，特别是控温刀具技术的引入将成为解决上述问题的有效途径。

目前，干切削和准干式切削技术因其完全不使用切削液或使用低温冷却技术、喷雾冷却技术、仅使用少量无害植物油等方法进行切削已成为绿色制造和清洁生产的研究热点。公开号为CN103962593B的中国专利文献公开了一种自冷却切削刀具，在刀柄上装有刀片，在刀片的正下方放置自冷却刀具垫片，并通过刀片压紧件压紧，所述的自冷却刀具垫片是在刀具垫片上开有散热孔，在散热孔中填充有传热材料，该发明可改善干切削中刀具的冷却条件，且换刀方便，可广泛应用于干切削加工；公开号为CN106392759A的中国专利文献公开了一种复合材料免水加工中用涡流管制冷切削工艺和系统，设置复合材料免水加工中用涡流管制冷切削系统，该发明提供的工艺和系统可以在提高效率同时，达到免水降温切削复合材料的成型需求；公开号为CN107443162A的中国专利文献公开了一种涡流管复合雾化刀具切削加工系统，所述系统包括二氧化碳源，与二氧化碳源连接的增压泵，与增压泵相连接的高压容器，所述系统还包括与高压容器连接的雾化器，分别与增压泵、雾化器连接的压缩空气源，所述压缩空气源与雾化器之间设有涡流冷风装置，与雾化器连接的喷嘴，与雾化器连接的润滑油源，与雾化器连接的水源，该发明能够使冷却液达到油包水的状态，并且在雾化器前端加了一个涡流冷风装置，能够产生涡旋分流效应，对难加工材料如不锈钢，钨钢等也可以进行好的切削。公开号为CN205888724U的中国专利文献公开了一种机床刀具冷却设备，包括：至少一个输入端用于连接空压机的涡流管，所述涡流管冷气输出端连接有用于将冷空气吹向加工刀具表面的冷气管，所述冷气管输出端设置于机床上，该装置不会污染机床，无腐蚀隐患，结构简单，便于维护。涡流管风冷却切削技术采用低温冷风对切削区进行冷却和排屑属于一种准干式切削技术，具有减小刀具磨损，提高刀具寿命，降低加工成本，无化学污染等优点，因此对涡流管风冷却切削技术的研究具有重要的理论意义和实用价值。

因此，现有技术和发明报道对于解决含能材料机械加工中的问题仍存在以下不足：1)喷雾冷却装置复杂，雾化切削液单一，喷射雾化温度难于调节；2)冷却润滑系统集成度较低，刀具与喷雾冷却装置分离，系统可靠性低；3)涡流冷却技术仅限于冷气引流使用，并未考虑温度区间控制问题。因此，立足含能材料现有成熟加工技术，设计研发一套安全可靠、简易实用的低温冷却微量润滑加工刀具系统对解决生产中的实际问题十分必要。

发明内容

针对上述的诸多问题，本发明提出了适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，能显著改善生产工艺条件，增强PBX含能材料加工过程的安全防控能力。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，包括金刚石刀片，所述金刚石刀片的基体中心具有标准压紧定位孔，所述定位孔内安装有压紧螺钉，所述压紧螺钉将金刚石刀片装配至刀头上，所述刀头内部设置冷气流及切削液的交叉通道，通道交汇处通过密封螺钉密封形成切削液雾化腔，所述刀头端部设置有螺纹与涡流管的冷气端连接，所述涡流管通过管接头与外部压缩气源连通，所述夹具座内部设置切削液导热及流量调节通道，切削液导管连通刀头管道和储液瓶。

进一步的方案为，所述金刚石刀片由单晶金刚石片和标准基体刀片焊接组成，所述金刚石刀片刃口处在刀头切削液雾化腔出口的喷射范围之内。

进一步的方案为，所述冷气流从涡流管的冷气出口端经由刀头端部节流孔向金刚石刀片的刃口喷射，切削液导管中的液体在高速气流负压作用下经由刀头侧孔进入两通道的交汇腔，所述通道交汇腔可通过松、紧顶部的密封螺钉调整腔体大小。

进一步的方案为，所述刀头端部设置有螺纹与涡流管的冷气端进行密封连接，其内部还设置有冷气流节流通道，所述节流通道孔径在1mm至2mm之间。

进一步的方案为，所述涡流管包括：涡流发生器、热气端导管、消音器及其他标准附件，所述涡流发生器侧壁上安装有标准管接头，所述热气端导管的末端安装有消音器，所述涡流管可利用热气端导管与夹具座的配合安装在机床刀塔上。

进一步的方案为，所述夹具座侧面开设柔性变形通孔，与热气端导管间隙配合，采用夹紧侧边开口槽的方式将刀具整体安装在机床刀塔上。

进一步的方案为，所述夹具座正面开设有盲孔，该盲孔与储液瓶通过密封螺纹连接，所述夹具座另一侧面开设密封螺钉孔并与正面盲孔相贯交叉，所述密封螺钉孔延伸至柔性变形孔附近。

进一步的方案为，所述夹具座内部设置切削液导热及流量调节通道，利用紧定螺钉的旋入深度来控制升温切削液的流量。

进一步的方案为，所述切削液存于储液瓶中，通过切削液导管连通至刀头侧孔，借助冷端节流通道负压自动吸入雾化管道腔。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的一体式涡流冷却刀具，完成加工过程的减磨降温控制和微量高效润滑技术的实际应用，具有提升含能材料机械加工本质化安全水平和此类产品表面加工质量的显著特征。该装置具有结构简单，使用方便，装夹可靠，效用明显，成本低廉，易与各类机床集成和拆卸等优点。

(2)本发明创新性地利用涡流管冷热气的分流效应，通过合理的结构设计与切削液传热控制，能够便捷地实现切削液雾化冷却与喷射温度调节的功用，可以有效控制各类含能材料的切削温度在所需范围之内。一方面保证了含能部件机械加工安全性降温要求；另一方面也解决了因过度降温、产品热胀冷缩，加工形稳性降低的问题，可显著提高产品质量一致性。

(3)本发明立足含能材料现有成熟机械加工工艺，与目前通用加工设备配合使用，引入微量润滑和温度控制切削加工方式对满足PBX复合炸药零件的表面优质加工十分有益，同时对产品切削发热、放电和冲击失稳等问题具有有效的抑制作用，为实现此类工件的安全、绿色、优质加工提供了新方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具的总体结构示意图。

图2为图1的主视图及刀头局部剖视图，示出冷却刀头结构。

图3为图1的俯视图及控温结构剖视图，示出冷却液控温调节及其流量调节方式。

如图所示，其中对应的附图标记名称为：

1金刚石刀片，11压紧螺钉，2刀头，21密封螺钉，3涡流管，31涡流发生器，32热气端导管，33消音器，4夹具座，41紧定螺钉，5储液瓶，6切削液导管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1-3所示，本发明的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，包括金刚石刀片1，所述金刚石刀片1的基体中心具有标准压紧定位孔，所述定位孔内安装有压紧螺钉11，所述压紧螺钉11将金刚石刀片1装配至刀头2上，所述刀头2内部设置冷气流及切削液的交叉通道，通道交汇处通过密封螺钉21密封形成切削液雾化腔，所述刀头2端部设置有螺纹与涡流管3的冷气端连接，所述涡流管3通过管接头与外部压缩气源连通，所述夹具座4内部设置切削液导热及流量调节通道，切削液导管6连通刀头2管道和储液瓶5，依靠冷气端的节流负压自动吸取切削液并进行雾化喷射。

本实施例中，所述金刚石刀片1由单晶金刚石片和标准基体刀片焊接组成，其刀具刃口部位具有高导热的性能，所述基体刀片中心的定位孔内安装有压紧螺钉可将金刚石刀片装配至刀头上，所述金刚石刀片1刃口处在刀头2切削液雾化腔出口的喷射范围之内。所述刀头内部设置冷气流及切削液的交叉通道，冷气流从涡流管的冷气出口端经由刀头端部节流孔向金刚石刀片的刃口喷射，切削液导管中的液体在高速气流负压作用下经由刀头侧孔(孔径小于0.8mm)进入两通道的交汇腔，所述通道交汇腔可通过松、紧顶部的密封螺钉调整腔体大小(腔体孔径大于侧孔径3至6倍)，进而调节不同的切削液雾化程度以及冷却控温效果。所述冷气流从涡流管3的冷气出口端经由刀头端部节流孔向金刚石刀片1的刃口喷射，切削液导管6中的液体在高速气流负压作用下经由刀头2侧孔进入两通道的交汇腔，所述通道交汇腔可通过松、紧顶部的密封螺钉21调整腔体大小。

本实施例中，所述刀头2端部设置有螺纹与涡流管3的冷气端进行密封连接，其内部还设置有冷气流节流通道以提升冷气流速，所述节流通道孔径在1mm至2mm之间，既可加速冷气流又不至冷气倒逆而影响涡流管的分流效能。

本实施例中，所述涡流管3包括：涡流发生器31、热气端导管32、消音器33及其他标准附件，所述涡流发生器31侧壁上安装有标准管接头，可用于与外部干燥的压缩气源相连通，气压一般不应低于6.9的大气压，所述热气端导管32的末端安装有消音器33，通过旋转消音器端部螺母可实现热气流流量控制以调节涡流冷却效果，所述涡流管3可利用热气端导管32与夹具座4的配合安装在机床刀塔上。

本实施例中，所述夹具座4侧面开设柔性变形通孔，与热气端导管间隙配合，基于涡流效应实现冷热气分流后，对热气端导管热量的循环与调控使用，通过特定机床夹具的接口设计，采用夹紧侧边开口槽的方式将刀具整体安装在机床刀塔上。

本实施例中，所述夹具座4正面开设有盲孔，该盲孔与储液瓶5通过密封螺纹连接，所述夹具座4另一侧面开设密封螺钉孔并与正面盲孔相贯交叉，所述密封螺钉孔延伸至柔性变形孔附近，以便将热气端导管的热量传递给切削液。

本实施例中，所述夹具座4内部设置切削液导热及流量调节通道，利用紧定螺钉41的旋入深度来控制升温切削液的流量，实现一定程度上对雾化切削液温度的调节。所述切削液具有较好的流散性，适用于含能材料加工使用，所述切削液存于储液瓶5中，通过切削液导管6连通至刀头2侧孔，借助冷端节流通道负压自动吸入雾化管道腔。

具体的，如图1-3所示，本发明基于涡流效应的制冷原理，将冷却刀具与涡流管进行集成设计一种适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，，包括金刚石刀片1，所述金刚石刀片1的基体中心具有标准压紧定位孔，所述定位孔内安装有压紧螺钉11，所述压紧螺钉11将金刚石刀片1装配至刀头2上，所述刀头2内部设置冷气流及切削液的交叉通道，通道交汇处通过密封螺钉21密封形成切削液雾化腔，所述刀头2端部设置有螺纹与涡流管3的冷气端连接，所述涡流管3通过管接头与外部压缩气源连通，所述夹具座4内部设置切削液导热及流量调节通道，切削液导管6连通刀头2管道和储液瓶5，依靠冷气端的节流负压自动吸取切削液并进行雾化喷射。

为了确保本发明的最终使用性能和冷却系统可靠性，对其关键功能结构和重要参数进行合理设计，本实施例中优选的实施方式为，所述金刚石刀片1由单晶金刚石片和标准基体刀片焊接组成，其刀具刃口部位具有高导热的性能，所述基体刀片中心的定位孔内安装有压紧螺钉11可将金刚石刀片1装配至刀头2上，且刀具刃口处在刀头2切削液雾化腔出口的喷射范围之内。所述刀头2内部设置冷气流及切削液的交叉通道，冷气流从涡流管3的冷气出口端经由刀头端部节流孔向金刚石刀片1的刃口喷射，切削液导管6中的液体在高速气流负压作用下经由刀头2侧孔(孔径小于0.8mm)进入两通道的交汇腔，所述通道交汇腔可通过松、紧顶部的密封螺钉21调整腔体大小(腔体孔径大于侧孔径3至6倍)，进而调节不同的切削液雾化冷却效果。所述刀头2端部设置有螺纹可与涡流管3的冷气端进行密封连接，其内部还设置有冷气流节流通道以提升冷气流速，产生雾化腔内所需动压力，所述节流通道孔径在1mm至2mm之间，既可加速冷气流又不至冷气倒逆而影响涡流管3的分流效能。所述涡流管3包括：涡流发生器31、热气端导管32、消音器33及其他标准附件，所述涡流发生器31侧壁上安装有标准管接头，可用于与外部干燥的压缩气源相连通，气压一般不应低于6.9的大气压，所述热气端导管32的末端安装有消音器33，通过旋转消音器33端部螺母可实现热气流流量控制以调节涡流冷却效果，所述涡流管3可利用热气端导管32与夹具座4的配合便捷地安装置机床刀塔上。所述夹具座4侧面开设柔性变形通孔，可与热气端导管间隙配合，采用夹紧侧边开口槽的方式即可实现刀具整体在机床刀塔上的安装，夹紧前可先对刀具整体进行打表调平。所述夹具座4正面开设盲孔，该盲孔与储液瓶5通过密封螺纹连接，所述夹具座4另一侧面开设密封螺钉孔并与正面盲孔相贯交叉，所述密封螺钉孔延伸至柔性变形孔附近，以便将热气端导管32的热量传递给切削液。所述夹具座4内部设置切削液导热及流量调节通道，利用紧定螺钉41的旋入深度来控制升温切削液的流量，实现一定程度上对雾化切削液温度的调节。所述切削液具有较好的流散性，适用于含能材料加工使用，该专用切削液存于储液瓶5中，通过切削液导管6连通至刀头2侧孔，借助冷端节流通道负压自动吸入雾化管道腔。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，包括金刚石刀片（1），所述金刚石刀片（1）的基体中心具有标准压紧定位孔，所述定位孔内安装有压紧螺钉（11），所述压紧螺钉（11）将金刚石刀片（1）装配至刀头（2）上，所述刀头（2）内部设置冷气流及切削液的交叉通道，通道交汇处通过密封螺钉（21）密封形成切削液雾化腔，所述刀头（2）端部设置有螺纹与涡流管（3）的冷气端连接，所述涡流管（3）通过管接头与外部压缩气源连通，所述涡流管（3）包括：涡流发生器（31）、热气端导管（32）、消音器（33）及其他标准附件，所述涡流发生器（31）侧壁上安装有标准管接头，所述热气端导管（32）的末端安装有消音器（33），所述涡流管（3）可利用热气端导管（32）与夹具座（4）的配合安装在机床刀塔上；所述夹具座（4）内部设置切削液导热及流量调节通道，切削液导管（6）连通刀头（2）管道和储液瓶（5）；所述冷气流从涡流管（3）的冷气出口端经由刀头端部节流孔向金刚石刀片（1）的刃口喷射，切削液导管（6）中的液体在高速气流负压作用下经由刀头（2）侧孔进入两通道的交汇腔，所述交汇腔可通过松、紧顶部的密封螺钉（21）调整腔体大小。

2.如权利要求1所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述金刚石刀片（1）由单晶金刚石片和标准基体刀片焊接组成，所述金刚石刀片（1）刃口处在刀头（2）切削液雾化腔出口的喷射范围之内。

3.如权利要求1所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述刀头（2）端部设置有螺纹与涡流管（3）的冷气端进行密封连接，其内部还设置有冷气流节流通道，所述节流通道孔径在1mm至2mm之间。

4.如权利要求1所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述夹具座（4）侧面开设柔性变形通孔，与热气端导管间隙配合，采用夹紧侧边开口槽的方式将刀具整体安装在机床刀塔上。

5.如权利要求4所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述夹具座（4）正面开设有盲孔，该盲孔与储液瓶（5）通过密封螺纹连接，所述夹具座（4）另一侧面开设密封螺钉孔并与正面盲孔相贯交叉，所述密封螺钉孔延伸至柔性变形通孔附近。

6.如权利要求1所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述夹具座（4）内部设置切削液导热及流量调节通道，利用紧定螺钉（41）的旋入深度来控制升温切削液的流量。

7.如权利要求1所述的适于含能材料机械加工的一体式涡流冷却刀具，其特征在于，所述切削液存于储液瓶（5）中，通过切削液导管（6）连通至刀头（2）侧孔，借助冷端节流通道负压自动吸入雾化管道腔。