CN110026811A - 一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统 - Google Patents

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Abstract

一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统属于调节系统技术领域，尤其涉及一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统。本发明提供一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统。本发明包括钻铣床仓内部湿度测试仪、钻铣床仓内部氮气浓度监测仪、钻铣床仓内部干燥器、控制器、排风扇、直排控制阀，流速控制阀和除尘机构，其结构要点湿度测试仪的报警信号输出端口与湿度报警器的报警信号输入端口相连，氮气浓度监测仪的报警信号输出端口与氮气浓度报警器的报警信号输入端口相连。

Description

一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统
技术领域
本发明属于调节系统技术领域，尤其涉及一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统。
背景技术
随着现代制造业的不断发展，利用数控机床精密加工难加工材料、复杂结构零件已很普遍，精密加工技术的重要性日益凸显。数控机床作为制造业的重要装备，也面临了新时代的机遇和挑战。提高数控机床加工精度稳定性、加工效率，减少刀具磨损是提高数控机床产品质量、增强市场竞争力的关键所在。利用低温下材料物理化学性质，通过深冷低温切削可改变材料切削性能，液氮切削液的应用可以达到难加工材料精密切削、延长刀具寿命的目的。
对于液氮内喷数控机床来说，液氮供液方式是将切削液系统与机床主轴合为一体，将液氮输送绝热管贯通中空主轴内腔与中空拉钉相连通，拉钉再与中空刀具刀杆相连，液氮由刀具切削刃附近细孔喷出。虽然切削液系统与主轴的合并，使得复杂结构工件内腔液氮低温精密切削成为可能。但保温效果对系统的可靠运行效果有很大的影响，不可避免有绝热效果差的部位出现导热现象，致使主轴部件降温，出现结冰、结霜现象，影响主轴正常工作及刀具的装夹操作，降低了加工精度和生产效率。同时，工作中由切削刃附近细孔喷出的液氮气化后增加了机床防护仓的氮气浓度，超出了人类呼吸空气中氮气的浓度，对机床操作者人身安全具有较大危害，甚至造成严重后果。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提供一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括钻铣床仓内部湿度测试仪、钻铣床仓内部氮气浓度监测仪、钻铣床仓内部干燥器、控制器、排风扇、直排控制阀，流速控制阀和除尘机构，其结构要点湿度测试仪的报警信号输出端口与湿度报警器的报警信号输入端口相连，氮气浓度监测仪的报警信号输出端口与氮气浓度报警器的报警信号输入端口相连；
过滤阀设置在钻铣床仓顶部，过滤阀入口端与钻铣床仓内部连通，过滤阀的出口端通过管道与排风扇的入口端相连，排风扇的出口端通过管道与直排控制阀的入口端相连，直排控制阀的出口端通过管道与流速控制阀的入口端相连，流速控制阀的出口端通过管道与除尘机构的入口端相连；
控制器的检测信号输入端口分别与湿度测试仪的检测信号输出端口、氮气浓度监测仪的检测信号输出端口相连，控制器的控制信号输出端口分别与干燥器的控制信号输入端口、直排控制阀的控制信号输入端口、流速控制阀的控制信号输入端口、除尘机构的控制信号输入端口、过滤阀的控制信号输入端口相连。
作为一种优选方案，本发明所述湿度测试仪采用HKT60P型湿度测试仪。
作为另一种优选方案，本发明所述湿度测试仪由按键模块、LED湿度显示器、单片机和湿度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED湿度显示器、湿度传感器相连，湿度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
作为另一种优选方案，本发明所述氮气浓度检测仪采用MOT500-N2型氮气浓度检测仪。
作为另一种优选方案，本发明所述氮气浓度检测仪由按键模块、LED氮气浓度显示器、单片机和氮气浓度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED氮气浓度显示器、浓度传感器相连，氮气浓度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
作为另一种优选方案，本发明所述排风扇的出口端与直排控制阀的入口端之间的管道、直排控制阀的出口端与流速控制阀的入口端之间的管道、流速控制阀的出口端与除尘机构的入口端之间的管道采用波纹管；过滤阀的出口端与排风扇的入口端之间的管道采用软管。
作为另一种优选方案，本发明所述除尘机构包括下部箱体和上部箱体，下部箱体一侧为与流速控制阀的出口端相连的除尘机构的入口端，下部箱体下端为漏斗状排渣口，排渣口处设置有回转阀；
上部箱体下端设置有与下部箱体内部连通的通孔，通孔处设置有向下延伸进入下部箱体内部的过滤网柱；
上部箱体内设置有横向喷吹管，喷吹管一端穿出上部箱体并连接有脉冲阀，脉冲阀置于上部箱体靠近除尘机构的入口端侧，上部箱体远离除尘机构的入口端侧具有向外上倾斜的净气出口管；
喷吹管的下端具进入口，进入口的位置与过滤网柱上端相对应，脉冲阀的检测信号输出端口与控制器的检测信号输入端口相连。
作为另一种优选方案，本发明所述下部箱体内相应于除尘机构的入口端的设置有导流板，导流板包括上部竖板和下部向内下弯折的折板，上部竖板的下端低于除尘机构的入口端的下端；气流从除尘机构的入口端进入，通过导流板向下导流，再向上通过过滤网柱。
其次，本发明所述上部箱体上端设置有净气室；净气室与上部箱体用螺栓连接，净气室下端具有向下延伸的凸台，凸台插入上部箱体顶部开口，凸台下端中部开口处安装栅格，净气室内设置有活性炭粉包；凸台外壁与上部箱体顶部开口侧壁之间设置有密封圈。
另外，本发明所述净气出口管内下端的上部箱体内壁上设置有向内上倾斜的导向板，净气室置于导向板后侧。
本发明有益效果。
本发明通过监控机床加工区湿度和液氮浓度，实现深冷低温切削机床正常运转和安全操作。
本发明可降低数控机床加工仓内空气湿度，控制氮气浓度，防止操作人员氮气中毒。
本发明干燥器和排风扇可降低钻铣床仓内水汽含量，减少结霜，保证低温液氮内喷主轴精确工作。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1—装置结构示意图，其中：湿度测试仪1.1，报警器1.2，干燥器1.3，过滤阀1.4，排风扇1.5，直排控制阀1.6，流速控制阀1.7，波纹管1.8，控制器1.9，电缆1.10，氮气浓度测试仪2.1，报警器2.2，回转阀3.1，过滤网柱3.2，净气出口管3.3，净气室3.4，喷吹管3.5，脉冲阀3.6，除尘机构的入口3.7，下箱体3.8。
图2—净气室与下箱体连接附图。
图3—阀门控制电路图（图中MCU为控制器）。
图4—本发明使用状态图。
图5—本发明钻铣床相关部件结构示意图。
图6—本发明铣削刀具结构示意图。
图4、5、6中，1-杜瓦罐，2-液氮输送软管，3-低温电磁阀，4-低温流量调节阀，5-低温软管接头，6-主轴，7-外转内冷刀柄，8-中空铣削刀具，9-工件，10-温度热电偶，11-数据传输线缆，12-数据采集卡，13-处理器，14-刀片，15-液氮，16-孔加工后铣削刀具位置。
具体实施方式
如图所示，本发明包括钻铣床仓内部湿度测试仪、钻铣床仓内部氮气浓度监测仪、钻铣床仓内部干燥器、控制器、排风扇、直排控制阀，流速控制阀和除尘机构，湿度测试仪的报警信号输出端口与湿度报警器的报警信号输入端口相连，氮气浓度监测仪的报警信号输出端口与氮气浓度报警器的报警信号输入端口相连；
过滤阀设置在钻铣床仓顶部，过滤阀入口端与钻铣床仓内部连通，过滤阀的出口端通过管道与排风扇的入口端相连，排风扇的出口端通过管道与直排控制阀的入口端相连，直排控制阀的出口端通过管道与流速控制阀的入口端相连，流速控制阀的出口端通过管道与除尘机构的入口端相连；
控制器的检测信号输入端口分别与湿度测试仪的检测信号输出端口、氮气浓度监测仪的检测信号输出端口相连，控制器的控制信号输出端口分别与干燥器的控制信号输入端口、直排控制阀的控制信号输入端口、流速控制阀的控制信号输入端口、除尘机构的控制信号输入端口、过滤阀的控制信号输入端口相连。
所述湿度测试仪采用HKT60P型湿度测试仪。
所述湿度测试仪由按键模块、LED湿度显示器、单片机和湿度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED湿度显示器、湿度传感器相连，湿度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
所述氮气浓度检测仪采用MOT500-N2型氮气浓度检测仪。
所述氮气浓度检测仪由按键模块、LED氮气浓度显示器、单片机和氮气浓度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED氮气浓度显示器、浓度传感器相连，氮气浓度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
所述排风扇的出口端与直排控制阀的入口端之间的管道、直排控制阀的出口端与流速控制阀的入口端之间的管道、流速控制阀的出口端与除尘机构的入口端之间的管道采用波纹管；过滤阀的出口端与排风扇的入口端之间的管道采用软管。
所述除尘机构包括下部箱体3.8和上部箱体，下部箱体3.8一侧为与流速控制阀的出口端相连的除尘机构的入口端，下部箱体3.8下端为漏斗状排渣口，排渣口处设置有回转阀3.1；
上部箱体下端设置有与下部箱体3.8内部连通的通孔，通孔处设置有向下延伸进入下部箱体3.8内部的过滤网柱（底面为网面）；
上部箱体内设置有横向喷吹管3.5，喷吹管3.5一端穿出上部箱体并连接有脉冲阀3.6，脉冲阀3.6置于上部箱体靠近除尘机构的入口端侧，上部箱体远离除尘机构的入口端侧具有向外上倾斜的净气出口管3.3；
喷吹管3.5的下端具进入口，进入口的位置与过滤网柱上端相对应，脉冲阀3.6的检测信号输出端口与控制器的检测信号输入端口相连。
所述下部箱体3.8内相应于除尘机构的入口端的设置有导流板，导流板包括上部竖板和下部向内下弯折的折板，上部竖板的下端低于除尘机构的入口端的下端；气流从除尘机构的入口端进入，通过导流板向下导流，再向上通过过滤网柱。
所述上部箱体上端设置有净气室3.4；净气室3.4与上部箱体用螺栓连接，净气室3.4下端具有向下延伸的凸台，凸台插入上部箱体顶部开口，凸台下端中部开口处安装栅格，净气室内设置有活性炭粉包；凸台外壁与上部箱体顶部开口侧壁之间设置有密封圈。
所述净气出口管3.3内下端的上部箱体内壁上设置有向内上倾斜的导向板，净气室置于导向板后侧。导向板将气流导向后侧与净气室内活性炭粉包接触后在流出上部箱体。
干燥器可采用大功率电阻丝的电动干燥器，电动干燥器可安装于钻铣床工作台固定面上。
控制器接收湿度测试仪的湿度信号，当湿度超过设定值时，启动干燥器。
控制器接收氮气浓度监测仪的氮气浓度信号，当氮气浓度超过设定值时，启动排风扇。
所述脉冲阀3.6使气体连续流动信号变为脉冲信号，反馈给控制器，监测出口压力。
含尘气流由除尘机构的入口端3.7进入下部箱体3.8,经过过滤网柱3.2进入上部箱体，最终从净气出口管3.3排出，如图1所示，下箱体3.8和上箱体中箭头指向为气流走向。
钻铣床仓内部空气湿度检测，若大于设定值（超低温冷却加工中不同材料设定值不同，对于金属材料，湿度设定值要小于10%，对于复合材料湿度设定值范围为3%~7%），警报器警报，开启烘干器加热，并开动风扇将多余气体抽离，直至空气湿度达到要求后，烘干器及排风扇停止工作；
钻铣床仓内部液氮浓度检测，若大于设定值，警报器警报，并开动排风扇将多余氮气抽离，直到氮气浓度达到要求后，排风扇停止工作。
所述钻铣床包括外传内冷刀柄7、液氮容器、电磁阀和流量调节阀，外传内冷刀柄7（可采用中国专利CN201410228633.8公开的刀柄装置）上安装有铣削刀具，液氮容器、电磁阀、流量调节阀、外传内冷刀柄7冷却液进口依次相连，铣削刀具内设置有液氮通道，液氮通道上端与冷却液进口连通，液氮通道下端与铣削刀具下部的液氮喷口连通。
本发明通过液氮近距离降低切削区温度，可实现高质高效深冷铣削。
本发明液氮从液氮喷口喷出可对铣孔排屑，提高液氮利用率。
所述液氮喷口与刀刃的间距小于等于1mm。
所述液氮喷口设置在铣削刀具的中部，液氮喷口的喷出方向为外下方。
本发明通过控制液氮流量来控制切削区瞬间温度。
所述液氮通道的直径为0.5mm～1mm。
所述外传内冷刀柄7装夹于机床主轴锥孔中。
刀具绕孔轴线公转转速可设置为20-60 r/min，刀具自转转速（主轴转速）可设置为1000-8000 r/min，进给量可设置为0.01-0.05mm/r。
所述液氮容器与电磁阀之间通过绝热软管相连。
所述流量调节阀与外传内冷刀柄7冷却液进口之间设置有软管接头。
所述软管接头采用G3/8锥孔接头。
所述液氮容器采用杜瓦罐，电磁阀采用低温电磁阀，流量调节阀采用低温流量调节阀，软管接头采用低温软管接头。
所述流量调节阀的控制信号输入端口与处理器的控制信号输出端口相连，处理器的检测信号输入端口通过数据采集卡与检测刀具液氮喷口温度的温度热电偶的检测信号输出端口相连。
所述温度热电偶固定于外转内冷刀柄7上，温度热电偶的触点置于铣削刀具8近液氮喷口位置。
所述温度热电偶10采集的液氮喷口温度K 2经数据传输线缆11传输到数据采集卡12，再将该数据传输到处理器13；处理器中设置液氮温度流量数据库，流量范围从1L/h——35L/h,温度范围为-190℃--0℃；设定液氮喷口温度参考值K 1（对于TC4钛合金材料，K 1取145摄氏度。对于芳纶纤维材料，K 1取180摄氏度。对于石英纤维材料，K 1取165摄氏度。）同时测量铣削刀具8液氮喷口温度K 2，并反馈给处理器，经公式∆K=|K 1-K 2|判断喷口温度误差，当∆K≥5℃，处理器控制流量调节阀4调节液氮流量，若K 2大于K 1，调大流量，若K 2小于K 1，调小流量，经5秒中的后，再次测量刀具8液氮喷口温度K 2，重复上述调节过程，直到∆K≤5℃。
本发明钻铣床可应用于石英纤维复合材料的铣孔，将石英纤维复合材料切成规则矩形方块，利用强风将工件表面清理干净，并将工件按照定位规则定位装夹于数控机床工作台上。
本发明阀门接头表面可设置陶瓷层，提高保温性。
所述铣削刀具的切削速度为100m/min，进给量0.07mm/r,切削深度分别为1.5mm（对于TC4钛合金材料）、1.2mm（对于芳纶纤维材料）、1.2mm（对于石英纤维材料）。
如图6所示，低温液氮1经液氮喷口喷射到铣削刀具的刀片3和工件4接触点，对工件4表面进行短时预冷，待液氮喷口温度达到预设低温后启动机床进给系统，实现铣刀尖直径的超低温冷却铣孔工作。
若想完成铣削大径深孔工作，首先须完成铣削浅底孔工作，并根据图6所示，通过设置机床主轴运动路径，铣削刀具2铣削扫略到工件4的任意孔加工后中空刀杆5的位置，可实现不同孔径圆孔及不规则孔的超低温铣削扩孔工作；通过再次孔深方向进给并重复扩孔操作，可实现深孔铣削制孔工作。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，包括钻铣床仓内部湿度测试仪、钻铣床仓内部氮气浓度监测仪、钻铣床仓内部干燥器、控制器、排风扇、直排控制阀，流速控制阀和除尘机构，其特征在于湿度测试仪的报警信号输出端口与湿度报警器的报警信号输入端口相连，氮气浓度监测仪的报警信号输出端口与氮气浓度报警器的报警信号输入端口相连；
过滤阀设置在钻铣床仓顶部，过滤阀入口端与钻铣床仓内部连通，过滤阀的出口端通过管道与排风扇的入口端相连，排风扇的出口端通过管道与直排控制阀的入口端相连，直排控制阀的出口端通过管道与流速控制阀的入口端相连，流速控制阀的出口端通过管道与除尘机构的入口端相连；
控制器的检测信号输入端口分别与湿度测试仪的检测信号输出端口、氮气浓度监测仪的检测信号输出端口相连，控制器的控制信号输出端口分别与干燥器的控制信号输入端口、直排控制阀的控制信号输入端口、流速控制阀的控制信号输入端口、除尘机构的控制信号输入端口、过滤阀的控制信号输入端口相连。
2.根据权利要求1所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述湿度测试仪由按键模块、LED湿度显示器、单片机和湿度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED湿度显示器、湿度传感器相连，湿度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
3.根据权利要求1所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述氮气浓度检测仪由按键模块、LED氮气浓度显示器、单片机和氮气浓度传感器构成，单片机分别与按键模块、LED氮气浓度显示器、浓度传感器相连，氮气浓度传感器安装于钻铣床主轴箱上。
4.根据权利要求1所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述排风扇的出口端与直排控制阀的入口端之间的管道、直排控制阀的出口端与流速控制阀的入口端之间的管道、流速控制阀的出口端与除尘机构的入口端之间的管道采用波纹管；过滤阀的出口端与排风扇的入口端之间的管道采用软管。
5.根据权利要求1所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述除尘机构包括下部箱体和上部箱体，下部箱体一侧为与流速控制阀的出口端相连的除尘机构的入口端，下部箱体下端为漏斗状排渣口，排渣口处设置有回转阀；
上部箱体下端设置有与下部箱体内部连通的通孔，通孔处设置有向下延伸进入下部箱体内部的过滤网柱；
上部箱体内设置有横向喷吹管，喷吹管一端穿出上部箱体并连接有脉冲阀，脉冲阀置于上部箱体靠近除尘机构的入口端侧，上部箱体远离除尘机构的入口端侧具有向外上倾斜的净气出口管；
喷吹管的下端具进入口，进入口的位置与过滤网柱上端相对应，脉冲阀的检测信号输出端口与控制器的检测信号输入端口相连。
6.根据权利要求5所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述下部箱体内相应于除尘机构的入口端的设置有导流板，导流板包括上部竖板和下部向内下弯折的折板，上部竖板的下端低于除尘机构的入口端的下端；气流从除尘机构的入口端进入，通过导流板向下导流，再向上通过过滤网柱。
7.根据权利要求5所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述上部箱体上端设置有净气室；净气室与上部箱体用螺栓连接，净气室下端具有向下延伸的凸台，凸台插入上部箱体顶部开口，凸台下端中部开口处安装栅格，净气室内设置有活性炭粉包；凸台外壁与上部箱体顶部开口侧壁之间设置有密封圈。
8.根据权利要求5所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述净气出口管内下端的上部箱体内壁上设置有向内上倾斜的导向板，净气室置于导向板后侧。
9.根据权利要求1所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述钻铣床包括外传内冷刀柄7、液氮容器、电磁阀和流量调节阀，外传内冷刀柄7上安装有铣削刀具，液氮容器、电磁阀、流量调节阀、外传内冷刀柄7冷却液进口依次相连，铣削刀具内设置有液氮通道，液氮通道上端与冷却液进口连通，液氮通道下端与铣削刀具下部的液氮喷口连通。
10.根据权利要求9所述一种液氮内喷式数控钻铣床气体调节系统，其特征在于所述流量调节阀的控制信号输入端口与处理器的控制信号输出端口相连，处理器的检测信号输入端口通过数据采集卡与检测刀具液氮喷口温度的温度热电偶的检测信号输出端口相连。
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