CN110058621B - 一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法，该方法先构建切削工艺参数与液氮喷射量关系模型，并将其置于超低温加工液氮喷射在线控制器中，控制器基于采集的机床数控加工系统切削工艺参数，可调控液氮供给装置中控计算机输入的材料特性、刀具参数、最佳切削温度和散热比例系数，通过调用关系模型和参数数据库，确定预期的液氮喷射量。与此同时，控制器通过固定在内喷式切削刀具中的热电偶，在线采集切削区温度来反馈调节实际液氮喷射量在一定范围内变化，使切削区处于最佳切削温度区间，保证零件加工质量，提高刀具使用寿命。该方法根据切削加工的发热情况在线控制液氮喷射量的大小，优化迭代时间短，能快速实现切削区温度的“精准”控制。

Description

一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法

技术领域

本发明属于低温加工技术领域，具体为一种用于超低温冷却加工过程实现液氮喷射量在线控制的方法。

背景技术

针对钛合金、高强度钢、复合材料、芳纶纤维等难加工材料，其切削过程会在切削区产生大量的切削热导致切削局部温度极高，影响零件的加工质量。为了降低切削局部温度，减少刀具磨损，抑制积屑瘤，获得更好的零件表面完整性，可以在加工局部喷射低温气体或液体，如液氮等，快速降低切削局部温度，实现难切削材料的高质高效加工。

近年来，液氮喷射超低温冷却加工方法被广泛采用和研究，然而，由于液氮温度极低，且与切削区接触后迅速汽化发生沸腾换热带走大量热量，导致工件切削局部发生“热-冷”瞬时复合而产生宏观变形，影响加工表面质量；而过低的刀具温度也会导致刀具崩韧，对加工造成不利影响。因此，必须根据切削局部的发热情况在线控制液氮喷射量的大小，实现“精准”冷却，确保切削区处于最佳切削温度区间内。

2017年，王永青等人在发明专利CN107388032A中公布了一种液氮射流状态稳定流量调控方法，基于该方法设计的可调控液氮供给装置可以稳定液氮射流状态，实现液氮流量的精确控制。然而该装置并未考虑如何根据加工需要来“精准”输出液氮流量。2012年，曾翔宇等在发明专利CN103707124B中公开了一种温度可控低温冷却装置，该装置采用液氮先冷却热传导构件，然后间接冷却被加工材料，基于温度传感器采集的工件温度，来控制液氮容器相对于传热构件的位移以及加热单元的制热功率，来控制整体的冷却温度。该方法需要借助传热构件传递热量，冷却速度慢，响应不及时，难以实现在线调控。2014年，段玉岗等人的发明专利CN104260143公开了一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置和方法，该专利通过在密封箱中输入氮气，并通过温度控制装置调节箱内温度稳定在-80℃～0℃再开展低温钻削加工。该方法仅实现了密封箱内环境温度的控制，无法直接控制切削区温度，且调控温度和区域的范围都较大，无法实现“精准”控制。2016年，贾振元等人的发明专利CN106054803A公开了一种复合材料的适温切削实时控制方法，该方法通过搭建复合材料的适温切削实时控制系统，利用雾化喷嘴将超低温气体喷射到切削区，然后通过安装在复合材料上的热电偶实时监测切削区温度来反馈调节雾化喷嘴与切削区的距离，使切削区温度在预期范围内。该方法利用超低温气体换热的实际冷却效率较低，且喷嘴与切削区距离的可调节范围有限，难以满足实际加工的调节需求，此外，该方法并未提及超低温气体喷射量的设定或调节控制问题。

发明内容

本发明旨在为现有超低温加工技术的自动化、产业化应用提供一种液氮喷射量在线控制方法，该方法克服了现有温度调控装置和方法未考虑加工情况导致调控不精准的问题。该方法通过构建超低温加工液氮喷射在线控制系统，基于切削工艺参数与液氮喷射量关系模型，在线采集机床数控加工系统的切削工艺参数和切削区温度，控制器计算输出液氮喷射量参数，在线控制液氮的精准喷射，实现切削区温度的控制，温度调控准、速度快。

本发明的技术方案：

一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法，该方法先构建切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型，并将其置于超低温加工液氮喷射在线控制器中，控制器在线采集机床数控加工系统的切削工艺参数，通过可调控液氮供给装置的中控计算机，将工件材料、刀具参数、预期切削温度等参数录入控制器；控制器通过调用模型数据库，确定液氮喷射参数初值；与此同时，控制器通过固定在内喷式刀具中的热电偶，在线采集切削区的实际温度来反馈调节实际液氮喷射量在一定范围内变化，并控制液氮的喷射，调节切削区处于最佳切削温度范围，提高刀具寿命，保证加工零件质量。

具体步骤如下：

第一步，建立切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型

刀具3在切削工件时，切削区单位时间内产生的热量q_c按如下公式计算：

式中，a_p是切削深度，f是进给量，v是切削速度，C、x、、y z是常系数；

当液氮经输气管5喷射到加工区的刀具和工件表面时，液氮在单位时间内通过表面换热带走的热量q_d按如下公式计算：

q_d＝h(T₀-T_LN2)＝KD^αQ^βH^γ(T₀-T_LN2) (2)

式中，h是表面换热系数，T₀是最佳切削温度，T_LN2是液氮温度，取-196℃，D是喷嘴直径，Q是液氮流量，H是喷嘴距刀尖距离，K、、α、βγ是常系数；

单位时间内，根据切削产热q_c与液氮喷射散热q_d相平衡的原理，得到切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型如下：

其中，R<1为一比例系数，因为切削过程中，切屑、车刀和工件都会带走一定比例的切削热；

第二步，搭建超低温加工液氮喷射在线控制系统

将建立的切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型和相匹配的数据库置入控制器8中；控制器8内嵌于可调控液氮供给装置6内部，分别与机床的数控系统1、可调控液氮供给装置的中控计算机9、温度检测模块7相连；可调控液氮供给装置6的出口连接真空绝热输气管道5一端，真空绝热输气管道5的另一端与内喷式刀具3连接，内喷式刀具3内临近切削区刀刃表面安装有热电偶4，热电偶4进一步与温度检测模块7连接；

第三步，启动可调控液氮供给装置6，对设备进行初始化，并输入工件和工具材料参数、内喷式刀具3的喷嘴直径D、喷嘴离刀尖的距离H、最佳切削温度T₀和比例系数初值R₀；

第四步，启动数控机床2，设定切削深度a_p、进给量f、切削速度v等切削工艺参数，对工件进行加工；与此同时，控制器8在线采集切削工艺参数，控制器8基于收到的工艺参数和可调控液氮供给装置的中控计算机9输入的信息，通过调用关系模型和数据库，计算输出液氮喷射量，并控制液氮喷射输出；

第五步，加工启动后，热电偶4在线监测内喷式刀具3临近切削区刀刃表面的温度T，并将温度T与设定的最佳切削温度T₀进行比较：当监测温度T₀-10≤T≤T₀+10时，则表明比例系数初值R₀设置合理，当监测温度T与T₀的差值大于10℃时，则需调整比例系数R，按如下公式计算：

重新计算液氮喷射量，并按新的喷射量控制液氮在线喷射，直到温度T与T₀的差值控制在10℃以内。

本发明的有益效果：(1)将热电偶置于内喷式刀具内，避免了液氮或超低温气体直接喷射到热电偶工作端而导致温度检测不准；采用热电偶在线监测切削区温度，形成反馈调节，调控速度快精度高；(2)内喷式刀具的使用保证了液氮喷射方向的准确性，液氮喷嘴与切削区位置参数的确定性；(3)液氮喷射量根据实际的加工参数计算输出，便于观察可调控范围的大小，可操作性强；(4)初值误差小精度高，优化迭代时间短，可以快速调节切削区处于最佳切削温度区间进入稳定加工状态，更适合于超低温加工的自动化和产业化应用。

附图说明

图1为超低温冷却加工液氮喷射在线控制系统图。

图2为超低温冷却加工液氮喷射在线控制系统的控制流程图。

图中：1机床的数控系统；2数控机床；3内喷式刀具；4热电偶；5真空绝热输气管道；6可调控液氮供给装置；7温度检测模块；8控制器；9可调控液氮供给装置的中控计算机。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，对本发明的具体实施方式进一步说明。

以钛合金(Ti-6Al-4V)的外圆车削为例，采用数控车床开展加工，切削工艺参数为切削深度a_p、进给量f、切削速度v等；内喷式车刀的材料选用硬质合金，刀具上喷嘴直径D＝3.0mm，喷嘴距离刀尖的距离H＝15mm。钛合金的最佳切削温度为T₀＝180℃。

第一步，建立切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型

硬质合金刀具车削钛合金时，单位时间内产生的热量q_c为：

当液氮经输气管5进入内喷式刀具(3)喷射到加工区时，液氮在单位时间内通过表面换热带走的热量q_d为：

q_d＝34630D^0.521Q^0.212H^-0.894(T₀+196) (6)

单位时间内，根据切削产热与液氮喷射带走的热量应相等，得到液氮喷射量的初值为：

式中，a_p为切削深度，f为进给量，v为切削速度，T₀为最佳切削温度，Q为液氮流量，D为喷嘴直径，H为喷嘴距离刀尖的距离，R为切削热比例系数；由于钛合金导热系数极低，钛合金的超低温加工的切削热主要由液氮带走，只有少量切削热会随切屑的分离而带走，设定比例系数初值R₀＝0.8。

第二步，搭建超低温加工液氮喷射在线控制系统

先将建立的切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型和相匹配的数据库置入控制器8中；控制器内嵌于可调控液氮供给装置6内部，分别与机床数控系统1、液氮供给装置的中控计算机9、温度检测模块7相连；可调控液氮供给装置6的出口连接真空绝热输气管道5的一端，真空绝热输气管道5的另一端与内喷式刀具3连接，与内喷式刀具3内临近切削区刀刃表面安装有热电偶4，热电偶4的另一端与温度检测模块7连接。

第三步，启动可调控液氮供给装置6，对设备进行初始化，并输入工件和工具材料参数，以便调用数据库的相关参数；输入内喷式刀具3的喷嘴直径D＝3、喷嘴离刀尖的距离H＝15、最佳切削温度T₀＝180和比例系数初值R₀＝0.8。

第四步，启动数控机床2，设定切削深度a_p、进给量f、切削速度v等切削工艺参数，对工件进行加工；与此同时，控制器8在线采集机床数控系统的切削工艺参数信息，控制器基于采集的工艺参数和可调控液氮供给装置的中控计算机9输入的信息，通过调用关系模型和数据库，计算输出液氮喷射量，并控制液氮喷射输出；

第五步，加工启动后，热电偶4在线监测内喷式刀具3临近切削区表面的温度T，并将温度T与设定的最佳切削温度T₀＝180℃进行比较：当监测温度T₀-10≤T≤T₀+10时，则表明比例系数初值R₀设置合理，当监测温度T与T₀的差值大于10℃时，则需调整比例系数R，按如下公式计算：

重新计算液氮喷射量，并按新的喷射量控制液氮在线喷射，直到温度T与T₀＝180℃的差值控制在10℃以内。

应该说明的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性阐述本发明的原理和流程，不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明精神和范围的情况下所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法，其特征在于，步骤如下：

第一步，建立切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型

刀具(3)在切削工件时，切削区单位时间内产生的热量q_c按如下公式计算：

式中，a_p是切削深度，f是进给量，v是切削速度，C、x、y、z是常系数；

当液氮经输气管(5)喷射到加工区的刀具和工件表面时，液氮在单位时间内通过表面换热带走的热量q_d按如下公式计算：

q_d＝h(T₀-T_LN2)＝KD^αQ^βH^γ(T₀-T_LN2) (2)

式中，h是表面换热系数，T₀是最佳切削温度，T_LN2是液氮温度，取-196℃，D是喷嘴直径，Q是液氮流量，H是喷嘴距刀尖距离，K、、α、βγ是常系数；

单位时间内，根据切削产热q_c与液氮喷射散热q_d相平衡的原理，得到切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型如下：

其中，R<1为一比例系数，因为切削过程中，切屑、车刀和工件都会带走一定比例的切削热；

第二步，搭建超低温加工液氮喷射在线控制系统

将建立的切削工艺参数与液氮喷射量的关系模型和相匹配的数据库置入控制器(8)中；控制器(8)内嵌于可调控液氮供给装置(6)内部，分别与机床的数控系统(1)、可调控液氮供给装置的中控计算机(9)、温度检测模块(7)相连；可调控液氮供给装置(6)的出口连接真空绝热输气管道(5)一端，真空绝热输气管道(5)的另一端与内喷式刀具(3)连接，内喷式刀具(3)内临近切削区刀刃表面安装有热电偶(4)，热电偶(4)进一步与温度检测模块(7)连接；

第三步，启动可调控液氮供给装置(6)，对设备进行初始化，并输入工件和工具材料参数、内喷式刀具(3)的喷嘴直径D、喷嘴离刀尖的距离H、最佳切削温度T₀和比例系数初值R₀；

第四步，启动数控机床(2)，设定切削深度a_p、进给量f、切削速度v，对工件进行加工；与此同时，控制器(8)在线采集切削工艺参数，控制器(8)基于收到的工艺参数和可调控液氮供给装置的中控计算机(9)输入的信息，通过调用关系模型和数据库，计算输出液氮喷射量，并控制液氮喷射输出；

第五步，加工启动后，热电偶(4)在线监测内喷式刀具(3)临近切削区刀刃表面的温度T，并将温度T与设定的最佳切削温度T₀进行比较：当监测温度T₀-10≤T≤T₀+10时，则表明比例系数初值R₀设置合理，当监测温度T与T₀的差值大于10℃时，则需调整比例系数R，按如下公式计算：

重新计算液氮喷射量，并按新的喷射量控制液氮在线喷射，直到温度T与T₀的差值控制在10℃以内。

Images