CN110561162B - 一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，属于数控机床技术领域。该刀柄主要由中空刀柄主体、高性能隔热结构、双向密封结构组成，起到了引导超低温介质从主轴内流至刀具内冷通道的作用，并实现了超低温隔热与动密封功能。刀柄内高性能隔热结构采用低导热、小线膨胀系数材料，遏止超低温介质对刀柄和主轴的低温影响，同时保证了刀柄内部结构的尺寸精度和配合精度。刀柄内双向密封结构采用耐超低温的密封圈，阻止超低温介质朝主轴方向与刀具方向泄漏，保证了介质传输的稳定性；高性能隔热与双向密封结构，使得加工时刀柄自身精度的一致性得到保障。刀柄与主轴锁紧采用法兰连接方式，锁紧效果牢固、可靠。

Description

一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄。

背景技术

近年来研究发现，在提升难加工材料加工能力方面，以液氮为冷却介质的超低温加工具有不俗的效果，尤其是刀具中内喷式冷却方式，将超低温介质通过主轴-刀柄-刀具的中空通道引导至刀尖处，对切削点实施直接冷却，冷却效能与介质利用率极高。因此，超低温介质内喷式冷却加工相关装备的研制迫在眉睫。

刀柄作为机床的重要附件，是超低温介质内喷式加工机床实施超低温冷却加工的关键环节。例如，液氮由主轴内部进入刀柄后，在刀柄内腔通道作强制流动，由于液氮温度极低（＜-170℃），必然会引起刀柄乃至主轴材料收缩甚至冻结，导致结构变形、配合失效、润滑失效、转动失效等问题；刀柄的尺寸精度对保证加工精度至关重要，是以刀柄低温变形后会造成机床加工精度的丧失；刀柄内液氮传输通道存在分离面，故除隔热外还应解决密封问题，共同保证液氮传输的稳定性。鉴于常规BT、HSK内冷刀柄不具备超低温隔热与密封能力，且在刀柄内部仅加工一个中空通道显然不够，因此亟需研制一种超低温介质内喷式主轴适配的中空刀柄。但是，刀柄内部空间狭小，针对液氮的隔热与密封难度极大，此外由于无法使用正常的拉钉结构，还需寻找一种合理的刀柄与主轴锁紧方式。上述问题对液氮传输刀柄的超低温隔热、密封能力和锁紧结构等提出了很高的要求。

目前，国内外机构针对液氮等超低温冷却介质，研制与开发了多种中空刀柄装置。2014年，大连理工大学在发明专利201410228633.8中公开了“一种液氮内喷式刀柄装置”，该装置通过表面材料绝热改性处理和耐超低温密封圈实现液氮的隔热与密封功能，但该刀柄的液氮内喷式功能独立于主轴之外，需与外置液氮供给传输系统直连，无法实现与超低温介质内喷式主轴的配套使用。2017年，大连理工大学在发明专利201710111738.9中公开了“一种超低温介质主轴直连传输式中空刀柄”，该刀柄属于超低温介质内喷式主轴的配套附件，采用高性能隔热部件和多层次密封结构，实现液氮从主轴到刀柄传输时的隔热与密封，但是该刀柄隔热结构复杂，低温环境下安装精度难以保持，且刀柄锥体内孔与拉钉之间凭借螺纹锁紧的方式不可靠

发明内容

本发明针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，起到了引导超低温介质从主轴内流至刀具内冷通道的作用，并实现了超低温隔热与动密封功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，该刀柄包括中空刀柄主体、高性能隔热结构和双向密封结构；中空刀柄主体具有中空结构，为超低温介质传输提供通道；中空刀柄主体的中空结构中设置高性能隔热结构，遏止超低温温度场向刀柄与主轴的扩散；中空刀柄主体内设计双向密封结构，防止超低温介质朝主轴方向与刀具方向泄漏；高性能隔热结构和双向密封结构简单高效，同时高性能隔热结构选用小线膨胀系数材料，以保证装配精度；刀柄与主轴锁紧采用法兰连接方式，锁紧效果牢固、可靠；

所述的中空刀柄主体为刀柄本体1.1，其末端的外锥面1.i是与主轴2.1连接的定位面，前端外圆上的外螺纹面1.c用于安装锁定螺母1.9，起夹紧刀具的作用，前端的内锥面1.h用于安装弹簧夹头1.8，上述三个面是机床刀柄的主要工作面；所述的中空刀柄主体提供超低温介质传输通道，以及高性能隔热结构和双向密封结构所需的安装空间和定位面，在刀柄本体1.1内部加工出内腔底面1.a、内腔面1.j、内孔1.n、退刀槽1.m和内螺纹1.b，其中内螺纹1.b与内锥面1.h相接，退刀槽1.m位于内螺纹1.b与内腔面1.j之间；内腔面1.j是一个圆柱面，位于外锥面1.i的内部；内腔底面1.a是内腔面1.j的垂直底面，位于刀柄本体1.1的末端方向；内孔1.n位于外锥面1.i的最细端，主轴2.1内部的芯轴2.3从此伸入刀柄本体1.1内部传输超低温介质；刀柄本体1.1上的水平法兰面上有四个法兰光孔1.7，起与主轴2.1连接紧固的作用，水平法兰面位于外锥面1.i与外螺纹面1.c之间；

所述的高性能隔热结构依次包括隔热套1.3、压紧套1.4和锁紧套1.6，其中隔热套1.3位于内腔面1.j内，是隔绝超低温介质与刀柄本体1.1传热的主要结构；压紧套1.4安装在内螺纹1.b上，为隔热套1.3提供压紧力，并为外密封圈1.5提供安装沟槽；锁紧套1.6同样安装在内螺纹1.b上，用于压紧外密封圈1.5并锁紧压紧套1.4；

所述的双向密封结构包括耐超低温的内密封圈1.2和外密封圈1.5，位于刀柄本体1.1内，防止超低温介质朝主轴和刀具方向泄漏，形成超低温介质的双向密封；

刀柄装配时，首先将内密封圈1.2的密封侧朝外顺着内腔面1.j推入刀柄本体1.1内，并保证内密封圈1.2另一侧与内腔底面1.a接触贴合；将隔热套1.3以过盈方式顺着内腔面1.j装入刀柄本体1.1内，直至抵住内密封圈1.2，并保持隔热套1.3上刀具定位面1.g朝外；然后采用工装卡住压紧套1.4上的两个辅助孔一1.d，将压紧套1.4顺着内螺纹1.b拧入直至抵住隔热套1.3；最后将外密封圈1.5的密封侧朝内安装在压紧套1.4的槽内，并用工装卡住两个辅助孔二1.e使锁紧套1.6顺着内螺纹1.b拧入，压紧外密封圈1.5；此时，内密封圈1.2、隔热套1.3、压紧套1.4、外密封圈1.5依次被压紧，同时压紧套1.4与锁紧套1.6共同实现锁紧功能，刀柄装配完成；

刀具安装时，首先将弹簧夹头1.8装入锁定螺母1.9中，保证端面1.k重合，然后将带有弹簧夹头1.8的锁定螺母1.9沿外螺纹面1.c轻轻拧在刀柄本体1.1上；其次将内冷刀具2.4插入弹簧夹头1.8中，直至末端抵住隔热套1.3的刀具定位面1.g，其中内冷刀具2.4外表面与外密封圈1.5的内表面过盈；最后采用扳手将锁定螺母1.9拧紧，刀具安装完成；

加工时，将已装配且安装有刀具的刀柄本体1.1的外锥面1.i安装至主轴2.1的锥孔内，此时芯轴2.3已穿过内孔1.n插入刀柄本体1.1内且与内密封圈1.2形成过盈配合，芯轴端面2.a与隔热套内端面1.f保留一定间隙；将四个螺栓1.10依次通过四个法兰光孔1.7，拧入四个主轴螺纹孔2.2中，并采用力矩扳手以一定数值拧紧，使刀柄本体1.1的外锥面1.i与主轴2.1的锥面紧密配合，完成刀柄安装定位；开启超低温介质输送系统，液氮依次通过芯轴内腔通道3.1、刀柄内腔通道3.2和刀具内冷通道3.3，喷射至两个刀片2.5的刀尖处，即可开始加工。

本发明的有益效果是中空刀柄作为超低温介质内喷式主轴适配的专用附件，实现了超低温介质的内部传输功能；刀柄中空内腔的高性能隔热套，采用低导热、小线膨胀系数材料，不仅有效阻止了超低温介质对刀柄和主轴的低温影响，还限制了外界温度引起的超低温介质气化，同时也保证了刀柄内部结构的尺寸精度和配合精度；双向密封结构防止了超低温介质向内流向主轴，以及向外从刀柄缝隙中逸出，防止超低温冷源扩散的同时保证了介质传输的稳定性；高性能隔热与双向密封结构，使得加工时刀柄自身精度的一致性得到保障；法兰连接锁紧方式操作简单，安全可靠。

附图说明

图1为刀柄本体1.1的结构示意图；

图2为刀柄装配示意图；

图3为刀柄与主轴安装连接示意图；

图4为刀柄锥面温度测量示意图；

图5为刀柄锥面温度测量结果曲线。

图中：1.1-刀柄本体；1.2-内密封圈；1.3-隔热套；1.4-压紧套；1.5-外密封圈；1.6-锁紧套；1.7-法兰光孔；1.8-弹簧夹头；1.9-锁定螺母；1.10-螺栓；1.a-内腔底面；1.b-内螺纹；1.c-外螺纹面；1.d-辅助孔一；1.e-辅助孔二；1.f-隔热套内端面；1.g-刀具定位面；1.h-内锥面；1.i-外锥面；1.j-内腔面；1.k-端面；1.m-退刀槽；1.n-内孔；2.1-主轴；2.2-主轴螺纹孔；2.3-芯轴；2.4-内冷刀具；2.5-刀片；2.a-芯轴端面；3.1-芯轴内腔通道；3.2-刀柄内腔通道；3.3-刀具内冷通道；4.1-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

本实施例中，超低温介质为液氮，隔热套1.3、压紧套1.4和锁紧套1.6的材料均为某型号改性聚酰亚胺，导热系数小于0.15W/(m•K)，其中隔热套1.3的单侧壁厚为8mm；内密封圈1.2和外密封圈1.5采用唇形密封方式，材料为渗碳聚四氟乙烯，工作温度范围为-200～260℃，最大可承受压力为3MPa；刀柄本体1.1为BT40标准，7:24锥度精度为AT3，硬度大于HRC55；弹簧夹头1.8规格为ER32，内径为Φ13～14；芯轴2.3为真空绝热结构；内冷刀具2.4外径为14mm；温度传感器4.1测量范围为-200～100℃。

刀柄装配与安装过程如下：如附图1、2、3所示，第一步，保持内密封圈1.2的密封侧和隔热套1.3的刀具定位面1.g朝外，依次将内密封圈1.2和隔热套1.3以过盈方式顺着内腔面1.j推入刀柄本体1.1内，直至内密封圈1.2抵住内腔底面1.a，隔热套1.3抵住内密封圈1.2；采用工装卡住压紧套1.4上的两个辅助孔一1.d，将压紧套1.4顺着内螺纹1.b拧入直至抵住隔热套1.3；将外密封圈1.5的密封侧朝内安装在压紧套1.4的槽内；采用工装卡住两个辅助孔二1.e将锁紧套1.6顺着内螺纹1.b拧入，压紧外密封圈1.5；

第二步，将弹簧夹头1.8装入锁定螺母1.9中，保证端面1.k重合，然后将带有弹簧夹头1.8的锁定螺母1.9沿外螺纹面1.c轻轻拧在刀柄本体1.1上；将内冷刀具2.4插入弹簧夹头1.8中，直至末端抵住隔热套1.3的刀具定位面1.g，内冷刀具2.4外表面与外密封圈1.5的内表面过盈配合；采用扳手将锁定螺母1.9拧紧；

第三步，将安装有刀具的刀柄本体1.1的外锥面1.i安装至主轴2.1的锥孔内，此时芯轴2.3穿过内孔1.n插入刀柄本体1.1内且与内密封圈1.2形成过盈配合，芯轴端面2.a与隔热套内端面1.f保留约1mm间隙；将四个螺栓1.10依次穿过四个法兰光孔1.7，拧入四个主轴螺纹孔2.2中，采用力矩扳手以10N•m的力矩拧紧，使刀柄本体1.1的外锥面1.i与主轴2.1的锥面紧密配合；

第四步，开启液氮输送系统，液氮依次通过芯轴内腔通道3.1、刀柄内腔通道3.2和刀具内冷通道3.3，喷射至两个刀片2.5的刀尖处，即可开始加工；每隔5min停止加工并将刀柄拆下，采用温度传感器4.1测量外锥面1.i的温度，测量过程如图4所示，测量结果如图5所示，最终刀柄表面温度约为8℃，未见结霜。

本发明有效地通过隔热与密封结构，消除了超低温介质对刀柄的低温影响，保证了刀柄精度和液氮传输的稳定性；该刀柄完成了超低温介质内喷式主轴与内冷刀具的连接，助力超低温加工专用机床实现超低温介质内喷式冷却加工；刀柄整体结构简单，集成性好，安全可靠。

Claims (5)

1.一种超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，其特征在于，该刀柄包括中空刀柄主体、高性能隔热结构和双向密封结构；中空刀柄主体具有中空结构，为超低温介质传输提供通道；中空刀柄主体的中空结构中设置高性能隔热结构，遏止超低温温度场向刀柄与主轴的扩散；中空刀柄主体内设计双向密封结构，防止超低温介质朝主轴方向与刀具方向泄漏；

所述的中空刀柄主体为刀柄本体（1.1），其末端的外锥面（1.i）是与主轴（2.1）连接的定位面，前端外圆上的外螺纹面（1.c）用于安装锁定螺母（1.9），起夹紧刀具的作用，前端的内锥面（1.h）用于安装弹簧夹头（1.8），上述三个面是机床刀柄的主要工作面；所述的中空刀柄主体提供超低温介质传输通道，以及高性能隔热结构和双向密封结构所需的安装空间和定位面，在刀柄本体（1.1）内部加工出内腔底面（1.a）、内腔面（1.j）、内孔（1.n）、退刀槽（1.m）和内螺纹（1.b），其中内螺纹（1.b）与内锥面（1.h）相接，退刀槽（1.m）位于内螺纹（1.b）与内腔面（1.j）之间；内腔面（1.j）是一个圆柱面，位于外锥面（1.i）的内部；内腔底面（1.a）是内腔面（1.j）的垂直底面，位于刀柄本体（1.1）的末端方向；内孔（1.n）位于外锥面（1.i）的最细端，主轴（2.1）内部的芯轴（2.3）从此伸入刀柄本体（1.1）内部传输超低温介质；刀柄本体（1.1）上的水平法兰面上有四个法兰光孔（1.7），起与主轴（2.1）连接紧固的作用，水平法兰面位于外锥面（1.i）与外螺纹面（1.c）之间；

所述的高性能隔热结构依次包括隔热套（1.3）、压紧套（1.4）和锁紧套（1.6），其中隔热套（1.3）位于内腔面（1.j）内，是隔绝超低温介质与刀柄本体（1.1）传热的主要结构；压紧套（1.4）安装在内螺纹（1.b）上，为隔热套（1.3）提供压紧力，并为外密封圈（1.5）提供安装沟槽；锁紧套（1.6）同样安装在内螺纹（1.b）上，用于压紧外密封圈（1.5）并锁紧压紧套（1.4）；

所述的双向密封结构包括耐超低温的内密封圈（1.2）和外密封圈（1.5），位于刀柄本体（1.1）内，防止超低温介质朝主轴和刀具方向泄漏，形成超低温介质的双向密封；

刀柄装配时，首先将内密封圈（1.2）的密封侧朝外顺着内腔面（1.j）推入刀柄本体（1.1）内，并保证内密封圈（1.2）另一侧与内腔底面（1.a）接触贴合；将隔热套（1.3）以过盈方式顺着内腔面（1.j）装入刀柄本体（1.1）内，直至抵住内密封圈（1.2），并保持隔热套（1.3）上刀具定位面（1.g）朝外；然后采用工装卡住压紧套（1.4）上的两个辅助孔一（1.d），将压紧套（1.4）顺着内螺纹（1.b）拧入直至抵住隔热套（1.3）；最后将外密封圈（1.5）的密封侧朝内安装在压紧套（1.4）的槽内，并用工装卡住两个辅助孔二（1.e）使锁紧套（1.6）顺着内螺纹（1.b）拧入，压紧外密封圈（1.5）；此时，内密封圈（1.2）、隔热套（1.3）、压紧套（1.4）、外密封圈（1.5）依次被压紧，同时压紧套（1.4）与锁紧套（1.6）共同实现锁紧功能，刀柄装配完成；

刀具安装时，首先将弹簧夹头（1.8）装入锁定螺母（1.9）中，保证端面（1.k）重合，然后将带有弹簧夹头（1.8）的锁定螺母（1.9）沿外螺纹面（1.c）轻轻拧在刀柄本体（1.1）上；其次将内冷刀具（2.4）插入弹簧夹头（1.8）中，直至末端抵住隔热套（1.3）的刀具定位面（1.g），其中内冷刀具（2.4）外表面与外密封圈（1.5）的内表面过盈；最后采用扳手将锁定螺母（1.9）拧紧，刀具安装完成；

加工时，将已装配且安装有刀具的刀柄本体（1.1）的外锥面（1.i）安装至主轴（2.1）的锥孔内，此时芯轴（2.3）已穿过内孔（1.n）插入刀柄本体（1.1）内且与内密封圈（1.2）形成过盈配合，芯轴端面（2.a）与隔热套内端面（1.f）保留一定间隙；将四个螺栓（1.10）依次通过四个法兰光孔（1.7），拧入四个主轴螺纹孔（2.2）中，并采用力矩扳手以一定数值拧紧，使刀柄本体（1.1）的外锥面（1.i）与主轴（2.1）的锥面紧密配合，完成刀柄安装定位；开启超低温介质输送系统，液氮依次通过芯轴内腔通道（3.1）、刀柄内腔通道（3.2）和刀具内冷通道（3.3），喷射至两个刀片（2.5）的刀尖处，即可开始加工。

2.根据权利要求1所述的超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，其特征在于，所述的隔热套（1.3）、压紧套（1.4）和锁紧套（1.6）的材料为低导热、小线膨胀系数材料。

3.根据权利要求1或2所述的超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，其特征在于，所述的内密封圈（1.2）和外密封圈（1.5）使用耐超低温的材料。

4.根据权利要求1或2所述的超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，其特征在于，所述的刀柄本体（1.1）和主轴（2.1）采用法兰连接锁紧方式。

5.根据权利要求3所述的超低温介质内喷式主轴适配的刀柄，其特征在于，所述的刀柄本体（1.1）和主轴（2.1）采用法兰连接锁紧方式。

Images