CN113290421B - 一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置及系统，局部低温隔温装置包括隔温挡板、外壳、隔热风琴防护罩和隔温垫；隔温挡板上设置有用于穿过主轴箱的通孔，隔热风琴防护罩用于密封通孔与主轴箱之间形成的空隙；外壳设置在隔温挡板远离静压主轴的一侧，所述外壳、隔温挡板、隔热风琴防护罩与静压导轨的滑台之间形成封闭的加工区域，外壳上设置有用于向加工区域内通入低温惰性气体的进气管；隔温垫设置在静压主轴和真空吸盘之间、刀架座和静压导轨的滑台之间；所述隔温挡板、外壳、隔热风琴防护罩和隔温垫均采用隔温材料制成。本发明解决了现有技术无法对常温下材质软、燃点低和化学活性高的铈镧合金进行超精密切削加工的问题。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置及系统。
背景技术
在超精密物理实验等基础理论与实验研究中，铈镧合金因其特殊的物理、化学性能成为重要的模拟材料。超精密物理实验的深入开展对铈镧合金的加工精度提出了更高的要求：一是高表面精度，即对铈镧合金表面全频段误差，例如表面粗糙度、面形精度等提出了极高的要求；二是近无表/亚表面损伤，即要求铈镧合金加工表面无划痕、烧伤导致的表/亚表面损伤；三是高洁净度，即要求铈镧合金加工表面无杂质，避免由于氧化腐蚀引入的新杂质。
铈镧合金经常采用单点金刚石切削(SPDT)方法进行切削，SPDT具有高加工精度、近无表面损伤等优势，在国防及民用尖端产品(如超精密物理实验，超精密仪器仪表零部件等)中得到广泛应用。在铈镧合金的SPDT实验研究中发现，铈镧合金具有以下三种特性导致难以实现超精密加工：(1)常温下材质软；(2)燃点低(65-80℃自燃)；(3)化学活性高(易氧化腐蚀)。在其SPDT加工过程中，难以实现稳定切削，并伴随起火、氧化现象，最终影响其表面加工精度、产生表面烧伤，并引入新的杂质，甚至导致整个工件报废，难以满足超精密物理实验对铈镧合金高表面精度、近无表/亚表面损伤、高洁净度的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置及系统，解决现有技术无法对常温下材质软、燃点低和化学活性高的铈镧合金进行超精密切削加工的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，包括隔温挡板、外壳、隔热风琴防护罩和隔温垫；
所述隔温挡板上设置有用于穿过主轴箱的通孔，所述隔热风琴防护罩用于密封通孔与主轴箱之间形成的空隙；
所述外壳设置在隔温挡板远离静压主轴的一侧，所述外壳、隔温挡板、隔热风琴防护罩与静压导轨的滑台之间形成封闭的加工区域，该加工区域内设置有真空吸盘和刀架座，所述外壳上设置有进气管，所述进气管用于向加工区域内通入-20℃左右的低温惰性气体；
所述隔温垫设置有两块，其中一块设置在静压主轴和真空吸盘之间，另一块设置在刀架座和静压导轨的滑台之间，仅将刀具与铈镧合金工件限制在低温环境中；
所述隔温挡板与外壳采用金属表层与隔温材料夹层制成；隔热风琴防护罩和隔温垫均采用隔温材料制成。
本发明的构思在于：
铈镧合金在常温下具有材质软、燃点低和易氧化腐蚀的特性，对于铈镧合金材质软，通过降低温度来降低原子激活能，减少原子活跃程度，进而减少位错等塑性载流子的滑移运动能力来提升表面硬度；同时低温再加上惰性气体的共同作用也可以解决铈镧合金因燃点低导致的切削起火损伤问题，从降低温度和将铈镧合金与氧气隔离开两个方面，防止铈镧合金切削起火现象的发生；针对铈镧合金易氧化腐蚀的问题，通入加工区域的惰性低温气体将加工中的铈镧合金包围，可以防止铈镧合金氧化。
上述通过降低温度来降低原子激活能，减少原子活跃程度，进而降低原子位错滑移能量，实现铈镧合金低温硬化的理论是申请人通过实验研究发现：
将铈镧合金至于液氮环境中冷却静置30s，取出后测试铈镧合金在8.6℃、-4.5℃、-24.2℃下的里式硬度值分别为188HL、312HL、455HL。-24.2℃下铈镧合金表面硬度是8.6℃下表面硬度的2.4倍，显著提升了铈镧合金表面硬度，验证了低温硬化铈镧合金的可行性。
同时，要想实现铈镧合金超精密金刚石车削，不仅要保证铈镧合金加工区域局部低温，还需要做到隔温，降低低温区域对于整机运动精度的影响。超精密机床一般工作在20℃恒温环境下，环境温度对于机床的加工精度影响很大，温度波动会影响运动轴的重复定位及定位精度，进而影响切削加工质量，因此对于超精密机床来说整机温度需要恒温控制。本发明的外壳、隔温挡板、风琴隔板与静压导轨的滑台之间形成封闭的加工区域，并且隔温挡板、外壳、风琴隔板和隔温垫均采用隔温材料制成，能够将加工区域与机床隔开，避免加工区域的低温影响机床的加工精度。
综上，本发明针对铈镧合金材质软、燃点低、易氧化的材料特性，以及需要实现高表面精度、近无表面损伤以及高洁净度的加工需求，设计了铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，实现受限区域低温辅助下铈镧合金超精密切削，为满足超精密物理实验对铈镧合金的超精密加工要求提供有益探索。
进一步地，隔温挡板为倒立的U形结构，所述U形结构的两个端部固定在静压导轨的滑台上，所述U形结构的两个侧壁与主轴箱之间具有空隙，所述隔热风琴防护罩设置在主轴箱两侧的空隙处。
进一步地，外壳上设置有可开合的前活动门和后活动门，所述前活动门和后活动门均采用金属表层与隔温材料夹层制成。
前活动门和后活动门加工时闭合，在不加工时打开方便装卸工件或刀具。
进一步地，前活动门和后活动门与外壳采用相同材料制成。
进一步地，外壳上设置有观察窗，所述观察窗采用透明隔热纳米材料制成，用于让操作人员观察铈镧合金加工状态，防止发生事故。
进一步地，还包括与加工区域连通的切屑回收仓，所述切屑回收仓用于收集铈镧合金加工后的切屑，因铈镧合金材质软，燃点低，有必要对其切屑回收妥善处理，防止发生安全意外。
进一步地，加工区域内设置有温度传感器，所述进气管上设置有电磁阀，所述温度传感器、电磁阀均与控制器电连接。
温度传感器、电磁阀均与控制器均为现有硬件设备，且相互之间的信号传输和控制过程也是现有技术，本发明的构思在于将现有技术用于实现封闭的加工区域内的温度控制，具体控制过程如下：
所述温度传感器用于实时监测加工区域内的温度，并将温度信号传递给控制器，控制器根据接收到的温度信号控制电磁阀的卡度控制进气量，通过控制进气量来控制加工区域处于稳定的低温环境，低温使得铈镧合金表面硬度提升，便于超精密切削并且防止由于燃点低引起的切削起火现象，并且低温惰性气体包围加工中的铈镧合金，防止铈镧合金发生氧化等问题。
进一步地，隔温材料为纳米气凝胶。
包括上述局部低温隔温装置的加工系统，还包括机床床身、静压导轨、静压主轴、真空吸盘、刀架座和刀架；
所述静压导轨安装在机床床身上，所述局部低温隔温装置、主轴箱均安装在静压导轨的滑台上，所述静压主轴置于主轴箱内，所述静压主轴的一端置于加工区域内且设置有用于吸附铈镧合金的真空吸盘；
所述刀架座安装在加工区域内，所述刀架安装在刀架座上，所述刀架用于安装刀具。
机床床身是整个机床的基础支承件，用来放置静压导轨、主轴箱等重要部件，其热稳定性非常重要，热稳定强的床身可以降低热变形对加工精度的影响；静压导轨，静压主轴是机床的关键部件，都采用静压支承方式，静压支承是指通过液/气源向支承内部供给具有一定压力的流体，流体通过节流器后充满压力腔，并流入底面与支承平面之间，形成压力薄膜，从而实现承载和润滑作用的一种非接触式支承方式，具有运动平稳和运行精度高的优点，环境温度变化对机床精度的影响尤为显著，包括环境温度变化在内的热因素引起的加工误差占总加工误差的40％-70％，温度对静压支承的影响非常大，要想达到铈镧合金近无表面损伤、高表面质量的加工需求，需对温度控制，因此设计受限区域低温辅助加工装置，在加工区域低温辅助加工，并采用隔温材料将低温加工区域与机床隔离开，降低低温对整机加工精度的影响。
本发明采用隔温材料将加工区域与机床隔离开，既能满足加工区域的低温，又能减弱低温对于机床加工精度的影响。
上述局部低温隔温装置或加工系统在铈镧合金切削加工中的应用，不仅限于SPDT单点金刚石切削加工方法，也可用于其他方式，如飞切加工、铣削加工。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明能够将加工区域与机床采用隔温材料隔离开来，降低加工区域对机床加工精度的影响，同时向加工区域内通入低温惰性气体，实现对材质软、燃点低、易氧化的铈镧合金的超精密切削。
2、本发明通过将低温惰性气体通入加工区域内，低温惰性气体包围加工中的铈镧合金，防止铈镧合金发生氧化；低温也可以降低原子激活能，减少原子活跃程度，进而减少位错等塑性载流子的滑移运动能力来提升表面硬度，通过低温惰性气体冷却降温，提高铈镧合金表面硬度，解决铈镧合金因材质软而导致的超精密加工难题；同时低温与低温惰性气体的共同作用，低温惰性气体使得温度降低，并且包围加工中的铈镧合金，从温度和隔绝氧气两个方面防止切削起火损伤现象的发生。
3、本发明采用隔温材料将加工区域与机床隔离开，保证铈镧合金低温辅助切削的同时，减弱低温对于机床加工精度的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为局部低温隔温装置的结构示意图；
图2为受限加工区域的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-机床床身，2-静压导轨，3-静压主轴，4-隔热风琴防护罩，5-隔温挡板，6-进气管，7-前活动门，8-观察窗，9-后活动门，10-切屑回收仓，11-刀架座，12-刀架，13-真空吸盘，14-隔温垫。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-图2所示，一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，包括隔温挡板5、外壳、隔热风琴防护罩4和隔温垫14；
所述隔温挡板5上设置有用于穿过主轴箱的通孔，所述隔热风琴防护罩4用于密封通孔与主轴箱之间形成的空隙，所述隔温挡板5将加工区域与静压主轴3和静压导轨2分隔开；
所述外壳设置在隔温挡板5远离静压主轴3的一侧，所述外壳、隔温挡板5、隔热风琴防护罩4与静压导轨2的滑台之间形成封闭的加工区域，该加工区域内设置有真空吸盘13和刀架座11，所述外壳上设置有进气管6，所述进气管6用于向加工区域内通入低温惰性气体，隔热风琴防护罩4既能起到隔温的作用，又不影响静压主轴3以及静压导轨2的移动；
所述隔温垫14设置有两块，其中一块设置在静压主轴3和真空吸盘13之间，另一块设置在刀架座11和静压导轨2的滑台之间；
所述隔温挡板5和外壳均采用金属表层与隔温材料夹层制成；隔热风琴防护罩4和隔温垫14均采用隔温材料制成。
在本实施例中，所述隔温挡板5为倒立的U形结构，所述U形结构的两个端部固定在静压导轨2的滑台上，所述U形结构的两个侧壁与主轴箱之间具有空隙，所述隔热风琴防护罩4设置在主轴箱两侧的空隙处。
在本实施例中，所述外壳上设置有可开合的前活动门7和后活动门9，所述前活动门7和后活动门9与外壳采用相同材料制成，均采用金属表层与隔温材料夹层制成，前活动门7与后活动门9组成一个可开合的低温加工区域，由隔温材料制作而成，加工时闭合，在不加工时打开方便装卸工件或刀具。
在本实施例中，所述隔温材料为纳米气凝胶。
在本实施例中，为了更好的控制加工区域的温度，所述加工区域内设置有温度传感器，所述进气管6上设置有电磁阀，所述温度传感器、电磁阀均与控制器电连接，所述温度传感器用于实时监测加工区域内的温度，并将温度信号传递给控制，控制器根据接收到的温度信号控制电磁阀的卡度控制进气量，通过控制进气量来控制加工区域处于稳定的低温环境，低温惰性气体包围加工中的铈镧合金，防止铈镧合金发生氧化等问题。
在本实施例中，将低温的加工区域与静压主轴3和静压导轨2分隔开；通过进气管6通入低温惰性气体，受限区域内部设置温度传感器，通过控制进气量来控制加工区域处于稳定的低温环境，低温惰性气体包围加工中的铈镧合金，防止铈镧合金发生氧化，同时，低温加上低温惰性气体的共同作用也可以防止切削起火的现象，低温又可以降低原子激活能，减少原子活跃程度，进而减少位错等塑性载流子的滑移运动能力来提升表面硬度，解决了铈镧合金因材质软而导致的超精密加工难题。
实施例2：
如图1-图2所示，本实施例基于实施例1，所述外壳上设置有观察窗8，所述观察窗8采用透明隔热纳米材料制成；还包括与加工区域连通的切屑回收仓10，所述切屑回收仓10用于收集铈镧合金加工后的切屑，具体地，在待加工铈镧合金下方设置有导向槽，所述导向槽用于接收切屑并将切屑引导至切屑回收仓10内。
实施例3：
如图1-图2所示，一种加工系统，包括实施例1或实施例2所述的局部低温隔温装置，还包括机床床身1、静压导轨2、静压主轴3、真空吸盘13、刀架座11和刀架12；
所述静压导轨2安装在机床床身1上，所述局部低温隔温装置、主轴箱均安装在静压导轨2的滑台上，所述静压主轴3置于主轴箱内，所述静压主轴3的一端置于加工区域内且设置有用于吸附铈镧合金的真空吸盘13；
所述刀架座11安装在加工区域内，所述刀架12安装在刀架座11上，所述刀架12用于安装刀具。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，包括隔温挡板（5）、外壳、隔热风琴防护罩（4）和隔温垫（14）；
所述隔温挡板（5）上设置有用于穿过主轴箱的通孔，所述隔热风琴防护罩（4）用于密封通孔与主轴箱之间形成的空隙；
所述外壳设置在隔温挡板（5）远离静压主轴（3）的一侧，所述外壳、隔温挡板（5）、隔热风琴防护罩（4）与静压导轨（2）的滑台之间形成封闭的加工区域，该加工区域内设置有真空吸盘（13）和刀架座（11），所述外壳上设置有进气管（6），所述进气管（6）用于向加工区域内通入低温惰性气体；所述低温惰性气体的温度为-20℃；
所述隔温垫（14）设置有两块，其中一块设置在静压主轴（3）和真空吸盘（13）之间，另一块设置在刀架座（11）和静压导轨（2）的滑台之间；
所述隔温挡板（5）和外壳均采用金属表层与隔温材料夹层制成；隔热风琴防护罩（4）和隔温垫（14）均采用隔温材料制成；
所述隔温挡板（5）为倒立的U形结构，所述U形结构的两个端部固定在静压导轨（2）的滑台上，所述U形结构的两个侧壁与主轴箱之间具有空隙，所述隔热风琴防护罩（4）设置在主轴箱两侧的空隙处；
所述外壳上设置有可开合的前活动门（7）和后活动门（9），所述前活动门（7）和后活动门（9）均采用金属表层与隔温材料夹层制成。
2.根据权利要求1所述的一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，所述前活动门（7）和后活动门（9）与外壳采用相同材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，所述外壳上设置有观察窗（8），所述观察窗（8）采用透明隔热纳米材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，还包括与加工区域连通的切屑回收仓（10），所述切屑回收仓（10）用于收集铈镧合金加工后的切屑。
5.根据权利要求1所述的一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，所述加工区域内设置有温度传感器，所述进气管（6）上设置有电磁阀，所述温度传感器、电磁阀均与控制器电连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于铈镧合金超精密加工的局部低温隔温装置，其特征在于，所述隔温材料为纳米气凝胶。
7.包括如权利要求1-6任一项所述的局部低温隔温装置的加工系统，其特征在于，还包括机床床身（1）、静压导轨（2）、静压主轴（3）、真空吸盘（13）、刀架座（11）和刀架（12）；
所述静压导轨（2）安装在机床床身（1）上，所述局部低温隔温装置、主轴箱均安装在静压导轨（2）的滑台上，所述静压主轴（3）置于主轴箱内，所述静压主轴（3）的一端置于加工区域内且设置有用于吸附铈镧合金的真空吸盘（13）；
所述刀架座（11）安装在加工区域内，所述刀架（12）安装在刀架座（11）上，所述刀架（12）用于安装刀具。
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