CN113319337B - 基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，包括工作台、主轴、主轴与动力系统连接，还包括：固定环：套在主轴外周，能够与主轴产生相对转动，设有介质流入口和介质流出口；刀具组件：与主轴连接，内部设有储存腔，储存腔与第一流道和第二流道一端连通，第一流道和第二流道另一端与主轴设置的通孔连通，还设有与储存腔连通的集热孔，集热孔为盲孔，并延伸至刀具组件的刀刃处；第一流道和第二流道被配置为：在固定环和主轴的相对转动下，第一流道与介质流入口连通的同时，第二流道与介质流出口连通、第二流道与介质流入口连通的同时，第一流道与介质流出口连通，本发明的加工系统改造成本低，能够实现冷却方式的智能切换。

Description

基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，具体涉及基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

现有的刀具做主运动的加工设备中，例如铣削加工装置等，为了从刀具和工件中带走热量，必须采用切削液对加工区域进行冷却处理。不正确的冷却方式可能会降低加工质量和刀具寿命。切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具、切屑和工件间的对流和汽化作用，把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的润滑作用是通过减小前刀面与切屑、后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。此外，切削液对加工区还起到清洗的作用，可以去除生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，使刀具的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。

目前加工中心机床所采用的冷却润滑方式有内冷的冷却润滑方式、外冷的冷却润滑方式。内冷的冷却润滑方式一般是切削液由切削液供给系统供给，经过切削液管道流入机床主轴的旋转接头，由旋转接头流入机床主轴的内冷管道，将切削液传输至刀具上的内冷管道，实现刀具在切削加工过程中的冷却润滑。内冷的冷却润滑方式能够满足铣削深度较大的孔、凹槽等加工工况的冷却润滑。但发明人发现，他的缺点在于只适用于特定加工工况下的切削加工，并且因为内冷系统为机床自带的系统，价格较为昂贵，在加工不需要内冷的工况时，会造成经济上的浪费。另外，采用内冷的冷却润滑方式对冷却液进行循环利用时，需要在刀具或刀柄上开设复杂的流道例如螺旋状流道，制造困难，流道设计不合理会影响道具强度甚至造成散热效率低，外冷的冷却润滑方式一般由切削液供给系统供给切削液，经过外冷管道流入外冷喷嘴，从外部对刀具—工件的加工区域进行冷却润滑。这种方式的冷却润滑能够很好的起到对加工区域进行冷却润滑作用，还能够起到排屑、清洗刀具的作用。发明人发现，该种冷却润滑方式相比于内冷的冷却润滑方式，他不能够满足铣削深度较大的孔、凹槽等加工工况的冷却润滑。

目前在实际加工过程中，对于可支持多种冷却方式的机床，操作人员经常需要根据自己的经验判断此时的加工工况需要何种冷却方式来进行方式切换，有较大的局限性，容易出现判断失误而导致切削区不能有效散热的情况，未能实现冷却方式智能切换，也浪费了较大的人力资源。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种刀具做主运动的加工装置，改造方便、制作成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，包括工作台、主轴、主轴与动力系统连接，还包括：

固定环：套在主轴外周，能够与主轴产生相对转动，固定环设有介质流入口和介质流出口；

刀具组件：与主轴连接，内部设有储存腔，储存腔与第一流道和第二流道一端连通，第一流道和第二流道另一端与主轴设置的通孔连通，刀具组件内部还设有与储存腔连通的集热孔，集热孔为盲孔，并延伸至刀具组件的刀刃处。

第一流道和第二流道被配置为：在固定环和主轴的相对转动下，第一流道与介质流入口连通的同时，第二流道与介质流出口连通、第二流道与介质流入口连通的同时，第一流道与介质流出口连通。

可选的，所述刀具组件包括固定连接的刀柄和刀具，刀具的直径小于刀柄的直径，所述储存腔开设在刀柄内部，第一流道和第二流道开设在刀柄内部，集热孔开设在刀具内部。

可选的，所述刀具组件包括固定连接的刀柄和刀具，所述刀具的直径大于刀柄的直径，所述储存腔开设在刀具内部，所述第一流道和第二流道均包括设置在刀柄内的主流道部及设置在刀具内的延伸流道部。

可选的，还包括密封法兰组件，所述密封法兰组件包括上法兰和下法兰，上法兰与固定环上端面密封配合，下法兰与固定环下端面密封配合，上法兰和下法兰通过传动键基体连接，所述传动键基体通过传动键与刀具组件连接。

可选的，所述固定环由第一固定环部和第二固定环部拼接构成，第一固定环部设有流入导流槽，流入导流槽与介质流入口连通，第二固定环部设有流出导流槽，流出导流槽与介质流出口连通。

可选的，第一固定环部和/或第二固定环部与主轴之间设有封堵条，用于将流入导流槽和流出导流槽进行隔离。

可选的，还包括切削液供给机构及冷却液供给机构，切削液供给机构通过切换阀组与设置在刀具组件外围的切削液喷嘴连接，冷却液供给机构通过切换组件与固定环的介质流入口连接，固定环的介质流出口与散热装置的进口连接，散热装置的出口与冷却液回收箱连接，切换阀组用于实现切削液供给机构及冷却液供给机构工作的切换。

可选的，还包括检测元件，用于检测刀具组件工作时的切削力，所述检测元件通过能够随刀具组件及主轴做同步转动的无线传输装置与控制系统连接，控制系统与切换组件连接，控制系统能够根据检测元件检测得到的切削力信息控制切换阀组工作，实现切削液供给机构及冷却液供给机构工作的切换。

可选的，所述介质流出口还通过切换阀组与真空发生器连接，真空发生器与冷却液回收箱连接。

可选的，所述固定环还设置有磁铁，磁铁的一侧设置有能够随刀具组件及主轴做同步运动的线圈，所述线圈与检测元件及无线传输模块连接，用于对检测元件和无需传输模块进行供电。

本发明的有益效果：

1.本发明的加工系统，刀具组件内设置储存腔、第一流道和第二流道及集热孔，利用热管原理对刀具进行冷却，以热对流的方式进行换热，换热效率高，通过固定环的设置，实现了冷却液的流入和流出，方便结合其他设备进行冷却液的循环利用，在保证冷却液能够循环利用的前提下，无需对刀具组件加工螺旋状的复杂的流道，在保证刀具组件冷却效果的前提下，降低了刀具组件的加工改造成本。

2.本发明的加工系统，具有切换阀组，能够实现切削液供给机构和冷却液供给机构工作的切换，进而实现了外冷和内冷润滑方式的切换，同时配合检测元件和控制系统，实现了冷却方式的智能切换，节省了人力资源，避免了操作人员根据自己经验来切换冷却方式的局限性。

3.本发明的加工系统，具有磁铁和线圈，能够对检测元件和无线传输模块进行自供电，不需要额外的电能供给。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是热管技术原理图；

图2是本发明实施例1介质循环散热示意图；

图3是本发明实施例1的整体示意图；

图4是本发明实施例1滑环的三维图；

图5是本发明实施例1滑环的正向半剖视图；

图6是本发明实施例1滑环的俯视图；

图7是本发明实施例1密封法兰的三维图；

图8是本发明实施例1密封法兰的主视图；

图9是本发明实施例1机床主轴端部的三维简图；

图10是本发明实施例1机床主轴端部的主视图；

图11是本发明实施例1连接装置装配的爆炸视图；

图12是本发明实施例1连接装置的局部剖视图；

图13是本发明实施例1连接装置的A-A向视图；

图14是本发明实施例1连接装置的密封原理图一；

图15是本发明实施例1连接装置的密封原理图二；

图16是本发明实施例1连接装置的密封原理图三；

图17是本发明实施例1吸热装置Ⅱ的刀柄及刀具结构图一；

图18是本发明实施例1吸热装置Ⅱ的刀柄及刀具结构图二；

图19是本发明实施例1吸热装置Ⅱ的工作原理图；

图20是本发明实施例1吸热装置Ⅲ的刀柄结构图；

图21是本发明实施例1吸热装置Ⅲ的刀具结构图；

图22是本发明实施例1丝堵结构图；

图23是本发明实施例1吸热装置Ⅲ的的装配图；

图24是本发明实施例1吸热装置Ⅲ的工作原理图；

图25是本发明实施例1介质供给与切换装置工作原理图；

图26是本发明实施例1传动键的形变示意图；

图27是本发明实施例1应变片的全桥电路图；

图28是本发明实施例1无线传输装置的装配图；

图29是本发明实施例1数据采集装置的供能示意图；

图30是本发明实施例1系统整体控制流程图；

其中，连接装置Ⅰ、刀具组件Ⅱ、刀具组件Ⅲ、介质供给与切换装置Ⅳ、数据采集装置Ⅴ。

固定环Ⅰ-1、上端面Ⅰ-1-1、下端面Ⅰ-1-2、介质流入口Ⅰ-1-3、介质流出口Ⅰ-1-4、流入导流槽Ⅰ-1-5、流出导流槽Ⅰ-1-6、凸台Ⅰ-1-7、安装孔Ⅰ-1-8、对接孔Ⅰ-1-9、对称面Ⅰ-1-10、螺旋槽Ⅰ-1-11、封堵槽Ⅰ-1-12。

密封法兰组件Ⅰ-2、上法兰Ⅰ-2-1、下法兰Ⅰ-2-2、上密封端面Ⅰ-2-3、下密封端面Ⅰ-2-4、传动键Ⅰ-2-5、传动键基体Ⅰ-2-6、安装孔Ⅰ-2-7。

机床主轴组件Ⅰ-3、通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2、键槽Ⅰ-3-3、传动键安装孔Ⅰ-3-4、锥形孔Ⅰ-3-5、端盖Ⅰ-3-6、转轴Ⅰ-3-7、外壳Ⅰ-3-8、滑环安装孔Ⅰ-3-9。

螺钉Ⅰ-4、螺钉Ⅰ-5、螺钉Ⅰ-6、封堵条Ⅰ-7、气膜Ⅰ-9。

刀柄Ⅱ-1、储存腔Ⅱ-1-1、第一流道Ⅱ-1-2、第二流道Ⅱ-1-3、阶梯面Ⅱ-1-4、圆锥面Ⅱ -1-5、键槽Ⅱ-1-6。

立铣刀Ⅱ-2、集热孔Ⅱ-2-1、倒角Ⅱ-2-2。

紧定螺钉Ⅱ-3。

刀柄Ⅲ-1、流入通道Ⅲ-1-1、入口Ⅲ-1-2、圆锥面Ⅲ-1-3、端面Ⅲ-1-4、底部端面Ⅲ-1-5、流出通道Ⅲ-1-6、出口Ⅲ-1-7。

端铣刀Ⅲ-2、延长通道Ⅲ-2-1、延长通道Ⅲ-2-2，储存腔Ⅲ-2-3、管螺纹Ⅲ-2-4、集热孔Ⅲ-2-5、上端面Ⅲ-2-6、沉头孔Ⅲ-2-7。

丝堵Ⅲ-3、管螺纹Ⅲ-3-1、拧紧槽Ⅲ-3-2。

丝堵Ⅲ-4、阀芯Ⅲ-5、螺钉Ⅲ-6。

冷却液供给机构Ⅳ-1、散热装置Ⅳ-2、介质回收装置Ⅳ-3、压缩空气发生装置Ⅳ-4、切削液供给机构Ⅳ-5。

二位二通电磁阀1、三位三通电磁阀2、三位三通电磁阀3、冷却液储存箱4、介质泵5、调压阀6、节流阀7、溢流阀8、冷却液回收箱9、散热器10、过滤器11、真空发生器12、空气压缩机13、过滤器14、储气罐15、压力表16、调压阀17、节流阀18、溢流阀19、压缩空气回收箱20、切削液储存箱21、切削液泵22、调压阀23、节流阀24、溢流阀25、切削液回收箱26、喷嘴27。

应变片Ⅴ-1、无线传输装置Ⅴ-2、线圈Ⅴ-3、磁铁Ⅴ-4。

具体实施方式

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看(辐射、对流、传导)，其中对流传导最快。热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程(即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热)，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。如图1所示，热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管两端温度相等(此时蒸汽热扩散停止)。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

在加热热管的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力的作用下，液体回流到蒸发段。这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到散热段。当加热段在下，冷却段在上，热管呈竖直放置时，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的管芯，这种不具有多孔体管芯的热管被称为热虹吸管。热虹吸管结构简单，工程上广泛应用。

据此，在刀柄或者刀具内设置如图2所示的储存冷凝液的储存腔，并设置与储存腔连通的集热孔，集热孔延伸到刀具的切削刃上，刀具切削热被集热孔内的冷凝液吸收之后会发生热对流作用，热量会被传递到储存腔内，储存腔内的冷凝液参与循环，温度低的流入，温度高的流出进行散热，从而达到对刀具冷却的目的。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图3所示，基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，包括连接装置Ⅰ、刀具组件Ⅱ(Ⅲ)和介质供给与切换装置Ⅳ和数据采集装置Ⅴ。刀具组件Ⅱ(Ⅲ)包括固定连接的刀柄和刀具，通过刀柄安装在机床的主轴上。安装在机床床身一侧的介质供给与切换装置Ⅳ通过管路与安装在机床主轴端部的连接装置Ⅰ相连，介质供给与切换装置Ⅳ首先将冷却液泵入连接装置Ⅰ，进而传输到随着刀柄一起高速旋转的刀具组件Ⅱ(Ⅲ)中。刀具组件Ⅱ(Ⅲ)将刀具切削工件产生的热量传递给冷却介质，冷却介质参与循环，将热量带出达到给刀具降温的目的。该冷却方式可以与机床已有的浇注式冷却配合工作，通过介质供给与切换装置Ⅳ进行冷却方式的切换。将浇注式冷却浇注切削液的喷嘴27与介质供给与切换装置Ⅳ连通，数据采集装置Ⅴ安装在主轴端部，对加工过程中各项参数进行采集并传入机床控制中心，由控制中心进行数据处理调整切削参数并根据设定阈值控制介质供给与切换装置Ⅳ在两种冷却方式之间进行切换。

在加工过程中需要更换不同的刀具，不同的刀具影响到刀柄内流体通道的布置走向。根据刀具的尺寸规格，将刀具归为两类，一类为刀具切削刃直径小于刀柄直径，另一类为刀具切削刃直径大于等于刀柄直径。对此，根据不同类型的刀柄和刀具设计了吸热装置Ⅱ和吸热装置Ⅲ。所述刀柄均在现有刀柄结构基础上进行改造设计。

所述连接装置Ⅰ包括套在机床主轴Ⅰ-3端部外周的固定环Ⅰ-1、密封法兰组件Ⅰ-2。介质供给与切换装置Ⅲ的两条输送管与固定环Ⅰ-1相接，经过与机床主轴Ⅰ-3端部的通孔分时注入到刀柄Ⅱ-1中。在加工时，主轴高速旋转，固定环Ⅰ-1保持固定，冷却介质在输入刀柄Ⅱ-1的过程中，由密封法兰Ⅰ-2和固定环Ⅰ-1之间形成的气膜进行密封。

所述固定环固定在机床主轴端部位置的动力系统的外壳上，与机床主轴能够产生相对转动，冷却介质经由固定环Ⅰ-1接入刀具组件Ⅱ。如图4-图6所示，固定环Ⅰ-1包括上端面Ⅰ -1-1、下端面Ⅰ-1-2、介质流入口Ⅰ-1-3、介质流出口Ⅰ-1-4、流入导流槽Ⅰ-1-5、流出导流槽Ⅰ-1-6、凸台Ⅰ-1-7、安装孔Ⅰ-1-8、对接孔Ⅰ-1-9、对称面Ⅰ-1-10、螺旋槽Ⅰ-1-11、封堵槽Ⅰ-1-12。固定环Ⅰ-1为圆环状，其上端面Ⅰ-1-1和下端面Ⅰ-1-2为密封端面，并在两密封端面上设置沿圆周均匀分布的螺旋槽Ⅰ-1-11起密封作用，两螺旋槽Ⅰ-1-11间的区域为密封堰Ⅰ-1-13，靠近固定环Ⅰ-1内圆面的环形区域为密封坝Ⅰ-1-14。固定环Ⅰ-1内圆面上设有流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6，两者尺寸大小相同。固定环Ⅰ-1两侧设有分别与流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6相连通的介质流入口Ⅰ-1-3和介质流出口Ⅰ-1-4，两者孔径相同。上端面Ⅰ-1-1两侧即介质流入口Ⅰ-1-3和介质流出口Ⅰ-1-4位置处设有对称的凸台Ⅰ-1-7，凸台Ⅰ-1-7中心处为安装孔Ⅰ-1-8，固定环Ⅰ-1通过安装孔Ⅰ-1-8与机床主轴Ⅰ-3端部的动力系统的外壳固定连接。为使固定环Ⅰ-1在具体实施过程中便于安装，以其中间的对称面Ⅰ-1-10为分割面将固定环Ⅰ-1分为左右两部分，即第一固定环部和第二固定环部，流入导流槽开设在第一固定环部上，流出导流槽开设在第二固定环部上，通过固定环Ⅰ-1 中间位置的两处对接孔Ⅰ-1-9连接为一个整体，连接方式为螺栓连接。流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6之间内圆面上设置四个关于对称面Ⅰ-1-10对称的半圆形封堵槽Ⅰ-1-12，封堵槽Ⅰ-1-12通过安装封堵条将流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6内的介质隔离。

图7-图8为密封法兰组件结构示意图。如图所示，密封法兰组件Ⅰ-2包括上法兰Ⅰ-2-1、下法兰Ⅰ-2-2、上密封端面Ⅰ-2-3、下密封端面Ⅰ-2-4、传动键Ⅰ-2-5、传动键基体Ⅰ-2-6、安装孔Ⅰ-2-7。机床主轴端部空间有限，避免零部件干涉，将密封法兰组件Ⅰ-2和机床主轴与刀柄之间传递转矩的传动键设计为一体式结构。上法兰Ⅰ-2-1和下法兰Ⅰ-2-2通过设置在法兰内圆面上的且对称分布的传动键基体Ⅰ-2-6连接成为一个整体，上法兰Ⅰ-2-1的下端面和下法兰Ⅰ-2-2的上端面分别作为上密封端面Ⅰ-2-3和下密封端面Ⅰ-2-4形成用于安装滑环Ⅰ-1的间隙环，传动键基体Ⅰ-2-6上设有用于固定密封法兰Ⅰ-2的安装孔Ⅰ-2-7，传动键基体Ⅰ-2-6下部为传动键Ⅰ-2-5，用于传递机床主轴到刀柄的转矩。

机床主轴组件Ⅰ-3端部安装有固定环Ⅰ-1和密封法兰组件Ⅰ-2，需要在现有的主轴结构基础上进行改造，此处仅作简要说明。如图9-图10所示，主轴Ⅰ-3-7安装在外壳Ⅰ-3-8内，通过端盖Ⅰ-3-6固定，主轴Ⅰ-3-7可相对外壳Ⅰ-3-8转动。在主轴Ⅰ-3-7端部两侧分别设有通孔Ⅰ-3-1和通孔Ⅰ-3-2，其孔径和固定环Ⅰ-1的介质流入口Ⅰ-1-3和介质流出口Ⅰ-1-4 孔径相同，端盖Ⅰ-3-6两侧设有滑环安装孔Ⅰ-3-9。主轴Ⅰ-3-7端部还包括键槽Ⅰ-3-3、传动键安装孔Ⅰ-3-4、锥形孔Ⅰ-3-5。

连接装置Ⅰ还包括螺钉Ⅰ-4、螺钉Ⅰ-5、螺钉Ⅰ-6和封堵条Ⅰ-7等元件。

连接装置Ⅰ的装配关系如图11-图13所示。密封法兰组件Ⅰ-2嵌套在主轴Ⅰ-3-7端部的外圆面上，密封法兰组件Ⅰ-2的传动键基体Ⅰ-2-6卡在主轴Ⅰ-3-7端部的键槽Ⅰ-3-3内，密封法兰组件Ⅰ-2的安装孔Ⅰ-2-7与传动键安装孔Ⅰ-3-4相对应，螺钉Ⅰ-4安装在其中，对密封法兰组件Ⅰ-2进行固定连接，密封法兰组件Ⅰ-2可以随着主轴Ⅰ-3-7一起转动，固定环Ⅰ -1分成结构对称的两部分，安装在密封法兰组件Ⅰ-2的上法兰Ⅰ-2-1和下法兰Ⅰ-2-2之间，并通过安装在对接孔Ⅰ-1-9内的螺钉Ⅰ-5进行对接，固定环Ⅰ-1的安装孔Ⅰ-1-8和机床主轴Ⅰ-3端部的滑环安装孔Ⅰ-3-9对应，通过螺钉Ⅰ-6固定连接，主轴Ⅰ-3-7可以相对固定环Ⅰ -1转动，在转动过程中，主轴Ⅰ-3-7端部的通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2与固定环Ⅰ-1内侧位于同一平面内的流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6周期性贯通。滑环Ⅰ-1的四个封堵槽Ⅰ -1-12内还安装有橡胶材质的圆柱形封堵条Ⅰ-7将流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6内的介质隔开，防止冷却介质直接通过滑环Ⅰ-1和主轴Ⅰ-3-7之间的间隙从流入导流槽Ⅰ-1-5 进入到流出导流槽Ⅰ-1-6而使得进入刀柄的冷却介质减少影响散热。

在连接装置Ⅰ中，主轴Ⅰ-3-7需要相对于固定环Ⅰ-1转动，且冷却介质通过固定环Ⅰ-1 注入刀具组件Ⅱ(Ⅲ)，采用干气密封的方式对其进行密封，即在两端面之间形成具有一定压力的气膜将两端面分离而成为非接触端面密封，其密封面之间的摩擦只有流体间的内摩擦，极大地延长了端面密封的寿命。如图14-图16所示，密封法兰组件Ⅰ-2的上密封端面Ⅰ-2-3和固定环Ⅰ-1的上端面Ⅰ-1-1之间、密封法兰Ⅰ-2的下密封端面Ⅰ-2-4和固定环Ⅰ-1的下端面Ⅰ -1-2之间分别留有间隙，主轴Ⅰ-3-7带动密封法兰组件Ⅰ-2相对于固定环Ⅰ-1转动时，固定环Ⅰ-1两端面上的螺旋槽Ⅰ-1-11会向旋转中心泵入气体，在间隙内形成气膜Ⅰ-9，气膜Ⅰ-9具有一定的压力，此压力阻碍气体导流槽Ⅰ-1-5和液体导流槽Ⅰ-1-6内的流体溢出从而起到密封作用。气膜Ⅰ-9的密封性与螺旋槽Ⅰ-1-11的数量、几何关系以及主轴的转速有关。图中r_i、 r_o和r_g分别为端面的内半径、外半径和槽底半径，β为螺旋角，θ_l和θ_g分别为一个周期中螺旋槽Ⅰ-1-11和对应密封堰Ⅰ-1-13在外径处的周向夹角，h₀为非开槽区气膜厚度即密封法兰组件Ⅰ-2的上密封端面Ⅰ-2-3和固定环Ⅰ-1的上端面Ⅰ-1-1之间(或密封法兰组件Ⅰ-2的下密封端面Ⅰ-2-4和固定环Ⅰ-1的下端面Ⅰ-1-2之间)间隙大小，hg为螺旋槽Ⅰ-1-11的槽深。螺旋槽Ⅰ-1-11的基本几何参数包括槽长比α、槽宽比δ、螺旋角β、槽深比H和槽数Ng，其中槽长比α和槽宽比δ分别用于表征螺旋槽径向和周向的开槽宽度比例。槽长比α、槽宽比δ和槽深比H可分别表示为

假设密封端面间为层流、等温、等黏度气体，则计算端面气膜压力的雷诺方程为

式中的各参数分别定义为

其中，p为端面间的气膜压力，p_i为内径处压力，h为端面任意点处的气膜厚度，Λ为密封压缩数，μ为气体黏度，ω为角速度。求解方程式的强制性压力边界条件为

周期性压力边界条件为

P(θ+2π/N_g,R)＝P(θ,R)

求解方程可得密封端面受到的轴向力Fo和轴向气膜刚度kz

足够大的轴向气膜刚度是干气密封抵抗外界扰动、保证装置长周期稳定运行的关键。以可以对冷却介质形成有效密封的临界气膜刚度作为最低优选目标，并结合滑环Ⅰ-1的结构设置螺旋槽Ⅰ-1-11的几何关系。

所述刀具组件Ⅱ包括刀柄Ⅱ-1、立铣刀Ⅱ-2、紧定螺钉Ⅱ-3，刀具组件Ⅱ中刀具直径小于刀柄直径，并以棒铣刀和夹持棒铣刀的侧固式刀柄为例，如图17-图18所示，立铣刀Ⅱ-2安装在刀柄Ⅱ-1上，通过紧定螺钉Ⅱ-3固定。在刀柄Ⅱ-1内设置用于储存冷却介质的储存腔Ⅱ -1-1，并从刀柄Ⅱ-1的圆锥面Ⅱ-1-5上设置两条延伸至刀柄Ⅱ-1内与储存腔Ⅱ-1-1贯通的第一流道Ⅱ-1-2与第二通道Ⅱ-1-3，两条流体通道结构相同，关于中心线对称。在立铣刀Ⅱ-2 内设置用于收集切削热的集热孔Ⅱ-2-1，集热孔Ⅱ-2-1为盲孔，延伸至立铣刀Ⅱ-2底部的刀刃处，并于刀柄Ⅱ-1内的储存腔Ⅱ-1-1连通。集热孔Ⅱ-2-1的出口处设置倒角Ⅱ-2-2，以加快储存腔Ⅱ-1-1与集热孔Ⅱ-2-1内的冷却介质流通。刀柄Ⅱ-1内的阶梯面Ⅱ-1-3用于对立铣刀Ⅱ-2的轴向定位。

刀柄Ⅱ-1安装在主轴Ⅰ-3-7端部的锥形孔Ⅰ-3-5内，刀柄Ⅱ-1内的第一流道Ⅱ-1-2和第二流道Ⅱ-1-3分别与主轴Ⅰ-3-7端部的通孔Ⅰ-3-1贯通，传动键Ⅰ-2-5卡在刀柄Ⅱ-1的键槽Ⅱ-1-6内，保证第一流道Ⅱ-1-2和第二流道Ⅱ-1-3与通孔Ⅰ-3-1不会发生错位。其工作过程如图19所示，冷却介质的输入管与介质流入口Ⅰ-1-3相连，回流管与介质流出口Ⅰ-1-4相连，固定环Ⅰ-1与机床主轴组件Ⅰ-3端部的端盖Ⅰ-3-6连接保持固定，机床主轴组件Ⅰ-3 的主轴Ⅰ-3-7相对固定环Ⅰ-1转动，流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6位于同一平面内且相互独立，在主轴Ⅰ-3-7转动过程中，使通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2分别与流入导流槽Ⅰ-1-5 和流出导流槽Ⅰ-1-6周期性贯通。以主轴Ⅰ-3-7转过一圈为一个周期，前半周内，通孔Ⅰ-3-1 与流入导流槽Ⅰ-1-5贯通，通孔Ⅰ-3-2与流出导流槽Ⅰ-1-6贯通，温度低的冷却介质从通孔Ⅰ-3-1经过第一流道Ⅱ-1-2进入储存腔Ⅱ-1-1，然后温度高的冷却介质依次经过第二流道Ⅱ -1-3、通孔Ⅰ-3-2、流出导流槽Ⅰ-1-6流出；后半周内，通孔Ⅰ-3-2与流入导流槽Ⅰ-1-5贯通，通孔Ⅰ-3-1与流出导流槽Ⅰ-1-6贯通，温度低的冷却介质从通孔Ⅰ-3-2经过第二流道Ⅱ -1-3进入储存腔Ⅱ-1-1，然后温度高的冷却介质依次经过第一流道Ⅱ-1-2、通孔Ⅰ-3-1、流出导流槽Ⅰ-1-6流出，如此循环往复。在冷却介质循环过程中，储存腔Ⅱ-1-1和集热孔Ⅱ-2-1 内的冷却介质进行对流换热。

根据刀具规格的不同设计了刀具组件Ⅲ。刀具组件Ⅲ和连接装置Ⅰ、冷却介质供给散热装置Ⅲ及装配关系与刀具组件Ⅱ相同。所述刀具组件Ⅲ包括刀柄Ⅲ-1、刀具为端铣刀Ⅲ-2、丝堵Ⅲ-3、丝堵Ⅲ-5、阀芯Ⅲ-6和螺钉Ⅲ-7。刀具组件Ⅲ中，刀具直径大于等于刀柄直径，并且以端铣刀及端铣刀刀柄为例。

刀柄Ⅲ-1结构如图20所示，由于刀柄的直径小于端铣刀的直径，因此储存腔设置在端铣刀内部，所述第一流道和第二流道均包括设置在刀柄内部的主流道部和设置在端铣刀内部的延伸流道部，在刀柄Ⅲ-1内设置两条竖直对称的通道即作为冷却介质的流入通道Ⅲ-1-1和作为冷却介质的流出通道Ⅲ-1-6，并贯通至刀柄Ⅲ-1的底部端面Ⅲ-1-5，流入通道Ⅲ-1-1的入口Ⅲ-1-2和流出通道Ⅲ-1-6的出口Ⅲ-1-7设置在刀柄Ⅲ-1的圆锥面Ⅲ-1-3上，靠近端面Ⅲ-1-4 处。之间均为圆角平滑过渡，以减小流体的局部压力损失。冷却介质流入通道即为第一流道的主流道部，冷却介质流出通道即为第二流道的主流道部。

考虑到沿程压力损失

刀柄Ⅲ-1上的流入通道Ⅲ-1-1和流出通道Ⅲ-1-6靠近刀柄Ⅲ-1的外圆面且直径调整范围有限，考虑将通道截面形状设置成非圆形(如槽口形状)。由于截面上的流速变化主要集中在临近管壁的区域，由摩擦产生的机械能损失也将集中在这里，因而可以认为损失是沿边界壁面分布的。设想有两个管道，长度均为l，一个圆形截面管道1，一个非圆形截面管道2。两管道除截面形状、面积不同外，其他几何参数和流体物理参数都相同。对于圆形管道1，管道壁面单位面积引起的能量损失为

类似地，非圆形管道2管道壁面单位面积引起的能量损失为

Δh₂Avρg/lC

若两管道壁面单位面积引起的能量损失相同，则两管近似的有相同的沿程损失因子，因而

A为非圆管道的截面积；C为非圆管道的截面周长；V为流体在管道内的流速度；Δh为管道的单位长度。

若

即Δh₁＝Δh₂，则圆管1便成为非圆管2的当量管，

便为非圆管的当量直径。

可通过当量直径和刀柄Ⅲ-1的结构设定非圆管道截面的形状和尺寸，当量直径不宜设置过大，否则会导致管道截面积过大。当流体从外部导管流入刀柄时会因路径突然扩大，流体部分速度消耗在形成涡流、流体的搅动和发热等方面而产生很大额外局部压力损失。可将当量直径设置成与机床主轴组件Ⅰ-3端部的通孔Ⅰ-3-1孔径同等大小，减小流体进入刀柄Ⅲ-1时的速度变化，此时可近似看做流速恒定。

由于铣刀直径大于刀柄直径，刀具具有较大体积，将冷却介质的储存腔Ⅲ-2-3设置在端铣刀Ⅲ-2内部，如图21所示，并在端铣刀Ⅲ-2内设置可以与刀柄Ⅲ-1内流入通道Ⅲ-1-1和流出通道Ⅲ-1-6相贯通的延长通道Ⅲ-2-1和延长通道Ⅲ-2-2，分别作为第一流道的延长通道部和第二流道的延长通道部，延长通道Ⅲ-2-1和延长通道Ⅲ-2-2关于中轴线对称，其底部均与储存腔Ⅲ-2-3贯通，储存腔Ⅲ-2-3有一定锥度，在其下半部分设有管螺纹Ⅲ-2-4，端铣刀Ⅲ-2内还设有与切削刃数量相同的单向导通的集热孔Ⅲ-2-5，集热孔Ⅲ-2-5与存储腔Ⅲ-2-3 的侧壁相连，保持贯通并向外延伸至切削刃附近。考虑到集热孔Ⅲ-2-5的公益性，在制造时，先加工从端铣刀Ⅲ-2切削刃贯通至内部储存腔Ⅲ-2-3的通孔，在通孔位于切削刃的出口处设置螺纹，将丝堵Ⅲ-4通过螺纹安装在通孔的出口处，通孔便可以作为与储存腔Ⅲ-2-3贯通的集热孔Ⅲ-2-5。延长通道Ⅲ-2-2在上端面Ⅲ-2-6的开口处设有沉头孔Ⅲ-2-7，在沉头孔Ⅲ-2-7 内放入一阀芯可以形成单向导通装置。

图22为丝堵的机构示意图。如图22所示，丝堵Ⅲ-3包括管螺纹Ⅲ-3-1和拧紧槽Ⅲ-3-2。丝堵Ⅲ-3的形状为一个带有设定锥度的圆台，上窄下宽，侧壁上设有管螺纹Ⅲ-3-1，丝堵Ⅲ -7底部设有两个对称的圆形拧紧槽Ⅲ-3-2，通过拧紧槽Ⅲ-3-2拧紧或放松丝堵Ⅲ-3。

盘铣刀Ⅲ-2和刀柄Ⅲ-1通过螺钉Ⅲ-6固定连接在一起，如图23所示，端铣刀Ⅲ-2和刀柄Ⅲ-1装配完成之后，刀柄Ⅲ15内的流入通道Ⅲ-1-1和端铣刀Ⅲ-2内延长通道Ⅲ-2-1贯通，流出通道Ⅲ-1-6和延长通道Ⅲ-2-2贯通，位于流出通道Ⅲ-1-6和延长通道Ⅲ-2-2中间的沉头孔Ⅲ-2-7内放有一个阀芯Ⅲ-5，阀芯Ⅲ-5和沉头孔Ⅲ-2-7形成单向导通装置，丝堵Ⅲ-3通过安装在储存腔Ⅲ-2-3底部，对储存腔Ⅲ-2-3进行密封，并通过管螺纹Ⅲ-2-4和管螺纹Ⅲ-3-1 相互拧紧连接。

所述刀具组件Ⅲ的工作过程如图24所示，冷却介质供给散热装置的输入管与介质流入口Ⅰ-1-3相连，回流管与介质流出口Ⅰ-1-4相连，固定环Ⅰ-1与机床主轴组件Ⅰ-3端部的端盖Ⅰ-3-6连接保持固定，机床主轴组件Ⅰ-3的主轴Ⅰ-3-7相对固定环Ⅰ-1转动，流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6位于同一平面内且相互独立，在主轴Ⅰ-3-7转动过程中，使通孔Ⅰ -3-1、通孔Ⅰ-3-2分别与流入导流槽Ⅰ-1-5和流出导流槽Ⅰ-1-6周期性贯通。以主轴Ⅰ-3-7 转过一圈为一个周期，前半周内，通孔Ⅰ-3-1与流入导流槽Ⅰ-1-5贯通，通孔Ⅰ-3-2与流出导流槽Ⅰ-1-6贯通，温度低的冷却介质从通孔Ⅰ-3-1依次流经流入通道Ⅲ-1-1、延长通道Ⅲ -2-1进入储存腔Ⅲ-2-3，然后温度高的冷却介质依次经过延长通道Ⅲ-2-2、流出通道Ⅲ-1-6、通孔Ⅰ-3-2、流出导流槽Ⅰ-1-6流出；后半周内，通孔Ⅰ-3-2与流入导流槽Ⅰ-1-5贯通，通孔Ⅰ-3-1与流出导流槽Ⅰ-1-6贯通，温度低的冷却介质从通孔Ⅰ-3-2经过流出通道Ⅲ-1-6 进入沉头孔Ⅲ-2-7后，阀芯Ⅲ-5在自身重力和冷却介质的压力下会对延长通道Ⅲ-2-2进行封堵阻碍介质流动而形成单向导通装置。因为端铣刀及刀柄内设置的流体通道过长，若不设置单向导通装置，当单位体积的冷却介质从通孔Ⅰ-3-1流入从通孔Ⅰ-3-2流出的时间大于主轴转动半周所需的时间时，会使得该单位冷却介质在主轴转动的后半周内在刀柄流体通道内回流，而无法有效将热量传递出去。主轴转过的一周中，前半周介质流动散热，后半周通道阻断，介质不流动，如此循环往复。在冷却介质循环过程中，储存腔Ⅲ-2-3和集热孔Ⅲ-2-5内的冷却介质不断地进行对流换热。

若是结合机床已有浇注式冷却装置，可以通过介质供给与切换装置Ⅳ在两种冷却方式之间进行切换。

所述介质供给与切换装置包括切削液供给机构Ⅳ-5、冷却液供给机构Ⅳ-1及切换阀组。

所述切换阀组包括一个二位二通电磁阀3、一个三位三通电磁阀1及一个三位三通电磁阀 2。

所述切削液供给机构包括切削液存储箱21，所述切削液存储箱的出口通过管路与切削液泵22的进口连接，切削液泵的出口通过管路与二位二通电磁阀3的一侧接口连接，切削液泵与二位二通电磁阀之间的管路上依次设置有调压阀23和节流阀24，二位二通电磁阀的另一侧接口通过管路与喷嘴27连接。所述节流阀与调压阀之间的管路连接有溢流管，溢流管上安装有溢流阀25，溢流管端部与切削液回收箱26连通。

所述冷却液供给机构包括冷却液存储箱4，所述冷却液存储箱的出口通过管路与介质泵5 的进口连接，介质泵的出口通过管路与三位三通电磁阀1一侧的一个接口连接，且连接管路上依次安装有调压阀6和节流阀7，节流阀和调压阀之间的管路连接有溢流管，溢流管上安装有溢流阀8，所述溢流管端部与冷却液回收箱9连通。三位三通电磁阀1该侧的另一个接口连接过滤器。三位三通电磁阀1的另一侧的接口通过管路连接固定环的介质流入口。

所述固定环的介质流出口通过管路与三位三通电磁阀2一侧的接口连接，三位三通电磁阀 2另一侧的一个接口散热装置Ⅳ-2连接，所述散热装置采用散热器，三位三通电磁阀2的接口与散热器的进口连接，散热器的出口与冷却液回收箱通过管路连接。

三位三通电磁阀2另一侧的另一个接口通过管路与介质回收装置Ⅳ-3连接，所述介质回收装置包括真空发生器，三位三通电磁阀2的接口与真空发生器12的进口连接，真空发生器的出口与冷却液回收箱通过管路连接。

所述真空发生器与压缩空气发生装置Ⅳ-4连接，压缩空气发生装置用于驱动真空发生器工作。

所述压缩空气发生装置包括空气压缩机13，所述空气压缩机与储气罐15的进口通过管路连接，且空气压缩机与储气罐之间设有过滤器14，所述储气罐安装有压力表16，用于检测储气罐内的气压。所述储气罐的出口通过管路与真空发生器连接，且储气罐与真空发生器12之间的管路上安装有调压阀17和节流阀18，所述调压阀17和节流阀18之间的管路与溢流管连接，溢流管端部与压缩空气回收箱20连通，溢流管上安装有溢流阀19。

介质供给与切换装置的工作原理为：

以冷却液注入刀具组件进行循环散热的冷却方式工作时，KM2得电，三位三通电磁阀1打到左相位，KM4得电，三位三通电磁阀2打到左相位，冷却液供给机构Ⅳ-1将冷却液泵入刀具组件Ⅱ(刀具组件Ⅲ)进行吸热，在其中经过对流换热，置换出温度较高的冷却液，置换出的冷却液流入散热装置Ⅳ-2进行散热降温准备下一次散热循环。该冷却方式工作结束之后，冷却液供给机构Ⅳ-1停止泵入冷却液，KM2、KM4失电，KM1、KM3得电，三位三通电磁阀1、三位三通电磁阀2打到右相位，刀具组件Ⅱ(刀具组件Ⅲ)冷却液进入端与大气连通，输出端与介质回收装置Ⅳ-3连通，对管路中残余的冷凝液进行回收，防止在换刀过程中管路中的冷却液从主轴位置流出对加工过程产生影响。回收完毕，KM1、KM5失电，三位三通电磁阀1、2恢复中间相位。介质回收装置Ⅳ-3由压缩空气发生装置Ⅳ-4驱动产生负压效应，将管路中的介质吸到回收箱中。回收过程中刀具组件Ⅱ(刀具组件Ⅲ)冷却液进入端通过空气过滤器11与大气连通，防止在负压作用下将灰尘等杂质吸入管路。

以机床已有的浇注式冷却方式工作时，KM5得电，二位二通电磁阀3导通，切削液供给机构Ⅳ-4将切削液输送至喷嘴27，对切削区进行冷却。该冷却方式工作结束之后，切削液供给装置Ⅳ-4停止工作，KM7失电，二位二通电磁阀3恢复初始相位。

介质供给与切换装置Ⅳ的触发方式分为两种，主动触发和被动触发。

(一)主动触发

由提前设好的工件加工程序进行控制。根据工件的结构及加工要求设定好所需的刀具以及每一道工序的冷却方式，当进行到相应的工序时候由于程序控制自行主动切换。

(二)被动触发

设置切削数据采集装置Ⅴ，对切削过程中各参数进行实时分析，若相应参数超过设定阈值，触发介质供给与切换装置Ⅳ进行冷却方式的切换。工件切削过程中的各项参数最终都可以通过切削力的大小反映出来，因此可以通过采集切削力的数据来对各项参数进行分析。

所述数据采集装置Ⅴ包括应变片Ⅴ-1、无线传输装置Ⅴ-2、线圈Ⅴ-3、磁铁Ⅴ-4。

在对工件加工过程中，机床主轴利用刀柄端部的圆锥面和主轴锥形孔内侧面之间的摩擦力以及安装在主轴端部的传动键将转矩传递给刀柄从而带动刀具切削工件。刀柄端部的圆锥面和主轴锥形孔内侧面之间的摩擦力一般为一定值。本申请中传动键Ⅰ-2-5通过传动键基体Ⅰ-2-6 与密封法兰Ⅰ-2连接结合为一体，传动键Ⅰ-2-5将转矩传递给刀柄的过程中会产生如图26所示的形变，一侧被拉伸另一侧被压缩。通过在任一个传动键Ⅰ-2-5两侧设置应变片来测量其变形量而得到单个传动键Ⅰ-2-5所受力的大小，进一步的与摩擦力整合可以得出相应的切削力大小。

对于某一种材料的电阻，可通过下式计算

其中L为长度，r为材料横截面半径，ρ为材料的电阻率。

当导体因某种原因产生形变时，其长度L截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ，相应的电阻变化为dR。对上式全微分得到电阻变化率

为

为导体材料的轴向应变量，

为导体材料的横向应变量。

由材料力学，ε_r＝-με_L，ε_r为导体材料的横向应变量，ε_L为导体材料的轴向应变量，μ为材料的泊松比。整理得到

电阻应变效应主要取决于材料的几何应变，当变形量比较小时，可以忽略电阻率变化的影响，即

将传动键Ⅰ-2-5两侧的四个应变片Ⅴ-1按图27所示电路连接，同侧的两个应变片接入对边桥臂，电压U₀的大小为

假设R₁＝R₂＝R₃＝R₄,且

得形变量与电压的关系

将模拟量电压U₀通过无线传输装置Ⅴ-2发送给机床的控制系统进行数据分析得出当前切削力的大小。

所述无线传输装置Ⅴ-2安装机床主轴的端部位置，其装配图如图28所示，无线传输装置Ⅴ -2的安装孔与密封法兰组件Ⅰ-2的安装孔Ⅰ-2-7对应，通过螺钉Ⅰ-4与密封法兰组件Ⅰ-2一起固定连接在转轴Ⅰ-3-7上。无线传输装置Ⅴ-2可以应用互联网、蓝牙等无线技术进行传输，目前均为成熟技术，且都具备完整的工作模块，可以直接使用，其工作原理不在详细叙述。

所述应变片Ⅴ-1和无线传输装置Ⅴ-2利用机床主轴的转动实现自供能。如图29所示，在上法兰Ⅰ-2-1的外圆面上设置均匀分布的线圈Ⅴ-3，在固定环Ⅰ-1的两处凸台Ⅰ-1-7的内侧面分别设置磁铁Ⅴ-4，线圈Ⅴ-3和磁铁Ⅴ-4可采用胶连接的方式固定在上法兰Ⅰ-2-1的外圆面上和凸台Ⅰ-1-7的内侧面上。主轴转动时，固定环Ⅰ-1保持固定，密封法兰组件Ⅰ-2随着主轴一起相对固定环Ⅰ-1转动，此时线圈Ⅴ-3也会与磁铁Ⅴ-4之间发生相对转动，线圈Ⅴ-3的磁通量发生变化便会产生电动势，利用产生的电动势对应变片Ⅴ-1和无线传输装置Ⅴ-2进行供电。线圈Ⅴ-3之间通过导线串联在一起，线圈Ⅴ-3的匝数和数量可以根据在机床主轴最低转速下应变片Ⅴ-1和无线传输装置Ⅴ-2所需的最低电压来确定。

机床的控制系统接收的到无线传输装置Ⅴ-2发送的信息之后进行数据处理与数模转换获得实时的切削力。通过切削力的大小对加工过程中各项参数进行分析。在被动触发方式中将温度作为阈值设定参数，在不同的阈值范围内调整至不同的冷却方式。

在忽略后刀面热源的情况下，切削区的主要热源有两个，一个在剪切区，另一个在刀屑接触区，近似条件下可作如下假设:一是消耗在剪切区和刀屑接触区中所有的能量均转变成热能；二是将剪切区和刀屑接触区中的能量分别集中在一个平面上；三是在剪切区和刀屑接触区能量集中平面上的能量分布是均匀的,即热流密度不变化.在剪切区产生的热量将有一部分流入切屑,一部分流入工件.在刀—屑接触区产生的热量也会有一部分流入切屑,一部分流入刀具. 假设在切屑形成过程中,没有热量传入到周围环境中,即是个绝热过程,可设剪切区产生的热量流入到切屑的比率为R_S-C,刀—屑接触区产生的热量流入到切屑的比率为R_T-C。

假定剪切面的塑形变形功完全变成热，单位时间内产生的热量Q_S为

其中F_c为主切削力；F_p为背向力；φ为剪切角；γ₀为刀具前角；v_c为切削速度；J为热功当量。

前刀面上的切屑摩擦产生的热量Q_T为

热量传入刀具后，其温度为

其中c_w1为刀具材料的比热，ρ_w1为刀具材料的密度，θ_am为环境温度,ΔV₁为传入刀具后单位时间内扩散的体积，切削刃部分为可替换刀片时，为刀片的体积。

热量传入工件后，其温度为

其中c_w2为工件材料的比热，ρ_w2为工件材料的密度,ΔV₂为切削区域热量传入工件后单位时间内扩散的体积。

介质供给与切换装置Ⅳ的冷却方式切换过程及数据采集装置Ⅴ之间的关系如图30所示。数据采集装置Ⅴ将采集到的模拟量传输至控制中心进行数据处理得出当前切削力的大小，通过力-热关系转换推算出当前切削区域发热量确定刀具和工件的温度。在进行冷却方式切换之前可以先设定像如下的优先级关系，即内循环<浇注式，不同的冷却方式对应不同的温度等级。确定刀具和工件的温度之后，进行温度阈值比较，若是超出既定的阈值范围即当前冷却方式不足以将刀具温度维持在阈值以下时触发介质供给与切换装置Ⅳ进行冷却方式切换，切换至更高一级的冷却方式。切削热除了传递给刀具之外也会传递给工件，温度过高会影响工件的材料性能。另外，加工过程中出现的异常进给、刀具磨损、机床故障等情况也会反映至切削力上使其产生突变影响加工效率和精度。控制中心对切削力的实时监测对比，若是切削力出现异常或者工件温度过高便会调整切削参数以控制加工效率和精度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，包括工作台、主轴、动力系统，所述主轴与动力系统连接，其特征在于，还包括：

固定环：套在主轴外周，能够与主轴产生相对转动，固定环设有介质流入口和介质流出口；

刀具组件：与主轴连接，内部设有储存腔，储存腔与第一流道和第二流道一端连通，第一流道和第二流道另一端与主轴设置的通孔连通，刀具组件内部还设有与储存腔连通的集热孔，集热孔为盲孔，并延伸至刀具组件的刀刃处；

第一流道和第二流道被配置为：在固定环和主轴的相对转动下，第一流道与介质流入口连通的同时，第二流道与介质流出口连通、第二流道与介质流入口连通的同时，第一流道与介质流出口连通；

还包括切削液供给机构及冷却液供给机构，切削液供给机构通过切换阀组与设置在刀具组件外围的切削液喷嘴连接，冷却液供给机构通过切换组件与固定环的介质流入口连接，固定环的介质流出口与散热装置的进口连接，散热装置的出口与冷却液回收箱连接；

还包括检测元件，用于检测刀具组件工作时的切削力，所述检测元件通过能够随刀具组件及主轴做同步转动的无线传输装置与控制系统连接，控制系统与切换组件连接，控制系统能够根据检测元件检测得到的切削力信息控制切换阀组工作，实现切削液供给机构及冷却液供给机构工作的切换。

2.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，所述刀具组件包括固定连接的刀柄和刀具，刀具的直径小于刀柄的直径，所述储存腔开设在刀柄内部，第一流道和第二流道开设在刀柄内部，集热孔开设在刀具内部。

3.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，所述刀具组件包括固定连接的刀柄和刀具，所述刀具的直径大于刀柄的直径，所述储存腔开设在刀具内部，所述第一流道和第二流道均包括设置在刀柄内的主流道部及设置在刀具内的延伸流道部。

4.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，还包括密封法兰组件，所述密封法兰组件包括上法兰和下法兰，上法兰与固定环上端面密封配合，下法兰与固定环下端面密封配合，上法兰和下法兰通过传动键基体连接，所述传动键基体通过传动键与刀具组件连接。

5.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，所述固定环由第一固定环部和第二固定环部拼接构成，第一固定环部设有流入导流槽，流入导流槽与介质流入口连通，第二固定环部设有流出导流槽，流出导流槽与介质流出口连通。

6.如权利要求5所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，第一固定环部和/或第二固定环部与主轴之间设有封堵条，用于将流入导流槽和流出导流槽进行隔离。

7.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，所述介质流出口还通过切换阀组与真空发生器连接，真空发生器与冷却液回收箱连接。

8.如权利要求1所述的基于内外冷智能切换的介质循环散热铣削加工系统，其特征在于，所述固定环还设置有磁铁，磁铁的一侧设置有能够随刀具组件及主轴做同步运动的线圈，所述线圈与检测元件及无线传输模块连接，用于对检测元件和无需传输模块进行供电。

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