CN113894612A - 结构件加工冷却系统、方法、铣刀、钻头和车刀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构件加工冷却系统、方法、铣刀、钻头和车刀，结构件加工冷却系统包括机床，至少包括主轴部、刀柄部和刀具，所述刀柄部与所述主轴部连通，所述刀具设置于所述刀柄部上；冷却装置，连通所述刀柄部，并通过提供冷却介质对所述刀具进行冷却。最大程度的保证冷却介质的利用率，避免资源浪费。

Description

结构件加工冷却系统、方法、铣刀、钻头和车刀

技术领域

本发明涉及飞机结构件加工技术领域，具体而言，涉及一种结构件加工冷却系统、方法、铣刀、钻头和车刀。

背景技术

飞机结构件以框、梁及壁板为主，多为薄壁件，容易产生加工变形。加工过程中，薄壁结构处若出现较大温差，极易产生加工变形。

例如公告号为CN207372817U的专利中，公开了“一种长型材加工装置”，其技术方案为：数控机床刀具冷却装置，包括承载板，所述承载板的顶部从左至右依次固定连接有存储箱、泵体和数控机床，所述泵体的左侧连通有抽液管，所述抽液管的左侧与存储箱的内壁连通。本实用新型通过设置承载板、存储箱、泵体、数控机床、抽液管、排液管、挡板、刀头、支架、限位圈、喷头、温度感应模块。解决的技术问题为：解决了现有的冷却装置不方便操作的问题，在对刀具冷却时节约了劳动力，而且提高了冷却装置的灵敏度，智能操作不易造成刀具损坏的状况，从而提高了冷却装置的实用性；

例如公告号为CN101239401A的专利中，公开了“一种大直径深孔加工数控组合机床”，其技术方案为：通过在夹具基座三侧分别设置具有镗削装置、驱动装置、伺服装置的床身以及交流伺服数控柜，构成大直径深孔加工数控组合机床，三面镗削装置中的镗削头均配置了高压冷却装置，高压冷却液通过主轴送进加工部位，本发明在装固大直径深孔加工组合钻头后，机床可从三面同时加工。解决的技术问题为：极大地提高了工作效率，适用于加工大型零部件中的大直径深盲孔、深通孔，具有显著的经济效益和社会效益；

例如公告号为CN107150256B的专利中，公开了“种五轴机床的刀具内冷与主轴冷却循环切换系统”，其技术方案为：水箱采用一个共用泵组连通主工作通路和溢流阀，设置经溢流阀溢流对泵保护，主工作通路和溢流阀管路上，对称设置压差检测组件；在主工作通路出口设置一组电磁阀来换向，控制联通刀具内冷或主轴冷却循环之一管路出水，刀具内冷与主轴冷却循环各路再次由各自管路上的电磁阀组控制本管路通断。解决的技术问题为：双泵改为一个泵组，减少了控制管路、阀组，运行更稳定，减少故障点，减少了制作、维修成本；

例如公告号为CN205968448U的专利中，公开了“一种数控机床刀柄内部喷射冷却液装置”，其技术方案为：包括刀柄、冷却液流动环和冷却液喷射口，所述刀柄的内部设置有冷却液流动环，所述冷却液流动环为环形空心管道，所述冷却液流动环的下端设置有若干个冷却液喷射口，所述冷却液喷射口的下端设置在刀柄的侧边，所述刀柄的正下端固定着加工刀具，所述冷却液喷射口的下端口环绕着加工刀具设置。解决的技术问题为：可以在加工过程中近距离对刀具加工处喷射冷却液，冷却液的喷射准确度高，冷却效果好，并且节省了普通的冷却喷头的占用空间；

例如公告号为CN212043803U的专利中，公开了“一种数控机床用刀具”，其技术方案为：刀柄及与刀柄连接的刀片，刀片上设置有至少一个出水孔，数控机床用刀具还包括设置在刀柄内的冷却通道、及至少一个与冷却通道连通的连接通道；刀片上设置有第一定位孔，刀柄上设置有通过紧固件与第一定位孔相配合的第二定位孔，当第一定位孔与第二定位孔位置对应时，连接通道与出水孔连通。解决的技术问题为：在刀柄上设置有冷却通道及用以连通出水口与冷却通道的连接通道，直接将冷却液引流至刀片上对其进行降温，方便快捷，且不会造成资源浪费。

由此可见，现有技术中普遍采用常温切削液冷却的方式，若采用常温切削液冷却，冷却效果有限，无法实现深度冷却；若采用超低温中心内冷切削技术，冷却介质直接作用于零件，零件受到过度冷却而变形，加工精度难以保证，同时零件冷却作用点与其余位置温差较大，会造成内部应力，进而造成加工变形。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的现有技术中上述过程采用的冷却装置一方面温度较低，冷却效果差，另一方面冷却介质无法循环利用，造成资源的浪费技术问题。

为此，本发明第一方面提供了一种结构件加工冷却系统。

本发明第二方面提供了一种内循环铣刀。

本发明第三方面提供了一种内循环钻头。

本发明第四方面提供了一种内循环车刀。

本发明第五方面提供了一种结构件加工冷却方法。

本发明提供了一种结构件加工冷却系统，包括冷却装置，具体地，冷却装置包括冷却介质存储装置和制冷装置，冷却介质存储装置用于存储冷却介质；机床，至少包括主轴部、刀柄部和刀具，所述主轴部与所述冷却介质存储装置连通，所述刀柄部与所述主轴部连通，所述刀具设置于所述刀柄部上，其中，所述冷却介质由主轴部进入并从刀柄部流出，以对刀具进行冷却；制冷装置，可以接收流出的冷却介质，另一端与所述冷却介质存储装置连接，并将所述冷却介质降温后输送回冷却介质存储装置，以构成冷却介质的内循环闭合环路或者制冷装置不接收冷却介质，从而使冷却介质直接排空。

本发明提出的结构件加工冷却系统，包括冷却介质存储装置、机床和制冷装置。冷却存储介质装置用于为冷却介质提供存储。具体地，冷却介质可以为液氮，液氮具有温度低等特性，从而保证冷却效率。冷却介质存储装置可以为高压液氮罐，用于存储液氮，规格为最大可承载压力10Mpa，容量为50L。机床至少包括主轴部、刀柄部和刀具。主轴部用于接收冷却介质并输送至刀柄部，刀柄部一方面用于为刀具提供安装工位，另一方面则为刀具提供冷却，并使完成冷却的冷却介质回流。制冷装置可以用于接收回流的冷却介质，并对其进行降温处理，再重新输送回至冷却介质存储装置，完成冷却介质的内循环闭环回路，从而最大程度的保证冷却介质的利用率，避免资源浪费。也可以不接收回流的冷却介质，从而使其排空。具体地，制冷装置可以为现有技术中的液体冷却机，具体型号不做限定，用于为液体的冷却介质提供降温处理。此外，刀具可以为铣刀、车刀或钻头。切削参数选择与常规切削可保持一致，部分工况可略有提升，附部分参考参数：

刀具规格	切宽(mm)	切深(mm)	转速(r/min)	进给速度(mm/min)	液氮流量(L/S)
						D12R3	2	1	16000	8000	0.005
D12R3	4	2	16000	8000	0.01
						D16R3	1	6	16000	9500	0.008
D16R3	2	12	16000	9500	0.016
						D20R3	2	6	16000	9500	0.024
D20R3	3	9	16000	9500	0.03

根据本发明上述技术方案的结构件加工冷却系统，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述刀柄部包括：刀柄，与所述主轴部连通，其中，所述刀柄内至少形成用于输送冷却介质的冷却通道以及输送冷却介质回流的冷却回流环道，且所述冷却回流环道沿刀柄周向开设；轴承组件，嵌装于所述刀柄，其中，所述轴承组件内设置有冷却回流通道，所述冷却回流通道与所述冷却回流环道连通，以接收回流的冷却介质；冷却回流管道，与所述冷却回流通道连通。

在该技术方案中，刀柄部包括刀柄、轴承组件和冷却回流管道。刀柄内形成有冷却通道和冷却回流环道。冷却通道用于冷却介质的输送，从而完成刀具的冷却。冷却回流环道则用于接收完成冷却的冷却介质，保证其能够顺利进行回流过程，从而完成冷却介质的内循环过程。轴承组件包括轴承和轴承座，轴承可以采用角接触球轴承，据刀柄大小不同，轴承直径在30～100mm选型，最大转速在12000～24000r/min。优选地，采用耐低温的润滑脂润滑，可在-200℃起到良好的润滑效果。冷却回流通道设置在轴承座内，并与冷却回流环道连通。冷却回流管道则用于接收来自冷却回流通道的回流的冷却介质，从而使其能够顺利流回至制冷装置内，进一步地完成整个内循环过程。

在上述技术方案中，所述冷却回流环道包括：收集环道，沿所述刀柄的周向开设，以收集冷却介质；输送端口，设置于所述收集环道，且将收集环道和冷却回流通道连通，以使冷却介质从输送端口进入到冷却回流通道内。

在该技术方案中，冷却回流环道包括收集环道以及输送端口。冷却回流环道呈周向布置在刀柄内，一方面保证冷却介质的回收，另一方面能够增大与刀柄的接触面积，从而提高冷却效果。输送端口则开设在冷却回流环道上，用于保证冷却介质的流出，从而确保冷却介质回流道冷却回流通道内，进一步地完成内循环过程。

在上述技术方案中，还包括：限位部，一端连接所述轴承组件，另一端连接机床。

在该技术方案中，还包括限位部。具体地，限位部有L形架体构成，其一端连接在主轴上，另一端连接在轴承组件上，从而保证轴承组件的稳定性。

在上述任一技术方案中，所述主轴部包括：主轴；中心流道，形成于所述主轴内，用于冷却介质的流通；连接组件，设置于所述主轴，且用于连接冷却介质的输入管。

在该技术方案中，主轴部包括主轴、中心流道和连接组件。主轴用于提供驱动力，完成对飞机构件的加工，中心流到则用于接收冷却介质并将冷却介质输送至刀柄部，从而进行刀柄和刀具的冷却。连接组件则用保证与冷却介质输送管的连接，确保冷却介质的进入。

在上述技术方案中，所述连接组件包括：管道转接头，设置于所述主轴的一端，且一端连通冷却介质输入管；密封轴承件，嵌装于所述管道转接头内；转子转接头，嵌装于所述密封轴承件，且连通所述中心流道，以使来自冷却介质输入管内的冷却介质输送至主轴内。

在该技术方案中，连接组件包括管道转接头、密封轴承件和转子转接头。管道转接头用于保证冷却介质输入管和主轴的连接，从而构成连通管路。密封轴承件则用于保证连接处密封性。转子转接头则用于保证与主轴同步动作。

在上述技术方案中，还包括：隔热部，设置于所述中心流道，以提供冷却介质的绝热。

在该技术方案中，还包括隔热部。隔热部用于提供冷却介质的绝热，从而保证冷却介质的冷却效果。

在上述技术方案中，所述隔热部包括：保温管，设置于所述主轴，其中，所述中心流道形成于所述保温管内；隔热层，包裹设置于所述保温管。

在该技术方案中，隔热部包括保温管和隔热层，保温管采用不锈钢材质的钢管。隔热层则采用气凝胶进行隔热，保证冷却介质的温度稳定。

机床内置管道设计：

设定管路最大流量Qmax＝0.03L/s；

取流量冗余度η＝1.2；

计算最大流量Qca＝Qmax×η＝0.036L/s＝36×10^-6m³/s；

由于受机床主轴中心孔径限制；

管道最小内径D₁＝3mm；

制冷液流速

在上述任一技术方案中，所述冷却介质为液氮，所述制冷装置制冷功率为25KW，所述冷却介质在所述制冷装置内的温度范围为-210℃至-196℃。

在该技术方案中，冷却介质为液氮，以及对制冷装置对进一步地限定。液氮具有无腐蚀性，不可燃，温度极低的特性，从而能够保证冷却质量以及冷却效果。进一步地，加工过程中，通过超低温内循环冷却过程，精准的冷却刀具，使其温度始终保持在-20℃以下。制冷系统对整个循环回路内的液氮进行温度控制，保持其温度不高于-196℃，制冷功率25KW，最低制冷温度-210℃。根据傅里叶热导方程：

q_x^″＝-k×dT/dx

其中q_x^″为热流密度，即在与传输方向相垂直的单位面积上，在x方向上的传热速率；T为温度；x为热传递方向的坐标；k为热导率。

从上式可以看出，热传递效率与导热率和温度梯度为正相关。在导热率相对固定的前提下，提高温度梯度从而提高热传递效率，因此需保持冷却介质温度。

此外，在机加过程中，切削温度直接对刀具寿命至关重要。每一种刀具材料都有自己适应的切削温度范围，例如常规涂层硬质合金刀具能承受最高温度在800到900摄氏度，CBN可以承受到1300摄氏度。如果切削热量大，刀具的磨损速度必然会加快。在切削热的作用下，刀具与切屑、刀具与工件接触区产生很高的温度，由于刀具与工件的材料的不同，便构成热电偶而产生热电动势，从而产生热电流。在热电流的作用下，碳的离子发生迁移，会导致刀具材料组织变弱，使刀具的磨损加剧。

因此，本发明利用液氮的超低温制冷，可以保持刀具温度始终保持较低值，可以有效的提升刀具寿命。

在上述技术方案中，所述冷却介质存储装置、机床和制冷装置之间通过真空管连接。

在该技术方案中，冷却介质存储装置、机床和制冷装置之间通过真空管连接。具体地，整个管路选用DN25高真空低温管，减少热量流失。

在上述技术方案中，还包括：液体泵，设置于所述真空管，为液氮的输送提供动力。

在该技术方案中，还包括液体泵。具体地，液体泵提供液氮循环的动力，额定压力0.6Mpa,功率120W。类型选择：自吸式离心低温液体泵。参数如下：

在上述技术方案中，还包括：压力检测装置，设置于所述真空管，以检测液氮的压力。

在该技术方案中，还包括压力检测装置。具体地，压力检测装置可以压力表。工作过程中，回路的整体工作压力要求在0.3～0.6Mpa，回路的密封性应该满足此要求。

在上述技术方案中，还包括：流量监测装置，设置于所述真空管，以监测液氮的流量。

在该技术方案中，还包括流量监测装置。流量监测装置可以为流量计。且流经主轴的回路上装有流量计，以监测液氮的流量。

在上述技术方案中，还包括：泄压装置，设置于所述真空管，以对管道泄压。

在该技术方案中，还包括泄压装置。具体地，泄压装置采用泄压阀。回路的泄压阀设计在高压液氮罐上，当回路压力高于0.6Mpa，则自动泄压。

在上述技术方案中，还包括：温度检测装置，设置于所述真空管，以检测介质温度。

在该技术方案中，还包括温度检测装置。温度检测装置可以采用温度计。

本发明还提供了一种冷却铣刀，用于如上述任一项技术方案所述的结构件加工冷却系统，包括：铣刀本体，与所述刀柄部连接，其中，所述铣刀本体设置有第一进口和第一出口；第一循环流道，形成于所述铣刀本体内，其中，所述第一循环流道的两端分别与第一进口和第一出口连通，以保证冷却介质在第一循环流道内的循环。第一出口可以与冷却通道连通或者不与冷却通道连通，当其与冷却通道连通时，构成冷却介质内循环回路。当其不与冷却通道连通时，第一出口可以设置在铣刀本体工作部位的上方，使得冷却介质直接排空，且呈向刀柄倾斜的结构，避免冷却介质直接与加工件接触，造成加工件的损伤。

本发明提供的冷却铣刀包括铣刀本体和第一循环流道。其中，铣刀本体安装在刀柄部上，能够保证与冷却介质的接触。第一循环流道则用于接收冷却介质，使进入到铣刀本体的内部进行冷却，且完成冷却后还能够和刀柄部的冷却通道配合，使冷却介质完成回流并继续进行内循环。一方面提高了刀具的冷却效果，从而保证刀具的使用寿命；另一方面能够配合结构件加工冷却系统完成冷却介质的内循环，节省资源。

在上述技术方案中，所述第一循环流道呈双螺旋结构。

在该技术方案中，第一循环流道呈双螺旋结构。双螺旋结构能够增加与刀具的接触面积以及冷却介质的行程，从而提高冷却介质的冷却效率以及利用率。

本发明还提供了一种冷却钻头，用于如上述任一项技术方案所述的结构件加工冷却系统，钻头本体，与所述刀柄部连接，其中，所述钻头本体设置有第二进口和第二出口；第二循环流道，形成于所述钻头本体内，其中，所述第二循环流道的两端分别与第二进口和第二出口连通，以保证冷却介质在第二循环流道内的循环。第二出口可以与冷却通道连通或者不与冷却通道连通，当其与冷却通道连通时，构成冷却介质内循环回路。当其不与冷却通道连通时，第二出口可以设置在钻头本体工作部位的上方，使得冷却介质直接排空，且呈向刀柄倾斜的结构，避免冷却介质直接与加工件接触，造成加工件的损伤。

本发明提供的冷却钻头包括钻头本体和第二循环流道。其中，钻头本体安装在刀柄部上，第二循环流道则通过第二进口接收冷却介质。冷却介质在第二循环流道内完成冷却后经第二出口回流至冷却通道内。一方面提高钻头的冷却效率，提高其使用寿命。另一方面保证冷却介质的内循环的完成。

在上述技术方案中，所述第二循环流道呈双螺旋结构。

在该技术方案中，第二循环流道呈双螺旋结构。同理，双螺旋结构能够增加与刀具的接触面积以及冷却介质的行程，从而提高冷却介质的冷却效率以及利用率。

本发明还提供了一种冷却车刀，用于如上述任一项技术方案所述的结构件加工冷却系统，包括：车刀本体，与所述刀柄部连接，其中，所述车刀本体包括对接端以及刀体；本体中心流道，形成于所述对接端；冷却回流道，形成于所述对接端，并位于所述本体中心流道的两侧；热量交换槽，形成于所述对接端，且所述本体中心流道和所述冷却回流道通过所述热量交换槽连通。冷却回流道的出口可以与冷却通道连通，构成冷却介质的内循环回路。或者冷却回流道的出口不与冷却通道连通，使得冷却介质直接排空，且出口向刀柄方向倾斜，避免冷却介质直接与加工件接触，造成加工件的损伤。

本发明提供的冷却车刀包括车刀本体、本体中心流道、冷却回流道和热量交换槽。车刀本体用于完成对加工件的加工。本体中心流道则用于接收来自刀柄部的冷却介质，并且对车刀本体进行冷却，冷却回流道则用于保证冷却介质的回流。热量交换槽则用于冷却介质和刀体热量的交换，从而完成冷却过程，提高冷却效率以及质量。

在上述技术方案中，所述刀体包括：刀头部，与所述热量交换槽接触；刀片部，设置于所述刀头部。

在该技术方案中，刀体包括刀头部和刀片部。刀头部用于与热量交换槽内的冷却介质交换热量，从而完成冷却过程。刀片部则用于对加工件进行加工。

本发明还提供了一种结构件加工冷却方法，应用上述任一项技术方案中所述的结构件加工冷却系统，包括：

步骤一：将加工件放置在机床上，使得刀具能够对加工件进行加工；

步骤二：启动主轴部，带动刀具对加工件进行加工；

步骤三：启动冷却装置，冷却装置内的冷却介质进入机床的主轴部，并输送至刀柄部，以对刀柄部和刀具进行冷却；

步骤四：冷却液完成冷却后回流至冷却装置内进行降温处理以进行下一次降温；或冷却液直接排空。

本发明提供的结构件加工冷却方法，具体地，冷却介质采用液氮。因此，一方面能够保证传统切削液存在的冷却效果有限，无法实现深度冷却的问题；另一方面避免了冷却介质直接作用于零件，零件受到过度冷却而变形，加工精度难以保证，同时零件冷却作用点与其余位置温差较大，会造成内部应力，进而造成加工变形的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的结构件加工冷却系统的连接图；

图2是本发明一个实施例的结构件加工冷却系统的系统图；

图3是图1所示主轴部结构图；

图4是图3的局部放大图；

图5是图1所示机床结构图；

图6是图5的局部放大图之一；

图7是图5的局部放大图之二；

图8本发明另一个实施例的冷却铣刀装配图；

图9是图8所示铣刀的主视图；

图10是图8所示铣刀的透视图；

图11是图8所示铣刀的俯视图；

图12本发明另一个实施例的冷却钻头装配图；

图13是图12所示钻头的主视图；

图14是图12所示铣刀的透视图；

图15是图12所示铣刀的俯视图；

图16本发明另一个实施例的冷却车刀主视图；

图17是图16在A-A处剖面图。

其中，图1至图17中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

102冷却介质存储装置，104机床，106主轴部，108刀柄部，1082轴承，1084轴承座，110冷却通道，112冷却回流环道，1122收集环道，1124输送端口，114冷却回流通道，116冷却回流管道，118制冷装置，120限位部，122中心流道，124连接组件，1242管道转接头，1244密封轴承件，1246转子转接头，126保温管，128隔热层，130压力检测装置，132流量监测装置，134泄压装置，136温度检测装置；

202铣刀本体，2022第一进口，2024第一出口，204第一循环流道；

302钻头本体，3022第二进口，3024第二出口，304第二循环流道；

402车刀本体，404本体中心流道，408冷却回流道，410热量交换槽，412刀体，4122刀头部，4124刀片部。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图17来描述根据本发明一些实施例提供的结构件加工冷却系统、方法、铣刀、钻头和车刀。

本申请的一些实施例提供了一种结构件加工冷却系统。

如图1至图7所示，本发明第一个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，包括冷却介质存储装置102，存储冷却介质；机床104，至少包括主轴部106、刀柄部108和刀具，主轴部106与冷却介质存储装置102连通，刀柄部108与主轴部106连通，刀具设置于刀柄部108上，其中，冷却介质由主轴部106进入并从刀柄部108流出，以对刀具进行冷却；制冷装置118，一端与刀柄部108连通，以接收流出的冷却介质，另一端与冷却介质存储装置102连接，并将冷却介质降温后输送回冷却介质存储装置102，以构成冷却介质的内循环闭合环路。

本发明提出的结构件加工冷却系统，包括冷却介质存储装置102、机床104和制冷装置118。冷却存储介质装置用于为冷却介质提供存储。具体地，冷却介质可以为液氮，液氮具有温度低等特性，从而保证冷却效率。冷却介质存储装置102可以为高压液氮罐，用于存储液氮，规格为最大可承载压力10Mpa，容量为50L。机床104至少包括主轴部106、刀柄部108和刀具。主轴部106用于接收冷却介质并输送至刀柄部108，刀柄部108一方面用于为刀具提供安装工位，另一方面则为刀具提供冷却，并使完成冷却的冷却介质回流。制冷装置118则用于接收回流的冷却介质，并对其进行降温处理，再重新输送回至冷却介质存储装置102，完成冷却介质的内循环闭环回路，从而最大程度的保证冷却介质的利用率，避免资源浪费。具体地，制冷装置118可以为现有技术中的液体冷却机，具体型号不做限定，用于为液体的冷却介质提供降温处理。此外，刀具可以为铣刀、车刀或钻头。切削参数选择与常规切削可保持一致，部分工况可略有提升，附部分参考参数：

本发明第二个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在第一个实施例的基础上，刀柄部108包括：刀柄，与主轴部106连通，其中，刀柄内至少形成用于输送冷却介质的冷却通道110以及输送冷却介质回流的冷却回流环道112，且冷却回流环道112沿刀柄周向开设；轴承组件，嵌装于刀柄，其中，轴承组件内设置有冷却回流通道114，冷却回流通道114与冷却回流环道112连通，以接收回流的冷却介质；冷却回流管道116，与冷却回流通道114连通。

在本实施例中，刀柄部108包括刀柄、轴承组件和冷却回流管道116。刀柄内形成有冷却通道110和冷却回流环道112。冷却通道110用于冷却介质的输送，从而完成刀具的冷却。冷却回流环道112则用于接收完成冷却的冷却介质，保证其能够顺利进行回流过程，从而完成冷却介质的内循环过程。轴承组件包括轴承1082和轴承座1084，轴承1082可以采用角接触球轴承，据刀柄大小不同，轴承1082直径在30～100mm选型，最大转速在12000～24000r/min。优选地，采用耐低温的润滑脂润滑，可在-200℃起到良好的润滑效果。冷却回流通道114设置在轴承1082座内，并与冷却回流环道112连通。冷却回流管道116则用于接收来自冷却回流通道114的回流的冷却介质，从而使其能够顺利流回至制冷装置118内，进一步地完成整个内循环过程。

本发明第三个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，冷却回流环道112包括：收集环道1122，沿刀柄的周向开设，以收集冷却介质；输送端口1124，设置于收集环道1122，且将收集环道1122和冷却回流通道114连通，以使冷却介质从输送端口1124进入到冷却回流通道114内。

在本实施例中，冷却回流环道112包括收集环道1122以及输送端口1124。冷却回流环道112呈周向布置在刀柄内，一方面保证冷却介质的回收，另一方面能够增大与刀柄的接触面积，从而提高冷却效果。输送端口1124则开设在冷却回流环道112上，用于保证冷却介质的流出，从而确保冷却介质回流道冷却回流通道114内，进一步地完成内循环过程。

本发明第四个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：限位部120，一端连接轴承组件，另一端连接机床104。

在本实施例中，还包括限位部120。具体地，限位部120有L形架体构成，其一端连接在主轴上，另一端连接在轴承组件上，从而保证轴承组件的稳定性。

本发明第五个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，主轴部106包括：主轴；中心流道122，形成于主轴内，用于冷却介质的流通；连接组件124，设置于主轴，且用于连接冷却介质的输入管。

在本实施例中，主轴部106包括主轴、中心流道122和连接组件124。主轴用于提供驱动力，完成对飞机构件的加工，中心流到则用于接收冷却介质并将冷却介质输送至刀柄部108，从而进行刀柄和刀具的冷却。连接组件124则用保证与冷却介质输送管的连接，确保冷却介质的进入。

本发明第六个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，连接组件124包括：管道转接头1242，设置于主轴的一端，且一端连通冷却介质输入管；密封轴承件1244，嵌装于管道转接头1242内；转子转接头1246，嵌装于密封轴承件1244，且连通中心流道122，以使来自冷却介质输入管内的冷却介质输送至主轴内。

在本实施例中，连接组件124包括管道转接头1242、密封轴承件和转子转接头1246。管道转接头1242用于保证冷却介质输入管和主轴的连接，从而构成连通管路。密封轴承件1244则用于保证连接处密封性。转子转接头1246则用于保证与主轴同步动作。

本发明第七个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：隔热部，设置于中心流道122，以提供冷却介质的绝热。

在本实施例中，还包括隔热部。隔热部用于提供冷却介质的绝热，从而保证冷却介质的冷却效果。

本发明第八个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，隔热部包括：保温管126，设置于主轴，其中，中心流道122形成于保温管126内；隔热层128，包裹设置于保温管126。

在本实施例中，隔热部包括保温管126和隔热层128，保温管126采用不锈钢材质的钢管。隔热层128则采用气凝胶进行隔热，保证冷却介质的温度稳定。具体地，机床内置管道设计如下：

设定管路最大流量Qmax＝0.03L/s；

取流量冗余度η＝1.2；

计算最大流量Qca＝Qmax×η＝0.036L/s＝36×10^-6m³/s；

由于受机床主轴中心孔径限制；

管道最小内径D₁＝3mm；

制冷液流速

本发明第九个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，冷却介质为液氮，制冷装置118制冷功率为25KW，冷却介质在制冷装置118内的温度范围为-210℃至-196℃。

在本实施例中，冷却介质为液氮，以及对制冷装置118对进一步地限定。液氮具有无腐蚀性，不可燃，温度极低的特性，从而能够保证冷却质量以及冷却效果。进一步地，加工过程中，通过超低温内循环冷却过程，精准的冷却刀具，使其温度始终保持在-20℃以下。制冷系统对整个循环回路内的液氮进行温度控制，保持其温度不高于-196℃，制冷功率25KW，最低制冷温度-210℃。根据傅里叶热导方程：

q_x^″＝-k×dT/dx

其中q_x^″为热流密度，即在与传输方向相垂直的单位面积上，在x方向上的传热速率；T为温度；x为热传递方向的坐标；k为热导率。

从上式可以看出，热传递效率与导热率和温度梯度为正相关。在导热率相对固定的前提下，提高温度梯度从而提高热传递效率，因此需保持冷却介质温度。

此外，在机加过程中，切削温度直接对刀具寿命至关重要。每一种刀具材料都有自己适应的切削温度范围，例如常规涂层硬质合金刀具能承受最高温度在800到900摄氏度，CBN可以承受到1300摄氏度。如果切削热量大，刀具的磨损速度必然会加快。在切削热的作用下，刀具与切屑、刀具与工件接触区产生很高的温度，由于刀具与工件的材料的不同，便构成热电偶而产生热电动势，从而产生热电流。在热电流的作用下，碳的离子发生迁移，会导致刀具材料组织变弱，使刀具的磨损加剧。

因此，本发明利用液氮的超低温制冷，可以保持刀具温度始终保持较低值，可以有效的提升刀具寿命。

本发明第十个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，冷却介质存储装置102、机床104和制冷装置118之间通过真空管连接。

在本实施例中，冷却介质存储装置102、机床104和制冷装置118之间通过真空管连接。具体地，整个管路选用DN25高真空低温管，减少热量流失。

本发明第十一个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：液体泵，设置于真空管，为液氮的输送提供动力。

在本实施例中，还包括液体泵。具体地，液体泵提供液氮循环的动力，额定压力0.6Mpa,功率120W。类型选择：自吸式离心低温液体泵。参数如下：

本发明第十二个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：压力检测装置130，设置于真空管，以检测液氮的压力。

在本实施例中，还包括压力检测装置130。具体地，压力检测装置130可以压力表。工作过程中，回路的整体工作压力要求在0.3～0.6Mpa，回路的密封性应该满足此要求。

本发明第十三个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：流量监测装置132，设置于真空管，以监测液氮的流量。

在本实施例中，还包括流量监测装置132。流量监测装置132可以为流量计。且流经主轴的回路上装有流量计，以监测液氮的流量。

本发明第十四个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：泄压装置134，设置于真空管，以对管道泄压。

在本实施例中，还包括泄压装置134。具体地，泄压装置134采用泄压阀。回路的泄压阀设计在高压液氮罐上，当回路压力高于0.6Mpa，则自动泄压。

本发明第十五个实施例提出了一种结构件加工冷却系统，且在上述任一实施例的基础上，还包括：温度检测装置136，设置于真空管，以检测介质温度。

在本实施例中，还包括温度检测装置136。温度检测装置136可以采用温度计。

本申请的一些实施例提供了一种内循环冷却刀具。

本发明第十六个实施例提出了一种冷却铣刀，如图8至图11所示，用于如上述任一项技术方案的结构件加工冷却系统，包括：铣刀本体202，与刀柄部连接，其中，铣刀本体202设置有第一进口2022和第一出口2024；第一循环流道204，形成于铣刀本体202内，其中，第一循环流道204的两端分别与第一进口2022和第一出口2024连通，以保证冷却介质在第一循环流道204内的循环。

本发明提供的冷却铣刀包括铣刀本体202和第一循环流道204。其中，铣刀本体202安装在刀柄部上，能够保证与冷却介质的接触。第一循环流道204则用于接收冷却介质，使进入到铣刀本体202的内部进行冷却，且完成冷却后还能够和刀柄部的冷却通道配合，使冷却介质完成回流并继续进行内循环。一方面提高了刀具的冷却效果，从而保证刀具的使用寿命；另一方面能够配合结构件加工冷却系统完成冷却介质的内循环，节省资源。

在本实施例中，第一出口2024的位置与冷却通道位置对应。

具体地，第一出口2024的位置与冷却通道位置对应。具体地，完成刀具冷却的冷却介质从第一出口2024输送回冷却通道，从而完成后续的内循环过程。

在本实施例中，第一循环流道204呈双螺旋结构。

具体地，第一循环流道204呈双螺旋结构。双螺旋结构能够增加与刀具的接触面积以及冷却介质的行程，从而提高冷却介质的冷却效率以及利用率。

本发明第十七个实施例提出了一种冷却钻头，如图12至图15所示，用于如上述任一项技术方案的结构件加工冷却系统，包括钻头本体302，与刀柄部连接，其中，钻头本体302设置有第二进口3022和第二出口3024；第二循环流道304，形成于钻头本体302内，其中，第二循环流道304的两端分别与第二进口3022和第二出口3024连通，以保证冷却介质在第二循环流道304内的循环。

本发明提供的冷却钻头包括钻头本体302和第二循环流道304。其中，钻头本体302安装在刀柄部上，第二循环流道304则通过第二进口3022接收冷却介质。冷却介质在第二循环流道304内完成冷却后经第二出口3024回流至冷却通道内。一方面提高钻头的冷却效率，提高其使用寿命。另一方面保证冷却介质的内循环的完成。

在本实施例中，第二循环流道304呈双螺旋结构。

具体地，第二循环流道304呈双螺旋结构。同理，双螺旋结构能够增加与刀具的接触面积以及冷却介质的行程，从而提高冷却介质的冷却效率以及利用率。

本发明第十七个实施例提出了一种冷却车刀，如图16和图17所示，用于如上述任一项技术方案的结构件加工冷却系统，包括：车刀本体402，与刀柄部连接，其中，车刀本体402包括对接端以及刀体412；本体中心流道404，形成于对接端；冷却回流道408，形成于对接端，并位于本体中心流道404的两侧；热量交换槽410，形成于对接端，且本体中心流道404和冷却回流道408通过热量交换槽410连通。

本发明提供的冷却车刀包括车刀本体402、本体中心流道404、冷却回流道408和热量交换槽410。车刀本体402用于完成对加工件的加工。本体中心流道404则用于接收来自刀柄部的冷却介质，并且对车刀本体402进行冷却，冷却回流道408则用于保证冷却介质的回流。热量交换槽410则用于冷却介质和刀体412热量的交换，从而完成冷却过程，提高冷却效率以及质量。

在本实施例中，刀体412包括：刀头部4122，与热量交换槽410接触；刀片部4124，设置于刀头部4122。

具体地，刀体412包括刀头部4122和刀片部4124。刀头部4122用于与热量交换槽410内的冷却介质交换热量，从而完成冷却过程。刀片部4124则用于对加工件进行加工。

本发明第十八个实施例提出了一种结构件加工冷却方法，应用上述任一项实施例中所述的结构件加工冷却系统，包括：

步骤一：将加工件放置在机床上，使得刀具能够对加工件进行加工；

步骤二：启动主轴部，带动刀具对加工件进行加工；

步骤三：启动冷却装置，冷却装置内的冷却介质进入机床的主轴部，并输送至刀柄部，以对刀柄部和刀具进行冷却；

步骤四：冷却液完成冷却后回流至冷却装置内进行降温处理以进行下一次降温；或冷却液直接排空。

本发明提供的结构件加工冷却方法，具体地，冷却介质采用液氮。因此，一方面能够保证传统切削液存在的冷却效果有限，无法实现深度冷却的问题；另一方面避免了冷却介质直接作用于零件，零件受到过度冷却而变形，加工精度难以保证，同时零件冷却作用点与其余位置温差较大，会造成内部应力，进而造成加工变形的问题。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种结构件加工冷却系统，其特征在于，包括：

机床，至少包括主轴部、刀柄部和刀具，所述刀柄部与所述主轴部连通，所述刀具设置于所述刀柄部上；

冷却装置，连通所述刀柄部，并通过提供冷却介质对所述刀具进行冷却。

2.根据权利要求1所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述冷却装置还连通刀具的出口，以形成内循环；或当冷却装置不连通刀具的出口时，冷却介质直接排空。

3.根据权利要求1所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述刀柄部包括：

刀柄，与所述主轴部连通，其中，所述刀柄内至少形成用于输送冷却介质的冷却通道以及输送冷却介质回流的冷却回流环道，且所述冷却回流环道沿刀柄周向开设；

轴承组件，嵌装于所述刀柄，其中，所述轴承组件内设置有冷却回流通道，所述冷却回流通道与所述冷却回流环道连通，以接收回流的冷却介质；

冷却回流管道，与所述冷却回流通道连通。

4.根据权利要求3所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述冷却回流环道包括：

收集环道，沿所述刀柄的周向开设，以收集冷却介质；

输送端口，设置于所述收集环道，且将收集环道和冷却回流通道连通，以使冷却介质从输送端口进入到冷却回流通道内。

5.根据权利要求3所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，还包括：

限位部，一端连接所述轴承组件，另一端连接机床。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述主轴部包括：

主轴；

中心流道，形成于所述主轴内，用于冷却介质的流通；

连接组件，设置于所述主轴，且用于连接冷却介质的输入管。

7.根据权利要求6所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述连接组件包括：

管道转接头，设置于所述主轴的一端，且一端连通冷却介质输入管；

密封轴承件，嵌装于所述管道转接头内；

转子转接头，嵌装于所述密封轴承件，且连通所述中心流道，以使来自冷却介质输入管内的冷却介质输送至主轴内。

8.根据权利要求7所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，还包括：

隔热部，设置于所述中心流道，以提供冷却介质的绝热。

9.根据权利要求8所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，所述隔热部包括：

保温管，设置于所述主轴，其中，所述中心流道形成于所述保温管内；

隔热层，包裹设置于所述保温管。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，

所述冷却介质为液氮，所述冷却介质在所述冷却装置内的温度范围为-210℃至-196℃。

11.根据权利要求10所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，

所述冷却介质存储装置、机床和冷却装置之间通过真空管连接。

12.根据权利要求11所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，还包括：

液体泵，设置于所述真空管，为液氮的输送提供动力。

13.根据权利要求12所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，还包括：

压力检测装置，设置于所述真空管，以检测液氮的压力；和/或

流量监测装置，设置于所述真空管，以监测液氮的流量。

14.根据权利要求11所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，还包括：

泄压装置，设置于所述真空管，以对管道泄压；和/或

温度检测装置，设置于所述真空管，以检测介质温度。

15.一种冷却铣刀，用于如上述权利要求1至14中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，包括：

铣刀本体，与所述刀柄部连接，其中，所述铣刀本体设置有第一进口和第一出口。

16.根据权利要求15所述的冷却铣刀，其特征在于，还包括：

第一循环流道，形成于所述铣刀本体内，其中，所述第一循环流道的两端分别与第一进口和第一出口连通，以保证冷却介质在第一循环流道内的循环。

17.根据权利要求16所述的冷却铣刀，其特征在于，所述第一循环流道呈双螺旋结构。

18.一种冷却钻头，用于如上述权利要求1至14中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，包括：

钻头本体，与所述刀柄部连接，其中，所述钻头本体设置有第二进口和第二出口。

19.根据权利要求18所述的冷却钻头，其特征在于，还包括：

第二循环流道，形成于所述钻头本体内，其中，所述第二循环流道的两端分别与第二进口和第二出口连通，以保证冷却介质在第二循环流道内的循环。

20.根据权利要求19所述的冷却钻头，其特征在于，所述第二循环流道呈双螺旋结构。

21.一种冷却车刀，用于如上述权利要求1至14中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，包括：

车刀本体，与所述刀柄部连接，其中，所述车刀本体包括对接端以及刀体。

22.根据权利要求21所述的冷却车刀，其特征在于，还包括：

本体中心流道，形成于所述对接端；

冷却回流道，形成于所述对接端，并位于所述本体中心流道的两侧；

热量交换槽，形成于所述对接端，且所述本体中心流道和所述冷却回流道通过所述热量交换槽连通。

23.根据权利要求22所述的冷却车刀，其特征在于，所述刀体包括：

刀头部，与所述热量交换槽接触；

刀片部，设置于所述刀头部。

24.一种结构件加工冷却方法，应用上述权利要求1至14中任一项所述的结构件加工冷却系统，其特征在于，包括：

步骤一：将加工件放置在机床上，使得刀具能够对加工件进行加工；

步骤二：启动主轴部，带动刀具对加工件进行加工；

步骤三：启动冷却装置，冷却装置内的冷却介质进入机床的主轴部，并输送至刀柄部，以对刀柄部和刀具进行冷却；

步骤四：冷却液完成冷却后回流至冷却装置内进行降温处理以进行下一次降温；或冷却液直接排空。

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