CN117102953A - 一种低温切削刀具磁制冷系统及低温切削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温切削刀具磁制冷系统及低温切削方法；该低温切削刀具磁制冷系统包括刀具、磁制冷装置和流体传输装置。磁制冷装置包括磁制冷容器和电磁线圈。磁制冷容器的外侧同轴套置有空心铁芯；电磁线圈缠绕在空心铁芯的外侧。磁制冷容器中设有内腔和外腔。所述的内腔中存储有磁性纳米流体；外腔中存储有传热介质。所述的刀具内部设置有冷却流道。所述刀具上安装有分离式刀片；冷却流道经过靠近分离式刀片的位置。本发明利用低温切削作业的制冷为间歇性制冷的特点，在退刀时通过磁制冷的方式使得作为制冷工质的磁性纳米流体温度相较于传热介质进一步降低；从而克服常规传热介质直接进行刀具冷却无法达到低温切削作业要求的问题。
Description
技术领域
本发明属于刀具冷却技术领域，具体涉及一种低温切削刀具磁制冷系统及低温切削方法。
背景技术
低温加工是一种新型特种加工工艺，主要应用于难加工金属(如钛合金、高温合金等)、纤维增强复合材料(如碳纤维复合材料等)、高分子聚合物(如聚四氟乙烯等)等材料的切削加工。这些材料由于自身加工特性影响，导致切削过程产生大量切削热，严重影响刀具的使用寿命，降低加工效率。低温加工技术通过低温介质使工件、刀具以及切削区域处于低温冷却状态，该技术不但可以减小刀具磨损，提高刀具寿命，而且可以明显改善加工精度以及工件表面质量。此外，加工生物制品，如牙齿、骨头等切割、锯切和钻削过程中，温度控制非常重要，低温加工有助于保持细胞活性，维持组织结构完整性、防止热损失。
根据冷却温度划分，低温切削主要分为三种类型：常温以下切削(4℃～6℃)、零度以下切削(0℃～-30℃)和超低温切削(小于-50℃)。目前低温加工技术主要有低温风冷、液氮冷却和电子冷冻等。但是当加工某些对加工环境的洁净需求很高的材料时，低温气体或液体往往不被允许加入切削区域。此外，现有的液冷散热方式受环境影响大，且难以降低到足够的低温，低温介质的普遍价格昂贵，导致加工成本大幅提高，这也是低温加工技术应用受限的一个原因。因此，找到一种能够高效冷却且绿色无污染的刀具冷却技术十分重要。
磁制冷是一种基于磁热效应的新型制冷技术，磁热效应是指磁性材料处于外部磁场中，磁场增大或者减小时其会向外界环境释放热量或者吸收热量，通过构筑热量循环就可以达到制冷的效果。磁制冷技术较传统制冷技术效率更高、更加节能、无噪声。而且可以选择使用的是无毒的磁性材料，是一种环境友好型制冷技术。但是，磁制冷的过程中存在施加磁场进行等温磁化，以及去磁降温的阶段，该阶段无法进行制冷；这导致磁制冷难以用于常见的散热工况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温切削刀具磁制冷系统及低温切削方法。
本发明提供一种低温切削刀具磁制冷系统，其包括刀具、磁制冷装置和流体传输装置。所述的磁制冷装置包括磁制冷容器和电磁线圈。磁制冷容器的外侧同轴套置有空心铁芯；电磁线圈缠绕在空心铁芯的外侧。所述的磁制冷容器中设有内腔和外腔；内腔设置在外腔的内部，且内腔与外腔相互独立。所述的内腔中存储有磁性纳米流体；外腔中存储有传热介质。所述的刀具内部设置有冷却流道。所述刀具上安装有分离式刀片；冷却流道经过靠近分离式刀片的位置。
所述的流体传输装置包括流量调节阀、液压泵、单向阀和绝热流管。磁制冷容器的内腔、流量调节阀、液压泵、单向阀、刀具内的冷却流道通过绝热流管依次相连形成液冷循环回路。
工作过程中，电磁线圈通电，磁性纳米流体释放热量并将热量传递至传热介质；需要冷却刀具时，电磁线圈断电，磁性纳米流体的温度降低；流体传输装置将磁性纳米流体输送至刀具内的冷却流道，对分离式刀片进行冷却。
作为优选，所述的磁制冷容器中并排设有多个磁制冷单元；各磁制冷单元的内腔的进液口或出液口处设置有分支通断阀；三个磁制冷单元的外腔中存储有不同温度的传热介质，使得三个磁制冷单元内腔输出的磁性纳米流体的温度不同；工作过程中，根据切削加工的温度要求，开启其中一个磁制冷单元对应的分支通断阀，关闭其余磁制冷单元对应的分支通断阀。
作为优选，所述的磁制冷装置和控制模块均安装在工作台上。所述的磁制冷容器的底端设有定位凸台；磁制冷容器的定位凸台固定在工作台上的定位凹槽中。
作为优选，该低温切削刀具磁制冷系统还包括控制模块；所述的电磁线圈连接至控制模块；控制模块通过改变通入电磁线圈的电流大小。
作为优选，所述冷却流道的输入口和输出口均位于刀具的尾端。
作为优选，所述刀具的头端内部嵌入有导热棒。导热棒与刀具上的分离式刀片对齐。分离式刀片与导热棒的端部之间填充有导热硅脂。冷却流道绕过导热棒。
作为优选，所述的冷却流道绕过的导热棒部分呈螺旋状，缠绕在导热棒上。
作为优选，所述的刀具上靠近分离式刀片的位置安装有温度传感器。
作为优选，所述的磁性纳米流体为铁铵矾、铬钾矾和硝酸铈镁纳米颗粒中的多种制成的纳米流体；
作为优选，所述磁制冷容器的内腔与外腔之间的隔断层的材质为铜。
作为优选，所述的磁制冷容器外腔中的传热介质的热量通过外部的换热系统释放。
一种低温切削加工方法，使用前述的低温切削刀具磁制冷系统；该方法包括以下步骤：
步骤一、电磁线圈通电且逐步增大电流，磁性纳米流体释放的热量被传热介质吸收，磁性纳米流体进行磁化并释放热量；磁性纳米流体释放的热量被传热介质吸收。
步骤二、进行切削加工前，电磁线圈断电，磁场消失，磁性纳米流体吸收磁化热，使得磁性纳米流体的温度降低至低于传热介质的温度。
步骤三、刀具对工件进行切削；液压泵将磁制冷容器中的磁性纳米流体输送至刀具内的冷却流道中，对刀具进行冷却。在切削进给的间隙，重复执行步骤一和二，降低磁制冷容器内腔中磁性纳米流体的温度。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明利用低温切削作业的制冷为间歇性制冷(两次切削进给之间需要进行退刀)的特点，在退刀时通过磁制冷的方式使得作为制冷工质的磁性纳米流体温度相较于传热介质进一步降低，实现了磁制冷在刀具散热中的应用；从而克服常规传热介质直接进行刀具冷却无法达到低温切削作业要求的问题。
2、本发明通过在磁制冷容器中设置内外腔，实现了磁性纳米流体的等温磁化，使得磁性纳米流体的制冷性能达到最大化，磁性纳米流体的循环利用也减少了资源消耗。
3、本发明通过温度传感器实时监测刀尖处磁性纳米流体的温度，并通过改变磁场强度和磁性纳米流体流量的方式调节磁制冷效果，实现对刀具加工温度的低延迟控制，防止刀具因温度过大过度磨损而降低刀具使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中磁制冷容器的内部结构图。
图3为本发明中刀具的结构示意图。
图4为本发明的温度控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种低温切削刀具磁制冷系统，包括刀具1、工作台5、磁制冷装置、流体传输装置和控制模块8。磁制冷装置和控制模块8均安装在工作台5上。磁制冷装置包括磁制冷容器2和电磁线圈3。磁制冷容器2的底端设有定位凸台；磁制冷容器2的定位凸台固定在工作台5上的定位凹槽中。磁制冷容器2的外侧同轴套置有空心铁芯；电磁线圈3缠绕在空心铁芯的外侧。电磁线圈3连接至控制模块8；控制模块8通过改变通入电磁线圈3的电流大小，调节电磁线圈3产生的磁场强度，从而改变磁制冷效果。磁制冷装置用于降低磁制冷容器2内的磁性纳米流体的温度，获得温度低于传热介质的磁性纳米流体。
如图3所示，刀具1内部设置有冷却流道13。冷却流道13的输入口和输出口均位于刀具1的尾端。刀具1的头端内部嵌入有导热棒14。导热棒14与刀具1上的分离式刀片11对齐。分离式刀片11与导热棒的端部之间填充有导热硅脂12，以加速刀具切削区域的导热冷却。冷却流道13绕过导热棒。在一些优选的实施例中，冷却流道13绕过的导热棒部分呈螺旋状，缠绕在导热棒上，使得温度降低的磁性纳米流体在刀尖处停留时间延长，充分冷却刀尖区域，提高热交换效率。
流体传输装置安装在工作台5上，包括流量调节阀4、液压泵6、单向阀7和绝热流管。磁制冷容器2的内腔23、流量调节阀4、液压泵6、单向阀7、刀具1内的冷却流道13通过绝热流管依次相连形成液冷循环回路。
如图2所示，磁制冷容器2包括并排设置在绝热容器内的三个磁制冷单元；相邻的磁制冷单元之间设有隔热层。各磁制冷单元均包括分支通断阀21、外腔22和内腔23；内腔23设置在外腔22的内部，且内腔23与外腔22互不连通。三个内腔23中均存储有作为制冷工质的磁性纳米流体；三个外腔22中分别存储有不同温度的传热介质；传热介质的作用是接收磁性纳米流体传导的热量，使磁性纳米流体在磁场施加前后的温度保持基本不变，实现等温磁化。分支通断阀21连接在内腔23的进液口。
传热介质用于吸收磁性纳米流体中的热量；三个外腔22中分别存储温度不同的三种传热介质，用于获取不同温度的磁性纳米流体，以便于实现不同温度要求的低温切削。通过控制三个分支通断阀21的开启与闭合，能够选择任意一个磁制冷单元中的内腔23接入液冷循环回路，从而利用不同传热介质提供的基础温度不同的特点，输出不同温度的磁性纳米流体。
磁制冷容器2上设有输入口和输出口。磁制冷容器2的输入口通过分叉流道连接至三个磁制冷单元中的分支通断阀21。三个磁制冷单元中的内腔23的出液口通过汇总流道连接至磁制冷容器2的输出口。
在一些实施例中，通过定期或不定期更换、补充传热介质的方式将传热介质的温度维持一定区间内。三个外腔中分别存储冰水混合物(0℃)、液态二氧化碳(-37℃)、液氮(-196℃)；对于吸热发生气化的传热介质(如液态二氧化碳和液氮)，对应的外腔顶部设置有排气阀，以便于泄压。
在一些实施例中，各外腔设置在环状容器中；环状容器能够从磁制冷容器2中拆卸更换，由此即可通过更换环状容器的方式，实现传热介质的快速更换或补充。
在一些实施例中，传导至传热介质的热量通过外部的换热系统释放，基于此，三个外腔22分别接入三个不同换热介质的热交换系统，以便于对外界释放传热介质的热量，使得各外腔中的传热介质保持温度恒定。三个外腔中分别存储氟利昂、氨、丙烷。
切削过程中，在液压泵的作用下磁性纳米流体单向输入到刀具1内部冷却流道13，实现刀具制冷。刀具内部冷却流道13输出的磁性纳米流体会回流到磁制冷容器中，等待新一轮的制冷过程。
温度传感器9安装在刀具1上靠近刀尖的位置，且温度传感器9检测部伸入冷却流道13内。温度传感器9用于实时监测刀尖区域磁性纳米流体的温度，温度信号传输线连接至控制模块8，实时温度显示在控制模块的显示器上，若温度超过预设范围，则操作人员进行流量大小或暂停加工，重新进行磁制冷，来加强磁制冷效果，防止刀具过度磨损。
磁制冷的过程为：电磁线圈通入电流后，线圈内部会产生定向磁场，处于磁制冷容器内腔中的磁性纳米流体受到磁场作用会发生磁热效应，磁性纳米流体会产生磁化热，热量传递给传热介质，使磁性纳米流体的温度继续保持与传热介质温度相近，实现等温磁化。需要进行刀具冷却时，电磁线圈断电，外部磁场消失，在绝热条件下，磁性纳米流体需吸收大量磁化热，使得磁性纳米流体的温度降低至低于传热介质的温度；此时，使用磁性纳米流体有助于提高刀具的降温效果。传导至传热介质的热量通过外部的换热系统释放，或通过更换传热介质的方式将传热介质的温度维持一定区间内。
在一些实施例中，所述磁制冷容器通过改造杜瓦瓶得到，以保证磁制冷循环过程中始终处于绝热环境。
在一些实施例中，磁性纳米流体为多种顺磁性材料纳米颗粒制成的纳米流体；顺磁性材料包括铁铵矾、铬钾矾和硝酸铈镁，使得磁性纳米流体的磁相变温度区间尽可能大。
在一些实施例中，磁制冷容器的内腔与外腔之间的隔断层采用金属铜，以提高磁性纳米流体和传热介质的热交换能力。
在一些实施例中，磁性纳米流体由磁性纳米颗粒与基液以及表面活性剂通过二步法制成，制备过程中通过水浴加热与超声振动增加纳米颗粒在液体中的分散性，提高其稳定性。
在一些实施例中，绝热流管的材料为聚氨酯泡沫。
如图4所示，该低温切削刀具磁制冷系统的工作过程如下：
步骤一、将磁性纳米流体装入磁制冷容器2内腔，经过一段时间，使磁性纳米流体的温度与磁制冷容器2外腔的传热介质的温度相同。
步骤二、控制模块8控制电磁线圈3通电并逐步增大电流，磁性纳米流体释放的热量被传热介质吸收，使得磁性纳米流体进行等温磁化过程(即磁性纳米流体在磁化过程中温度保持基本恒定)。一段时间后，控制模块8控制电磁线圈3断电，磁场消失，磁性纳米流体吸收大量磁化热，使得磁性纳米流体的温度相较于传热介质的温度进一步降低。
其中，ΔT表示温度降低量，T为初始温度，ΔS为磁熵变，Cp是物质的比热容。μ0是真空中的磁导率常数，H是磁场强度，M为磁极化强度，C为居里常数。
步骤三、刀具1对工件进行切削，产生大量的切削热量，使刀具温度升高。控制模块8控制液压泵6启动，将经过步骤二降低温度的磁性纳米流体输送至刀具1内的冷却流道13中，对刀具进行冷却，实现低温切削加工。磁性纳米流体根据温度传感器测得的温度至进行调整。在两次切削进给的间隙，重复执行步骤二，降低磁制冷容器2内腔中磁性纳米流体的温度，确保刀具切削时的冷却效果。传热介质的温度通过外部的换热系统，或不定期更换的方式维持在预设一定区间内。
Claims (10)
1.一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：包括刀具(1)、磁制冷装置和流体传输装置；所述的磁制冷装置包括磁制冷容器(2)和电磁线圈(3)；磁制冷容器(2)的外侧同轴套置有空心铁芯；电磁线圈(3)缠绕在空心铁芯的外侧；所述的磁制冷容器(2)中设有一个或多个磁制冷单元；磁制冷单元包括内腔(23)和外腔(22)；内腔(23)设置在外腔(22)的内部，且内腔(23)与外腔(22)相互独立；所述的内腔(23)中存储有磁性纳米流体；外腔(22)中存储有传热介质；所述的刀具(1)内部设置有冷却流道(13)；所述刀具(1)上安装有分离式刀片(11)；冷却流道(13)经过靠近分离式刀片(11)的位置；
所述的流体传输装置包括流量调节阀(4)、液压泵(6)、单向阀(7)和绝热流管；磁制冷容器(2)的内腔(23)、流量调节阀(4)、液压泵(6)、单向阀(7)、刀具(1)内的冷却流道(13)通过绝热流管依次相连形成液冷循环回路；
工作过程中，电磁线圈通电，磁性纳米流体释放热量并将热量传递至传热介质；需要冷却刀具时，电磁线圈断电，磁性纳米流体的温度降低；流体传输装置将磁性纳米流体输送至刀具(1)内的冷却流道(13)，对分离式刀片(11)进行冷却。
2.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述的磁制冷容器(2)中并排设有多个磁制冷单元；各磁制冷单元的内腔(23)的进液口或出液口处设置有分支通断阀(21)；三个磁制冷单元的外腔(22)中存储有不同温度的传热介质，使得三个磁制冷单元内腔输出的磁性纳米流体的温度不同；工作过程中，根据切削加工的温度要求，开启其中一个磁制冷单元对应的分支通断阀(21)，关闭其余磁制冷单元对应的分支通断阀(21)。
3.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述的磁制冷装置和控制模块(8)均安装在工作台(5)上；所述的磁制冷容器(2)的底端设有定位凸台；磁制冷容器(2)的定位凸台固定在工作台(5)上的定位凹槽中。
4.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：还包括控制模块(8)；所述的电磁线圈(3)连接至控制模块(8)；控制模块(8)通过改变通入电磁线圈(3)的电流大小。
5.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述冷却流道(13)的输入口和输出口均位于刀具(1)的尾端；所述刀具(1)的头端内部嵌入有导热棒(14)；导热棒(14)与刀具(1)上的分离式刀片(11)对齐；分离式刀片(11)与导热棒的端部之间填充有导热硅脂(12)；冷却流道(13)绕过导热棒；所述的冷却流道(13)绕过的导热棒部分呈螺旋状，缠绕在导热棒上。
6.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述的刀具(1)上靠近分离式刀片(11)的位置安装有温度传感器(9)。
7.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述的磁性纳米流体为铁铵矾、铬钾矾和硝酸铈镁纳米颗粒中的多种制成的纳米流体。
8.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述磁制冷容器的内腔与外腔之间的隔断层的材质为铜。
9.根据权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统，其特征在于：所述的磁制冷容器外腔中的传热介质的热量通过外部的换热系统释放。
10.一种低温切削方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的一种低温切削刀具磁制冷系统；该方法包括以下步骤：
步骤一、电磁线圈(3)通电且逐步增大电流，磁性纳米流体释放的热量被传热介质吸收，磁性纳米流体进行磁化并释放热量；磁性纳米流体释放的热量被传热介质吸收；
步骤二、进行切削加工前，电磁线圈(3)断电，磁场消失，磁性纳米流体吸收磁化热，使得磁性纳米流体的温度降低至低于传热介质的温度；
步骤三、刀具(1)对工件进行切削；液压泵(6)将磁制冷容器(2)中的磁性纳米流体输送至刀具(1)内的冷却流道(13)中，对刀具进行冷却；在切削进给的间隙，重复执行步骤一和二，降低磁制冷容器(2)内腔中磁性纳米流体的温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311067324.2A CN117102953A (zh) | 2023-08-23 | 2023-08-23 | 一种低温切削刀具磁制冷系统及低温切削方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117102953A true CN117102953A (zh) | 2023-11-24 |
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| CN (1) | CN117102953A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117571363A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 苏州大学附属第二医院 | 一种病理科石蜡标本切片处理装置 |
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2023
- 2023-08-23 CN CN202311067324.2A patent/CN117102953A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117571363A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 苏州大学附属第二医院 | 一种病理科石蜡标本切片处理装置 |
| CN117571363B (zh) * | 2024-01-15 | 2024-03-22 | 苏州大学附属第二医院 | 一种病理科石蜡标本切片处理装置 |
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