CN211681214U

CN211681214U - 一种金属材料切削区温度控制装置

Info

Publication number: CN211681214U
Application number: CN202020343502.5U
Authority: CN
Inventors: 张程焱; 王立新; 孟五洲; 俎晓莉
Original assignee: Anyang Institute of Technology
Current assignee: Anyang Institute of Technology
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2030-03-18

Abstract

本申请公开一种金属材料切削区温度控制装置，包括切削模块、温度监测模块和温度调节模块；切削模块包括刀具，温度监测模块包括测温仪镜头，测温仪镜头连接测温仪主机，温度调节模块包括中控机、温度控制系统，中控机与测温仪主机相连，中控机与温度控制系统相连接，温度控制系统分别与空气压缩机、液压泵、切削液供给系统连接，液压泵通过液压油路与直线液压缸相连；带雾化喷嘴冷风枪分别通过切削液油路、低温气路与切削液供给系统和空气压缩机相连；测温仪镜头实时采集切削区的温度，温度控制系统控制刀具刀尖与工件的切削间距、带雾化喷嘴冷风枪的气流和温度、切削液的喷射量来实现对切削区温度的调节，延长刀具的使用寿命。

Description

一种金属材料切削区温度控制装置

技术领域

本实用新型属于切削加工技术领域，具体涉及一种金属材料切削区温度控制装置。

背景技术

随着航空航天、汽车零件高强度化和轻量化的要求越来越高，比强度大、高强度的难加工材料被广泛地使用。由于这些材料通常强度硬度高，弹性模量小，摩擦系数较大，同时导热系数偏低，致使切削过程中产生的切削温度剧增，会加剧粘刀现象，增加刀具粘结磨损，严重影响加工精度和加工表面质量。目前，采用低温冷却加工技术是实现难切削材料加工的主要方法。低温微量润滑技术是将低温压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油(10mL/h～200mL/h)混合汽化后，形成微米级的液滴，喷射到加工区，能够适应高速切削环境，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的冷却和润滑。它既融合了低温冷风切削技术与微量润滑切削技术的优势，同时又弥补了两种切削技术单独应用时的缺陷，能够有效地改善切削局部环境，延缓刀具磨损，提高工件加工表面质量，在难加工材料的切削加工上体现出了显著的优越性。同时，低温微量润滑技术也是为实现制造业可持续发展综合考虑环境影响和资源效率的绿色制造技术。但是，过低的切削温度也会致使刀具后刀面磨粒磨损加剧，甚至直接导致崩刃。因此，需要采取一定的控制装置实现切削温度的可控可调，确保切削区温度处于最佳区间，保障刀具寿命和加工表面质量。

发明内容

本实用新型针对现有技术的应用局限性，提供了一种金属材料切削区温度控制装置。该装置通过改变喷嘴与切削区的距离和降低喷雾温度的方式进行温度调节，综合了距离调节的高效性和降低喷雾温度的稳定性，实现切削区温度的稳定快速调节。自适应调节切削液流量实现切削区域的自适应适量润滑。

本实用新型采用的解决方案是这样实现的：一种金属材料切削区温度控制装置，包括切削模块、温度监测模块和温度调节模块；所述切削模块包括刀架1、刀具2、机床卡盘4，所述刀具2安装在刀架1上，工件3安装在机床卡盘4上；所述温度监测模块包括测温仪镜头10、光纤17、测温仪主机11，所述的测温仪镜头10通过光纤17连接测温仪主机11，所述镜头固定于支架底座5上，并正对切削区域刀具刀尖位置；所述温度调节模块包括中控机12、温度控制系统13、空气压缩机14、液压泵15、切削液供给系统16、切削液油路18、低温气路19、液压油路20、直线液压缸8、带雾化喷嘴冷风枪9；所述中控机12与测温仪主机11相连并接收信号，中控机12与温度控制系统13相连接并传递控制信号；所述温度控制系统13分别与空气压缩机14、液压泵15、切削液供给系统16连接，用以空气压缩机14、控制液压泵15、切削液供给系统16的启动和停止；所述液压泵15通过液压油路20与直线液压缸8相连；所述带雾化喷嘴冷风枪9分别通过切削液油路18、低温气路19与切削液供给系统16和空气压缩机14相连；所述带雾化喷嘴冷风枪9通过连接件7固连在直线液压缸8的活塞杆上；所述的直线液压缸8的壳体通过支架6固定在支架底座5上，支架底座5固定在刀架1上，刀架1固定在溜板箱上。

所述的空气压缩机14内设风速调节器的调节输出气流温度范围[t_min，t_max]，且线性可调；空气压缩机14内设风速调节器的气流流速下限为v ₀m/s，流速调节倍率1~R线性可调，R为大于1的自然数。

所述的金属材料切削区温度控制装置的控制方法，包括如下步骤：

准备阶段：

步骤1：确定适切温度T₀，根据工件3的材料的设定适切温度为T₀；所述适切温度T₀是基于不同切削区域温度下的切削实验，面向被切削零件的使用环境，通过对比表面残余应力、刀具磨损率、表面粗糙度等参数优选的最适宜的切削区域温度值，并同时设定带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具刀尖切削区间距为[L_min，L_max]，即L_min至L_max，此距离受空间结构限制，即直线液压缸8的活塞杆的移动范围；

步骤2：建立带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴和工件3切削间距与润滑流量之间的关系函数：根据工件的材料确定喷射距离L₀条件下的喷射流量为Q₀，其数值根据切削线速度v _c、等效切屑宽度w和边界摩擦油膜厚度h=0.05μm确定，，其中k ₀是保证油膜有效形成系数，设定为2，L₀介于L_min和L_max之间，且其数值根据实际结构尺寸和喷嘴的喷射夹角进行设定。距离小于L₀时，切削液流量损失忽略不计，距离大于L₀且随着距离增加，由于喷嘴喷射角度存在，使喷射覆盖面增加，超出局部切削区域的切削液，流量损失约呈指数增长，建立随距离变化的指数型流量函数，Lx为带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴和工件3的切削间距；如果重复加工相同规格材料的工件，则直接进入加工切削阶段；

加工切削阶段：

步骤1：测温仪实时测量切削区温度T，并将实时温度信号传递给中控机12，中控机12对比切削区温度T和适切温度T₀，若实时温度T与适切温度为T₀之间的差值的绝对值小于10℃，则中控机控制温度控制系统13保持当前切削状态，即保持当前的带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具的刀尖切削区间距和切削液喷射流量Q，以及空气压缩机14输出气流的温度和气流流速，使切削区温度保持在适切温度上下10℃范围内，否则执行下一步；

步骤2:若步骤1中的实时的切削区温度T与适切温度为T₀之间的差值的绝对值大于10℃，首先控制直线液压缸使喷嘴移动：

当为正值时，温度控制系统13控制液压泵15，使直线液压缸8的活塞杆带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴朝向切削区域方向移动，移动的极限距离不小于L_min；当为负值时，直线液压缸8活塞杆带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴朝远离切削区域方向移动，移动的极限距离不超过L_max；直线液压缸8的活塞杆移动过程中通过测温仪主机12反馈的温度参数，直线液压缸8实时变化移动方向，直至切削区温度处于适切温度上下10℃范围内；同时在直线液压缸8的活塞杆移动过程中，中控机12根据直线液压缸8活塞杆实时位置参数，通过温度控制系统13按照公式调节切削液供给系统16的切削液喷射流量Q；温度控制系统13控制直线液压缸8调节喷嘴位置使切削区温度达到适切温度上下10℃范围内后；

然后通过温度控制系统13调节空气压缩机14输出气流温度和气流流速实现带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴位置移动到喷射距离L₀，具体调节方法：当L_x<L₀时，调节空气压缩机14内设风速调节器，降低输出气流的温度和增加气流流速，温度控制系统13根据测温仪主机11实时反馈的温度数据，由中控机12发出调节信号，温度控制系统13控制直线液压缸8带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴远离切削区域，直至位置处于喷射距离L₀，同时切削液流量也回归喷射流量Q₀。当L_x>L₀时，温度控制系统13调节空气压缩机14内设风速调节器，提高输出气流的温度和降低气流流速，温度控制系统13根据测温仪主机11实时反馈的温度数据，由中控机12发出调节信号，温度控制系统13控制直线液压缸8的活塞杆带动喷嘴朝向切削区域运动，直至位置处于喷射距离L₀，同时切削液流量回归喷射流量Q₀。

与现有技术相比：本实用新型的有益效果在于：测温仪实时测量切削区温度并反馈给温度控制系统，温度控制系统通过控制空气压缩机14来控制带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴的气流温度和气流流速、以及控制液压泵15连接的直线液压缸8改变带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具刀尖切削区间距、以及控制切削液供给系统16的切削液流量实现对切削区温度的控制，提高了刀具的使用寿命和提高工件的表面加工质量。

附图说明

图1是本实用新型的原理示意图。

附图标记：1-刀架、2-刀具、3-工件、4-机床卡盘、5-支架底座、6-支架、7-连接件、8-直线压缸、9-带雾化喷嘴冷风枪、10-测温仪镜头、11-测温仪主机、12-中控机、13-温度控制系统、14-空气压缩机、15-液压泵、16-切削液供给系统、17-光纤、18-切削液油路、19-低温气路、20-液压油路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施做进一步的详细说明：

如图1所示，一种典型难加工材料切削温度控制装置，包括切削模块、温度监测模块和温度调节模块；所述切削模块包括刀架1、刀具2、机床卡盘4，所述刀具2安装在刀架1上，工件3安装在机床卡盘4上；所述温度监测模块包括测温仪镜头10、光纤17、测温仪主机11，测温仪镜头10通过光纤17连接测温仪主机11，所述镜头固定于支架底座5上，并正对切削区域刀具刀尖位置；所述温度调节模块包括中控机12、温度控制系统13、空气压缩机14、液压泵15、切削液供给系统16、切削液油路18、低温气路19、液压油路20、直线液压缸8、带雾化喷嘴冷风枪9；所述中控机12与测温仪主机11相连并接收信号，中控机12与温度控制系统13相连接并传递控制信号；所述温度控制系统13分别与空气压缩机14、液压泵15、切削液供给系统16连接，实现信号正反馈传输；所述液压泵15通过液压油路20与直线液压缸8相连；所述带雾化喷嘴冷风枪9分别通过切削液油路18、低温气路19与切削液供给系统16和空气压缩机14相连；所述带雾化喷嘴冷风枪9通过连接件7固连在直线液压缸8的活塞杆上；所述的直线液压缸8的壳体通过支架6固定在支架底座5上，支架底座5固定在刀架1上，刀架1固定在溜板箱上。直线液压缸8上设置有活塞杆伸出量检测装置，用于检测活塞杆的伸出量，实现带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具刀尖切削区间距的检测，活塞杆伸出量检测装置通过线路与温度控制系统13链接。

所述的空气压缩机14内设风速调节器的调节输出气流温度范围[t_min，t_max]，且线性可调；空气压缩机14内设风速调节器的气流流速下限为v ₀m/s，流速调节倍率1~R线性可调。

切削加工时，根据工件3的材料的设定适切温度为T₀；并同时设定带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具刀尖切削区间距为[L_min，L_max]，即L_min至L_max；工件3适切温度T₀是基于不同切削区域温度下的切削实验，面向被切削零件的使用环境，通过对比表面残余应力、刀具磨损率、表面粗糙度等参数优选的最适宜的切削区域温度值。钛合金的适切温度T₀设定为180℃，切削区间距区间的设定受空间结构限制，表示在空间上的移动范围，即直线液压缸8活塞杆的移动范围；

切削加工时，带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴和工件3切削间距与润滑流量之间的关系函数为：根据工件3的材料确定喷射距离L₀=15mm条件下的喷射流量为Q₀，其数值根据切削线速度v _c、等效切屑宽度w和边界摩擦油膜厚度h=0.05μm确定，，其中k ₀是保证油膜有效形成系数，设定为2。L₀介于L_min和L_max之间，距离小于L₀时，切削液流量损失忽略不计，距离大于L₀时，由于喷嘴喷射角度存在，使喷射覆盖面增加，超出局部切削区域的切削液，随着距离增加流量损失呈指数增长，因此，建立随距离变化的指数型流量函数，Lx为带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴和工件3的切削间距。

测温仪实时测量切削区温度T，并将实时温度信号传递给中控机12，中控机12对比切削区温度T和适切温度T₀，若实时温度T与适切温度为T₀之间的差值的绝对值小于10℃，则中控机控制温度控制系统13保持当前切削状态，即保持当前的带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴与刀具的刀尖切削区间距和切削液喷射流量Q，以及空气压缩机14输出气流的温度和气流流速，使切削区温度保持在适切温度上下10℃范围内。

若实时的切削区温度T与适切温度为T₀之间的差值的绝对值大于10℃，首先控制直线液压缸8使带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴移动，当为正值时，直线液压缸带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴朝向切削区域方向移动，移动的极限距离不小于L_min；当为负值时，直线液压缸8活塞杆带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴朝远离切削区域方向移动，移动的极限距离不超过L_max；直线液压缸8的活塞杆移动过程中通过测温仪主机12反馈的温度参数，直线液压缸8实时变化移动方向，直至切削区温度处于适切温度上下10℃范围内；同时在直线液压缸8的活塞杆移动过程中，中控机12根据直线液压缸8活塞杆实时位置参数，通过温度控制系统13按照公式调节切削液供给系统16的切削液喷射流量Q；温度控制系统13控制直线液压缸8调节带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴位置使切削区温度达到适切温度上下10℃范围内后，然后再通过调节空气压缩机14输出气流温度和气流流速实现带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴位置移动到喷射距离L₀，具体调节方法：当L_x<L₀时，调节空气压缩机14内设风速调节器，降低输出气流的温度和增加气流流速，温度控制系统13根据测温仪主机11实时反馈的温度数据，由中控机12发出调节信号，温度控制系统13控制直线液压缸8带动带雾化喷嘴冷风枪9的喷嘴远离切削区域，直至位置处于喷射距离L₀，同时切削液流量也回归喷射流量Q₀。当L_x>L₀时，调节空气压缩机14内设风速调节器，提高输出气流的温度和降低气流流速，温度控制系统13根据测温仪主机11实时反馈的温度数据，由中控机12发出调节信号，温度控制系统13控制直线液压缸8的活塞杆带动喷嘴朝向切削区域运动，直至位置处于喷射距离L₀，同时切削液流量也回归喷射流量Q₀。

Claims

1.一种金属材料切削区温度控制装置，其特征在于：包括切削模块、温度监测模块和温度调节模块；所述切削模块包括刀架（1）、刀具（2），所述刀具（2）安装在刀架（1）上，工件（3）安装在机床卡盘（4）上；所述温度监测模块包括测温仪镜头（10）、光纤（17）、测温仪主机（11），所述的测温仪镜头（10）通过光纤（17）连接测温仪主机（11），所述镜头固定于支架底座（5）上，并正对切削区域刀具刀尖位置；所述温度调节模块包括中控机（12）、温度控制系统（13）、空气压缩机（14）、液压泵（15）、切削液供给系统（16）、切削液油路（18）、低温气路（19）、液压油路（20）、直线液压缸（8）、带雾化喷嘴冷风枪（9）；所述中控机（12）与测温仪主机（11）相连并接收信号，中控机（12）与温度控制系统（13）相连接并传递控制信号；所述温度控制系统（13）分别与空气压缩机（14）、液压泵（15）、切削液供给系统（16）连接，用以空气压缩机（14）、控制液压泵（15）、切削液供给系统（16）的启动和停止；所述液压泵（15）通过液压油路（20）与直线液压缸（8）相连；所述带雾化喷嘴冷风枪（9）分别通过切削液油路（18）、低温气路（19）与切削液供给系统（16）和空气压缩机（14）相连；所述带雾化喷嘴冷风枪（9）通过连接件7固连在直线液压缸（8）上；所述的直线液压缸（8）的壳体通过支架（6）固定在支架底座（5）上，所述的支架底座（5）固定在刀架（1）上，刀架（1）固定在溜板箱上。

2.根据权利要求1所述的金属材料切削区温度控制装置，其特征在于：所述的空气压缩机（14）内设风速调节器的调节输出气流温度范围[t_min，t_max]，且线性可调；空气压缩机（14）内设风速调节器的气流流速下限为v ₀m/s，流速调节倍率1~R线性可调，R为大于1的自然数。