CN219358868U - 冷却介质的制备装置以及机械加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了冷却介质的制备装置以及机械加工设备，属于机械加工技术领域，为解决现有冷却剂会影响待加工件材料性能等问题而设计。本实用新型公开的冷却介质的制备装置包括：超临界二氧化碳发生器组件，用于将二氧化碳加工制成超临界二氧化碳；润滑液供给组件，用于提供润滑液；储存室，分别连接超临界二氧化碳发生器组件和润滑液供给组件；以及喷头，连接至储存室，喷头用于输出储存室中的超临界二氧化碳和润滑液的混合物。本实用新型公开的冷却介质的制备装置以及机械加工设备能产生超临界二氧化碳和润滑液的混合物作为冷却介质，能在不影响碳纤维增强复合材料性能的基础上对切削过程进行高效的冷却，降低温度幅度大。

Description

冷却介质的制备装置以及机械加工设备

技术领域

本实用新型涉及机械加工技术领域，尤其涉及冷却介质的制备装置以及包括该冷却介质的制备装置的机械加工设备。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)是以树脂为基体、以碳/石墨纤维为增强材料的新型高性能复合材料，具有质量轻、比强度高、比刚度大、耐腐蚀和抗疲劳等优点，应用广泛。

由于碳纤维增强复合材料具备各向异性、非均匀性和层间结合强度低等特点，在切削加工中易出现表面分层、毛刺、纤维拔出、撕裂等加工缺陷，难以加工。此外，由于碳纤维增强复合材料中碳纤维增强相的硬脆性较高，散热能力较差，其在切削加工时产生的大量热不易被切屑带走，大多聚集在刀具的刀尖和刀刃附近，使得刀具磨损严重，切削力变大；切削表面温度上升，使得切削温度远高于树脂玻璃转化温度，从而严重影响材料性能，加剧加工缺陷的产生，影响产品加工质量，增加生产成本。

在现有金属切削加工过程中，通常使用切削液来降低刀具和加工区域的温度，从而提高刀具使用寿命和工件加工质量。但常规的水基切削液并不适用于碳纤维增强复合材料切削，水分子可以通过毛细作用进入碳纤维增强复合材料，导致树脂的结合能力降低，加重分层损伤的形成。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出的冷却介质的制备装置以及机械加工设备，能在不影响碳纤维增强复合材料性能的基础上对切削过程进行高效冷却。

为达此目的，一方面，本实用新型采用以下技术方案：

冷却介质的制备装置，包括：超临界二氧化碳发生器组件，用于将二氧化碳加工制成超临界二氧化碳；润滑液供给组件，用于提供润滑液；储存室，分别连接所述超临界二氧化碳发生器组件和所述润滑液供给组件，所述超临界二氧化碳和所述润滑液在所述储存室中混合；以及，喷头，连接至所述储存室，所述喷头用于输出所述储存室中的所述超临界二氧化碳和所述润滑液的混合物。

其中一个优选实施例中，所述超临界二氧化碳发生器组件包括依次设置在超临界二氧化碳管路上的二氧化碳储存罐、气泵和加热器，所述超临界二氧化碳管路连接至所述储存室。

其中一个优选实施例中，在所述二氧化碳储存罐和所述气泵之间设置有前压力表，在所述气泵和所述加热器之间设置有后压力表。

其中一个优选实施例中，所述润滑液供给组件包括依次设置在润滑液管路上的润滑油箱、泵和控制阀组，所述控制阀组被配置为能控制所述润滑液管路中润滑液的供给流量。

其中一个优选实施例中，所述控制阀组包括依次设置在所述润滑液管路上的截止阀和节流阀。

其中一个优选实施例中，所述冷却介质的制备装置中设置有至少两个所述储存室，每个所述储存室上设置有所述喷头，每个所述储存室分别连接所述超临界二氧化碳发生器组件和所述润滑液供给组件。

另一方面，本实用新型采用以下技术方案：

机械加工设备，包括上述的冷却介质的制备装置。

其中一个优选实施例中，所述机械加工设备还包括加工中心，所述加工中心内设置有用于安装刀具的刀架、用于固定待加工件的夹具以及用于向所述待加工件上喷射冷却介质的喷射器，所述喷射器连接至所述冷却介质的制备装置。

其中一个优选实施例中，所述机械加工设备还包括相连接的红外线热像仪和显示器，所述红外线热像仪被配置为能实时测量所述待加工件在加工过程中的温度变化。

其中一个优选实施例中，所述机械加工设备还包括切削力采集器，所述切削力采集器设置在所述刀架上。

本实用新型公开的冷却介质的制备装置包括超临界二氧化碳发生器组件、润滑液供给组件、储存室和喷头，超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体进入大气后会形成由油雾粒子、低温的气态二氧化碳以及干冰颗粒组成的低温气、液、固三相流体，在切削区域形成一层均匀的低温润滑油膜，能在不影响碳纤维增强复合材料性能的基础上对切削过程进行高效的冷却，降低温度幅度大，降温速度快，实现强效低温冷却，防止待加工件的表面发生热损伤。相比于其它切削液，超临界二氧化碳无味无毒、绿色安全、容易获取、使用方便，可降低生产成本，减少切削液对环境的污染。

本实用新型公开的机械加工设备包括上述的冷却介质的制备装置，三相流体可以在刀具的刀刃表面形成一层均匀的低温润滑油膜，减小刀具的磨损，降低生产成本，实现高效低温冷却、良好微润滑和排空切屑的三重协同效果。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的机械加工设备的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的冷却介质的制备装置的结构示意图。

图中：

1、加工中心；2、切削力采集器；3、刀架；4、刀具；5、喷射器；6、冷却介质的制备装置；7、夹具；8、待加工件；9、红外线热像仪；61、超临界二氧化碳发生器组件；62、润滑液供给组件；63、储存室；64、喷头；611、二氧化碳储存罐；612、前压力表；613、气泵；614、加热器；615、超临界二氧化碳管路；616、后压力表；621、润滑液管路；622、润滑油箱；623、泵；624、截止阀；625、节流阀。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

本实施方式公开的冷却介质的制备装置以及包括该冷却介质的制备装置的机械加工设备，用于在碳纤维增强复合材料切削过程中进行超临界二氧化碳辅助。该机械加工设备可以更进一步地称为超临界二氧化碳辅助的碳纤维增强复合材料切削加工设备。

如图1所示，该机械加工设备包括加工中心1，加工中心1内设置有用于安装刀具4的刀架3、用于固定待加工件8的夹具7以及用于向待加工件8上喷射冷却介质的喷射器5，喷射器5连接至冷却介质的制备装置6。其中，刀具4优选为立式铣刀，待加工件8优选为碳纤维增强复合材料板材。

在上述结构的基础上，该机械加工设备还包括相连接的红外线热像仪9和显示器(未示出)，红外线热像仪9被配置为能实时测量待加工件8在加工过程中的温度变化。使用时，红外线热像仪9架设在正对切削区域的位置，实时测量碳纤维增强复合材料切削过程中的温度变化，并将数据显示和存储于数据接收显示器中。红外线热像仪9能实现切削温度反馈，控制超临近二氧化碳喷射流量，以准确控制产品加工过程中的切削温度。

在上述结构的基础上，机械加工设备还包括切削力采集器2，切削力采集器2设置在刀架3上。切削力采集器2能在碳纤维增强复合材料切削过程中实时测量和采集刀架3上的切削力与力矩，并将数据显示和存储于数据接收显示器中。刀架3上的切削力与力矩可以体现刀具4上的切削力与力矩，从而准确监控该机械加工设备的工作状态，避免刀具4因受力过大而被损伤。

冷却介质的制备装置6的具体结构不限，能制备超临界二氧化碳(scCO₂)和润滑液的混合物即可。优选地，如图2所示，冷却介质的制备装置6包括超临界二氧化碳发生器组件61、润滑液供给组件62、储存室63和喷头64。其中，超临界二氧化碳发生器组件61用于将二氧化碳加工制成超临界二氧化碳，润滑液供给组件62用于提供润滑液，储存室63分别连接超临界二氧化碳发生器组件61和润滑液供给组件62，喷头64连接至储存室63。超临界二氧化碳具有流体溶剂特性，可作为润滑油的载体，超临界二氧化碳和润滑液在存室63中混合，喷头64能将储存室63中的超临界二氧化碳和润滑液的混合物输出至指定位置处。

当超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体进入大气后，会由于焦耳-汤姆逊作用而发生快速膨胀，使溶解在超临界二氧化碳中的润滑油因过饱和而快速析出，形成微细均匀的油雾粒子。油雾粒子、低温的气态二氧化碳以及干冰颗粒形成低温气、液、固三相流体并高速喷射到切削区，在切削区域形成一层均匀的低温润滑油膜，能在不影响碳纤维增强复合材料性能的基础上对切削过程进行高效的冷却，降低温度幅度大，温度可低至-78.5℃，降温速度快，实现强效低温冷却，防止待加工件8的表面发生热损伤，使产品具有较好的表面粗糙度。同时，三相流体可以在刀具4的刀刃表面形成一层均匀的低温润滑油膜，减小刀具的磨损，降低生产成本，实现高效低温冷却、良好微润滑和排空切屑的三重协同效果。

可以通过改变超临界二氧化碳压力和温度来调节其中润滑油的溶解度，或根据产品需求添加不同类型和剂量的润滑油，从而调控超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体经喷射后形成的雾滴粒径，以满足各种待加工件8的使用需求。另外，相比于其它切削液，超临界二氧化碳无味无毒、绿色安全、容易获取、使用方便，可降低生产成本，减少切削液对环境的污染。

在上述结构的基础上，超临界二氧化碳发生器组件61包括依次设置在超临界二氧化碳管路615上的二氧化碳储存罐611、气泵613和加热器614，超临界二氧化碳管路615连接至储存室63。当需要制备超临界二氧化碳时，开启二氧化碳储存罐611，罐中的二氧化碳进入超临界二氧化碳管路615中，气泵613将常温常压下的二氧化碳压缩至临界压力，加热器614对其加热直至超过临界温度，得到超临界二氧化碳。

喷头64可以通过管路连接至喷射器5，从而将冷却介质的制备装置6产生的超临界二氧化碳和润滑液的混合液喷射到加工区域上；也可以将喷头64和喷射器5整合在一起，即，储存室63通过管路直接连接至喷射器5，储存室63中释放出来的超临界二氧化碳和润滑液的混合液通过管路抵达喷射器5，省去了喷头64这一结构，降低了成本，冷却介质流动更顺畅。

为了能准确控制二氧化碳的压力，优选地，在二氧化碳储存罐611和气泵613之间设置有前压力表612，在气泵613和加热器614之间设置有后压力表616。其中，前压力表612用于检测气泵613前端的压力，当二氧化碳储存罐611中流出的二氧化碳流速较高时，前压力表612能及时向控制装置反应这一情况，有控制装置自动调低二氧化碳储存罐611的出料流速或提示使用者降低二氧化碳储存罐611的出料流速，以避免高压的二氧化碳损坏气泵613。后压力表616用于检测气泵613后端的压力，确保气泵613已经将二氧化碳压缩至临界压力，避免后续制备超临界二氧化碳失败。

在上述结构的基础上，润滑液供给组件62包括依次设置在润滑液管路621上的润滑油箱622、泵623和控制阀组，泵623能将润滑油箱622释出的润滑油沿润滑液管路621推送至储存室63中，控制阀组用于控制润滑液管路621中润滑液的供给流量。其中，控制阀组优选包括依次设置在润滑液管路621上的截止阀624和节流阀625，关闭截止阀624能彻底截断润滑液管路621，润滑液的供给流量为零；开启截止阀624后能通过选择节流阀625的开度来控制润滑液的供给流量，使用更方便，适用范围广。

为了提高工作效率，冷却介质的制备装置中设置有至少两个储存室63，每个储存室63上设置有喷头64，每个储存室63分别连接超临界二氧化碳发生器组件61和润滑液供给组件62。可以将各个储存室63中混合超临界二氧化碳和润滑液的时间穿插开，当一个储存室63因为正在混合超临界二氧化碳和润滑液而不能向外输出超临界二氧化碳和润滑液的混合物时，其它的储存室63可以提供已经混合完毕的超临界二氧化碳和润滑液的混合物，该机械加工设备可以连续切削待加工件8，无需为停机以等待制备冷却介质；能自行收集二氧化碳并加温加压形成超临界二氧化碳，混合有润滑液的超临界二氧化碳能自动喷射至加工区域，使用简单方便，成本较低。

该机械加工设备的使用方法：将刀架3装配在加工中心1上，将刀具4固定在刀架3上，将待加工件8装夹固定在夹具7上。调整喷射器5的位置，使其出口喷嘴正对待加工件8的加工区域。启动加工中心1，切削待加工件8。启动冷却介质的制备装置6，二氧化碳经过加压加温形成超临界二氧化碳，溶解润滑液后形成超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体。喷射器5将超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体喷射到待加工件8的加工区域上，以降低切削温度。切削力采集器2采集切削力数据，红外线热像仪9与温度数据，对包括超临界二氧化碳和润滑液的混合物流体的流量等参数进行反馈控制。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施方式及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施方式，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施方式对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施方式，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施方式，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.冷却介质的制备装置，其特征在于，包括：

超临界二氧化碳发生器组件(61)，用于将二氧化碳加工制成超临界二氧化碳；

润滑液供给组件(62)，用于提供润滑液；

储存室(63)，分别连接所述超临界二氧化碳发生器组件(61)和所述润滑液供给组件(62)；以及，

喷头(64)，连接至所述储存室(63)。

2.根据权利要求1所述的冷却介质的制备装置，其特征在于，所述超临界二氧化碳发生器组件(61)包括依次设置在超临界二氧化碳管路(615)上的二氧化碳储存罐(611)、气泵(613)和加热器(614)，所述超临界二氧化碳管路(615)连接至所述储存室(63)。

3.根据权利要求2所述的冷却介质的制备装置，其特征在于，在所述二氧化碳储存罐(611)和所述气泵(613)之间设置有前压力表(612)，在所述气泵(613)和所述加热器(614)之间设置有后压力表(616)。

4.根据权利要求1所述的冷却介质的制备装置，其特征在于，所述润滑液供给组件(62)包括依次设置在润滑液管路(621)上的润滑油箱(622)、泵(623)和控制阀组，所述控制阀组被配置为能控制所述润滑液管路(621)中润滑液的供给流量。

5.根据权利要求4所述的冷却介质的制备装置，其特征在于，所述控制阀组包括依次设置在所述润滑液管路(621)上的截止阀(624)和节流阀(625)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的冷却介质的制备装置，其特征在于，所述冷却介质的制备装置中设置有至少两个所述储存室(63)，每个所述储存室(63)上设置有所述喷头(64)，每个所述储存室(63)分别连接所述超临界二氧化碳发生器组件(61)和所述润滑液供给组件(62)。

7.机械加工设备，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的冷却介质的制备装置(6)。

8.根据权利要求7所述的机械加工设备，其特征在于，所述机械加工设备还包括加工中心(1)，所述加工中心(1)内设置有用于安装刀具(4)的刀架(3)、用于固定待加工件(8)的夹具(7)以及用于向所述待加工件(8)上喷射冷却介质的喷射器(5)，所述喷射器(5)连接至所述冷却介质的制备装置(6)。

9.根据权利要求8所述的机械加工设备，其特征在于，所述机械加工设备还包括相连接的红外线热像仪(9)和显示器，所述红外线热像仪(9)被配置为能实时测量所述待加工件(8)在加工过程中的温度变化。

10.根据权利要求8或9所述的机械加工设备，其特征在于，所述机械加工设备还包括切削力采集器(2)，所述切削力采集器(2)设置在所述刀架(3)上。