TWI798946B - 加工冷卻系統 - Google Patents

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陳志明
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    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
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Abstract

一種加工冷卻系統，其包含一低溫冷卻模組、至少一刀長自動追隨模組、一低溫冷卻資料庫及一控制模組；低溫冷卻模組提供冷卻流體至一刀具；刀長自動追隨模組用以根據刀具之刀具特徵，調整冷卻流體之輸出角度；低溫冷卻資料庫用以根據加工參數與刀具特徵，提供冷卻參數以作為設定一加工溫度之依據；控制模組連接低溫冷卻模組、刀長自動追隨模組與低溫冷卻資料庫，用以根據加工溫度調整冷卻流體之流速。

Description

加工冷卻系統
本案係有關於一種加工冷卻系統，尤指一種適用於難加工材料的加工冷卻系統。
對於難加工材料(例如鈦合金、鎳基合金、不鏽鋼與複合材料等)的加工而言，如何提升加工效率、提升刀具壽命、降低生產成本，一直是加工業者的難題。
以鈦合金與鎳基合金為例，航太加工業者對於鈦合金與鎳基合金有高移除率與高移除量之需求。於加工過程中所產生的熱量若無法迅速傳遞給工件或被切屑帶走，就會集聚在加工區域而使得材料表面產生加工硬化。此外，由於加工過程所產生的溫度高達攝氏1000度以上，導致刀具的刃口迅速磨損，不僅縮短刀具的壽命，同時會降低加工效率。
習知針對難加工材料的加工冷卻方式是使用加工液進行冷卻，然而此方式不僅會對環境與能源造成汙染，而且必須付出加工液與後續清理的成本，且冷卻效果有限。
據此，如何發展出一種「加工冷卻系統及其方法」，適用於難加工材料，可提升加工效率、刀具壽命及降低生產成本等，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本案提出一種加工冷卻系統，其包含：一低溫冷卻模組，提供冷卻流體至一刀具；至少一刀長自動追隨模組，用以根據刀具之刀具特徵，調整冷卻流體之輸出角度；一低溫冷卻資料庫，用以根據加工參數與刀具特徵，提供冷卻參數以作為設定一加工溫度之依據；以及一控制模組，連接低溫冷卻模組、刀長自動追隨模組與低溫冷卻資料庫，用以根據加工溫度調整冷卻流體之流速或流量。
100:加工冷卻系統
10:低溫冷卻模組
11:冷卻流體源
12:閥體
13:壓力調整元件
14:壓力感測元件
15:第一溫度感測元件
16:第二溫度感測元件
20,20A:刀長自動追隨模組
21:驅動馬達
22:螺桿
23:滑塊
231:噴出端
24:連桿機構
241:第一桿件
2411:第一端
2412:第二端
242:第二桿件
2421:第三端
2422:第四端
243:第三桿件
2431:第五端
2432:第六端
25,25A:噴嘴
30:低溫冷卻資料庫
40:控制模組
50:刀具
60:工件
500:控制模組根據加工溫度調整冷卻流體之流速之流程
502~518:制模組根據加工溫度調整冷卻流體之流速之流程之步驟
C:軸心
F1:第一方向
H1,H2:長度
L:冷卻流體
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角
θ3:第三夾角
θ4:第四夾角
圖1為本案之一實施例之架構示意圖。
圖2為本案之刀長自動追隨模組之一實施例之結構示意圖。
圖3A、3B為圖2之刀長自動追隨模組之實施例調整噴嘴角度之結構示意圖。
圖4A、4B為本案之刀長自動追隨模組另一實施例之結構示意圖。
圖5為本案之控制模組之控制流程。
請參閱圖1所示，本案所提供之一種加工冷卻系統100，其包含低溫冷卻模組10、刀長自動追隨模組20、低溫冷卻資料庫30及控制模組40。
本案所提供之加工冷卻系統100適於對材質為難加工材料之工件進行加工。難加工材料例如材質為鈦合金、鎳基合金、不鏽鋼與複合材料其中之一種或多種之組合。
低溫冷卻模組10提供冷卻流體至刀具50。
刀長自動追隨模組20用以根據刀具50之刀具特徵，調整冷卻流體之輸出角度。
低溫冷卻資料庫30用以根據加工參數與刀具特徵，提供冷卻參數以作為設定一加工溫度之依據。刀具特徵包括刀具長度與刀具半徑。低溫冷卻資料庫30可為一雲端資料庫。
關於低溫冷卻資料庫30依照所使用的加工刀具及加工材料提供使用冷卻參數作為參考依據的態樣，冷卻參數之態樣例如下表1所示：
Figure 110143047-A0305-02-0005-1
上表1所使用編號1~4之刀具的長度例如為145.5公厘、刀具半徑例如為10公厘。根據低溫冷卻資料庫30所提供的冷卻參數，例如可設定加工溫度為攝氏50度。
控制模組40連接低溫冷卻模組10、刀長自動追隨模組20與低溫冷卻資料庫30，用以根據加工溫度調整冷卻流體之流速或流量。控制模組40可為微處理器、電腦、工業電腦其中之一種或多種之組合。
請參閱圖1所示，低溫冷卻模組10包括一冷卻流體源11、一閥體12、一壓力調整元件13、一壓力感測元件14、一第一溫度感測元件15及一第二溫度感測元件16。
冷卻流體源11用以儲存並供應冷卻流體。冷卻流體可為液態氮、液態二氧化碳或氮氣其中之一種或多種之組合。
閥體12與冷卻流體源11連接，用以控制冷卻流體之流量。
壓力調整元件13與閥體連接，用以調整由閥體12流出之冷卻流體之輸出壓力。
壓力感測元件14用以感測由閥體12流出之冷卻流體之輸出壓力。
第一溫度感測元件15用以感測由閥體12流出之冷卻流體之溫度。
第二溫度感測元件16用以感測加工位置之溫度，亦即刀具50之加工端與工件60接觸之位置之溫度(可參閱如圖4A所示)。
控制模組40連接並控制冷卻流體源11、閥體12、壓力調整元件13、壓力感測元件14、第一溫度感測元件15及第二溫度感測元件16之作動。
請參閱圖2所示，刀長自動追隨模組20包括一驅動馬達21、一螺桿22、一滑塊23、一連桿機構24及一噴嘴25。螺桿22連接於驅動馬達21。滑塊23連接於螺桿22。噴嘴25具有一噴出端231以噴出冷卻流體L。
連桿機構24包括一第一桿件241、一第二桿件242及一第三桿件243。
第一桿件241沿其長度方向具有相對之一第一端2411與一第二端2412。第一桿件241以其長度方向平行於一第一方向F1固定設置，第一方向F1平行於螺桿22之軸心方向。
第二桿件242沿其長度方向具有相對之一第三端2421與一第四端2422，第三端2421與滑塊23連接。
第三桿件243沿其長度方向具有相對之一第五端2431與一第六端2432，第五端2431與第二端2412樞接，第六端2432與第四端2422樞接，噴嘴25設置於第三桿件243。
當驅動馬達21驅動螺桿22轉動，可由螺桿22帶動滑塊23沿著螺桿22之軸心方向(亦即平行第一方向F1)移動，同時帶動第二桿件242與第三桿件243擺動並使噴嘴25擺動，以改變噴出端231之朝向，亦即可改變冷卻流體L噴出的方向。圖2顯示冷卻流體L噴出的方向與刀具50的軸心C皆平行於第一方向F1。
請參閱圖3A所示，驅動馬達21驅動螺桿22轉動，螺桿22帶動滑塊23下移，連桿機構24帶動噴嘴25噴出冷卻流體L與刀具50之軸心C之間具有一小於90度之第一夾角θ1。
請參閱圖3B所示，驅動馬達21驅動螺桿22轉動，螺桿22再帶動滑塊23下移至更低位置時，連桿機構24帶動噴嘴25噴出冷卻流體L與刀具50之軸心C之間具有一小於90度之第二夾角θ2。對比於圖3A，第二夾角θ2大於第一夾角θ1。
圖3A與圖3B說明，當滑塊23於螺桿22上的位置改變時，可改變噴嘴25噴出冷卻流體L的方向。冷卻流體L的朝向可為刀具50或工件60，或者刀具50與工件60接觸之加工位置。
請參閱圖4A及4B所示，本實施例之刀長自動追隨模組20A具有兩噴嘴25A，兩噴嘴25A對稱於刀具50之軸心C設置，且每一噴嘴25A輸出之冷卻流體L皆朝向刀具50之加工位置。
比對圖4A及4B，圖4A中的刀具50的長度H1較長，冷卻流體L與刀具50之軸心C之間具有一小於90度之第三夾角θ3。圖4B中的刀具50的長度H2較短，冷卻流體L與刀具50之軸心C之間具有一小於90度之第四夾角θ4。第四夾角θ4大於第三夾角θ3。
藉由刀長自動追隨模組20A可追蹤刀具50的長度H1、H2而自動調整噴嘴25A噴出冷卻流體L的方向，使冷卻流體L始終可對準刀具50之加工位置。
圖4A及圖4B實施例說明，刀長自動追隨模組20A可具有複數噴嘴25A，且複數噴嘴25A環繞於刀具50之軸心C設置，且每一噴嘴25A輸出之冷卻流體L皆朝向刀具50。
或者，可將複數圖2所示該刀長自動追隨模組20環繞於刀具50之軸心C設置，且每一噴嘴25輸出之冷卻流體L皆朝向刀具50之加工位置。
請同時參閱圖1、圖4A、圖5所示，說明本案利用控制模組40根據加工溫度，調整冷卻流體之流速之流程500。
步驟502：加工溫度設定；首先設定一加工溫度；該加工溫度係由控制模組40依據由低溫冷卻資料庫30，根據加工參數與刀具長度與刀具半徑等刀具特徵所提供的冷卻參數設定而成。
步驟504：加工開始；設定好加工溫度之後，即可由控制模組40控制刀具50對工件60開始加工。
步驟506：測量加工位置之溫度；由第二溫度感測元件16用以感測加工位置之溫度，亦即刀具50之加工端與工件60接觸之位置之溫度。
步驟508：由控制模組40根據第二溫度感測元件16的感測結果，判斷加工位置之溫度是否高於設定之加工溫度；若是，則進入步驟510；若否，則進入步驟512。
步驟510：調升冷卻流體壓力；於步驟508判斷加工位置之溫度高於設定之加工溫度時，則必須調升冷卻流體輸出的壓力，亦即調升冷卻流體的流速或流量。
步驟512：於步驟508判斷加工位置之溫度不高於設定之加工溫度時，則必須再判斷加工位置之溫度是否低於設定之加工溫度；若是，則進入步驟514；若否，則回到步驟506。
步驟514：調降冷卻流體壓力；於步驟512判斷加工位置之溫度低於設定之加工溫度時，則必須調降冷卻流體輸出的壓力，亦即調降冷卻流體的流速或流量。
上述步驟510~514中有關溫度、壓力的感測、設定，都是由控制模組40控制冷卻流體源11、閥體12、壓力調整元件13、壓力感測元件14及第一溫度感測元件15進行。
步驟516：由控制模組40判斷加工是否結束；若是，則進入步驟518，完成加工；若否，則回到步驟506，繼續進行加工直到加工結束。
於進行圖5之加工流程中，同時由控制模組40根據刀具50的長度，同步調整刀長自動追隨模組20A追蹤刀具50的長度H1、H2，而自動調整噴嘴25A噴出冷卻流體L的方向，使冷卻流體L始終可對準刀具50之加工位置，如圖4A、4B所示。
綜上所述，本案所提供之加工冷卻系統，針對加工應用提出低溫冷卻系統，此系統針對加工刀具進行冷卻，避免加工溫度對刀具壽命之影響，並提供刀具長度追隨模組，可依照使用刀具長度自動調整至刀具加工位置，達到確實冷卻目的，此外，並提供低溫冷卻資料庫，可依照使用加工刀具及加工材料，提供使用冷卻參數作為參考設置參考依據，使加 工過程中之加工溫度不會達到材料表面加工硬化溫度，並可對刀具進行冷卻，藉此提升加工效率、加工精度與刀具壽命。
雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本案的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:加工冷卻系統
10:低溫冷卻模組
11:冷卻流體源
12:閥體
13:壓力調整元件
14:壓力感測元件
15:第一溫度感測元件
16:第二溫度感測元件
20:刀長自動追隨模組
30:低溫冷卻資料庫
40:控制模組
50:刀具

Claims (9)

  1. 一種加工冷卻系統，其包含：一低溫冷卻模組，提供冷卻流體至一刀具；至少一刀長自動追隨模組，用以根據該刀具之刀具特徵，調整該冷卻流體之輸出角度，該刀長自動追隨模組包括：一驅動馬達；一螺桿，連接於該驅動馬達；一滑塊，連接於該螺桿；一連桿機構，連接該滑塊；至少一噴嘴，設置於該連桿機構上，該噴嘴具有一噴出端以噴出該冷卻流體；該連桿機構包括：一第一桿件，以容納該螺桿與該滑塊及連接該驅動馬達，並具有相對之一第一端與一第二端；一第二桿件，具有相對之一第三端與一第四端，該第三端與該滑塊樞接；一第三桿件，具有相對之一第五端與一第六端，該第五端與該第二端樞接，該第六端與該第四端樞接，該噴嘴設置於該第三桿件上；該驅動馬達驅動該螺桿轉動，由該螺桿帶動該滑塊沿著該螺桿之軸心方向移動，由該滑塊帶動該連桿機構上之該噴嘴擺動，以改變該噴出端之朝向； 一低溫冷卻資料庫，用以根據加工參數與該刀具特徵，提供冷卻參數以作為設定一加工溫度之依據；以及一控制模組，連接該低溫冷卻模組、該刀長自動追隨模組與該低溫冷卻資料庫，用以根據該加工溫度調整該冷卻流體之流速或流量。
  2. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該冷卻流體為液態氮、液態二氧化碳及氮氣其中之一種或多種之組合。
  3. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該低溫冷卻模組包括：一冷卻流體源，用以供應該冷卻流體；一閥體，與該冷卻流體源連接，用以控制該冷卻流體之流量；一壓力調整元件，與該閥體連接，用以調整由該閥體流出之該冷卻流體之輸出壓力；一壓力感測元件，用以感測由該閥體流出之該冷卻流體之該輸出壓力；一第一溫度感測元件，用以感測由該閥體流出之該冷卻流體之溫度；以及一第二溫度感測元件，用以感測該刀具與一工件接觸位置之溫度；該控制模組連接並控制該冷卻流體源、該閥體、該壓力調整元件、該壓力感測元件、該第一溫度感測元件、該第二溫度感測元件。
  4. 如請求項3之加工冷卻系統，其中該工件之材質為鈦合金、鎳基合金、不鏽鋼與複合材料其中之一種或多種之組合。
  5. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該刀長自動追隨模組具有複數噴嘴，該複數噴嘴環繞於該刀具之軸心設置。
  6. 如請求項1之加工冷卻系統，其具有複數該刀長自動追隨模 組，該複數刀長自動追隨模組環繞於該刀具之軸心設置。
  7. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該低溫冷卻資料庫為一雲端資料庫。
  8. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該控制模組為微處理器及電腦其中之一種或多種之組合。
  9. 如請求項1之加工冷卻系統，其中該刀具特徵包括刀具長度與刀具半徑。
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