[發明專利]一種金屬材料切削區溫度控制裝置及控制方法

在審

• 申請號: 202010193170.1
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111152066A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 張程焱;王立新;孟五洲;俎曉莉
• 申請（專利權）人: 安陽工學院
• 主分類號: B23Q11/10
• 分類號: B23Q11/10;B23Q17/00
• 代理公司: 北京八月瓜知識產權代理有限公司 11543
• 代理人: 李斌

1.一種金屬材料切削區溫度控制裝置，其特征在于：包括切削模塊、溫度監測模塊和溫度調節模塊；所述切削模塊包括刀架（1）、刀具（2），所述刀具（2）安裝在刀架（1）上，工件（3）安裝在機床卡盤（4）上；所述溫度監測模塊包括測溫儀鏡頭（10）、光纖（17）、測溫儀主機（11），所述的測溫儀鏡頭（10）通過光纖（17）連接測溫儀主機（11），所述鏡頭固定于支架底座（5）上，并正對切削區域刀具刀尖位置；所述溫度調節模塊包括中控機（12）、溫度控制系統（13）、空氣壓縮機（14）、液壓泵（15）、切削液供給系統（16）、切削液油路（18）、低溫氣路（19）、液壓油路（20）、直線液壓缸（8）、帶霧化噴嘴冷風槍（9）；所述中控機（12）與測溫儀主機（11）相連并接收信號，中控機（12）與溫度控制系統（13）相連接并傳遞控制信號；所述溫度控制系統（13）分別與空氣壓縮機（14）、液壓泵（15）、切削液供給系統（16）連接，用以空氣壓縮機（14）、控制液壓泵（15）、切削液供給系統（16）的啟動和停止；所述液壓泵（15）通過液壓油路（20）與直線液壓缸（8）相連；所述帶霧化噴嘴冷風槍（9）分別通過切削液油路（18）、低溫氣路（19）與切削液供給系統（16）和空氣壓縮機（14）相連；所述帶霧化噴嘴冷風槍（9）通過連接件7固連在直線液壓缸（8）上；所述的直線液壓缸（8）的殼體通過支架（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.根據權利要求1所述的金屬材料切削區溫度控制裝置，其特征在于：所述的空氣壓縮機（14）內設風速調節器的調節輸出氣流溫度范圍[t_min，t_max]，且線性可調；空氣壓縮機（14）內設風速調節器的氣流流速下限為v₀ m/s，流速調節倍率1~R線性可調，R為大于1的自然數。

3.根據權利要求2所述的金屬材料切削區溫度控制裝置的控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

準備階段：

步驟1：確定適切溫度T₀，根據工件（3）的材料的設定適切溫度為T₀；所述適切溫度T₀是基于不同切削區域溫度下的切削實驗，面向被切削零件的使用環境，通過對比表面殘余應力、刀具磨損率、表面粗糙度等參數優選的最適宜的切削區域溫度值，并同時設定帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴與刀具刀尖切削區間距為[L_min，L_max]，即L_min至L_max，此距離受空間結構限制，即直線液壓缸（8）的活塞桿的移動范圍；

步驟2：建立帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴和工件（3）切削間距與潤滑流量之間的關系函數：根據工件的材料確定噴射距離L₀條件下的噴射流量為Q₀，其數值根據切削線速度v_c、等效切屑寬度w和邊界摩擦油膜厚度h=0.05μm確定，，其中k₀是保證油膜有效形成系數，設定為2，L₀介于L_min和L_max之間，且其數值根據實際結構尺寸和噴嘴的噴射夾角進行設定；

距離小于L₀時，切削液流量損失忽略不計，距離大于L₀且隨著距離增加，由于噴嘴噴射角度存在，使噴射覆蓋面增加，超出局部切削區域的切削液，流量損失約呈指數增長，建立隨距離變化的指數型流量函數，Lx為帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴和工件（3）的切削間距；

加工切削階段：

步驟1：測溫儀實時測量切削區溫度T，并將實時溫度信號傳遞給中控機（12），中控機（12）對比切削區溫度T和適切溫度T₀，若實時溫度T與適切溫度為T₀之間的差值的絕對值小于10℃，則中控機控制溫度控制系統（13）保持當前切削狀態，即保持當前的帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴與刀具的刀尖切削區間距和切削液噴射流量Q，以及空氣壓縮機（14）輸出氣流的溫度和氣流流速，使切削區溫度保持在適切溫度上下10℃范圍內，否則執行下一步；

步驟2:若步驟1中的實時的切削區溫度T與適切溫度為T₀之間的差值的絕對值大于10℃，首先控制直線液壓缸使噴嘴移動：

當為正值時，溫度控制系統（13）控制液壓泵（15），使直線液壓缸（8）的活塞桿帶動帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴朝向切削區域方向移動，移動的極限距離不小于L_min；當為負值時，直線液壓缸（8）活塞桿帶動帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴朝遠離切削區域方向移動，移動的極限距離不超過L_max；直線液壓缸（8）的活塞桿移動過程中通過測溫儀主機12反饋的溫度參數，直線液壓缸（8）實時變化移動方向，直至切削區溫度處于適切溫度上下10℃范圍內；同時在直線液壓缸（8）的活塞桿移動過程中，中控機（12）根據直線液壓缸（8）活塞桿實時位置參數，通過溫度控制系統（13）按照公式調節切削液供給系統（16）的切削液噴射流量Q；溫度控制系統（13）控制直線液壓缸（8）調節噴嘴位置使切削區溫度達到適切溫度上下10℃范圍內后；

然后通過溫度控制系統（13）調節空氣壓縮機（14）輸出氣流溫度和氣流流速實現帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴位置移動到噴射距離L₀，具體調節方法：當L_xL₀時，調節空氣壓縮機（14）內設風速調節器，降低輸出氣流的溫度和增加氣流流速，溫度控制系統（13）根據測溫儀主機（11）實時反饋的溫度數據，由中控機（12）發出調節信號，溫度控制系統（13）控制直線液壓缸（8）帶動帶霧化噴嘴冷風槍（9）的噴嘴遠離切削區域，直至位置處于噴射距離L₀，同時切削液流量也回歸噴射流量Q₀；

當L_xL₀時，溫度控制系統（13）調節空氣壓縮機（14）內設風速調節器，提高輸出氣流的溫度和降低氣流流速，溫度控制系統（13）根據測溫儀主機（11）實時反饋的溫度數據，由中控機（12）發出調節信號，溫度控制系統（13）控制直線液壓缸（8）的活塞桿帶動噴嘴朝向切削區域運動，直至位置處于噴射距離L₀，同時切削液流量回歸噴射流量Q₀。