一种薄壁件低温加工装置

技术领域

本发明属于难加工合金薄壁构件铣削装备技术领域，尤其涉及一种薄壁件低温加工装置。

背景技术

薄壁钛合金、镍基高温合金等难加工构件具有良好的力学性能，具有高热强度、高比强度、抗蚀性好等优点，被广泛应用在航空航天、军工国防等重要领域。但由于该类薄壁构件材料刚度较差，韧性较高，尺寸精度及形位公差要求高，采用传统切削液冷却铣削加工工艺不可避免会出现毛刺、易变形、大尺寸误差等缺陷。此外，该难加工材料如钛合金相对于钢铁热导率较低，且切削液降温能力和效果不理想，当高速加工时，极易引起严重的热变形缺陷，尤其较大铣削用量时，加工缺陷更加严重。薄壁难加工合金材料铣削缺陷是热、力耦合共同作用的结果，切削中应提高冷却效率和降低切削力负载。

西北工业大学，公开了一种钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法，并申请了国内专利，申请号：CN202111129812.2，发明名称：钛合金薄壁结构精密铣削表面状态稳健性工艺控制方法。该方法通过调节可控工艺参数补偿加工中不可控因子作用引起的结构件表面状态突变,保证结构件疲劳性能达到了预期效果,提升了钛合金薄壁结构件的尺寸和形位精度。江苏湘林嘉雨机械有限公司，公开了一种薄壁件加工中切屑位置降温装置，并申请了国内专利，申请号：CN202121806849.X，专利名称：一种薄壁件加工中切屑位置降温装置。该专利通过喷水接口可在薄壁部件加工时,对其加工位置进行喷水,从而达到降温效果。大连东兴锻造有限公司，公开了一种基于薄壁环形件加工用的降温装置，并申请了国内专利，申请号：CN202022435303.X。发明名称：一种基于薄壁环形件加工用的降温装置。该装置能够对打磨盘有效降温,能够连续对薄壁环形件内外壁进行打磨。

以上发明都是从切削稳定性、加工误差补偿和利用切削液降低切削区温度出发，改善薄壁件加工缺陷。但对于大切削用量加工，高温热变形等缺陷仍旧不可避免，影响工件尺寸及形位精度。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种工作效果更好的薄壁件低温加工装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明薄壁件低温加工装置包括刀柄外环1.5，其特征在于刀柄外环1.5上部内壁外扩形成上密封圈放置槽和上轴承放置槽，上密封圈放置槽内设置有上密封圈1.4，上密封圈1.4上端设置有上螺纹紧固垫圈1.3，上轴承放置槽位于上密封圈放置槽的上端，上轴承放置槽的直径大于上密封圈放置槽的直径；上轴承放置槽内设置上轴承1.2；

刀柄外环1.5下部内壁外扩形成下密封圈放置槽和下轴承放置槽，下密封圈放置槽内设置有下密封圈1.6，下密封圈1.6下端设置有下螺纹紧固垫圈1.7，下轴承放置槽位于下密封圈放置槽的下端，下轴承放置槽的直径大于下密封圈放置槽的直径；下轴承放置槽内设置下轴承1.8，下轴承1.8下端设置有止动垫圈1.9；

刀柄1.1穿过刀柄外环1.5中心孔，刀柄1.1上部外壁具有向外侧延伸的凸缘，凸缘下端面与上轴承1.2上端面相接；刀柄1.1下部外壁旋有紧固螺母1.10，紧固螺母1.10上端与止动垫圈1.9下端相接；

所述刀柄1.1下端设置有左刀片1.11和右刀片1.13，左刀片1.11和右刀片1.13对称设置在刀柄1.1下端两侧；

刀柄外环1.5左侧向上凸起形成左冷却液入口1.15，刀柄外环1.5右侧向上凸起形成右润滑液入口1.16；左冷却液入口1.15和右润滑液入口1.16与刀柄外环1.5内的冷却液通道连通，冷却液通道与左刀片1.11和右刀片1.13连通。

作为一种优选方案，本发明所述左刀片1.11和右刀片1.13为菱形刀片，菱形刀片倾斜设置，菱形刀片下端朝向外侧。

作为另一种优选方案，本发明所述菱形刀片的刀片后角为25°。

作为另一种优选方案，本发明所述左刀片1.11中部通过左刀片紧固螺钉1.12与刀柄1.1下端固定，右刀片1.13中部通过右刀片紧固螺钉1.14与刀柄1.1下端固定。

作为另一种优选方案，本发明所述刀柄1.1上端BT40锥柄部分2.8置于主轴箱3.8内，主轴箱3.8下端左侧设置有左转接头2.4，主轴箱3.8下端右侧设置有右转接头2.7，左转接头2.4下端出口处设置有左密封圈2.3，右转接头2.7下端出口处设置有右密封圈2.6；

左转接头2.4左端进口与左转接头2.4内的左进液通道左端相连，左进液通道下端与左转接头2.4下端出口相连；

右转接头2.7右端进口与右转接头2.7内的右进液通道右端相连，右进液通道下端与右转接头2.7下端出口相连；

左冷却液入口1.15上部置于左转接头2.4下端出口内，左密封圈2.3置于左冷却液入口1.15上部外壁与左转接头2.4下端出口壁之间；

右润滑液入口1.16上部置于右转接头2.7下端出口内，右密封圈2.6置于右润滑液入口1.16上部外壁与右转接头2.7下端出口壁之间。

作为另一种优选方案，本发明所述左转接头2.4上设置有左竖向连接孔，左连接螺栓2.5上端穿过左竖向连接孔旋入主轴箱3.8下端的左螺纹孔内；

右转接头2.7上设置有右竖向连接孔，右连接螺栓2.9上端穿过右竖向连接孔旋入主轴箱3.8下端的右螺纹孔内。

作为另一种优选方案，本发明所述冷却液通道包括左竖冷却液通道1.17、右竖冷却液通道1.18、中横冷却液通道1.19、中竖冷却液通道1.20、左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22，左竖冷却液通道1.17上端与左冷却液入口1.15相连，右竖冷却液通道1.18上端与右润滑液入口1.16相连；

左竖冷却液通道1.17下端与中横冷却液通道1.19左端相连，右竖冷却液通道1.18下端与中横冷却液通道1.19右端相连，中横冷却液通道1.19中部与中竖冷却液通道1.20上端相连，中竖冷却液通道1.20下端分别与左下斜冷却液通道1.21上端和右下斜冷却液通道1.22上端相连，左下斜冷却液通道1.21下端与左刀片1.11上端连通，右下斜冷却液通道1.22下端与右刀片1.13上端连通；左下斜冷却液通道1.21由右上向左下倾斜，右下斜冷却液通道1.22由左上向右下倾斜。

作为另一种优选方案，本发明所述左冷却液入口1.15和右润滑液入口1.16为圆台状端口，圆台状端口的中心为进液通道；所述左转接头2.4下端出口和右转接头2.7下端出口为与圆台状端口对应的圆台状槽。

作为另一种优选方案，本发明所述上螺纹紧固垫圈1.3和下螺纹紧固垫圈1.7采用玻璃纤维增强塑料垫圈。

其次，本发明所述上螺纹紧固垫圈1.3和下螺纹紧固垫圈1.7上设置有旋扭插孔。

另外，本发明所述中竖冷却液通道1.20的直径为3mm，左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22的直径小于2mm。

本发明有益效果。

本发明设置左冷却液入口1.15和右润滑液入口1.16，可同时输入两种冷却液(液氮+CO

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是液氮/CO

1.1-刀柄，1.2-上轴承，1.3-上螺纹紧固垫圈，1.4-上密封圈，1.5-刀柄外环，1.6-下密封圈，1.7-下螺纹紧固垫圈，1.8-下轴承，1.9-止动垫圈，1.10-紧固螺母，1.11-左刀片，1.12-左刀片紧固螺钉，1.13-右刀片，1.14-右刀片紧固螺钉。

图2是整体刀柄机床连接。

3.8-主轴箱，2.2-主轴，2.3-左密封圈，2.4-左转接头，2.5-左连接螺栓，2.6-右密封圈，2.7-右转接头，2.8-BT40锥柄部分。

图3是液氮+CO

3.1-液氮杜瓦罐，3.2-液氮输送软管，3.3-低温流量阀,3.4-电子流量控制阀，3.5-低温减压阀，3.6-低温节流阀，3.7-低温单向阀，3.8-主轴，3.9-刀柄，3.10-工件，3.11-夹具，3.12-超低温温控仪，3.13-热电偶，3.14-三通接头，3.15-电接点压力表，3.16-导线，3.17-PLC控制模块，3.18-低温电磁控制阀，3.19-低温流量阀，3.20-CO

图4是流量-温度调节方案。

图5是PLC模块控制电路(LED1灯亮显示控制工作状态，LED2灯亮显示PLC通电状态。图5中的低温电磁控制阀为图3中的低温电磁控制阀3.18)。

具体实施方式

如图1所示，本发明薄壁件低温加工装置包括刀柄外环1.5，刀柄外环1.5上部内壁外扩形成上密封圈放置槽和上轴承放置槽，上密封圈放置槽内设置有上密封圈1.4，上密封圈1.4上端设置有上螺纹紧固垫圈1.3(垫圈1.3外壁是外螺纹，刀柄外环1.5中心孔是内螺纹，1.3与1.5通过旋转1.3，使1.3向下移动压紧1.4)，上轴承放置槽位于上密封圈放置槽的上端，上轴承放置槽的直径大于上密封圈放置槽的直径；上轴承放置槽内设置上轴承1.2；

刀柄外环1.5下部内壁外扩形成下密封圈放置槽和下轴承放置槽，下密封圈放置槽内设置有下密封圈1.6，下密封圈1.6下端设置有下螺纹紧固垫圈1.7，下轴承放置槽位于下密封圈放置槽的下端，下轴承放置槽的直径大于下密封圈放置槽的直径；下轴承放置槽内设置下轴承1.8，下轴承1.8下端设置有止动垫圈1.9；

刀柄1.1穿过刀柄外环1.5中心孔，刀柄1.1上部外壁具有向外侧延伸的凸缘，凸缘下端面与上轴承1.2上端面相接；刀柄1.1下部外壁旋有紧固螺母1.10，紧固螺母1.10上端与止动垫圈1.9下端相接；

所述刀柄1.1下端设置有左刀片1.11和右刀片1.13，左刀片1.11和右刀片1.13对称设置在刀柄1.1下端两侧；

刀柄外环1.5左侧向上凸起形成左冷却液入口1.15，刀柄外环1.5右侧向上凸起形成右润滑液入口1.16；左冷却液入口1.15和右润滑液入口1.16与刀柄外环1.5内的冷却液通道连通，冷却液通道与左刀片1.11和右刀片1.13连通。

所述所述刀柄1.1下端可采用标准机夹式立铣刀结构。

所述左刀片1.11和右刀片1.13为菱形刀片，菱形刀片倾斜设置，菱形刀片下端朝向外侧。

所述菱形刀片的刀片后角为25°(图1下端已标注)，减小与已加工表面摩擦。

所述左刀片1.11中部通过左刀片紧固螺钉1.12与刀柄1.1下端固定，右刀片1.13中部通过右刀片紧固螺钉1.14与刀柄1.1下端固定。

所述刀柄1.1上端BT40锥柄部分2.8置于主轴箱3.8内(BT40锥柄部分2.8尾部可加装拉钉，并利用打刀缸及主轴箱3.8的主轴2.2内部标准拉刀装置刀柄装夹连接)，主轴箱3.8下端左侧设置有左转接头2.4，主轴箱3.8下端右侧设置有右转接头2.7，左转接头2.4下端出口处设置有左密封圈2.3，右转接头2.7下端出口处设置有右密封圈2.6；

左转接头2.4左端进口与左转接头2.4内的左进液通道左端相连，左进液通道下端与左转接头2.4下端出口相连；

右转接头2.7右端进口与右转接头2.7内的右进液通道右端相连，右进液通道下端与右转接头2.7下端出口相连；

左冷却液入口1.15上部置于左转接头2.4下端出口内，左密封圈2.3置于左冷却液入口1.15上部外壁与左转接头2.4下端出口壁之间；

右润滑液入口1.16上部置于右转接头2.7下端出口内，右密封圈2.6置于右润滑液入口1.16上部外壁与右转接头2.7下端出口壁之间。

所述左转接头2.4上设置有左竖向连接孔，左连接螺栓2.5上端穿过左竖向连接孔旋入主轴箱3.8下端的左螺纹孔内；

右转接头2.7上设置有右竖向连接孔，右连接螺栓2.9上端穿过右竖向连接孔旋入主轴箱3.8下端的右螺纹孔内。

所述冷却液通道包括左竖冷却液通道1.17、右竖冷却液通道1.18、中横冷却液通道1.19、中竖冷却液通道1.20、左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22，左竖冷却液通道1.17上端与左冷却液入口1.15相连，右竖冷却液通道1.18上端与右润滑液入口1.16相连；

左竖冷却液通道1.17下端与中横冷却液通道1.19左端相连，右竖冷却液通道1.18下端与中横冷却液通道1.19右端相连，中横冷却液通道1.19中部与中竖冷却液通道1.20上端相连，中竖冷却液通道1.20下端分别与左下斜冷却液通道1.21上端和右下斜冷却液通道1.22上端相连，左下斜冷却液通道1.21下端与左刀片1.11上端连通，右下斜冷却液通道1.22下端与右刀片1.13上端连通；左下斜冷却液通道1.21由右上向左下倾斜，右下斜冷却液通道1.22由左上向右下倾斜。

所述左冷却液入口1.15和右润滑液入口1.16为圆台状端口，圆台状端口的中心为进液通道；所述左转接头2.4下端出口和右转接头2.7下端出口为与圆台状端口对应的圆台状槽。

所述上螺纹紧固垫圈1.3和下螺纹紧固垫圈1.7采用玻璃纤维增强塑料垫圈。

所述上螺纹紧固垫圈1.3和下螺纹紧固垫圈1.7上设置有旋扭插孔1.23。可利用带尖的钳子将头部插入旋扭插孔中，即可旋扭螺纹紧固垫圈，便于压紧密封圈。

所述中竖冷却液通道1.20的直径为3mm(图1下部已标注)(即刀柄内流道直径为3mm)，左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22的直径小于2mm(图1下端已标注)(即喷口直径小于2mm)。

所述低温液氮于铣刀杆喷口与切削刀刃的间距可缩短到小于等于5mm(图1下端已标注)。

喷口(左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22)的喷出方向对准刀具刀尖切削部位。

所述左下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22为圆锥形孔，同时可采用标准机夹式铣刀片(左刀片1.11和右刀片1.13)安装于刀杆末端刀片安装槽内。冷却液从下斜冷却液通道1.21和右下斜冷却液通道1.22下端喷出。

所述上密封圈1.4和下密封圈1.6可采用唇形密封圈。

所述左刀片1.11和右刀片1.13可采用硬质合金铣刀片。

左转接头2.4左端进口和右转接头2.7右端进口处可采用密封管螺纹方式连接，外接软管头部为与其能够旋合的接头。

刀柄外环1.5可采用3D打印成型方式制造，材料可为玻璃钢纤维复合材料；同时为了起到隔热目的，刀柄内液氮流道涂覆一层0.5mm厚聚四氟乙烯乳液，涂覆中需保持流道畅通，在其干燥后会粘附于刀柄内孔上，并防止乳液封堵流道。

本发明薄壁件低温加工装置为整体式外转内冷刀柄结构。整体式相对于普通刀柄而言的，普通刀柄和前端刀杆是分开的，刀杆需用弹簧夹头与其相连，这样增加了在连接处的液氮的泄露。本发明整体式结构无泄漏。

本发明薄壁件低温加工装置为薄壁件低温加工系统的一部分，薄壁件低温加工系统包括液氮杜瓦罐3.1，液氮杜瓦罐3.1的出口通过液氮输送软管3.2与低温流量阀3.3的进口相连，低温流量阀3.3的出口与电子流量控制阀3.4的进口相连，电子流量控制阀3.4的出口与低温减压阀3.5的进口相连，低温减压阀3.5的出口与低温节流阀3.6的进口相连，低温节流阀3.6的出口与低温单向阀3.7的进口相连，低温单向阀3.7的出口与机床主轴箱3.8上的左转接头2.4左端进口相连；电子流量控制阀3.4的控制信号输入端口与超低温温控仪3.12(超低温温控仪3.12可采用AI-7028/7048多路PID温度控制器)的控制信号输出端口相连；热电偶3.13从刀具终端喷口(即左下斜冷却液通道1.21或右下斜冷却液通道1.22)处从获得温度信号，并将温度信号以电信号形式传给超低温温控仪3.12；

机床主轴箱3.8上的右转接头2.7右端进口与三通接头3.14的出口相连，三通接头3.14的压力检测口与电接点压力表3.15的进口相连，电接点压力表3.15的检测信号输出端口通过导线3.16与PLC控制模块(PLC控制模块可采用西门子S7-200PLC控制模块)3.17的检测信号输入端口相连，PLC控制模块3.17的控制信号输出端口与低温电磁控制阀3.18的控制信号输入端口相连，低温电磁控制阀3.18的出口与三通接头3.14的进口相连，低温电磁控制阀3.18的进口与低温流量阀3.19的出口相连，低温流量阀3.19的进口与CO

所述左转接头2.4左端进口和右转接头2.7右端进口为锥孔。

工件水平加工面两端温度设定为T

式中y为喷口计算设定温度，x为进给方向坐标，L为工件进给方向长度，其中切削前刀具位置位于工件始发切削端10mm处。

将工件长度L分成10份，由上式可计算出沿着加工进给x方向的每一步长需要达到的冷却温度y

同时每份进给时间为

式中t为走刀时间(s)，f

预先设定的需实时变化(在超低温温控仪3.12中先后设定10个y值y

所述从设定温度y

所述设定温度y

本发明中的转接头2.4和转接头2.7，在加工中要保证其水平和竖直锥孔轴线与端面的垂直精度(切削加工中通过互为基准原则加工端面和底面，保证他们的垂直精度，而后以端面或底面为基准钻削锥孔，可保证锥孔与端面和底面垂直精度)，同时再将其安装到机床主轴箱上时，要保证两转接头竖直锥孔轴线与主轴2.2轴线的尺寸精度和平行精度(由于数控铣床装配中的主轴箱端面与主轴锥孔垂直度很高，具有较高精度底面的两转接头安装在了主轴箱3.8端面上，故能够保证竖直锥孔轴线与主轴2.2轴线的平行精度,而后通过事先在主轴箱3.8端面上精确钻削的安装螺钉2.5的螺纹孔保证转接头2.4和转接头2.7与主轴2.2轴线的尺寸精度)。

所述夹具3.11可采用现有的常规压板。

本发明薄壁件低温加工装置为一种弱刚性合金材料高效、高质量、低损伤铣削加工装备。

所述外传内冷整体式刀柄，其刀杆(紧固螺母1.10下端刀柄最细的部位为刀杆)和刀柄本体为一体化设计制造，无需弹簧夹头(弹簧夹头为本领域常规结构)，装配，解决了液氮在刀柄中的传输泄露(弹簧夹头无密封，需经常拆卸)问题。

本发明通过控制液氮流量来控制切削区瞬间温度，控制CO

液氮在刀柄外部流通及控制装置可参考之前所授权发明专利——一种铣孔装置(ZL201910319180.2)。

CO

下面结合附图说明本发明的工作过程。

如图1所示，先将上密封圈1.4压入刀柄外环1.5，然后旋入上螺纹紧固垫圈1.3，而后装入上轴承1.2，保证轴承外环完全装入。将刀柄1.1沿刀柄外环1.5的上轴承1.2开放端装入，保证刀柄1.1的最里面轴肩与上轴承1.2内圈端面密切贴合；再沿刀柄外环1.5另一端依次装入下密封圈1.6、下螺纹紧固垫圈1.7、下轴承1.8、止动垫圈1.9，最后旋入紧固螺母1.10；将左刀片1.11和右刀片1.13通过左刀片紧固螺钉1.12和右刀片紧固螺钉1.14固定于刀柄末端的刀杆尾部。

如图2所示，将左密封圈2.3和右密封圈2.6分别装入左转接头2.4和右转接头2.7中，而后将装配好的左转接头2.4和右转接头2.7用左连接螺栓2.5和右连接螺栓2.9安装到主轴箱3.8上；将装配好的整体刀柄1.1的尾部的BT40锥柄部分2.8装入主轴箱3.8，同时将整体刀柄1.1的外环部件的两个冷却液入口装入左转接头2.4和右转接头2.7，实现整体刀柄1.1与主轴箱3.8的连接。

如图3所示，利用液氮输送软管3.2依次将液氮杜瓦罐3.1、低温流量阀3.3，电子流量控制阀3.4，低温减压阀3.5、低温节流阀3.6、低温单向阀3.7串联在一起，然后接入机床主轴箱3.8上的转接头(图2中的转接头2.4)的锥孔中；再利用液氮输送软管3.2依次连接CO

1)利用夹具3.11对薄壁工件3.10进行定位和夹紧。

2)将刀柄1.1锥柄装入机床主轴2.2中，同时刀柄外环1.5的两个锥形孔对准主轴箱3.8上安装的转接头2.4和转接头2.7的带有密封圈的锥孔，利用拉钉和打刀缸将刀柄装置安装并固定在机床主轴2.2上。

3)旋开CO

4)旋开液氮杜瓦罐3.1上阀门，检查液氮输送管路，确保串联管路上各元件无泄漏，待喷射1分钟后，利用低温温度计测量刀尖处温度，同时调节杜瓦罐3.1上阀门获得稳定的刀具所需出口温度。

5)待刀尖出口处出现液氮和CO

6)由于难加工合金薄壁构件的待加工平面刚度的不均匀性，即两端刚度差，越往中间刚度相对越大，为了获得高质量均匀加工表面，应通过控制冷却温度来实现工件表面刚度的合理变化，进而改善整体加工变形缺陷。为了使得温度变化均匀，变化满足抛物线轨迹，即先减小再增大，如两端温度设定为T

式中y为喷口温度，x为进给方向坐标，L为工件进给方向长度，其中切削前刀具位置位于工件始发切削端10mm处。

将工件长度L分成10份，由上式可计算出沿着加工进给x方向的每一步长需要达到的冷却温度y

同时每份进给时间为

式中t为走刀时间(s)，f

7)基于步骤6中的预先设定的需实时变化的喷口温度输入超低温温控仪3.12中，在步骤5调整好的温度T

8)若液氮输送管压力大于CO

本发明针对薄壁件铣削变形主要表现为被加工端的挠度和转角，根据材料力学，挠度和转角受到切削端切削力载荷(正比)和材料弹性模量(反比)的影响。同时超低温下切削力会有所升高，材料弹性模量大幅升高，而切削力与切削润滑效果有关，故若想降低切削力和弹性模量比例，本发明利用一种液氮+CO

本发明可应用于难加工薄壁材料，将薄壁材料切成规则矩形方块，利用强风将工件表面清理干净，并将工件按照定位规则定位装夹于可联动的数控机床工作台上。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。