一种超低温介质内喷式数控机床

摘要

本发明一种超低温介质内喷式数控机床属于数控机床技术领域，涉及一种集超低温介质储存、传输、调控功能于一体的内喷式数控机床。该机床由超低温介质储存装置、超低温介质输送调控装置、中空隔热主轴与防护结构四部分构成。超低温介质储存装置有两个并联的超低温介质储罐安装在机床的左侧，超低温介质输送调控装置与超低温介质储存装置相连；中空隔热主轴中，主轴内部的真空芯轴通过螺母与真空软管连接。该机床超低温介质储存、输送、调节装置在机床内部集成度高、布局合理。实现了超低温介质供给的连续性，避免了超低温介质在输送过程中产生过多能量损耗，保证了输出的超低温介质流量稳定可控。

权利要求

1.一种超低温介质内喷式数控机床，机床床身上安装有X向和Y向可移动工作台，Z向移动的主轴箱安装在机床立柱上，其特征是，该数控机床还具有超低温介质储存装置(Ⅰ)、超低温介质输送调控装置(Ⅱ)、中空隔热主轴(Ⅲ)和防护结构(Ⅳ)四个部分；

所述超低温介质储存装置(Ⅰ)有两个并联的超低温介质储罐：第一超低温介质储罐(1.1)和第二超低温介质储罐(1.2)，它们安装在机床左侧；第一超低温介质储罐(1.1)的第一进出液口(1.a)通过螺纹与第一铜接头(1.3)连接，第一铜接头(1.3)通过第一螺母(1.5)与三通真空硬管(1.7)的第一端口(1.c)连接；第二超低温介质储罐(1.2)的第二进出液口(1.b)通过螺纹与第二铜接头(1.4)连接，第二铜接头(1.4)通过第二螺母(1.6)与三通真空硬管(1.7)的第二端口(1.d)连接；

所述超低温介质输送调控装置(Ⅱ)与超低温介质储存装置(Ⅰ)相连接，第一真空软管(2.1)一端通过第三螺母(2.a)与三通真空硬管(1.7)的第三端口(1.e)连接，另一端通过第四螺母(2.b)与第一真空硬管(2.2)连接；水平放置的超低温流量计(2.4)一侧通过第一法兰(2.3)与第一真空硬管(2.2)连接，另一侧通过第二法兰(2.5)与第二真空硬管(2.6)连接；第二真空硬管(2.6)的中部密封安装安全阀(2.7)；用来支撑超低温流量计(2.4)的第一支架(2.13)与用来定位支撑第二真空硬管(2.6)的第二支架(2.14)分别焊接在防护罩(4.1)上；第二真空硬管(2.6)另一端通过第三法兰(2.8)与竖直放置的电动调节阀(2.9)连接，对电动调节阀(2.9)起定位支撑作用的第三支架(2.15)焊接在中后隔板(4.3)上；电动调节阀(2.9)通过第四法兰(2.10)与第三真空硬管(2.11)连接；第三真空硬管(2.11)的另一端穿过中后隔板(4.3)，并通过焊接在中后隔板(4.3)上的第四支架(2.16)固定支撑；第三真空硬管(2.11)通过第五螺母(2.c)与第二真空软管(2.12)连接，所有连接螺纹均用密封胶带加强密封性能，并做保冷隔热处理；

所述的中空隔热主轴(Ⅲ)中,主轴(3.1)安装在机床主轴箱中，主轴电机(3.5)安装在电机支座(3.6)上，电机支座(3.6)安装在主轴箱体(3.7)上；主轴(3.1)内部的真空芯轴(3.2)通过第六螺母(3.a)与第二真空软管(2.12)连接；真空芯轴(3.2)上的键(3.4)通过与芯轴支架(3.3)配合，限制真空芯轴(3.2)的转动；

所述的防护结构(Ⅳ)由防护罩(4.1)、防护门(4.2)、中后隔板(4.3)、中左隔板(4.4)组成，防护罩(4.1)由顶板、后板和左右两个侧板固定连接构成，中左隔板(4.4)与中后隔板(4.3)相连接，安装在防护罩(4.1)内机床的左中侧，防护门(4.2)与防护罩(4.1)连接，并安装在机床的前部；

采用聚氨酯泡沫喷剂对管路所有连接处进行保冷隔热处理，至固化。

说明书

一种超低温介质内喷式数控机床

技术领域

[0001] 本发明属于数控机床技术领域，涉及一种集超低温介质储存、传输、调控功能于一体的内喷式数控机床。

背景技术

[0002] 以钛合金、镍基合金为代表的难加工材料具有高粘、高韧、高强的加工特点，导致局部切削温度异常高，常规水基/油基冷却液(0℃～20℃)冷却效能明显不足。以液氮为代表的超低温介质(-150℃以下)作为冷却液冷却效果显著，可大幅降低切削温度，提高加工质量、延长刀具寿命。

[0003] 超低温冷却介质的冷却效果与其介入方式有关。与外部漫灌式冷却相比，内喷式冷却由于冷却介质更容易进入刀具切削局部区域，在降温、润滑等方面具有更佳的效果。考虑到液氮等超低温介质极易汽化，需要独立安全的储存装置来保持其液化状态。超低温介质容易与周围环境产生热量交换，导致其相态、流速急剧波动，为稳定输送、流量调节过程带来很大困难。由于超低温介质自身的低温属性，正常机床的结构、配合形式极易失效，难以维持长期正常的工作。因此，在不影响机床可靠运行的条件下，实现超低温介质内喷式冷却功能与机床结构一体化集成难度极大。

[0004] 目前，国内外学者围绕超低温介质内喷式加工，研制出多种专用装置或功能部件。2001年，Shane Y.Hong在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》第41卷第15期发表文章《Friction and cutting forces in cryogenic machining of Ti–6Al–4V》中介绍了一种液氮内喷式车削方法，液氮通过导管的中空通道喷射至刀尖区域，实现了液氮内喷式车削加工。大连理工大学在专利201410228633.8中公开了“一种液氮内喷式刀柄装置”，该装置中液氮从外部通过刀柄内腔，流通至中空刀杆切削刃附近的细孔喷出，实现了普通机床与液氮内喷式功能的集成。大连理工大学在专利201410182721.9中公开了“液氮内喷式数控钻铣床主轴装置”，该装置中液氮通过主轴内腔，流通直至中空刀具切削刃附近细孔喷出，实现了机床主轴结构与液氮内喷式功能的集成。

[0005] 但是，上述研究未涉及超低温介质内喷式数控机床的超低温介质储存、输送、调节与数控机床整机结构一体化集成研制。

发明内容

[0006] 本发明主要解决的技术问题是克服上述不足，针对超低温介质储存、输送、调节功能与数控机床整机结构一体化集成难题，发明了一种超低温介质内喷式数控机床。该机床采用液氮内喷式中空隔热主轴，实现了超低温介质内喷式冷却功能的同时可保证主轴的可靠运行；超低温介质输送调控装置通过真空软管与主轴连接，整个管路绝热密封，实现超低温介质稳定输送与流量调节功能；两个并联的超低温介质储罐通过真空软管与流量调控装置连接，为主轴系统持续注入超低温介质。机床超低温介质储存、输送、调节装置在机床内部布局合理，集成度高。实现了超低温介质供给的连续性，超低温介质调控装置保证输出的超低温介质流量稳定可控，防止因超低温介质气化引起管内压力过大发生爆炸等危险。

[0007] 本发明采用的技术方案是一种超低温介质内喷式数控机床，机床床身上安装有X向和Y向可移动工作台，Z向移动的主轴箱安装在机床立柱上，其特征是，该数控机床还具有超低温介质储存装置Ⅰ、超低温介质输送调控装置Ⅱ、中空隔热主轴Ⅲ和防护结构Ⅳ四个部分；

[0008] 所述超低温介质储存装置Ⅰ有两个并联的超低温介质储罐：第一超低温介质储罐1.1和第二超低温介质储罐1.2，它们安装在机床左侧；第一超低温介质储罐1.1的第一进出液口1.a通过螺纹与第一铜接头1.3连接，第一铜接头1.3通过第一螺母1.5与三通真空硬管
1.7的第一端口1.c连接；第二超低温介质储罐1.2的第二进出液口1.b通过螺纹与第二铜接头1.4连接，第二铜接头1.4通过第二螺母1.6与三通真空硬管1.7的第二端口1.d连接；

[0009] 所述超低温介质输送调控装置Ⅱ与超低温介质储存装置Ⅰ相连接，第一真空软管2.1一端通过第三螺母2.a与三通真空硬管1.7的第三端口1.e连接，另一端通过第四螺母
2.b与第一真空硬管2.2连接；水平放置的超低温流量计2.4一侧通过第一法兰2.3与第一真空硬管2.2连接，另一侧通过第二法兰2.5与第二真空硬管2.6连接；第二真空硬管2.6的中部密封安装安全阀2.7；用来支撑超低温流量计2.4的第一支架2.13与用来定位支撑第二真空硬管2.6的第二支架2.14分别焊接在防护罩4.1上；第二真空硬管2.6另一端通过第三法兰2.8与竖直放置的电动调节阀2.9连接，对电动调节阀2.9起定位支撑作用的第三支架
2.15焊接在中后隔板4.3上；电动调节阀2.9通过第四法兰2.10与第三真空硬管2.11连接；
第三真空硬管2.11的另一端穿过中后隔板4.3，并通过焊接在中后隔板4.3上的第四支架
2.16固定支撑；第三真空硬管2.11通过第五螺母2.c与第二真空软管2.12连接，所有连接螺纹均用密封胶带加强密封性能，并做保冷隔热处理；

[0010] 所述的中空隔热主轴Ⅲ中,主轴3.1安装在机床主轴箱中，主轴电机3.5安装在电机支座3.6上，电机支座3.6安装在主轴箱体3.7上；主轴3.1内部的真空芯轴3.2通过第六螺母3.a与第二真空软管2.12连接；真空芯轴3.2上的键3.4通过与芯轴支架3.3配合，限制真空芯轴3.2的转动；

[0011] 防护结构Ⅳ由防护罩4.1、防护门4.2、中后隔板4.3、中左隔板4.4组成，防护罩4.1由顶板、后板和左右两个侧板固定连接构成，中左隔板4.3与中后隔板4.4相连接，安装在防护罩4.1内机床的左中侧，防护门4.2与防护罩4.1连接，并安装在机床的前部；

[0012] 采用聚氨酯泡沫喷剂对管路所有连接处进行保冷隔热处理，至固化。

[0013] 本发明的有益效果是该机床超低温介质储存、输送、调节装置在机床内部布局合理，集成度高。作为核心部件的中空隔热主轴，是机床实现超低温介质内喷式冷却功能的关键。通过两个并联的超低温介质储罐为中空隔热主轴提供超低温冷却介质，实现超低温介质供给的连续性，消除了加工中途因被迫停机更换储罐而造成的影响；整个超低温介质输送管路全部采用真空隔热或保冷隔热措施，避免超低温介质在输送过程中产生过多能量损耗；超低温介质调控装置保证输出的超低温介质流量稳定可控，安全阀在管路内压力超过设定阈值时自动开启泄压，防止因超低温介质气化引起管内压力过大发生爆炸等危险。

附图说明

[0014] 图1为超低温介质内喷式数控机床的结构示意简图，图2为图1的俯视图，图3为图1的左视图，图4为图1中超低温介质输送调控装置Ⅱ的结构示意图。其中：Ⅰ-超低温介质储存装置、Ⅱ-超低温介质输送调控装置、Ⅲ-中空隔热主轴、Ⅳ-防护结构；1.1-第一超低温介质储罐，1.2-第二超低温介质储罐，1.3-第一铜接头，1.4-第二铜接头，1.5-第一螺母，1.6-第二螺母，1.7-三通真空硬管，1.8-第一截止阀，1.9-第二截止阀，2.1-第一真空软管，2.2-第一真空硬管，2.3-第一法兰，2.4-超低温流量计，2.5-第二法兰，2.6-第二真空硬管，2.7-安全阀，2.8-第三法兰，2.9-电动调节阀，2.10-第四法兰，2.11-第三真空硬管，2.12-第二真空软管，2.13-第一支架，2.14-第二支架，2.15-第三支架，2.16-第四支架，3.1-主轴，3.2-真空芯轴，3.3-芯轴支架，3.4-键，3.5-主轴电机，3.6-电机支座，3.7-主轴箱体，4.1-防护罩，4.2-防护门，4.3-中后隔板，4.4-中左隔板，1.a-第一进出液口，1.b-第二进出液口，1.c-第一端口，1.d-第二端口，1.e-第三端口，2.a-第三螺母，2.b-第四螺母，2.c-第五螺母，3.a-第六螺母。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

[0016] 实施例中，超低温介质为液氮(-196℃)；第一超低温介质储罐1.1与第二超低温介质储罐1.2均为DPL中压系列自增压杜瓦罐，工作压力为1.0MPa，公称容积为175L；超低温流量计2.4采用WRV标准锥形流量计，介质温度为-200℃～850℃，量程为10L/h～50L/h；安全阀2.7设定阈值压力为1.1MPa；电动调节阀2.9采用810D顶部导向型单座调节阀，压降损失小，流量特性精度高，线性调节范围20L/h～120L/h，公称压力为1.6MPa；实施例中采用的真空绝热管的热导率为2×10-5W/(m·K)，可承受的内外壁温差达270℃；管路连接处的保冷隔热处理采用喷涂聚氨酯泡沫的方式，导热率为0.024W/(m·K)。

[0017] 超低温介质内喷式数控机床的储存、输送、调节装置安装过程如下：如附图1、2、3所示，首先将充满液氮的第一超低温介质储罐1.1与第二超低温介质储罐1.2放置在预定位置，观察储罐上液位计、压力表示数是否正常，若正常则继续安装，若显示异常则更换液氮储罐；分别将缠有密封胶带的第一铜接头1.3和第二铜接头1.4拧入第一进出液口1.a和第二进出液口1.b；再将水平放置的三通真空硬管1.7的第一端口1.c通过自带的第一螺母1.5与第一铜接头1.3另一端连接，然后将第二端口1.d通过自带的第二螺母1.6与第二铜接头1.4另一端连接。

[0018] 其次，在机床的防护罩4.1上焊接第一支架2.13与第二支架2.14，在中后隔板4.3后侧焊接第三支架2.15，前侧焊接第四支架2.16，这些支架的位置需保证所要支撑的管路的水平安装；如附图2所示，将一根2米长的第一真空软管2.1一端通过自带的第三螺母2.a与三通真空硬管1.7的第三端口1.e连接，另一端通过自带的第四螺母2.b与第一真空硬管2.2连接；将超低温流量计2.4放置在第一支架2.13上，一端通过第一法兰2.3与第一真空硬管2.2连接，另一端通过第二法兰2.5与放置在第二支架2.14上的第二真空硬管2.6连接，其中第二真空硬管2.6的中部密封安装了安全阀2.7；将竖直放置在第三支架2.15上的电动调节阀2.9一端通过第三法兰2.8与第二真空硬管2.6连接，另一端通过第四法兰2.10与第三真空硬管2.11连接；在中后隔板4.3上钻一个适当大小的孔，将第三真空硬管2.11的另一端穿过，并固定在第四支架2.16上，然后将一根3米长的第二真空软管2.12一端通过自带的第五螺母2.c与第三真空硬管2.11连接；第二真空软管2.12弯曲后另一端通过自带的第六螺母3.a与主轴3.1内部的真空芯轴3.2连接。上述管路中除第一真空软管2.1与第二真空软管
2.12外，在安装过程中尽量保持水平,见附图4。

[0019] 最后，将芯轴支架3.3通过螺栓安装在主轴箱体3.7上，并用键3.4连接真空芯轴3.2和芯轴支架3.3，限制真空芯轴3.2的转动；采用聚氨酯泡沫喷剂对管路所有连接处进行保冷隔热处理，6小时后聚氨酯泡沫固化，至此完成了机床液氮储存、输送、调节装置与中空隔热主轴Ⅲ的连接安装。

[0020] 超低温介质内喷式数控机床工作时，打开第一截止阀1.8，中空隔热主轴Ⅲ末端喷出低温氮气，经过10min～20min管路预冷后，中空隔热主轴Ⅲ末端出现液氮射流并且状态逐渐稳定。通过控制电动调节阀2.9的开口度大小调节液氮流量。机床Z轴行程为300mm，中空隔热主轴Ⅲ沿Z轴导轨上下运动时，第二真空软管2.12弯曲段可以实现随动，不会对机床正常工作行为造成影响。观察第一超低温介质储罐1.1上液位计的浮标位置，在该罐液氮将要用光时，关闭第一截止阀1.8，然后打开第二超低温介质储罐1.2上的第二截止阀1.9，实现液氮的持续供给，此时可拆卸第一铜接头1.3，移出第一超低温介质储罐1.1并重新充装液氮。安装中空隔热刀柄和内冷式刀具后，即可实现液氮流经输送管路、主轴中空通道、刀柄/刀具内部空腔，最终从切削刃微孔喷出，实现液氮距离切削区域不到1mm的内喷式冷却功能。

[0021] 本发明有效地将液氮储存、输送、调节装置与中空隔热主轴在数控机床内部集成于一体，在不影响机床各部件可靠运行的同时，保证了液氮的持续供给，维持了稳定的液相传输状态，满足了流量可调节的需求，实现了数控机床整机液氮内喷式冷却功能。