機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)作品說明書

1、機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)作品說明書摘要機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的裝置，主要包括固定在刀架上的底座、旋轉(zhuǎn)出液孔座及上蓋。上蓋上有進液孔和空腔。旋轉(zhuǎn)出液孔座內(nèi)也有空腔，空腔的內(nèi)壁上有與外部連通的若干出液孔，且空腔內(nèi)安裝有彈性連通裝置，連通裝置使進液孔與上蓋出液孔的位置相互對應(yīng)，進行工作出液。裝置提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、改造方便、安全可靠、能夠適應(yīng)不同型號的數(shù)控車床刀架的連接內(nèi)冷系統(tǒng)，使經(jīng)濟型數(shù)控車床也能夠使用刀具內(nèi)冷系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在加工中的弊端。作品的主要創(chuàng)新點機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)以數(shù)控機床為平臺，對刀架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行改造，使內(nèi)冷系統(tǒng)連接在刀架上；該裝置能在數(shù)控機床上進行自由拆

2、裝，利用內(nèi)冷系統(tǒng)連接刀架上的刀具，來提高工件的加工效率和加工精度以及增長車刀的使用壽命，從而提高工作效率，降低加工成本。關(guān)鍵詞：機床 刀具 內(nèi)冷系統(tǒng) 刀架一、選題背景目前世界上數(shù)控設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展趨勢就是使用內(nèi)冷卻循環(huán)技術(shù)，這種技術(shù)多數(shù)只使用在比較高端、價格昂貴的數(shù)控設(shè)備上如圖1所示。使用內(nèi)冷卻循環(huán)技術(shù)需要匹配內(nèi)冷刀柄，具有排屑通暢、冷卻效果好、工件加工精確度高、生產(chǎn)效率高、工件表面光潔度好、刀具的使用壽命長等諸多的優(yōu)點，我們國內(nèi)現(xiàn)階段存在著非常多的數(shù)控車床均是采用冷卻液外部沖擊工件進行冷卻如圖2所示?，F(xiàn)在市場上還沒有一種機構(gòu)或者裝置能夠快速的將現(xiàn)有的數(shù)控機床改裝成內(nèi)冷卻循環(huán)系統(tǒng)冷卻，來提高現(xiàn)有

3、機床的加工效率以及刀具的使用壽命。 圖1高端機床的內(nèi)冷系統(tǒng) 圖 2普通機床冷卻系統(tǒng) 二、目的與思路2.1設(shè)計目的為了解決上述問題，如何能夠設(shè)計出一種機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，將普通數(shù)控機床改裝成內(nèi)冷循環(huán)系統(tǒng)冷卻來提高現(xiàn)有機床的加工效率以及刀具的使用壽命成為了我們亟待研究的課題。2.2研究思路（1）基于文獻及類似產(chǎn)品檢索，了解該類產(chǎn)品的已有結(jié)構(gòu)特征和不足。（2）對普通數(shù)控機床現(xiàn)有的刀架進行設(shè)計改造，設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、改造方便、安全可靠、能夠適應(yīng)不同型號的數(shù)控車床刀架的連接內(nèi)冷系統(tǒng)。（3）通過查閱相關(guān)資料和文獻，設(shè)計出合適的內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，并和相關(guān)企業(yè)配合完成相關(guān)的零件設(shè)計和制造。三、

4、研究過程在網(wǎng)上查找資料，計算相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制裝配圖，繪制零件圖，圖紙審核，零件加工與制造，裝配，調(diào)試，正式應(yīng)用于生產(chǎn)。3.1發(fā)現(xiàn)問題我們在實習(xí)數(shù)控車時，發(fā)現(xiàn)數(shù)控車床在車削加工零件時是采用的冷卻液外部沖洗工件進行冷卻的，沖洗過程中由于機床轉(zhuǎn)速很高致使冷卻液四濺。同時發(fā)現(xiàn)車削外圓時冷卻效果還好，但在車削加工內(nèi)孔是冷卻效果差強人意。所以我們想能不能把高端數(shù)控機床上的內(nèi)冷系統(tǒng)搬到這種普通數(shù)控機床上。3.2文獻查詢通過上網(wǎng)查找相關(guān)文獻：主軸系統(tǒng)水內(nèi)冷技術(shù)的研究及帶自冷系統(tǒng)的車刀，得到了進一步的啟發(fā)。文獻材料主軸系統(tǒng)水內(nèi)冷技術(shù)的研究：其主要說明對主軸系統(tǒng)內(nèi)部進行通水冷卻，能有效地減少系統(tǒng)工作部的熱位移和機架

5、的熱形。對主軸系統(tǒng)內(nèi)部進行通水冷卻，能有效地減少系統(tǒng)工作部的熱位移和機架的熱形。但是冷卻部位的不同，對系統(tǒng)會產(chǎn)生不同的影響。采用軸承水冷會引起軸承預(yù)緊力和摩擦力矩大幅度增加，使系統(tǒng)熱耗加大，接觸應(yīng)力增加。這在高速運轉(zhuǎn)時尤為明顯。因此，采用這種冷卻方式必須慎重，以防軸承過載破壞。但它的導(dǎo)熱效果強，隔熱作用明顯，能大幅度地減少主軸與機架的熱變形。文獻材料帶自冷系統(tǒng)的車刀：其主要說明在毛坯加工過程中由切削區(qū)傳到車刀上的熱量使刀片下的吸熱管端發(fā)熱。在真空狀態(tài)下部分充滿密封吸熱管的液體 (載熱體)蒸發(fā),熱量由蒸汽立即帶到吸熱管另一端，并經(jīng)過這里的冷卻片散發(fā)到周圍環(huán)境去。同時，蒸汽凝結(jié),所形成的液體自行返

6、回發(fā)熱區(qū)或沿敷在管壁內(nèi)的材料的毛細(xì)管返回發(fā)熱區(qū)。由于液體在封閉空間里循環(huán)，所以并無損耗。通過對文獻的研究，確立了我們作品的研究思路：（1）使經(jīng)濟型車床也能使用內(nèi)冷系。（2）刀架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)改造連接內(nèi)冷系統(tǒng)。（3）提高冷卻效率和加工效率。3.3設(shè)計方案我們找到了惠山區(qū)錢橋興塘五金加工廠企業(yè)負(fù)責(zé)人，決定聯(lián)合開發(fā)設(shè)計創(chuàng)作該產(chǎn)品，符合校企合作的大背景。經(jīng)過努力，我們完成了產(chǎn)品的設(shè)計圖，如圖3所示。冷卻液在連接刀架內(nèi)流通原理如圖4所示。如圖3 產(chǎn)品設(shè)計圖圖4 連接刀架內(nèi)冷卻液流通原理圖3.4設(shè)計制作我們最終確定將該裝置的彈性連接模塊，上蓋，出液孔座等加工完成，其余零部件（彈簧、軸承、進液管、出液管）根據(jù)設(shè)計

7、要求在市場上購買，如圖5所示。安裝時，前期可以先將彈性連通裝置依次安裝在出液孔座內(nèi)的空腔內(nèi)。再將上蓋合在出液孔座上，調(diào)整好出液孔對準(zhǔn)進液管的端部，將上蓋與出液孔座。最后將出液孔座與底座固定。通常在數(shù)控車床刀架的上端有圓錐形的凸起，安裝時根據(jù)各種型號的不同可以用底座代替原有的安裝罩，將底座的空腔設(shè)置成與原有的安裝罩一致就可以了，這樣一系列的難題基本宣告破解，如圖6所示。 圖5 部分零件 圖6 零件裝配3.5應(yīng)用試驗作品完成后我們在進行了現(xiàn)場試驗，試驗非常順利，總體上達到我們預(yù)期的要求，但還有一些小瑕疵還有待完善。作品完成安裝出水如圖7所示。圖7 機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)試驗四、科學(xué)方法和原理

8、4.1使用的主要技術(shù)手段機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的裝置，主要包括固定在刀架上的底座、旋轉(zhuǎn)出液裝置及上蓋。上蓋通過軸承安裝在出液孔座上，上蓋上有進液孔和空腔，進液孔最好是設(shè)置在上蓋的中心，進液孔和空腔連通，其位置與彈性連通裝置對應(yīng)。旋轉(zhuǎn)出液裝置的出液孔座內(nèi)也有幾個空腔，空腔的數(shù)量根據(jù)機床的刀位來定。通常數(shù)控車床的刀架上有4個刀位，因此空腔的數(shù)量就設(shè)4個?？涨坏撞坑信c外部連通的出液孔，彈性連通裝置安裝在空腔內(nèi)，通過刀架帶動出液孔座旋轉(zhuǎn)，使上蓋空腔對準(zhǔn)彈性連通裝置，進而實現(xiàn)刀架旋轉(zhuǎn)時使冷卻液切換到所需要的內(nèi)冷刀柄上，實現(xiàn)對數(shù)控車床內(nèi)冷循環(huán)技術(shù)的改造。4.2 作品的測試流程和數(shù)據(jù)分析先將本作品安裝

9、在數(shù)控車床上，然后進液管與數(shù)控車床的冷卻管相連接，啟動機床車削加工零件時，冷卻液通過冷卻管進入旋轉(zhuǎn)出液裝置，刀架帶動出液孔座旋轉(zhuǎn)，使空腔對準(zhǔn)彈性連通裝置，進行工作出液，出液孔與內(nèi)冷車刀刀柄管道相連，進而實現(xiàn)刀架旋轉(zhuǎn)時使冷卻液切換到所需要的內(nèi)冷刀柄上。測試流程如圖8所示。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，冷卻液所能帶走的熱量與冷卻液流速直接相關(guān)，因為在冷卻液流速增加的同時，冷卻液的進出口溫差會減少，所以冷卻液帶走的熱量會有一個極限值，這個極限值是內(nèi)冷刀具的最大冷卻能力。通過計算不同流速下刀具溫度場和流體溫度場分布可以獲得冷卻液流速對熱場分布的影響。如圖9所示分別計算了冷卻液入口流速為0.005 m/s，0.03

10、m/s，0.1m/s和1m/s時，刀具和流體的溫度場分布情況。改變冷卻液入口速度，可以獲得流體速度和刀具最高溫度的關(guān)系曲線，如圖10所示。從中可以看出，當(dāng)冷卻液流速大于1m/s時，刀尖的最高溫度幾乎沒有變化，說明冷卻液已經(jīng)達到了其最大制冷能力，根據(jù)相關(guān)公式計算可知刀具的最大制冷能力為5.6。從測試過程中的一些數(shù)據(jù)分析可以得出在相同工況下，使得刀具的受力變形減少12%，刀尖最高溫度降低了20%。為了使冷卻液流速達到這個要求，后期還要繼續(xù)改進。 圖8 機床刀具內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)測試流程圖9 不同流速下流體溫度場和刀具溫度場分布圖10 切削溫度和冷卻液流速關(guān)系圖4.3作品的主要創(chuàng)新點以數(shù)控機床為平

11、臺，對刀架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行改造，使內(nèi)冷系統(tǒng)連接在刀架上；該裝置能在數(shù)控機床上進行自由拆裝，利用內(nèi)冷系統(tǒng)連接刀架上的刀具，來提高工件的加工效率和加工精度以及增長車刀的使用壽命，從而提高工作效率，降低加工成本。4.4 作品今后改進目標(biāo)作品應(yīng)用于生產(chǎn)后，加工效率與質(zhì)量得到了不同程度的提高，但是普通數(shù)控機床的水箱容積太小，水泵壓力不理想，需要重新制作大容量水箱及更換成高壓水泵。上蓋與出液旋轉(zhuǎn)裝置之間不密封，有滲液現(xiàn)象，需要加裝一個耐磨密封圈，進一步完善內(nèi)冷系統(tǒng)。五、設(shè)備的主要操作步驟前期可以先將彈性連通裝置依次安裝在出液孔座內(nèi)的空腔內(nèi)。再將上蓋蓋合在出液孔座上，調(diào)整好出液孔對準(zhǔn)進液管的端部，將上蓋與出液孔

12、座固定，再將出液孔座與底座固定。通常在數(shù)控機床刀架的上端有圓錐形的凸起，可以用各種不同型號的底座代替原有的安裝罩，將底座的空腔設(shè)置成與原有的安裝罩一致即可。六、作品的試驗結(jié)果和企業(yè)使用報告我們對內(nèi)冷系統(tǒng)連接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行試用實驗，在試驗過程中我們發(fā)現(xiàn)：1.分別使用內(nèi)冷系統(tǒng)和普通冷卻系統(tǒng)車削外圓時，加工效率幾乎差不多，但刀具使用壽命完全不同，使用內(nèi)冷系統(tǒng)的刀具壽命比普通冷卻系統(tǒng)提高30%左右。2.分別使用內(nèi)冷系統(tǒng)和普通冷卻系統(tǒng)車削孔時，加工效率、刀具使用壽命明顯不同。因為普通冷卻系統(tǒng)在車削內(nèi)孔時，冷卻液很難進入孔內(nèi)，只能在外部沖洗冷卻，造成車刀刀尖高溫?fù)p傷，同時孔內(nèi)排屑困難造成孔壁粗糙，降低加工精

13、度。而使用內(nèi)冷系統(tǒng)車削內(nèi)孔，很好的解決了這個問題：首先是由于冷卻液的排屑作用，使得切屑不易在加工表面堆積，因此不會在切削刃的帶動下對已加工表面造成擦傷；其次，由于冷卻液的潤滑作用，會在加工表面和刀具之間形成一層潤滑薄膜，使切削力減少，有利于降低加工應(yīng)力；此外，冷卻液帶走了大量切削熱量，降低了切削溫度，亦對加工表面的質(zhì)量改善有積極作用，提升了加工效率和加工精度。3.冷卻液的流動速度對降低刀具加工產(chǎn)生的切削熱有關(guān)，冷卻液的流動速度加快時，切削熱降低的速度也快。所以我們后續(xù)就針對如何提高冷卻液的流動速度進行研究，來更好的提高內(nèi)冷系統(tǒng)的加工效率和提高刀具壽命。4.在試驗過程中我們發(fā)現(xiàn)上蓋和出液孔座旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在較大壓力時有漏液情況，準(zhǔn)備加裝一個耐磨密封墊圈來解決這個問題。5.作品在企業(yè)的試用報告見證明材料。七、體會和鳴謝 最后我們要感謝在研發(fā)過程中我校師生和企業(yè)相關(guān)人員給予我們制作該創(chuàng)新產(chǎn)品的幫助，在今后的工作中，我們團隊成員將以更加嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度，腳