一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统的制作方法

本发明属于数字装备与机械制造加工技术领域，更具体地，涉及一种难加工材料深冷加工系统。

背景技术：

在现代工业部门和技术领域不可或缺的结构材料中，钛合金、高温合金等材料，以其比强度、比刚度高且耐腐蚀，焊接性能好的特点，在航天航空领域得到了广泛的应用，然而，由于这几种材料具有热导率小，弹性模量低，切削力大的特点，使得机械加工切削时切削温度高，刀具磨损严重，此外，切削温度下化学活性强，极易与周围介质发生反应，这些都使得这几种材料成为难加工材料，限制了其在很多重要领域的应用。

液氮低温冷却加工作为一种新型的绿色加工方法，具有良好的冷却润滑效果和环境亲和性，从而备受研究者关注，这种加工方法将零下196度的液态氮喷射到切削区，取代了切削液，能够有效的抑制切削钛合金、高温合金等时的刀具磨损，提高加工表面质量，也间接加强了钛合金等难加工材料零件的疲劳寿命和使用性能，是一种有着良好发展前景的加工方法。

目前液氮深冷加工仍然停留在实验室研究阶段，且因为液氮超低温、极易吸热气化的性质，并没有成熟的液氮深冷加工设备和技术，大多数研究人员研究液氮深冷加工时，直接是将液氮从液氮罐通过管路导出至切削区，这其中缺乏对液氮流量、气液相等因素的控制，安全性较差，这些都从设备上极大的限制了对液氮深冷加工技术的进一步研究和应用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统，主要依靠气液相分离器来实现液氮的自动化流量控制，其中气液相分离器中安装的液位传感器、进液电磁阀和出液电磁阀负责液面的高度控制，由压力传感器、进气电磁阀、泄压电磁阀负责液面上方气体压力的控制，能够准确、方便的实现液氮的自动化控制。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统，其特征在于，包括气液相分离器、液氮杜瓦瓶、氮气储存罐、泄压电磁阀、液位传感器、万向喷头、喷头夹持装置和系统控制主机，其中，

所述气液相分离器上设置有液氮入口、氮气补压口、氮气泄压口和液氮出口；

所述液氮杜瓦瓶通过进液电磁阀与所述液氮入口连接，以用于向所述气液分离器内通入液氮；

所述氮气储存罐依次连接减压阀和进气电磁阀，所述进气电磁阀与所述氮气补压口连接，以用于向所述气液分离器内通入氮气；

所述泄压电磁阀通过泄压管道连接所述氮气泄压口，并且所述泄压管道上安装有压力传感器；

所述液位传感器安装在所述气液相分离器上，以用于获取所述气液相分离器内液氮的液位；

所述液氮出口处安装出液管道，所述出液管道上安装有出液电磁阀和万向喷头；

所述万向喷头安装在所述喷头夹持装置上；

所述控制系统主机通过液位传感器采集气液相分离器内的液面高度数据，从而控制进液电磁阀和出液电磁阀的开关，进而实现液面高度的控制；

所述控制系统主机通过压力传感器采集气液相分离器内的液面上方的气压值，从而控制进气电磁阀和泄压电磁阀的开关，进而实现液面上方气压的控制。

优选地，所述气液相分离器包括外筒、内筒及设置在所述外筒与内筒之间的真空绝热夹层。

优选地，所述喷头夹持装置包括三轴移动平台及夹具，所述三轴移动平台包括X轴平台、Y轴平台及Z轴平台，所述Y轴平台上安装有连接轴，所述连接轴上可转动安装所述夹具，所述夹具上安装所述万向喷头，并且所述万向喷头通过软管与所述出液管道连接。

优选地，所述夹具上穿装有可将所述夹具固定在所述连接轴上的螺钉。

优选地，所述出液管道上安装有靶式流量计，所述靶式流量计与所述控制系统主机连接。

优选地，所述出液管道上安装有压力温度传感器，所述压力温度传感器与所述控制系统主机连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明采用了基于压力控制的自动化液氮流量控制装备，具有方便便捷、成本低、控制精准、全自动化、安全性高等优势。

2)本发明采用压力控制的方式来实现液氮的自动化流量控制，相对于控制开度大小的方法，控制的更加准确，且因为安装有气液相分离器，可以分离出管道中吸热气化的氮气，使得装置的安装位置不再受限，喷出的液氮纯度也更高，从而带来更好的加工效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中气液相分离器的结构示意图；

图3是本发明中系统控制主机与各电磁阀和传感器的信息交互控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种自动化液氮流量控制的难加工材料深冷加工系统，包括气液相分离器8、液氮杜瓦瓶1、氮气储存罐3、泄压电磁阀7、液位传感器9、万向喷头15、喷头夹持装置14和系统控制主机，其中，

所述气液相分离器8上设置有液氮入口2-1、氮气补压口2-4、氮气泄压口2-5和液氮出口2-9；

所述液氮杜瓦瓶1通过进液电磁阀2与所述液氮入口2-1连接，以用于向所述气液分离器8内通入液氮；

所述氮气储存罐3依次连接减压阀4和进气电磁阀5，所述进气电磁阀5与所述氮气补压口2-4连接，以用于向所述气液分离器8内通入氮气；

所述泄压电磁阀7通过泄压管道连接所述氮气泄压口2-5，并且所述泄压管道上安装有压力传感器6；

所述液位传感器9安装在所述气液相分离器8上，以用于获取所述气液相分离器8内液氮的液位；

所述液氮出口2-9处安装出液管道，所述出液管道上安装有出液电磁阀11和万向喷头15；

所述万向喷头15安装在所述喷头夹持装置14上；

所述控制系统主机通过液位传感器9采集气液相分离器8内的液面高度数据，从而控制进液电磁阀2和出液电磁阀11的开关，进而实现液面高度的控制；

所述控制系统主机通过压力传感器6采集气液相分离器8内的液面上方的气压值，从而控制进气电磁阀5和泄压电磁阀7的开关，进而实现液面上方气压的控制。

进一步，所述气液相分离器8包括外筒2-8、内筒2-6及设置在所述外筒2-8与内筒2-6之间的真空绝热夹层2-7。

进一步，所述喷头夹持装置14包括三轴移动平台及夹具，所述三轴移动平台包括X轴平台、Y轴平台及Z轴平台，所述Y轴平台上安装有连接轴，所述连接轴上可转动安装所述夹具，所述夹具上安装所述万向喷头15，并且所述万向喷头15通过软管与所述出液管道连接。

进一步，所述夹具上穿装有可将所述夹具固定在所述连接轴上的螺钉。

进一步，所述出液管道上安装有靶式流量计12，所述靶式流量计12与所述控制系统主机连接。

进一步，所述出液管道上安装有压力温度传感器13，所述压力温度传感器13与所述控制系统主机连接。

液氮液氮杜瓦瓶1放置在数控机床侧边，主要提供液氮和初始的液氮流动压力，中间通过304不锈钢波纹管与可调压气液相分离器8进行连接，可调压气液相分离器8同样放置在数控机床侧边，为整套设备核心，内部部件以及附属功能部件包括氮气储存罐3、减压阀4、进气电磁阀5、压力传感器6、泄压电磁阀7、气液相分离器8、进液电磁阀2、液位传感器9等，其中：氮气储存罐3、减压阀4、进气电磁阀5用于补充气液相分离器中的气体气压；压力传感器6、泄压电磁阀7用于控制气液相分离器中的气体压强；气液相分离器8用于将流入的液氮流体进行气液相分离；进液电磁阀2和液位传感器9用于控制气液相分离器中的液氮液面高度。以上四个部分组合到一起实现了气液相分离器8中的液氮液面高度可调和氮气气压压强可调，从而可以用于实现液氮的流量控制。

气液相分离器8通过液氮出口2-9与靶式流量计进行连接12，靶式流量计12用于测量液氮的流量并将流量数据转化为4-20ma的电信号传给控制系统10，靶式流量计12出口通过双层真空管道与压力温度传感器13连接，压力温度传感器13采集管道中的液氮压力温度数据，压力温度传感器13通过304不锈钢波纹管与万向喷头15进行连接，万向喷头15将液氮喷射到切削区，改善切削效果，万向喷头15夹持在喷头夹持装置14上，四个自由度可调，从而可以准确方便的调节到最佳的喷射位置，喷头夹持装置14通过固定底座3-4固定在数控机床内部。整个系统装置中，双层真空管道和波纹管外部均使用保温棉进行绝热保温。

如图2所示，对气液相分离器8内部结构进行了说明，气液相分离器分内筒2-6和外筒2-8两层，中间为真空绝热夹层2-7，这样能够保证整个容器是绝热的，极大的降低了液氮气化的程度，液氮上压强采集口2-2和液氮下压强采集口2-3分别连接在液位传感器9的两端，液位传感器9本质是差压传感器，通过测量液氮上下压强差，来测量液面高度，液氮下压强采集口2-3通过不锈钢长管伸入容器底部，因为液氮是易气化的，所以会在管道内形成一个气密，在伸入容器之前的那一段为一个平面的U型，这样设计是为了保证上端压力变化时，导致的液氮冲入管道内的时候，不影响液位传感器的测量结果。氮气补压口2-4安装在容器的上方，用于补充容器8内的氮气气压。整个容器8制作过程中使用氩弧焊焊接工艺，焊接处都要进行严密的性能测试，最后完成后抽真空。

本发明的喷头夹持装置主要包括XYZ三个方向的移动平台，全部可以用手工进行调整，万向喷头15卡紧在夹具上，从而实现喷头15四个自由度的移动和旋转，更方便精准地将液氮喷到加工区。

如图3所示，对本发明的整体硬件架构进行了说明，系统控制主机为整个硬件的核心，具体型号为西门子PLC S7-200，压力传感器6采集气液相分离器8中氮气压强数据，转化为4-20ma电流信号传输给系统控制主机，系统控制主机反馈控制进气电磁阀5和泄压电磁阀7的开关，来控制气液相分离器8中的氮气压强，这几者组合起来形成气压控制闭环。液位传感器9采集气液相分离器8中液氮液面高度，将高度数据转化4-20ma电流信号传输给系统控制主机，系统控制主机反馈控制进液电磁阀2和出液电磁阀11的开关，来控制气液相分离器8中的液氮液面高度，这几者组合起来形成液位控制闭环。触摸显示屏与系统控制主机串口通信，完成全部数据、动作、状态的显示与输入。靶式流量计12采集管道中的液氮流量，将数据转化为4-20ma工业信号传输给系统控制主机。

装置中，液氮的流量取决于气液相分离器中的氮气压强大小和液氮液面高度，现在这两者可控，即意味着液氮的管道流量是可控的，又通过靶式流量计12采集到了管道中的液氮流量数据，即可完成液氮的自动化流量闭环控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。