一种超低温介质主轴直连传输式中空刀柄的制作方法

本发明属于数控机床技术领域，涉及一种主轴直连传输式采用超低温介质的中空刀柄。

背景技术：

对切削局部区域施以超低温冷却，如用液氮，其常压下沸点为-196℃，能够有效降低钛合金等难加工材料在切削加工中极高的切削热，改善材料切削性能、提高刀具寿命，并代替传统切削液，实现绿色制造。内喷式冷却是一种较为先进的超低温介质施加方式，其加工机床需将超低温介质通过主轴、刀柄及其内的中空通道喷至刀刃-工件接触区，直接冷却切削局部。由于超低温介质的温度极低，给传输通路的结构绝热、密封防护等方面提出了很高的要求。

目前，为满足常规温度冷却液的中空喷射要求，bt、hsk等标准类型数控刀柄已配有可选的内冷功能。由于常规数控刀柄不具备超低温绝热与密封等功能，若将该类型刀柄直接用于超低温介质的输送，将存在如下几个方面的问题：一是，超低温传导致使材料不协调形变，势必会破坏刀柄与主轴间的精密定位关系；二是，超低温度致使轴承润滑因被冻住而失效，甚至造成主轴停转；三是，超低温度导致刀柄及与主轴的连接部位“结霜”，造成刀柄难以拆卸，安装操作存在危险；四是，超低温介质易在刀柄通道中汽化，浪费汽化潜热，降低冷却效果。2008年，秦晓帆在实用新型专利cn200720086218.9中公开了一种孔加工内冷却、防刃具打滑弹簧卡套刀柄，刀柄本体内设有冷却通道，通过密封圈密封冷却介质，可实现常规冷却温度切削液的内喷功能。2014年，王永青等人在发明专利cn201410228633.8公开了一种液氮内喷式刀柄装置，需要与液氮供给系统直接相连，通过与液氮接触的各部件表面做绝热材料改性处理，降低了各部件的传热能力。然而，该装置无法实现液氮从主轴中心直接传输至刀柄。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是克服现有刀柄装置的不足，针对常规内冷式数控刀柄绝热、密封性能差导致其无法适于超低温介质中空传输的难题，发明了一种超低温介质主轴直连传输式中空刀柄。该刀柄设计为中空式结构，并通过与主轴的中空通道直连，实现超低温介质从主轴和刀柄的中空通道直接输送至刀具末端；刀柄的中空通道采用有高性能隔热套和多层次密封结构，有效阻隔超低温介质的热传导，同时保证了超低温介质冷却效能。

本发明采用的技术方案是一种超低温介质主轴直连传输式中空刀柄，其特征是，该中空刀柄由刀柄主体、高性能隔热部件、多层次密封结构组成；所述高性能隔热部件中，隔热套2与导管4均采用耐低温、低导热系数材料制成，隔热套2与导管4均为中空结构，依次安装在刀柄主体中，形成刀柄装置的超低温介质中空通路，隔绝超低温介质与刀柄主体1的热传导；多层次密封结构中，三个左、中、右o型密封圈3、5、6与泛塞封7均为耐低温密封圈，形成多层次超低温密封，实现超低温介质的径向密封；

所述刀柄主体1为阶梯中空结构，左部加工有左内螺纹d，右端内锥孔为7:24锥度，与锥孔相连接的是右内螺纹b；泛塞封7安装在隔热套2的沟槽a内，隔热套2安装在刀柄主体1的左内螺纹的右面并与刀柄内孔定位面e接触，由安装在刀柄本体1的右内螺纹b中的螺母8轴向定位；装有三个左、中、右o型密封圈3、5、6的导管4安装在隔热套2左部内孔中，导管4右侧轴肩与隔热套左内孔底面f接触轴向定位导管4。

加工时，将内冷刀具11沿er弹性筒夹9的中心孔插入，直至隔热套右孔底面c与隔热套2接触，旋紧er夹头螺母10，完成刀具安装；将装有刀具的刀柄安装至主轴12的锥孔内，拉钉13螺纹旋入拉紧刀柄，使刀柄主体1的锥面与主轴12的锥面紧密配合，完成刀柄安装定位。打开外部控制系统超低温介质自动输送功能，超低温介质14从主轴12的中空通道经过拉钉13和导管4，最终在内冷刀具11端部喷出。

本发明的有益效果是：中空刀柄与中空式主轴直连，功能集成性好，实现了超低温介质中空传输；高性能超低温隔热和密封功能，消除了超低温热传导对刀柄-主轴配合精度的影响，同时降低了超低温介质在刀柄中的汽化率，提高冷却效能；刀柄无结霜，便于拆卸，操作安全可靠。

附图说明

附图1-中空式刀柄剖视图，附图2-采用中空刀柄加工刀具安装剖视图，其中：1-刀柄主体，2-隔热套，3-左o型密封圈，4-导管，5-中o型密封圈，6-右o型密封圈，7-泛塞封，8-螺母，9-er弹性筒夹，10-er夹头螺母，11-内冷铣刀，12-主轴，13-拉钉，14-超低温介质，a-沟槽，b-右内螺纹，c-隔热套右孔底面，d-左内螺纹，e-刀柄内孔定位面，f-隔热套左内孔底面。

具体实施方式

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：

实施例中，超低温介质为液氮，隔热套2与导管4均采用耐低温、低导热系数材料制成，隔热套2、导管4结构材料的热导率均小于0.23w/(m·k)。刀柄与主轴的联接结构按bt标准设计、7:24锥度精度为at3、硬度hrc55以上。多层次密封结构中，三个左、中、右o型密封圈3、5、6与泛塞封7均为耐低温密封圈，形成多层次超低温密封，并能承受2mpa左右的压力，实现超低温介质的径向密封。

中空刀柄的设计组装如图1所示。首先，将隔热套2从刀柄主体1右端装入；将泛塞封7按图中方向放入沟槽a内，螺母8通过螺纹旋入右内螺纹b中，压紧泛塞封7。将左、中、右o型密封圈3、5、6安装到导管4的沟槽中，并将导管4装有中、右o型密封圈5、6一侧沿刀柄主体1左侧内孔装入，使导管4右侧轴肩接触隔热套左内孔底面f并定位。

加工时，将中空刀柄同刀具和主轴连接起来，如图2所示。将内冷铣刀11沿er弹性筒夹9的通孔插入，直至内冷铣刀底端面与隔热套右孔底面c接触定位。将er夹头螺母10扭紧，完成内冷铣刀11与刀柄装置的连接。将装有内冷铣刀的中空刀柄安装至主轴12的锥孔内，拉钉13螺纹旋入拉紧刀柄，使刀柄主体1的锥面与主轴12的锥面紧密接触配合，完成中空刀柄安装定位。打开外部控制系统使超低温介质进入，自动输送超低温介质14，超低温介质14从主轴12的中空通道经过拉钉13和导管4内孔，最终在内冷铣刀11端部喷出。

本发明的中空刀柄超低温绝热、密封等功能集成性好，结构简单，超低温介质利用率高，操作安全可靠。

技术特征：

技术总结
本发明一种超低温介质主轴直连传输式中空刀柄属于数控机床技术领域，涉及一种主轴直连传输式采用超低温介质的中空刀柄。该中空刀柄由刀柄主体、高性能隔热部件、多层次密封结构组成；在高性能隔热部件中，隔热套与导管均采用耐低温、低导热系数材料制成，隔热套与导管均为中空结构，依次安装在刀柄主体中，形成刀柄装置的超低温介质中空通路，隔绝超低温介质与刀柄主体的热传导；多层次密封结构中，三个密封圈与泛塞封均为耐低温密封圈，形成多层次超低温密封，实现超低温介质的径向密封。中空刀柄与中空式主轴直连，功能集成性好，降低了超低温介质在刀柄中的汽化率，提高冷却效能。刀柄无结霜，便于拆卸，操作安全可靠。

技术研发人员：刘海波;李宽;郭立杰;任斐;韩灵生;袁凯;刘阔;王永青;郭东明
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2017.03.01
技术公布日：2017.07.21