测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法，包括试件、用于固定试件并模拟切削热的电阻炉、气体冷却装置和液态介质冷却装置，气体冷却装置依次包括空气压缩机、空气过滤器、温度调节器、气体流量计、气压表、温度表和空气干燥管，空气干燥管末端连接第一喷嘴；液态介质冷却装置依次包括液态介质、液体流量计和液态介质管路，液态介质管路末端分支后分别连接第一喷嘴和第二喷嘴。本发明不需要对工件进行实际加工，用电阻炉模拟切削热，实验操作简单，易于操作；在加工初始前就能测试出该材料最佳的冷却条件和参数，然后将这些条件和参数固定下来后再进行实际加工，降低生产成本，提高企业经济效益。
【专利说明】测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械制造金属切削工艺【技术领域】中的一种实验装置及其方法，具体涉及一种测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]金属材料切削时，会产生大量的切削热，从而使切削区的切削温度升高、切削力增力口，刀具磨损加剧，整个切削过程变得困难，并最终影响被加工零件的表面质量、尺寸精度和零件加工的生产率等。因此在切削加工中往往需要增加冷却液进行冷却切削，改善切削环境达到提高零件加工表面质量的目的。
[0003]目前的切削冷却工艺方法主要是使用切削液进行冷却切削，在一般机床上装有冷却泵、冷却液箱体、冷却液喷嘴及其软管；在金属切削需要冷却时，开动冷却泵，冷却泵工作并将冷却液箱体中的冷却液通过管路泵送到喷嘴，打开喷嘴后一定压力的冷却液冲刷零件被切削区域周围，起到冷却刀具、工件的作用；冷却刀具、工件后的切削液溅落在机床底盘后回流至冷却液箱体，如此往复保证了切削冷却过程不断。这种工艺方法的缺陷是:1、由于被切削材料加工难易程度不一样，为满足切削时冷却的需要，操作者仅仅凭经验来调整阀门开关，控制冷却液流量的大小，从而控制切削液的冲刷量；2切削液中切屑粉末的反复夹带不利于精密加工；3、对环境造成一定的污染、环境保护工作使生产成本提高。
[0004]近期，在国内外部分数控机床或加工中心中采用环境空气、微量润滑油和冷却液相结合雾化的方法，即亚干式方式进行冷却切削的工艺。该方法以“绿色”为其主要特征，减少了环境污染，提高了冷却效率，工艺的集约性得到了显著加强。
[0005]但是，在采用亚干式方式进行冷却切削时，存在以下问题:针对不同的材料，究竟应该如何设定冷却条件和相关的参数，才可以使得冷却效果最佳并且材料表面质量最好？如何确保被加工零件的尺寸精度、尺寸稳定性？现有技术中，完全是在零件加工开始后依赖人为主观判断以及个人有限的经验现场调节冷却条件和相关参数，所以加工出来的零件质量参差不齐。有时候在加工过程中，由于不断调整和尝试最佳参数会造成大批工件的报废,不但浪费原材料,而且大大增加了企业生产成本。
[0006]所以，亟需研究开发一种新的装置和方法，在加工开始前就能测试出该材料最佳的冷却条件和参数，然后将这些条件和参数固定下来后再进行实际加工。试验研究亚干式不同冷却条件对材料表面质量的影响。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法，能够揭示亚干式不同冷却条件对材料表面质量影响规律，指导工业应用。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明的测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置，包括试件、用于固定试件并模拟切削热的电阻炉、气体冷却装置和液态介质冷却装置，所述气体冷却装置依次包括空气压缩机、安全阀、空气过滤器、截止阀、温度调节器、第一调节阀、气体流量计、气压表、温度表和空气干燥管，所述空气干燥管末端连接第一喷嘴；所述液态介质冷却装置依次包括液态介质、第二调节阀、液体流量计和液态介质管路，液态介质管路末端分支后分别连接第一喷嘴和第二喷嘴，液态介质管路与第一喷嘴和第二喷嘴分别设有第一开关和第二开关。
[0009]所述液态介质并非仅指油基与水基切削液、润滑油，而是泛指具有冷却及微量润滑作用、能用于亚干式切削的一切介质，包括水、植物油等。(冷却液包括水、植物油)。所述试件为两同轴圆柱体，包括上圆柱体和下圆柱体，所述下圆柱高为17.5mm直径为1mm;上圆柱高为2.5mm，直径为14mm ;同时在上圆柱侧面铣两对称平面，铣入深度为1.5mm。。本发明中的液态介质管路、干燥管和阀门、喷嘴等部件可以吊装在支架上。
[0010]本发明中的电阻炉还可以是其他能够模拟工件被连续切削时不间断产生切削热的装置，例如该装置包括测温热电偶、温控仪器、根据需要持续供热炉、试件安放腔体等组成。此外，本发明可以配合使用一套每秒自动采集50次数据并处理的数据采集处理装置，包括温度测量传感器、显示器、操作平台、数据处理中心器件等。
[0011]本发明还公开一种基于上述测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置的方法，包括以下步骤:
[0012](I)将试件安装在持续供热的电阻炉上，设定电阻炉温度，使试件表面温度达到初始设定温度；
[0013](2)打开空气压缩机，调节温度调节器，使喷出气体的温度达到实验预定温度；调节气体流量计，使气体压力达到实验预定压力，调整第一喷嘴，使第一喷嘴垂直于试件端面；
[0014](3)选择打开第一开关或者第二开关，调节液体流量计，使液态介质的流量达到实验设定计量；
[0015](4)当试件温度达到初始设定温度时，打开经控制、计量的第一喷嘴和第二喷嘴，使冷却介质喷向试件端面，冷却时间根据实验的需要分为瞬态冷却与稳态冷却；
[0016](5)分别记录瞬态冷却和稳态冷却的相关参数，保存实验数据，取出试件；
[0017](6)测量取出试件的表面质量信息并记录相关数据；
[0018](7)更改冷却参数，重复步骤(I)?(6)，记录不同参数下相应表面质量值，进行对比，最终获取质量最佳的一组参数值作为工业应用中的数据。
[0019]其中，所述瞬态冷却是指采用气体冷却装置和液态介质冷却装置进行冷却的时间控制在I?3秒，然后使试件在空气中自然冷却；所述稳态冷却是指试件采用气体冷却装置和液态介质冷却装置进行冷却并一直冷却到试件被测量温度趋于稳定。
[0020]所述步骤(3)中，如果液态介质凝点低于气体温度，则选择打开第一开关、关闭第二开关，将液态介质与气体混合之后再通过第一喷嘴喷出；如果液态介质凝点高于或等于气体温度，则选择关闭第一开关、打开第二开关，使液态介质通过第二喷嘴喷出，防止液态介质在第一喷嘴内部凝结。
[0021]所述步骤￠)中，测量取出试件的表面质量信息包括以下内容:将取出的试件进行金相测量前处理(在专用抛光机上进行机械抛光、用化学试剂对试件浸蚀等)，应用金相显微镜测量金相组织、应用显微硬度计测量显微硬度、应用应力分析仪Xstress3000测量残余应力等表面质量信息。
[0022]本发明中，液态介质流量控制在0.015ml/S?1.25ml/S，过小会影响冷却效果，过大会造成资源的浪费。如果只选用冷风进行冷却，则只需打开空气压缩机和冷风输送控制开关；如果只选用液态介质进行冷却，则只需打开液态介质管路上的第二开关，关闭第一开关。
[0023]有益效果:本发明的测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置及其方法，具有以下优点:
[0024]1、不需要对工件进行实际加工，用电阻炉模拟切削热，实验数据有可靠的参考价值，且实验操作简单，易于操作；
[0025]2、冷却参数易于控制，便于找出并得到理想表面质量的亚干式冷却条件；
[0026]3、只针对不同亚干式冷却条件对材料表面质量的影响进行研究，排除了实际切削中切削力等因素的影响，实验结果更有针对性，更加准确可靠；
[0027]4、实验成本不高，经济且环保；
[0028]5、在工业生产之前，通过本发明获得最佳的冷却参数数据，可以避免在工业生产中反复调整相关参数造成的产品报废、产品质量参差不齐等问题，大大提高产品质量和生产效率，同时降低生产成本，提高企业经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明的装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031]如图1所示，本发明的测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置包括电阻炉19,先将试件18固定在电阻炉19上,第一喷嘴17垂直对准试样18 ;其次选择液态介质管路第一开关14或者第二开关15，使液态介质11 (液态介质可以是水、植物油、冷却液等)，经第二调节阀12、液体流量计13、液态介质管路第一开关14(或者液态介质管路第二开关15)到第一喷嘴17 (或者第二喷嘴16)冷却试件18 ;最后打开空气压缩机I，将空气压缩后依次经过安全阀2、空气过滤器3、截止阀4、温度调节器5、第一调节阀6、气体流量计7、气压表8、温度表9、空气干燥管10和第一喷嘴17后喷出冷却试件18,在此过程中,可以进一步调节空气温度与压力，便于实验时改变冷却条件。
[0032]在实验时，要不断的改变实验参数，从而寻找到最佳冷却条件。先设定电阻炉19的温度，将试件18加热到相应的切削温度；调节温度调节器5，使喷出气体温度达到实验预定温度；再调节气体流量计7，使气体压力达到实验预定值；调节液体流量计13使不同液态冷却介质计量达到实验预定值，将第一喷嘴17垂直对准试件18 ;打开空气压缩机I和液态介质管路第一开关14 (或者液态介质管路第二开关15)，冷却试件18 ;如果只选用冷风进行冷却，则只需打开空气压缩机I ;如果只选用液态介质进行冷却，则只需打开液态介质管路第二开关15。测量试件各表面质量值，完成一组实验；接着改变实验冷却参数，再次进行实验，并对比不同冷却参数下各表面质量情况，得出最佳冷却效果的冷却参数。
[0033]下面通过3个实施例对本发明进一步作详细说明:
[0034]实施例1
[0035]本实施例中的实验样件材料即试件18是45钢，测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响，即亚干式冷却条件对材料表面金相组织影响的工艺步骤如下:
[0036]a、将实验试件18安装在电阻炉19上；设定电阻炉温度，使试件18表面温度达到初始设定温度。
[0037]b、打开空气压缩机1，调节温度调节器5，使喷出的气体温度为-10°C、气体压力为
0.15Mpa ;选择液态介质管路第一开关14(或者第二开关15)、调节不同液态介质(此处主要用冷却液)计量达0.020ml/S，调整好第一喷嘴17的位置，使其与试件18垂直；如果选择了液态介质管路第二开关15，需要将喷嘴16安放在第一喷嘴17正下方；如果只选用冷风进行冷却，则只需打开空气压缩机I ;如果只选用液态介质进行冷却，则只需打开液态介质管路第二开关15。
[0038]C、待电阻炉19温度稳定在设定值时，对试件18进行冷却，冷却时间根据实验的需要可分为瞬态冷却(即冷却时间控制在I?3秒，然后使试件18在空气中自然冷却)与稳态冷却(即使试件18 —直冷却到冷却介质的温度)。
[0039]d、用坩埚钳取出试件18，将试件18先用砂轮或者锉刀磨成平面，用水冲洗擦干净以后，用03号砂纸对试件18表面进行“单向单程”的细磨。
[0040]e、对细磨后的磨面进行机械抛光处理；然后在硝酸乙醇溶液中浸蚀；最后用金相显微镜对浸蚀的试件18表面拍摄金相图片。
[0041]f、更改亚干式冷却参数，重复进行实验，记录不同参数下试件18的表面金相组织图片、归纳总结并得出结论。
[0042]本实施例中共进行10组实验，实验数据如下表所示:
[0043]
验参数
试样温度(V) 冷风温度(°C) 冷却液流量(ml/min)
实验组___
1750-105
2750-107
3700-104
4700-107
5650-103
6650-105
7600-102
8600-104
9500-103
10350-102
[0044]初试表明:对45钢采用亚干式冷却时，当试样温度为700°C和750°C时，冷却液流量冷却液流量选5ml/min,试件表面金相组织更为均匀，晶粒细小。
[0045]实施例2
[0046]本实施例的实验样件材料即试件18是钛合金，测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响，即亚干式冷却条件对材料表面显微硬度影响的工艺步骤如下:
[0047]工艺步骤a、b、C、d、e相似于实施例1，其区别主要有:
[0048]e、对细磨后的试件磨面需进行机械抛光处理；然后在氟化氢、硝酸溶液中浸蚀；在一定的压力下，用显微硬度计测量试件18的表面的显微硬度，通过测量金刚石锥体压头压入被测物表面后所留压痕对角线长度，计算表面显微硬度值。
[0049]f、更改亚干式冷却参数，重复进行实验，记录不同参数下试件18的表面显微硬度的大小、归纳总结并得出结论。
[0050]本实施例中共进行11组实验，实验数据如下表所示:
[0051]
【权利要求】
1.一种测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置，其特征在于:包括试件、用于固定试件并模拟切削热的电阻炉、气体冷却装置和液态介质冷却装置，所述气体冷却装置依次包括空气压缩机、安全阀、空气过滤器、截止阀、温度调节器、第一调节阀、气体流量计、气压表、温度表和空气干燥管，所述空气干燥管末端连接第一喷嘴；所述液态介质冷却装置依次包括液态介质、第二调节阀、液体流量计和液态介质管路，液态介质管路末端分支后分别连接第一喷嘴和第二喷嘴，液态介质管路与第一喷嘴和第二喷嘴分别设有第一开关和第二开关。
2.根据权利要求1所述的测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置，其特征在于:所述液态介质为水、植物油。
3.根据权利要求1所述的测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置，其特征在于:所述试件为两同轴圆柱体，包括上圆柱体和下圆柱体，所述下圆柱高为17.5mm直径为1mm;上圆柱高为2.5mm，直径为14mm ;同时在上圆柱侧面铣两对称平面，铣入深度为1.5mm。
4.一种基于权利要求1至3任一项所述测试亚干式冷却条件对材料表面质量影响的装置的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将试件安装在持续供热的电阻炉上，设定电阻炉温度，使试件表面温度达到初始设定温度; (2)打开空气压缩机，调节温度调节器，使喷出气体的温度达到实验预定温度；调节气体流量计，使气体压力达到实验预定压力，调整第一喷嘴，使第一喷嘴垂直于试件端面； (3)选择打开第一开关或者第二开关，调节液体流量计，使液态介质的流量达到实验设定计量; (4)当试件温度达到初始设定温度时，打开经控制、计量的第一喷嘴和第二喷嘴，使冷却介质喷向试件端面，冷却时间根据实验的需要分为瞬态冷却与稳态冷却； (5)分别记录瞬态冷却和稳态冷却的相关参数，保存实验数据，取出试件； (6)测量取出试件的表面质量信息并记录相关数据； (7)更改冷却参数，重复步骤(I)?￠)，记录不同参数下相应表面质量值，进行对比，最终获取质量最佳的一组参数值作为工业应用中的数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述瞬态冷却是指采用气体冷却装置和液态介质冷却装置进行冷却的时间控制在I?3秒，然后使试件在空气中自然冷却；所述稳态冷却是指试件采用气体冷却装置和液态介质冷却装置进行冷却并一直冷却到试件被测量温度趋于稳定。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述步骤(3)中，如果液态介质凝点低于气体温度，则选择打开第一开关、关闭第二开关，将液态介质与气体混合之后再通过第一喷嘴喷出；如果液态介质凝点高于或等于气体温度，则选择关闭第一开关、打开第二开关，使液态介质通过第二喷嘴喷出，防止液态介质在第一喷嘴内部凝结。
【文档编号】G01N25/00GK104181188SQ201410401472
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】任家隆, 任近静, 赵礼刚, 韩剑敏, 张春燕, 管小燕, 樊玉杰, 胡小康, 王明建 申请人:江苏科技大学