一种复合材料的适温切削实时控制方法
【专利摘要】本发明一种复合材料的适温切削实时控制方法属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种复合材料的适温切削实时控制方法。该方法先搭建复合材料的适温切削实时控制系统，然后用雾化喷嘴向切削区喷射超低温气体。在降低切削温度的基础上，通过工件切削区附近的热电偶实时测量切削区温度，并将切削区温度反馈给位移平台控制器。以此为信号来实时调节安装在位移平台上的雾化喷嘴与切削区间的距离，调节切削区的温度处于预期值，实现材料在合适的温度区间进行切削，以得到最优的加工表面质量。该方法实现了直接控制切削区的温度，温度调节速度较快，能够保证温度控制的高效性和准确性。在开放空间直接进行调节，更适合于实际生产应用。
【专利说明】
一种复合材料的适温切削实时控制方法
技术领域
[0001]本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种复合材料的适温切削实时控制方法。
【背景技术】
[0002]材料切削加工中，由于材料的加工变形、去除和材料与刀具间的摩擦，切削区会产生大量的热，并导致切削区温度很高，而一般而言材料的加工性、刀具的性能等随温度变化很大，因此，切削区的温度是影响切削加工质量、刀具磨损形式和程度的重要因素。一些难加工材料如碳纤维增强复合材料本身热导率以及基体玻璃转化温度低，采用传统加工方式，切削区域温度很高，易造成热损伤，大大降低了材料强度和加工后表面质量；当采用在极低温度下加工时，由于树脂基体本身硬化，造成切削力显著增大，刀具磨损加剧，导致频繁换刀，加工效率低下，因而实现切削区温度有效控制格外重要。目前，低温冷却加工是上述难加工材料的最主要加工方法，而采用超低温气体，如液氮蒸汽进行冷却是近年来最广泛采用的冷却方式，但采用超低温气体冷却的方式，由于气体温度极低，如液氮蒸汽接近-196°C、，很难控制其喷射流量和压力，切削区域的温度难以控制。曾翔宇、孟祥敏发明了“一种温度可控低温冷却装置”专利，专利号为CA103707124A。该装置采用液氮汽化冷却导热性能良好的传热构件，进而冷却被加工材料，通过温度传感器采集被加工材料的温度，从而控制液氮容器相对于传热构件的位移以及加热单元η的制热功率来稳定整体的冷却温度。该方法需要传热构件进行热量传递，冷却速度慢，很难实现温度实时调控。张召明、王益嗣等人发明了 “切削加工冷却装置”专利，专利号为CA1012009528A，该专利通过将液氮和空气在气体混合室混合，并利用温度传感器测定气体混合室温度来控制液氮和空气混合比例，从而实现喷出口的温度控制。利用该方法无法直接控制切削区的温度，且温度箱内温度确定后，再进行进一步的调控，速度较慢，不能实时温度控制，无法满足切削实时调节的需求。段玉岗、王宏晓等人发明了“一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置和方法”专利，专利号CN104260143。该专利通过低温降温装置和温度控制装置调节加工时的环境温度在-80°C与(TC之间，采用切削力测量装置测量切削力以评估调整最佳低温钻削参数。该方法仅控制了加工时的环境温度，无法直接控制切削区的温度，且温度调节速度较慢。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术难题是解决现有技术的应用局限性，发明一种复合材料的适温切削实时控制方法，该方法通过搭建复合材料的适温切削实时控制系统，采用雾化喷嘴向切削区喷射超低温气体，降低切削温度，通过调节雾化喷嘴与切削区的距离，计算机实时监测切削区温度，实现了直接控制切削区的温度，温度调节速度较快。
[0004]本发明采用的技术方案是一种复合材料的适温切削实时控制方法，其特征是，该方法先搭建复合材料的适温切削实时控制系统，采用雾化喷嘴向切削区喷射超低温气体，在降低切削温度的基础上，通过工件切削区附近的热电偶实时测量切削区温度，并将切削区温度反馈给位移平台控制器，以此为信号来实时调节安装在位移平台上的雾化喷嘴与切削区间的距离，调节切削区的温度处于预期值，实现材料在合适的温度区间进行切削，以得到最优的加工表面质量;方法的具体步骤如下:
[0005]第一步搭建复合材料的适温切削实时控制系统
[0006]将夹持机构2安装在数控机床工作台I上，复合材料7固定在夹持机构2中，温度检测模块3的信号输出端通过数据线将检测结果输出到计算机4中，温度检测模块3的另一端与热电偶8连接;温度控制模块5—端与计算机4连接，另一端与位移平台9连接;安装在复合材料7上的热电偶8工作端位于复合材料7与刀具6接触区域，热电偶8冷端与温度检测模块3连接;超低温冷气生成器13的出口连接有输气管道12，输气管道12的另一端连接有雾化喷嘴11，雾化喷嘴11通过支撑体1连接在位移平台9上，雾化喷嘴11指向切削区域，切削区与雾化喷嘴11间距离为d;
[0007]第二步打开计算机4，首先初始化各器件，并设定切削区所要求的设定温度值to;启动温度测量和冷却设备，对切削区进行预冷，控制切削区的温度接近设定温度值to;
[0008]第三步启动数控机床，对复合材料7进行加工，设定切削参数的取值；
[0009]第四步实时测量切削区的当前温度t，比较当前温度值t与设定温度值to，如果当前温度值t和设定温度值to接近，其差值At小于等于20°C，则位移平台9不动，如果当前温度值t和设定温度值to相差较大，其差值△ t的绝对值大于20°C，则用当前温度值t和设定温度值to之差△ t控制位移平台9的运动:当△ t>0时，位移平台9带动雾化喷嘴11向靠近切削区方向移动；当△ t<0时，位移平台9带动雾化喷嘴11向远离切削区方向移动。通过实时反馈的温度参数，不断快速调整切削区与雾化喷嘴11间距离d，直至切削区的温度达到设定温度值to。
[0010]本发明的有益效果是热电偶工作端位于复合材料与刀具接触区域，直接检测切削区的温度。通过喷射气体的距离来控制温度，能够实现切削区温度的实时快速调节，计算机实时监测切削区温度，反馈给计算机相连的控制模块，调整雾化喷嘴与切削区间的距离，使得切削区温度达到给定范围，能够保证温度控制的高效性和准确性。在开放空间直接进行调节，更适合于实际生产应用。
【附图说明】
[0011 ]图1为复合材料的适温切削实时控制系统图。图中，1-数控机床工作台；2-夹持机构;3-温度检测模块;4-计算机;5-温度控制模块;6-刀具;7-复合材料;8-热电偶;9-位移平台；10-支撑体;11-雾化喷嘴；12-输气管道;13-超低温冷气生成器;d-切削区与雾化喷嘴间距离。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和技术方案对本发明的实施做进一步详细的说明。
[0013]参见图1，本发明采用热电偶8为温度检测装置，超低温冷气生成器12作为温度控制装置。温度检测装置的信号输出端通过数据线将检测结果输出到计算机4中，计算机4通过数据线将控制数据输入到温度控制装置输入端，实时检测控制温度。方法的具体步骤如下:
[0014]第一步搭建复合材料的适温切削实时控制系统
[0015]将夹持机构2安装在数控机床工作台I上，复合材料7固定在夹持机构2中，在复合材料7上安装热电偶8，热电偶8工作端位于复合材料7与刀具6接触区域，热电偶8冷端与温度检测模块3连接，温度检测模块3的另一端与计算机4连接;超低温冷气生成器13的出口连接有输气管道12，输气管道12的另一端连接有雾化喷嘴11，雾化喷嘴11通过支撑体10连接在位移平台9上，雾化喷嘴11指向切削区域，切削区与雾化喷嘴11间距离为d ；
[0016]第二步打开计算机4，首先初始化各器件，切削区所要求的设定温度值to为-50°C至-25°C;启动温度测量和冷却设备，对切削区进行预冷，使控制切削区的当前温度值t接近设定温度值to;
[0017]第三步启动数控机床，对复合材料7进行铣削加工，切削速度为314m/min，进给速度为50mm/min，切深为0.3mm ；
[0018]第四步测量切削区的当前温度为135°C，比较切削区当前温度与设定温度值to，当前温度值和设定温度值不相等，用当前温度值和设定温度值之差A t控制位移平台的运动:At>0，位移平台向靠近切削区方向移动;通过实时反馈的温度参数，不断快速调整喷嘴位移，直至位移平台与切削区间距d为20mm时，达到切削区温度为设定温度值to。
[0019]该方法利用计算机实时监测切削区温度，在开放空间直接进行调节，更适合于实际生产应用。
【主权项】
1.一种复合材料的适温切削实时控制方法，其特征是，该方法先搭建复合材料的适温切削实时控制系统，采用雾化喷嘴向切削区喷射超低温气体，在降低切削温度的基础上，通过工件切削区附近的热电偶实时测量切削区温度，并将切削区温度反馈给位移平台控制器，以此为信号来实时调节安装在位移平台上的雾化喷嘴与切削区间的距离，调节切削区的温度处于预期值，实现材料在合适的温度区间进行切削，以得到最优的加工表面质量，方法的具体步骤如下: 第一步搭建复合材料的适温切削实时控制系统 将夹持机构(2)安装在数控机床工作台(I)上，复合材料(7)固定在夹持机构(2)中，温度检测模块(3)的信号输出端通过数据线将检测结果输出到计算机(4)中，温度检测模块(3)的另一端与热电偶(8)连接;温度控制模块(5)—端与计算机(4)连接，另一端与位移平台(9)连接;安装在复合材料(7)上的热电偶(8)工作端位于复合材料(7)与刀具(6)接触区域，热电偶(8)冷端与温度检测模块(3)连接;超低温冷气生成器(13)的出口连接有输气管道(12)，输气管道(12)的另一端连接有雾化喷嘴(11)，雾化喷嘴(11)通过支撑体(10)连接在位移平台(9)上，雾化喷嘴(11)指向切削区域，切削区与雾化喷嘴(11)间距离为(d); 第二步打开计算机(4)，首先初始化各器件，并设定所要求的切削区设定温度值to;启动温度测量和冷却设备，对切削区进行预冷，控制切削区的温度接近设定温度值； 第三步启动数控机床，对复合材料(7)进行加工，设定切削参数的取值； 第四步实时测量切削区的当前温度t，比较当前温度t与设定温度值to，如果当前温度值t和设定温度值to接近，其差值At小于等于20°C，则位移平台(9)不动，如果当前温度值t和设定温度值to相差较大，其差值△ t的绝对值大于20°C，则用当前温度值t和设定温度值to之差Δ t控制位移平台(9)的运动:当△ t >0时，位移平台(9)带动雾化喷嘴(11)向靠近切削区方向移动；当△ t<O时，位移平台(9)带动雾化喷嘴(II)向远离切削区方向移动;通过实时反馈的温度参数，不断快速调整切削区与雾化喷嘴(11)间距离(d)，直至切削区的温度达到设定温度值to。
【文档编号】G05B19/401GK106054803SQ201610382979
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】贾振元, 付饶, 白玉, 王福吉, 钱宝伟
【申请人】大连理工大学