专利名称：基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种加热切削装置，特别是一种基于静电冷却条件下的聚光加热 切削装置。属于机械制造及应用技术领域。
背景技术：
已知加热切削的加热方式有电接触电阻方式，这种加热方式的加热速度较慢，且 不适用于切削具有断续表面、不导电材料、铸件或者毛坯件；等离子加热方式，这种加热方 式的加热功耗大，通常达数十千瓦，且不适用于切削非回转体类零件；激光加热方式，这种 方式的加热成本昂贵，转换效率不高，功耗大，且作用空间大，切削区热量传递给刀具引起 刀具强度、硬度下降，特别是切削钛合金高温氧化的现象很严重。已知的聚光加热方式，近年来在国外已被应用于医药、卫生、工程材料和科学研究 等领域。例如金属熔样炉、高温灭菌装置、高速热处理机和快速热化学反应装置等，都采用 了聚光加热方式，而静电场应用方面大部分应用在除尘、喷涂等工艺。而综合采用聚光加热 方式及静电冷却刀具的装置进行加热切削现未见有文献记载与报道。
发明内容本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单、成本低廉、 操作方便的聚光加热切削装置。该装置是基于静电冷却条件下操作的。由于工件切削前被 加热到800°C以上，切削加工中将储存的一部分热传导给刀具，导致刀具切削刃的温度大幅 上升，硬度和强度下降，刀具磨损加快，如果使用冷却液无法控制其冷却位置，会导致工件 表面温度降低，无法实现加热切削。为了提高刀具和灯罩的使用寿命，采用静电冷却装置对 刀具和聚光灯罩进行冷却。为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案基于静电冷却条件下的聚光加 热切削装置，该装置主要有两部分，一部分是由聚光器(4)及可调支架( 组成。其中聚光 器(4)装在可调支架( 上。可调支架(5)固定在机床大溜板(7)上，使聚光器(4)与安 装在刀架(9)上的刀具(10)保持同步。聚光器(4)是由光源(1)、聚光罩( 和可调支座 (3)组成，光源为辐射光源，聚光罩O)的内表面可采用椭圆回转曲面构成，也可采用抛物 面及一组凸透镜构成。光源(1)安装在聚光罩O)的焦点处，通过聚光罩把辐射光会聚于 一点，形成微区光斑(6)，以使工件表面瞬间局部加热。可调支架( 上下可在支架(2)上 沿自身光轴方向前后调整、沿水平方向调整和在垂直面内转动，以使光斑位置满足加热切 削的需要。喷嘴(12)安装在刀架(9)上。上述喷嘴(12)的主体为锥形腔体，其前端设有 外套(13)。该装置的另一部分是静电冷却装置(11)，由两块紫铜板为电极板。聚光加热切削方法在切削时，首先启动聚光器(4)的光源(1)，调整可调支座(3)， 使会聚的光斑的强度达到最强，并使聚光器的光斑交于一处。然后调整可调支架(5)， 使会聚的光斑正好落在被切削工件(8)的待加工表面上。再联合调整可调灯座及可调支架(5)，使光斑的位置在轴线方向略引前刀尖，在圆周方向与刀尖保持一定距离。聚光在能量 分布和时间特性上有很好的可控性，可以将聚光聚焦到一个很小的区域上，从而得到较高 的功率密度，瞬间可使工件表面微区达到数百度，使得加热区域的材料软化，造成工件表面 局部的硬度下降，为切削创造条件。为了保证电场均勻性，同时为了避免尖端放电现象，紫 铜板表面进行磨光处理。聚光加热切削方法中喷嘴是静电冷却装置的重要组成部分，主要用来改变电离空 气的流速，为使电离空气能以一定的流速并均勻的射进切削区，在此采用渐缩结构的喷嘴 (12)，将其安装在刀架(9)上。其冷却管道为三通式，一端接在喷嘴上冷却刀具，另一端接 在灯罩上对灯罩进行冷却，替代了水冷灯罩，还可以避免由于水冷灯罩造成触电现象。静电 冷却(干式切削)装置是由供电电源装置、空气压缩装置、高压静电场装置、电离空气的传 输系统装置间的连接件、夹具安装框架及喷嘴组成。工作电压V = 500v,消耗空气为l-3m3/ min，压力为0. 5-0. 8Mpa (取工作压力是0. 6Mpa)，向喷嘴输送的压缩空气为0. 25-0. 35Mpa， 不得夹杂尺寸超过0. Imm的固体颗粒，空气湿度60%以下，温度在25°C以下。启动机床，光 斑与刀具同步运动，边加热，边切削。还可以利用聚光加热装置，先将工件预热，待工件表面 达到一定温度后，再启动机床，进行加热切削，并适时打开静电冷却系统对刀尖实体部分进 行干式冷却。为使切屑不伤害聚光器，可在刀具的前部装上适当的防屑板。为了提高加热温度和升温速度，可采用多个聚光器G)，但注意它们相互不得干 涉，不得妨碍刀架的调整，并与被切工件保持足够空间距离。还可以在被加工的工件表面涂 一层吸收剂，以提高吸热率。另外也可以尽量增大聚光罩的包角，以减少热能损失，提高光 斑区的温度。本实用新型的优点在于聚光加热切削、静电干式冷却刀具的工艺及配备的装置 为改善切削加工材料的可加工性提供了一种无环境污染、功耗小、结构简单、造价低廉、操 作方便的新型加工装置。该装置测试的切削力比常规切削的切削力平均降低23%，同时由 于静电冷却装置的合理利用有效的保持刀具的硬度和强度使得刀具耐用度提高5倍以上。 聚光加热切削振动小，所以已加工表面质量较高。
图1是本实用新型装置的结构示意图。图2是图1中抛物面聚光罩光学原理示意图。图3是本实用新型的装置中采用一个聚光罩的结构示意图。图4是本实用新型的装置中采用四个聚光罩的结构示意图。图5是本实用新型的装置中静电冷却部分的结构示意图。图6是图1中喷嘴的结构示意图。
具体实施方式
参照附图1-6，基于静电冷却条件下的聚光加热切削方法及装置，该装置主要有两 部分，一部分是由聚光器4及可调支架5组成(如图1)，其中聚光器4装在可调支架5上。 可调支架5固定在机床大溜板7上，使聚光器4与安装在刀架9上的刀具10保持同步。聚光器4是由光源1、聚光罩2和可调支座3组成，光源为辐射光源，聚光罩2的内表面可采用 椭圆回转曲面构成，也可采用抛物面及一组凸透镜构成(见图2)。光源1安装在聚光罩2 的焦点处，通过聚光罩把辐射光会聚于一点，形成微区光斑6，以使工件表面瞬间局部加热。 可调支架5上下可在支架2上沿自身光轴方向前后调整、沿水平方向调整和在垂直面内转 动，以使光斑位置满足加热切削的需要。喷嘴12安装在刀架9上。上述喷嘴12的主体为 锥形腔体，其前端设有外套13。该装置的另一部分是静电冷却装置11，由两块紫铜板为电极板，电极板长200mm、 宽165mm、厚3mm，两极板平行放置，分别连接电源两极，形成电场。其内部场强均勻分布，极 间距离约为10-30mm。(也可用螺旋静电场装置，即由螺旋状阴阳极组成，靠两极间隙电离 高压气体)。聚光加热切削方法在切削时，首先启动聚光器4的光源1，调整可调支座3，使会 聚的光斑的强度达到最强，并使两个(根据需要也可多个)聚光器4的光斑交于一处。然 后调整可调支架5，使会聚的光斑正好落在被切削工件8的待加工表面上。再联合调整可 调灯座及可调支架5，使光斑的位置在轴线方向略引前刀尖，在圆周方向与刀尖保持一定距 离。聚光在能量分布和时间特性上有很好的可控性，可以将聚光聚焦到一个很小的区域上， 从而得到较高的功率密度，瞬间可使工件表面微区达到数百度，使得加热区域的材料软化， 造成工件表面局部的硬度下降，为切削创造条件。为了保证电场均勻性，同时为了避免尖端 放电现象，紫铜板表面进行磨光处理。聚光加热切削方法中喷嘴是静电冷却装置的重要组成部分，主要用来改变电离空 气的流速，为使电离空气能以一定的流速并均勻的射进切削区，在此采用渐缩结构的喷嘴 12，喷嘴直径为Φ0.5-5πιπι。喷嘴12安装在刀架上9，其冷却管道为三通式，一端接在喷嘴 上冷却刀具，另一端接在灯罩上对灯罩进行冷却，替代了水冷灯罩，还可以避免由于水冷灯 罩造成触电现象。静电冷却(干式切削)装置是由供电电源装置、空气压缩装置、高压静电 场装置、电离空气的传输系统装置间的连接件、夹具安装框架及喷嘴组成。工作电压V = 500ν,消耗空气为l-3m7min，压力为0. 5-0. 8Mpa(取工作压力是0. 6Mpa)，向喷嘴输送的压 缩空气为0. 25-0. 35Mpa,不得夹杂尺寸超过0. Imm的固体颗粒，空气湿度60%以下，温度在 25°C以下。启动机床，光斑与刀具同步运动，边加热，边切削。还可以利用聚光加热装置，先 将工件预热，待工件表面达到一定温度后，再启动机床，进行加热切削，并适时打开静电冷 却系统对刀尖实体部分进行冷却。为使切屑不伤害聚光器，可在刀具的前部装上适当的防屑板。为了提高加热温度和升温速度，可采用多个聚光器4，但注意它们相互不得干涉， 不得妨碍刀架的调整，并与被切工件保持足够空间距离。还可以在被加工的工件表面涂一 层吸收剂，以提高吸热率。另外也可以尽量增大聚光罩的包角(如图3、4)，以减少热能损 失，提高光斑区的温度。实施例把前述聚光加热装置安装在CA6140车床的大溜板上。光源为两个1500瓦高效金
属卤素灯(FLQ-1500G)。聚光罩内表面为椭圆回转曲面。该曲面的轴剖面参数与方程为 2 2-^- + ^- = 1 IOO2 452[0027]z=0在简易数控机床上采用直线插补方法进行加工。直线插补的计算精度 δ < 0.001mm。曲面加工后，要进行粗磨、精磨之后在机床上用抛光剂和绒布抛光。表面粗 糙度Ra < 0.08 μ m。最后在聚光罩内表面镀铝膜，再镀钛保护膜以提高聚光加热效果。被切削工件材料为TC11，尺寸为 Φ100，300ι πι，ob = 685MPa, δ δ = 12%, Ψ = 45%。切削用刀具为机械类固式外圆车刀，材料为YG6X，几何参数为= 0°，a0 = 4°，kr =45°, As = -2°, k' r = 8°, a' 0 = 40。结果表明在上述条件下，切削力平均约降低20%以上，刀具的磨损明显减慢，工件 表面粗糙度明显降低。
权利要求1.基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置，其特征在于该装置主要包括两部分， 一部分是由聚光器(4)及可调支架( 组成，其中聚光器(4)装在可调支架( 上，可调 支架(5)固定在机床大溜板(7)上，使聚光器(4)与安装在刀架(9)上的刀具(10)保持 同步，聚光器(4)是由光源(1)、聚光罩( 和可调支座C3)组成，光源为辐射光源，聚光罩 (2)的内表面可采用椭圆回转曲面构成，也可采用抛物面及一组凸透镜构成，光源(1)安装 在聚光罩O)的焦点处，通过聚光罩把辐射光会聚于一点，形成微区光斑(6)，以使工件表 面瞬间局部加热，可调支架( 上下可在支架( 上沿自身光轴方向前后调整、沿水平方向 调整和在垂直面内转动，以使光斑位置满足加热切削的需要，喷嘴(12)安装在刀架(9)上， 上述喷嘴(1 的主体为锥形腔体，其前端设有外套(1 ；该装置的另一部分是静电冷却装 置(11)，由两块紫铜板为电极板。
2.如权利要求1所述的基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置，其特征在于上述 喷嘴(12)的直径为Φ0. 5-5mm。
3.如权利要求1所述的基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置，其特征在于上述 静电冷却装置(11)的两块紫铜电极板的长200mm ；宽165mm ；厚3mm，两极板平行放置，分别 连接电源两极，形成电场。
4.如权利要求1所述的基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置，其特征在于所述 的聚光器可采用两个或多个。
专利摘要基于静电冷却条件下的聚光加热切削装置，主要包括两个部分。一部分是由聚光器及可调支架组成；另一部分是静电冷却装置，由两块紫铜板为电极板。采用本装置切削时，首先启动聚光器的光源，调整可调支座，使会聚的光斑的强度达到最强，并使聚光器的光斑交于一处，然后调整可调支架，使会聚的光斑正好落在被切削工件的待加工表面上，再联合调整可调灯座及可调支架，使光斑的位置在轴线方向略引前刀尖。该装置中喷嘴是静电冷却装置的重要组成部分，在此采用渐缩结构的喷嘴，喷嘴安装在刀架上，其冷却管道为三通式，一端接在喷嘴上冷却刀具，另一端接在灯罩上对灯罩进行冷却，还可以避免由于水冷灯罩造成触电现象。本实用新型功耗小、结构简单、刀具的使用寿命长，操作方便，便于推广应用，有效的提高了加工表面质量。
文档编号B23B25/00GK201922053SQ20102063560
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者夏甜, 曹剡, 石庚儒, 赵强, 高霁 申请人:沈阳航空航天大学