超低温加工机床的液氮冷却介质可靠传输与精准调控

超低温冷却加工是一种以钛合金、复合材料为代表的难加工材料高质高效加工方法。刀具中内喷式冷却是将液氮通过主轴和刀柄的内腔通道引导至刀尖处。与刀具外喷淋冷却相比,内喷方式对切削区域及刀具的冷却更加充分。常规机床主轴和刀柄无法实现液氮传输功能,其材料和结构更不能满足超低温隔热与动密封要求。为解决机床结构中液氮因汽化和泄漏导致相态、流量、压力等传输特征稳定性差、不可控的难题,提出基于定向导引与热阻强化的隔热方法,建立唇形密封在超低温介质下的接触应力模型,提出局限空间内的超低温动密封方法,研制保障液氮可靠传输的中空隔热主轴-刀柄;揭示热交换与两相流压降对液氮传输稳定性的影响机理,构建液氮射流状态精准调控系统。开发国内首台液氮内喷式超低温加工机床,开展液氮传输调控试验与钛合金切削试验,结果表明:主轴隔热、密封性能良好,液氮传输状态稳定且调控精准度高,超低温加工表面粗糙度较干切削降低约50%,冷却效果显著。     

一种内冷式旋转刀柄及冷却系统

针对加工特殊材料零件时通过外部冷却方法无法达到预期冷却效果的问题,提出一种内冷式旋转刀柄,通过冷却系统将冷却液直接通入刀具内部,解决冷却效果差的难题.     

嵌入合金薄膜传感器的刀具结构优化与测力灵敏度分析

提出一种嵌入刀具的合金薄膜传应变感器切削力测量系统的模型,以提高系统的测量灵敏度为目的 ,将弹性元件刀柄作为研究对象,结合薄膜传感器受力变形与刀具强度理论,通过在刀柄合适位置加工凹槽、多层台阶槽与钻孔方式设计了多种刀柄结构.构建了含有矩形、三角形以及半椭圆形凹槽的刀柄截面的惯性矩、强度与刀具测力灵敏度之间的关系,并运用MATLAB软件得到了在刀具强度安全域内,使测力系统灵敏度达到最大的刀柄截面形状的相关参数.对比分析六种含有矩形、半圆形复合凹槽的刀柄结构的横截面积、惯性矩、以及相应测力系统的灵敏度等,结果表明:与优化前的刀柄相比较,化后的刀柄结构可以使得测力系统的测力灵敏度提高倍数在(0.46～4.07)范围,而刀柄截面面积降至(0.09～0.84)范围;其中含有台阶层凹槽结构的刀柄优化结果较好,测力灵敏度提高了1.5倍,刀柄截面面积降至0.64倍.     

差速器壳内孔端面反车刀柄设计

公司引进了一条用于加工汽车差速器壳的数控加工线,反车刀柄是加工差速器壳的必备刀具之一.由于刀柄在使用中变形,刀片碎裂,一个星期内断裂了三把刀柄,导致仓库备件全部用完.原刀柄为随机刀柄,由国外刀具公司专门针对该产品制做.     

蓝宝石晶体掏棒机内冷式刀柄辅具结构研究

因蓝宝石晶体硬度为莫氏9级,仅次于最硬白金刚石,蓝宝石晶体掏棒加工中会产生很高的切削热量,筒刀和晶体必须进行筒刀内部和外部同时强力冷却,才能保证掏棒加工的稳定性和晶棒质量。所以蓝宝石晶体掏棒加工中要解决的关键技术问题之一,是内冷式刀柄辅具结构的研究、设计、试制、改进和联机使用。     

高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工技术研究

针对金属蜂窝芯存在的薄壁多孔、各向异性、面内弱刚性、径向强度小等加工难题,提出了高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工方法.分析了金属蜂窝芯冰固持装夹原理,验证了工艺系统的适应性和可靠性.开展了蜂窝芯冰固持超低温冷却加工的单因素试验,阐明了蜂窝芯加工缺陷形成规律.试验结果表明:在金属蜂窝芯加工中引入冰固持超低温冷却的装夹和加工...     

高弹性锥体高速刀柄的性能研究

设计一种具有高弹性锥体的双面定位新型高速刀柄,在实心刀柄锥体上开有直、环交错槽,形成多个独立小锥面,增加刀柄锥体的弹性.高弹性锥体能够增大刀柄与主轴的配合过盈量,补偿主轴的高速离心膨胀,提高刀柄的极限转速.借助ANSYS Workbench有限元软件对该高速刀柄的静态和高速性能进行分析,具体研究刀柄锥面与端面的压力分布特点、主轴的膨胀变形规律以及刀柄-主轴联接的径向刚度.结果表明,新型高速刀柄具有较高的极限转速,在高转速下具有可靠的定位精度和联接刚度,特别适合于高速加工.     

液氮内喷式刀柄温度场仿真分析

为实现难加工材料的液氮内喷式铣削加工,分析了液氮内喷式铣刀刀柄在强冷却条件下的设计要求。基于对刀柄实际工况下的传热分析,并利用计算CFD流体力学FLUENT分析软件,模拟了转速3500r/min、液氮流量50L/h工况下刀柄的稳态温度场分布。针对轴承和刀柄锥面等关键部位受液氮冷源影响而失效的问题,提出了在流道内壁面覆盖改性PTFE聚四氟乙烯隔热层的方案。对比有无隔热层结构对刀柄温度场的影响,分析了刀柄温度场随隔热层厚度的变化规律。模拟结果表明,当隔热层为2mm时,可满足刀柄的隔热性能要求。     

高速主轴/刀柄联结的可靠性分析

高速主轴/刀柄的联结性能对加工精度和机床可靠性具有重要影响。采用机械零件可靠性设计的方法,对高速主轴/刀柄联结的可靠性进行了分析,建立了高速主轴/刀柄联结强度和传递扭矩的可靠性模型,并给出了可靠度的通用计算公式,利用ANSYS有限元分析软件,计算出不同转速、过盈量、夹紧力作用下的高速主轴/刀柄联结的接触应力,系统地揭示出不同夹紧力作用下,过盈量、转速对高速主轴/刀柄联结强度和传递扭矩的可靠性的影响,研究结果为实际使用过程中夹紧力、过盈量、转速大小的选用提供了参考。     

航空制造专家在其涡轮生产线上使用powRgrip(R)刀柄系统

powRgrip(R)刀柄系统操作简单 “操作简单,可靠,强力,我完全信服powRgrip刀柄系统.这套刀柄夹持系统可以在很短的时间内收回成本”.奥地利涡轮轴和燃气涡轮制造商Jakadofsky Jet Engines公司的CEO Peter Jakadofsky先生如是说.     

数控机床HSK刀柄和主轴在高速旋转下的连接性能分析

刀柄与主轴连接性能对数控机床的加工精度以及工作安全性影响显著。针对HSK刀柄在高速旋转过程中发生刀柄和主轴连接失效这一主要失效形式,应用弹性力学理论建立了任一转速下刀柄与主轴连接锥面的接触应力模型,且有限元分析结果与该理论模型有较好的一致性。在此基础上,综合考虑夹紧力以及刀柄、主轴配合过盈量的影响,建立了基于HSK刀柄与主轴连接的临界转速计算模型以及连接可靠性模型。根据临界转速模型可以从理论上计算出一定过盈量和夹紧力下的临界转速,分析夹紧力和过盈量对临界转速的影响。根据连接可靠性模型可以求解任一转速下刀柄和主轴连接的可靠度,并得到可靠度随转速的变化规律。这两个模型的建立对防止HSK刀柄、主轴连接的失效,保证高速切削加工的精度以及工作的安全性有重要意义,同时也为正确使用HSK刀柄以及刀柄尺寸结构进一步优化和可靠性设计提供了理论基础。
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Design of an energy saving oil cooler system using hot gas

According to the development of machine tools to higher speed and multi axes, thermal error which is known to account for about 70% of the total error of machine tools is becoming a serious issue. To reduce thermal error, the heat generating parts of machine tools are cooled down by direct contact with a cooling medium. The medium in most cases is oil, thus, the cooling device is called oil cooler. In this study, an oil cooler system employing hot gas bypass method was developed to improve the performance including energy efficiency of the oil coolers used for ultra-precision machine tools. Through tests, the developed system exhibited high temperature control accuracy of ±0.1°C, and less energy consumption than conventional on/off type (equipped with heater for preventing excessive cooling) by about 45%. The proposed oil cooler system is applicable to semiconductor process, ultra-precision injection molds, as well as ultra-precision machine tools to improve product quality and energy efficiency of production facilities.     

高速主轴/刀柄接口联结特性

高速数控机床主轴/刀柄接口的联结特性对机床精度和加工稳定性具有重要影响。以HSK-E63为研究对象,利用非线性有限元法分析高速数控机床主轴/刀柄的联结特性,系统地揭示出过盈量、夹紧力、转速对锥面接触应力及间隙的影响及其变化规律。研究结果为高速主轴/刀柄接口的设计和优化提供了理论依据。     

机床关键几何误差辨识方法研究

在给出机床关键几何误差和影响因子定义的基础上,提出了识别机床关键几何误差的新方法。以一台精密卧式加工中心为例,利用多体系统理论建立了机床几何误差与综合误差的映射关系模型,通过计算和比较影响因子,最终识别出16项影响机床精度的关键几何误差。示例表明：该方法可以有效地识别出对机床综合空间误差影响较大的几何误差因素,从而为合理经济地进行精度设计和控制提供重要的理论依据。     

立式加工中心空间几何误差辨识解析及定位误差补偿研究

为大幅提升立式加工中心加工精度,满足当代数控机床对高精度的需求,针对立式加工中心3个运动轴,深入分析了其轴向运动空间几何误差,提出了可有效辨识运动轴轴向运动空间6项几何误差的辨识方法.建立了空间6项几何误差辨识模型,并针对关联轴联动垂直度误差进行了有效分析,建立了垂直度误差辨识解析模型.同时,针对3个独立运动轴轴向定位...     

五轴叶片加工机床的高精度回转机构研究

介绍一种适用于五轴叶片加工机床的旋转机构,采用双齿轮传动,消除齿轮传动的反向间隙,提高齿轮传动精度;采用新颖的碟簧补偿机构,齿轮磨损后可自动补偿,提高齿轮传动的精度稳定性。经测试,该机构能满足五轴叶片加工机床的性能要求。     

柴油机缸盖冷却水腔三维流动数值模拟分析

柴油机优良的冷却性能对提高其工作性能和气缸盖可靠性起着非常重要的作用。以某V型12缸水冷发动机的冷却水腔为研究对象,采用流体分析软件FLUENT对缸盖及其冷却水腔内的流动与传热进行数值模拟计算,得到冷却水在缸盖复杂水腔内的三维流场分布与进出水孔的流量,并详细分析了其流场、压力场、温度场及换热情况, 为该型柴油机气缸盖冷却水腔的结构优化设计提供一定的参考依据,从而提高内燃机的工作性能和气缸盖的可靠性。模拟计算结果表明:冷却水腔的流动均匀性可以达到该发动机的冷却要求;流经各缸的冷却液流量分配合理;“鼻梁区”冷却效果较好,且“流动死区”能满足冷却需求。通过对气缸盖内冷却液流动的优化,可以有效地提高整机及气缸盖的冷却效率。     

Investigate on effect of cryogenic cooling on oxidation wear of WC-Co carbide tool milling titanium alloy

Abstract

For titanium alloy at high cutting speed, the severe tool wear will ineluctably take place diminishing the available tool life because of the high instantaneous temperature rise. Especially the WC-Co material in carbide tool will be reacted with the oxygen element in the air and generate oxide, and the tool oxidation wear is inevitable. In milling Ti–6Al–4V alloy operations, this article presents the first comprehensive investigation on the oxidation wear effect of cryogenic cooling on carbide tool compared with the conventional cooling. Based on the Gibbs free energy of the chemical reaction, the machining characteristics of the oxidation reactions were analyzed in detail. A series of machining testes were executed adopting controllable cryogenic cooling milling system. The surface and cross-section morphology and phase composition characteristics of tool were measured by SEM and XRD measuring equipments, as well as the oxidation wear mechanism of tool in cryogenic cooling. The results show that the thermal oxidation degree of the elements of WC-Co is higher in the conventional cooling processing. After cryogenic cooling intervention, oxidation reactions in tool are reduced significantly. Even the most probable reaction is disappeared, and the oxidation degree is decreased. When the temperature drops to 180 K, it has the best cooling effect. In cryogenic, the effective binding of WC crystal particle to the adhesive phase Co is a major factor for inhabiting oxidation wear of tool. The investigations indicate that the cryogenic cooling method can effectively inhibit the oxidation effect of carbide tool in milling titanium alloy process, and it improves the resist oxidation ability of tool.     

不同冷却工况下的磨削钛合金温度场模型及验证

为克服普通纳米流体微量润滑在磨削区换热能力不足的技术瓶颈,提出了低温风冷+纳米流体微量润滑的新工艺,并建立了温度场有限差分模型。对低温风冷+纳米流体微量润滑、低温风冷、纳米流体微量润滑三种冷却方式下的磨削温度场进行了数值仿真,结果表明低温风冷+纳米流体微量润滑的换热能力最强,低温风冷次之,纳米流体微量润滑最弱。在三种不同冷却方式下对钛合金Ti-6Al-4V平面磨削温度场进行了实验,工件表面最高温度相对误差小于5%,验证了理论模型的正确性。     

数控机床在线测量技术与误差分析

对数控机床在线测量技术和系统误差分析进行了研究,认为随着制造技术的不断发展,对于超精密加工,相应的测量设备必须跟上,才能保证精度达到设计要求;要开发出具有在线测量功能的数控机床,才能够适应机械加工的需求.