專利名稱:切削刀具的間接冷卻的制作方法
技術領域:
所公開的裝置是用于刀具-切屑界面的間接冷卻系統,其利用安裝在刀架上的微通道熱交換器來移除在加工期間產生的熱能的一部分。
背景技術:
多年來在加工過程中使用切削流體,以通過直接在切削刀具和零件上將冷卻劑噴射到加工區(qū)中來提高潤滑。這具有減小切屑和刀具之間的摩擦的作用,這又降低了刀具溫度,增加刀具壽命,并且改進零件質量。這些益處也帶來了某些缺陷。在大批量加工作業(yè)中, 至少16%的加工成本與切削流體的獲取、維護和處置相關聯。此成本還不包括在使用這些流體時工人遭受的健康風險。與切削流體或其薄霧接觸可引起疾病,例如皮炎和呼吸疾病。 切削流體中的一些添加劑可能是致癌的。近年來,由于這些問題,大批量加工工業(yè)轉移到干加工,以減少或消除切削流體的使用。但是,干加工增加了化石燃料的消耗和能源成本,因為需要較大型的且較大功率的機器來處理較不光滑的材料。由于消耗了更多的切削刀具并需要更多的加工時間,干加工還提高了每零件成本。當加工鈦和其它低導熱性材料時,問題被加劇,因為刀具-切屑界面處產生的熱不能通過材料本身輕易地從該界面?zhèn)鲗ч_。另外,干加工對于其中往往不能得到用于新機器的資金的相對較小的車間場所來說是不可行的。以往的研究努力和專利集中于在內部或在外部冷卻切削刀架,將液態(tài)氮噴射到加工區(qū)中,使用高壓冷卻劑,以及將由液態(tài)氮冷卻的帽狀貯存器結合在切削刀具刀片的頂部上。已經使用熱管而實驗性地測試了在內部或在外部冷卻切削刀具。實現了一些程度的冷卻,但是該設計的傳熱效率非常低。對于切削刀具側翼磨損減少沒有采取措施,可能是因為該系統工作臺(bench-top)上的性能不佳。已經證明,將液態(tài)氮射流噴射到加工區(qū)中是冷卻切削刀具的有效手段,但是因為此方法相對低的傳熱效能,在該過程中使用了大量液態(tài)氮。這由于兩個原因而增加了液態(tài)氮射流對環(huán)境的影響。第一,需要通風系統來移除冷卻過程期間產生的大量氮蒸氣。第二, 產生由這種冷卻方法使用的大量液態(tài)氮所需的電功率需要更多化石燃料,并且相應地增加了污染。還對使用高壓冷卻劑射流來減少刀具磨損進行了調查。此類方法可有效地減少刀具磨損,但是有若干缺陷。第一,射流需要使用消耗電功率的大型壓縮機的加壓冷卻劑,這增加了該過程的成本和環(huán)境影響。第二,需要把射流施加到切削刀具刀片上的特定位置。這需要小直徑的高壓射流相對于切削刀具刀片的精確且可重復的定位。此方法在生產環(huán)境中是不可行的,在生產環(huán)境中,與快速地操縱高壓液體射流相關聯的開銷抬高了加工時間和成本。第三,高壓射流需要比如本文公開的對刀具-切屑界面進行間接冷卻大大約一至三個量級的液體流率。該現實大大增加了使用高壓射流的成本和環(huán)境影響。另一種方法涉及將用液態(tài)氮冷卻的帽狀貯存器結合在切削刀具刀片的頂部上,并且這已經顯示了會減少刀具磨損。但是這種布置具有相對低的傳熱效率,而且因此,必要流率比本文公開的方法大二至三個量級。因為貯存器位于切削刀具刀片的頂部上,所以難以在生產環(huán)境中使用該裝置。為了對刀片進行分度或改變,操作員需要移除和重新附連處于制冷溫度的貯存器。這些操作需要特殊訓練,從而增加了成本,并且增加了操作員的健康風險。由于這些原因,在生產環(huán)境中使用這種系統是不可能的。
發(fā)明內容
如下面所描述,使用非常小流率的制冷冷卻劑(例如液態(tài)氮)作為工作流體來間接地冷卻切削刀具。如本文所用,用語制冷或冷凍劑指的是在低于約110K(-I60°c )的溫度下沸騰且用來獲得非常低的溫度的液體,例如液態(tài)氮。在此應用中使用冷凍液體的主要益處是使用冷凍劑的蒸發(fā)的潛熱作為移除來自刀具-切屑界面的熱量的手段。與可感測的傳熱相反,其中通過單相流體的任何熱增加都伴隨著溫度升高;潛熱傳遞使用從飽和液體到蒸氣的等溫相變作為吸熱的手段。此方法消除了傳統切削流體所造成的環(huán)境和職業(yè)健康問題,并且允許小型和大型機加工車間消除對環(huán)境不友好、有潛在毒性且昂貴的切削流體的使用。另外,間接冷卻使用的工作流體的流率比直接冷卻方法(例如加工冷卻劑的射流沖擊或者使用液態(tài)氮或其它冷凍劑的現有技術)小幾個量級。間接冷卻減小了機加工作業(yè)的環(huán)境影響,同時降低了生產成本。間接冷卻使用放置在切削元件后面且使用液態(tài)氮作為工作流體的微通道熱交換器。與熱管相比,間接冷卻具有非常高的傳熱效率,并且提供減少的刀具磨損和較低的零件生產成本。與將氮噴射到冷卻區(qū)中相比,切削元件的間接冷卻因為其高傳熱效率而少使用二至三個量級的氮。因此,與用液態(tài)氮進行射流冷卻或用典型的加工冷卻劑進行傳統的泛流冷卻相比,液態(tài)氮生產的環(huán)境影響非常小。另外,切削元件的間接冷卻使得關鍵技術能夠嵌入刀具中,并且提高系統在生產環(huán)境中的可用性和可負擔性。附圖簡述
圖1顯示了用于非旋轉刀具的現有技術刀架和刀片。圖2是帶有具有間接冷卻的刀片的刀架的端部的放大圖。圖3是安裝在圖2的刀片下方的熱交換器的內部的細節(jié)圖。圖4顯示了用于圖2中顯示的熱交換器的蓋板的下側,而且是蓋板在熱交換器上就位的刀架的端部的俯視圖。圖5顯示了圖2的刀架的下側。圖6是顯示了在多種切削速度下使用具有帶微通道翅片表面的熱交換器對刀具壽命的影響的曲線圖。圖7是顯示了在多種表面速度下使用沒有帶微通道翅片表面的熱交換器對刀具壽命的影響的曲線圖。
具體實施例方式圖1顯示了總體由參考標號10指示的典型現有技術切削刀具。切削刀具10包括由夾具14保持在支架13中的切削元件,例如刀片12,夾具14可通過螺釘16緊固到刀片 12上。刀片12裝配到形成于支架13的端部中的凹穴17中,并且刀片12的切削刃18延伸超過支架13的端部15,使得切削刃可接合正被刀具10切削的材料。如果刀片如所示為正方形,則刀片可在切削刃18變得被磨損時旋轉九十度,以使刀片的未使用側暴露于被切削的材料。如果以此方式使用,則正方形刀片12實際上就具有四個切削刃18。具有其它數量的切削刃的其它刀片也是眾所周知的。這種類型的切削刀具和支架可用于其中切削刀具不旋轉的應用中,諸如例如車削機床或車床中。圖2顯示了已經修改成對刀片12實施間接冷卻的切削刀具10。絕熱體21放置在凹穴17中,并且熱交換器19定位在絕熱體21上。導熱體板23放置在微通道熱交換器19 的頂部上,并且刀片12定位在導熱體23的頂部上。夾具14用來將元件的堆迭保持在凹穴 17中。圖3是支架13的端部和熱交換器歧管22的細節(jié)圖,熱交換器歧管22是微通道熱交換器19的一部分。絕熱體21安裝在支架13的凹穴17中,并且熱交換器歧管22安裝在絕熱體21上。絕熱體21可固定到熱交換器歧管22上,并且可通過電子束焊接將這兩項的組件固定到凹穴17上,但是可使用其它附連形式。熱交換器歧管22包括由被四個壁觀-31 包圍的底板27形成的大體長方形的腔體沈。第一孔口 33形成于腔體沈的一個角落中,而第二孔口 34形成于定位成與第一孔口 33沿對角線相對的第二角落中。在本發(fā)明的一個實施例中,第一孔口 33是用于待容許進入腔體沈的冷卻劑的入口,而第二孔口 34是用于待從腔體排出的冷卻劑的出口。槽口或凹槽36沿著壁觀-31的頂表面形成,以接收用于熱交換器的蓋板38,如在下面更加完整地描述的那樣。圖4顯示了安裝在熱交換器歧管22的頂部上的熱交換器蓋板38的下側。被通道 41彼此隔開的多個平行的傳熱翅片40形成于熱交換器蓋板38的內表面上。當熱交換器蓋板安裝在熱交換器歧管22的腔體沈上面時,如圖5中所示,傳熱翅片40延伸到該腔體中, 并且增加腔體中的冷卻劑與安裝在支架13的端部上的切削刀片12之間的熱交換。圖4還顯示了在熱交換器蓋板38定位在包圍腔體的壁觀-31上時的腔體沈的內部。熱交換器蓋板38裝配到形成于四個壁的頂部上的槽口 36中。冷卻劑入口區(qū)43形成于微通道熱交換器19的內部上,來自入口孔口 33的冷卻劑在此處進入熱交換器,而且這是熱交換器的最冷的區(qū)域。當刀片夾在支架13中時,冷卻劑入口區(qū)43位于刀片的切削刃18 附近。冷卻劑出口區(qū)44形成于微通道熱交換器19的內部上,來自熱交換器的冷卻劑在此處被收集且被傳送到冷卻劑出口孔口 34。在一個實施例中,傳熱翅片40布置成平行四邊形的形狀,使得傳熱翅片的側面46平行于邊界壁四和31,而傳熱翅片的端部47形成與邊界壁28和30成角度的點軌跡(locus of points)。傳熱翅片40的陣列的平行四邊形形狀為冷卻劑入口區(qū)43和冷卻劑出口區(qū)44兩者提供了三角形形狀,冷卻劑入口 33和冷卻劑出口 34定位成緊鄰三角形的短邊。熱交換器蓋板38安裝在邊界壁觀-31的頂部上,以分別包圍傳熱翅片40,以及冷卻劑入口區(qū)43和出口區(qū)44。當安裝在邊界壁觀-31上時,傳熱翅片40的頂部與腔體沈的底板27接觸,以使通過微通道熱交換器19的冷卻劑流限于形成于翅片之間的通道41。圖5是刀架13的下側的透視圖。凹槽51形成于支架的下側中,并且冷卻劑入口管52和冷卻劑出口管53安裝在凹槽51中。此凹槽51在刀架(未顯示)的后部處終止, 并且被抽空以形成絕熱的真空空間。冷卻劑入口管52聯接到熱交換器腔體沈中的冷卻劑入口孔口 33上,而冷卻劑出口管53聯接到冷卻劑出口孔口 34上。絕熱材料制成的安裝塊 56可分別定位在支架13的本體以及冷卻劑入口管52和出口管53之間,以最大程度地減少從管到支架13的熱泄漏,并以機械的方式將管支承在支架上。這些安裝塊56未連接到刀架13上,以消除從熱的刀架13到冷卻劑入口管52的潛在傳導性熱泄漏。冷卻劑入口管52 和出口管53可由覆蓋凹槽51的外護罩(未顯示)保護。在使用中,冷卻劑入口管52通常將液態(tài)氮(LN2)傳送給熱交換器19,而冷卻劑出口管53通常傳送來自熱交換器19的可為氣態(tài)的加溫的液態(tài)氮。在另一個實施例中,出口管可導引至刀架的端部15,以提供額外冷卻。絕熱體21最大程度地減小刀架13和熱交換器19之間的傳熱,而導熱體23則優(yōu)化熱交換器19和刀片12之間的傳熱。絕熱體21和導熱體23優(yōu)化了熱交換器19的性能,但是對于熱交換器對刀片12執(zhí)行其冷卻功能來說不是絕對需要的。雖然本文描述的切削刀具使用具有切削刃18的刀片12,但是本領域技術人員將認識到,該裝置的原理可應用于使用銅焊、固定或以別的方式與切削刀具本體形成整體的無刀片型固定切削元件(例如多晶金剛石(PCD)或碳化物切削元件)的切削刀具。在使用中,來自刀片12的熱通過導熱體23聯接到熱交換器19的翅片40上。液態(tài)氮(LN2)流到冷卻劑入口管53,從固定源(未顯示)流到刀具后部上的界面(未顯示)。在 I^2離開該源時,來自環(huán)境的少量傳熱會使少量冷凍劑在進入冷卻劑入口管52之前蒸發(fā)。在這時,已知氮為兩相流體(部分液體和部分氣體)。以下,如果大多數兩相流體基于質量是液體的話,則液態(tài)氮被稱為(LN2)。如果大多數兩相流體基于質量是氣體的話,則氣態(tài)氮被稱為(GN2)。來自冷卻劑入口管52的液態(tài)氮(Iig進入冷卻劑入口區(qū)43,并且在液態(tài)氮穿過傳熱翅片40之間的通道41之前,對刀片的切削刃18提供最大冷卻。當冷卻劑穿過傳熱翅片40時,來自刀片12的熱傳遞到(LN2),(LN2)通過使一些液體蒸發(fā)成氣體來吸收此熱。 GR然后聚集在冷卻劑出口區(qū)44中。熱交換器中的液態(tài)氮利用(Iig的蒸發(fā)的潛熱來移除來自刀片12的熱。此潛熱傳遞使用液態(tài)氮的從飽和液體到蒸氣的等溫相變作為吸熱的手段。在所顯示的實施例中,冷卻劑出口區(qū)中的(^2被輸送到冷卻劑出口管53,并且遠離刀架 13的工作端。在另一個實施例(未顯示)中,6隊可被導引到端部15的孔口中或刀架的底部,并且排到大氣中。測試結果圖6是針對干加工、用商業(yè)上可獲得的冷卻劑(例如NAS200 機床冷卻劑)進行的射流冷卻以及使用具有間接刀片冷卻的切削刀具進行的冷卻而對416不銹鋼進行的加工測試得到的刀具壽命結果的圖示。在測試中使用的所有切削速度下,具有間接刀片冷卻的切削刀具系統比干加工或用機床冷卻劑進行的射流冷卻產生長得多的刀具壽命。測試顯示,對于具有間接冷卻的切削刀具系統的側翼磨損區(qū)域的程度比干切削或者使用NAS200 機床冷卻劑進行的射流冷卻都小。干加工期間的過度加熱會在切削刀具上引起一些積屑瘤。在具有間接刀片冷卻的切削刀具上沒有觀察到這種累積。在加工試驗之后對零件進行檢查,并且測量了它們的尺寸精度。還測量了算術平均表面粗糙度和洛氏B硬度。在下面的表1中給出了這些測量的結果。
表1加工后零件的測試后檢查尺寸精度算術平均表面經加工表面的洛 (mils) 粗糙度(μιη)氏B硬度(士 權利要求
1.一種用于間接地冷卻安裝在切削刀架上的切削刀具元件的裝置,所述切削刀具元件具有至少一個切削刀刃,所述裝置包括安裝在所述切削刀架的端部中的熱交換器,所述熱交換器具有外表面和內表面;以及用于將處于低于環(huán)境溫度的冷卻劑供應給所述熱交換器的所述內表面的冷卻劑源;由此,所述熱交換器的所述外表面與所述切削刀具元件成熱交換關系,并且,供應給所述熱交換器的所述內表面的冷卻劑移除來自所述熱交換器的熱,以冷卻所述元件。
2.根據權利要求1所述的裝置,其特征在于,所述熱交換器安裝在所述切削刀具元件和所述切削刀架之間。
3.根據權利要求1所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括構成所述熱交換器的熱交換器歧管和蓋板,由此當所述蓋板安裝在所述熱交換器歧管上時,在所述熱交換器的內部中形成腔體。
4.根據權利要求3所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括聯接到所述熱交換器中的第一孔口上的冷卻劑入口管和聯接到所述熱交換器中的第二孔口上的冷卻劑出口管,所述冷卻劑入口管將冷卻劑源聯接到所述熱交換器的所述腔體上。
5.根據權利要求4所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括定位在所述熱交換器的所述腔體中的多個傳熱翅片,由此所述傳熱翅片增強所述熱交換器移除來自所述刀片的熱的能力。
6.根據權利要求5所述的裝置,其特征在于,所述切削刀具元件是切削刀具刀片。
7.根據權利要求5所述的裝置,其特征在于,所述切削刀具元件被銅焊或以別的方式永久地固定到所述切削刀架上。
8.根據權利要求5所述的裝置,其特征在于,所述切削刀具元件與所述切削刀架形成整體。
9.根據權利要求5所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括在所述腔體中的冷卻劑入口區(qū),所述冷卻劑入口區(qū)包括用于冷卻劑入口管且鄰近所述元件的所述至少一個切削刃的孔口,由此進入所述腔體的冷卻劑首先進入所述冷卻劑入口區(qū),以對所述元件的所述至少一個切削刀刃提供最大冷卻。
10.根據權利要求9所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括形成于平行的傳熱翅片之間的多個通道,由此所述腔體中的冷卻劑從所述第一孔口流到所述冷卻劑入口區(qū),并且流過所述傳熱翅片之間的通道,從而為所述元件提供冷卻。
11.根據權利要求10所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括在所述腔體中形成于所述腔體的與所述冷卻劑入口區(qū)相對的側上的冷卻劑出口區(qū),由此所述冷卻劑在所述熱交換器的一側上進入所述腔體,并且通過形成于平行的傳熱翅片之間的通道而被引導到所述腔體的相對的側上的所述冷卻劑出口區(qū)。
12.根據權利要求11所述的裝置,其特征在于,所述傳熱翅片的側面垂直于所述至少一個切削刀刃,并且所述傳熱翅片的端部與所述至少一個切削刀刃成角度,使得所述冷卻劑入口區(qū)具有三角形的形狀,且來自所述冷卻劑入口管的入口位于所述三角形中。
13.根據權利要求2所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括在所述切削刀具的端部上定位在所述切削刀具本體和所述熱交換器之間的絕熱體,由此所述切削刀具本體和所述熱交換器之間的熱交換被減少。
14.根據權利要求2所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括定位在所述熱交換器和所述元件之間的導熱體,由此所述元件和所述熱交換器之間的熱交換被增加。
15.根據權利要求11所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括構成所述冷卻劑的液態(tài)氮,由此液態(tài)氮從所述冷卻劑入口管進入所述冷卻劑入口區(qū), 穿過所述傳熱翅片之間的通道,并且在通過所述冷卻劑出口管離開所述熱交換器的所述腔體之前進入所述冷卻劑出口區(qū)。
16.根據權利要求15所述的裝置,其特征在于,與使用干加工技術加工工件相比,所述液態(tài)氮能夠在加工工件期間使所述刀片的溫度降低200開爾文以上。
17.根據權利要求15所述的裝置,其特征在于,當使用小于在加工相同工件時合成冷卻劑所需的流率的百分之一的流率來加工工件時,所述液態(tài)氮能夠降低所述刀片的溫度。
18.根據權利要求15所述的裝置,其特征在于,所述熱交換器中的所述液態(tài)氮利用所述液態(tài)氮的蒸發(fā)的潛熱來移除來自所述元件的熱。
19.根據權利要求1所述的裝置,其特征在于,所述裝置還包括構成供應給所述熱交換器的所述內表面的所述冷卻劑的液態(tài)氮,由此所述熱交換器中的所述液態(tài)氮利用所述液態(tài)氮的蒸發(fā)的潛熱來移除來自所述切削刀具元件的熱。
全文摘要
一種具有諸如刀片的切削元件的切削刀具由抵靠著刀片的后面而安裝的微通道熱交換器間接地冷卻。該熱交換器形成有接收諸如冷凍劑的冷卻劑的內部腔體。該腔體可包括用以增強冷凍劑從刀片移除熱的翅片。冷卻劑入口管和出口管聯接到熱交換器的內部,以將冷凍劑供應給該腔體。在給定的加工作業(yè)期間冷卻刀片所需的冷凍劑的流率小于在相同的加工作業(yè)期間冷卻相同的刀片所需的標準冷卻劑量的百分之一。
文檔編號B23C5/28GK102458731SQ201080025837
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月5日 優(yōu)先權日2009年4月6日
發(fā)明者E·E·小阿奇博爾德, J·C·羅茲, 陳偉波 申請人:克雷雷有限公司