技术领域
[0001] 本
发明属于数控机床技术领域，特别涉及一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄。
背景技术
[0002] 目前随着航天工业的发展，人们对航天设备的性能的要求也越来越高，因此
钛合金、
高温合金等一些具备耐高温、抗
腐蚀等优良特性的难加工材料成为航天等高端设备领域零部件制造时的首选材料。然而这些难加工材料通常呈现高粘、高韧、
各向异性等特性，最新的国内外研究表明，在机床和刀具的条件给定的情况下，单纯地优化切削参数对难加工材料零件加工
质量和效率的提高有限，普通的
切削液更是难达到很好的切削效果。实验表明对切削局部区域施以超低温介质如液氮，能够有效降低钛合金等难加工材料在切削加工中极高的切削热，改善材料切削性能、提高刀具寿命，并代替传统切削液，实现绿色制造。这种采用超低温介质作为冷却剂、
润滑剂的切削方式称为超低温切削。
[0003] 对于目前的超低温切削而言，主要有两种超低温介质供给方式，内喷式和外喷式。内喷式加工时需要对机床整体进行改造，因此应用范围受到极大的限制。外喷式供给由于仅需对刀柄进行改进设计就可以实现，成为目前超低温介质供给的主要方式。但是，外喷式超
低温流体供给系统往往由于流体
喷嘴的出口距离切削区域较远，导致实际的超低温介质利用率不高、冷却效果也不理想。北京金万众科技有限公司在实用新型
专利CN201220515154.0中公开了一种外转内冷刀柄，但是只能以常规切削液作为内冷介质。
2014年，王凤彪等人在发明专利CN201410228633.8公开了一种液氮内喷式刀柄装置，刀柄与液氮供给系统直接相连实现超低温加工。但是该装置不能很好地解决液氮密封问题，容易导致刀柄内
轴承润滑冻住以及外表面结霜而使刀柄停转，操作不便。
发明内容
[0004] 本发明主要解决的技术问题是克服现有刀柄装置的不足，针对常规外转内冷刀柄绝热、
密封性能差导致超低温介质利用率低、刀柄易结霜停转等难题，发明了一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄。
[0005] 本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄，包括刀柄主体1、内部轴承组件、外围主体结构、多层密封结构和
隔热结构；
[0007] 所述刀柄主体1的左端用于与机床
主轴配合实现刀柄的
定位，其为锥面1-d，锥面1-d端部垂直于锥面1-d设有刀柄内
螺纹1-c，锥面1-d延伸处设有
法兰盘1-b；刀柄主体1的右端为阶梯轴，设有阶梯轴轴肩1-e，用于刀柄主体1与刀柄其他结构之间的安装、定位；刀柄主体1右端阶梯轴表面设有环形槽1-f；所述环形槽1-f设有内部流道1-a，内部流道1-a为与
水平面倾斜
角度θ的圆孔流道，其入口与环形槽1-f连通；内部流道1-a的倾斜角度θ用于降低低温介质在流动过程中压降损失；
[0008] 所述内部轴承组件主要由紧定
螺母5.1、轴承端盖5.2、轴承一5.3、轴承二5.5和套筒5.4组成；所述轴承二5.5安装在刀柄主体1的阶梯轴轴肩1-e上，从刀柄主体1的右端依次套入套筒5.4、轴承一5.3和轴承端盖5.2，并通过紧定螺母5.1
锁紧，产生预紧
力，实现内部轴承组件在刀柄主体阶梯轴外表面上的固定；
[0009] 所述外围主体结构主要由金属
外壳2.1、刀柄
支架2.2和转接套2.3组成；所述转接套2.3采用隔热材料制成，套装在刀柄主体1外表面环形槽1-f所在轴段处，转接套2.3外表面开设螺纹口并设有
内螺纹2.3-a用于和外部低温介质运输系统的软
管接头螺纹连接，转接套2.3内表面设有弧形槽与刀柄主体1外表面环形槽1-f相配合；低温介质通过螺纹口流入，在弧形槽1-f内得到暂时的储存、缓冲，再流入刀柄主体的内部流道1-a中；所述金属外壳2.1安装在内部轴承组件外侧，通过
螺栓与转接套2.3连接；
[0010] 所述多层密封结构主要由
迷宫密封结构3.2、
接触式
密封圈一3.5、接触式密封圈二3.6和端面
密封件3.4组成；所述迷宫密封结构3.2位于转接套2.3与刀柄主体1接触面之间，用于增加
泄漏流动的阻力提高对低温介质的密封效果；端面密封件3.4位于刀柄主体1中内部流道1-a右侧，用于防止低温介质和中空内冷刀具接触配合时泄漏；密封圈左压盖3.1和密封圈右压盖3.3套设在转接套2.3两侧刀柄主体1的轴段上，密封圈左压盖3.1和密封圈右压盖3.3与转接套2.3之间分别用螺栓连接接触式密封圈一3.5和接触式密封圈二
3.6，实现压紧；所述接触式密封圈一3.5和接触式密封圈二3.6采用导热系数较低且耐高温的材料制成，用于防止低温介质泄漏到内部轴承系统，保证轴承组件正常工作；
[0011] 所述隔热结构主要由填充材料4.1、流道隔热衬套4.2、刀柄隔热外壳4.3和刀具内部隔热衬套4.4组成；所述隔热结构均采用低导热系数的材料制成；所述流道隔热衬套4.2包裹在刀柄主体1的内部流道1-a外侧；所述填充材料4.1包裹在金属外壳2.1的外侧；所述刀柄隔热外壳4.3安装在填充材料4.1的外侧，通过螺栓连接金属外壳2.1，实现
压实隔热介质；所述刀柄支架2.2通过螺栓固定在刀柄隔热外壳4.3圆周上。
[0012] 本发明的有益效果是，解决了现有液氮内喷式刀柄对超低温介质密封、隔热性能不足的问题，提高超低温介质的利用率，减少刀柄表面及轴承因超低温介质泄漏产生的结霜问题。该发明涉及的一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄结构，安全性高操作便捷，能够应用于数控机床实现内喷式的超低温切削加工。
附图说明
[0013] 图1是适用于超低温介质冷却润滑的刀柄主体内部剖视图；
[0014] 图2是适用于超低温介质冷却润滑的刀柄结构内部剖视图；
[0015] 图3是适用于超低温介质冷却润滑刀柄结构系统装配剖视图；
[0016] 图4是迷宫密封结构设计原理图；
[0017] 图中：1刀柄主体；1-a内部流道；1-b法兰盘；1-c刀柄内螺纹；1-d锥面；1-e阶梯轴轴肩；1-f环形槽；θ流道1-a的倾斜角度；2.1金属外壳；2.2刀柄支架；2.3转接套；2.3-a内螺纹；3.1密封圈左压盖；3.2迷宫密封结构；3.3密封圈右压盖；3.4端面密封件；3.5接触式密封圈一；3.6接触式密封圈二；4.1填充材料；4.2流道隔热衬套；4.3刀柄隔热外壳；4.4刀具内部隔热衬套；5.1紧定螺母；5.2轴承端盖；5.3轴承一；5.4套筒；5.5轴承二；6.1软管接头；6.1-a软管接头
外螺纹；6.2运输隔热软管；6.3中空内冷刀具；6.4弹性筒夹；6.5机床主轴；
6.6拉钉；L超低温介质；7间隙一；8迷宫小室；9间隙二；s迷宫小室的长度；b0间隙宽度；l迷宫小室的高度；b自由流的宽度。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：
实施例中，超低温介质采用的是液氮。
[0019] 该适用于超低温介质冷却润滑的刀柄结构是在传统刀柄结构的
基础上进行改进的。
[0020] 如图1和图2所示，一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄，包括刀柄主体1、内部轴承组件、外围主体结构、多层密封结构以及隔热结构；
[0021] 所述刀柄主体1左端设有法兰盘1-b、刀柄内螺纹1-c以及锥面1-d，用于与机床主轴配合实现刀柄的定位；刀柄主体1的右端为阶梯轴，设有阶梯轴轴肩1-e，用于刀柄主体1与刀柄其他结构之间的安装、定位；刀柄主体1右端阶梯轴表面设有环形槽1-f；所述环形槽1-f内部设有内部流道1-a，内部流道1-a为具有倾斜角度θ的圆孔流道，入口与环形槽1-f连通；内部流道1-a的倾斜角度θ用于降低低温介质在流动过程中压降损失；
[0022] 所述内部轴承组件主要由紧定螺母5.1、轴承端盖5.2、轴承一5.3、轴承二5.5和套筒5.4组成；所述轴承二5.5安装在刀柄主体1的阶梯轴轴肩1-e上，从刀柄主体1右端依次套入套筒5.4、轴承一5.3、轴承端盖5.2，并通过紧定螺母5.1锁紧，产生预紧力，实现内部轴承组件在刀柄主体阶梯轴外表面上的固定；
[0023] 所述外围主体结构主要由金属外壳2.1、刀柄支架2.2和转接套2.3组成；所述转接套2.3采用隔热材料制成，套在刀柄主体1外表面环形槽1-f所在轴段处，转接套2.3外表面开设螺纹口并设有内螺纹2.3-a用于和外部低温介质运输系统的软管接头螺纹连接，转接套2.3内表面设有弧形槽与刀柄主体1外表面环形槽1-f相配合；低温介质通过螺纹口流入，在弧形槽内得到暂时的储存、缓冲，再流入刀柄主体的内部流道1-a中；所述金属外壳2.1安装在内部轴承组件外侧，通过螺栓与转接套2.3连接；
[0024] 所述多层密封结构主要由迷宫密封结构3.2、接触式密封圈一3.5、接触式密封圈二3.6和端面密封件3.4组成；所述迷宫密封结构3.2位于转接套2.3与刀柄主体1接触面之间，用于增加泄漏流动的阻力提高对低温介质的密封效果；端面密封件3.4位于刀柄主体1中内部流道1-a右侧，用于防止低温介质和中空内冷刀具接触配合时泄漏；密封圈左压盖3.1和密封圈右压盖3.3套设在转接套2.3两侧刀柄主体1的轴段上，密封圈左压盖3.1和密封圈右压盖3.3与转接套2.3之间分别用螺栓连接接触式密封圈一3.5和接触式密封圈二
3.6，实现压紧；
[0025] 所述隔热结构主要由填充材料4.1、流道隔热衬套4.2、刀柄隔热外壳4.3和刀具内部隔热衬套4.4组成；所述隔热结构均采用低导热系数的材料制成；所述流道隔热衬套4.2包裹在刀柄主体1的内部流道1-a外侧；所述填充材料4.1包裹在金属外壳2.1的外侧；所述刀柄隔热外壳4.3安装在填充材料4.1的外侧，通过螺栓连接金属外壳2.1，实现压实隔热介质；所述刀柄支架2.2通过螺栓固定在刀柄隔热外壳4.3圆周上。
[0026] 所述接触式密封圈一3.5和接触式密封圈二3.6采用导热系数较低且耐高温的材料制成，用于防止低温介质泄漏到内部轴承系统，保证轴承组件正常工作。
[0027] 根据图3，外部软管接头6.1上的软管接头外螺纹6.1-a连接转接套2.3上的内螺纹2.3-a，使得液氮能够经软管到达内部流道1-a并从中空内冷刀具6.3的切削刃附近的细孔喷出；由于该刀柄结构中采用了多层密封结构和隔热结构设计，所以液氮从刀具切削刃附近的细孔喷出时，液氮的液相体积分数较高，冷却效果较为理想。
[0028] 为保证液氮的密封要求和刀柄的加工
精度，需保证各零部件之间的装配精度。1、
轴承内圈和刀柄主体之间及接触式密封圈和刀柄之间均为
过盈配合，并具有
同轴度要求。2、端面密封件3.4和中空内冷刀具6.3的接触表面要有平面度要求，保证刀具定位精度。3、刀柄主体内部流道1-a的设计。合理设计流道倾斜角度θ可以减少低温介质液氮在流道中的压力损失。4、迷宫密封的设计。合理设计迷宫密封结构3.2的齿数n、迷宫小室的长s、两个迷宫之间的间隙宽度b0以及迷宫小室的高度l，减少液氮的泄漏量。
[0029] 根据以下压降公式设计内部流道1-a的结构。结构设计的原则是，在空间有限的刀柄主体1内根据压降公式选择合适的流道倾斜角度θ，以确保液氮在内部流道1-a内的压降较小。液氮在管道内流动由于
气化现象的存在实际上属于
气液两相流。气液两相流中压降的计算公式如下：两相流的总压降由重位压降、
加速度压降和摩擦压降三部分组成，即[0030] ΔP＝ΔPg+ΔPa+ΔPf (1.1)
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 式中,ΔPg——管道内重位压降；ΔPa——管道内加速度压降；ΔPf——管道内摩擦压降；L——管道全长；ρg——气相
密度；ρ1——液相密度；α——两相流体中的
空泡份额；g——
重力加速度；θ——管道倾角；G——流体的质量流速；x1——管道起点处气体体积分数；α1——管道起点处两相流体中的空泡份额；x2——管道终点处气体体积分数；α2——管道终点处两相流体中的空泡份额；λ——两相流
摩擦系数； ——全液相流的摩擦系数；
——全液相摩阻梯度；v′——液体的比体积；v″——气体的比体积；
[0035] x——两相流中的气体体积分数。
[0036] 最终，根据以上公式确定当管道倾斜角度在θ＝60°～90°时液氮在内部流道1-a内的压降较小，实施例中选择θ＝70°。
[0037] 如附图4所示，设流体从间隙一以速度v流入迷宫小室8中，与静止的空气及流体
蒸汽冲撞形成
涡流。在迷宫小室8的端点，流体受压流入间隙二中。部分的流体受阻沿迷宫小室8内壁回流。这样，流体经过迷宫小室8时构成了空气粒子的循环回路。流体在整个迷宫密封结构3.2中的阻力系数越高迷宫密封性能越好。因此，根据附图4，迷宫密封结构3.2的设计原则如下：迷宫密封在泄漏通道内加设许多个齿或槽，来增加泄漏流动的阻力使造成泄漏的压差急骤地损失，通过设计迷宫密封的齿数n、迷宫小室8的长度s、两个迷宫之间的间隙宽度b0以及迷宫小室的高度l，得到较高的阻力系数。阻力系数计算公式如下：
[0038] 令b为自由流的宽度，其值由下式求得
[0039] b＝2.4a*s+b0 2.1
[0040] 式中s——迷宫小室的长度(mm)；
[0041] a——流体的结构系数，在迷宫计算中令a＝0.09～0.11；
[0042] b0——间隙的宽度，一般b0＝0.25～0.5mm；
[0043] 如l>b l为迷宫小室的宽度，则阻力系数
[0044]
[0045] 如l
[0046]
[0047] 当求得每个迷宫小室的阻力系数求得后，整个迷宫密封的总阻力系数等于：
[0048]
[0049] 实施例中，
齿槽数n＝3、迷宫小室的长度s＝7.5mm、两个迷宫之间的间隙宽度b0＝0.5mm、迷宫小室的高度l＝2mm,此时的总阻力系数符合密封要求。
[0050] 该刀柄装置的操作方式如下：
[0051] (1)如图3所示，加工时，将中空内冷刀具6.3沿弹性筒夹6.4的中心孔插入，直至刀具内部隔热套4.4的右孔底面与端面密封件3.4接触，旋紧弹性筒夹6.4即可完成刀具安装；
[0052] (2)如图1、2、3所示，将装有刀具的刀柄主体1安装至机床主轴6.5的锥孔内，拉钉6.6旋入刀柄内螺纹1-c后拉紧刀柄，使刀柄主体1的锥面1-d与机床主轴6.5的锥面紧密接触配合，完成刀柄安装定位；将刀柄支架2.2通过螺栓固定在机床床身上；
[0053] (3)如图1、2、3所示，打开液氮传输控制系统自动输送低温介质L，超低温介质L从外部运输隔热软管6.2流入转接套2.3的中空通道经过刀柄主体1的内部流道1-a，最终在中空内冷刀具6.3端部喷出，实现超低温介质的外传内流动；
[0054] (4)打开主轴
电机，刀柄主体1、流道隔热衬套4.2以及中空内冷刀具6.3随主轴旋转、进给实现切削；外围主体结构、多层密封结构及运输隔热软管6.2、软管接头6.1随机床床身保持静止。
[0055] 本发明有效地解决了现有低温内喷式刀柄对超低温介质密封、隔热性能不足的问题，提高超低温介质的利用率，减少刀柄表面及轴承因超低温介质泄漏产生的结霜问题。该发明涉及的一种适用于超低温介质冷却润滑的刀柄结构，安全性高操作便捷，能够应用于数控机床实现内喷式的超低温切削加工。
