本发明是微机控制深冷处理加工装置及其工艺，属工具材料的深冷加工 技术及设备。

随着数控机床、加工中心及自动化加工的发展，减少刀具磨损与破损， 稳定地提高刀具的可靠性，越来越引起人们的关注。因为，刀具的快速磨损 与破损不仅仅是刀具质量问题，它将牵涉到刀具的重新安装、刀具的调整、 机床的调整等一系列问题的出现，所以刀具寿命的长短是影响生产效率的重 要因素，因而，人们不断推出一些新的金属切削加工方法及其工艺装备。深 冷处理刀具的工艺方法便是其中的一种很重要的方法。实验表明，它能有效 地提高刀具的耐磨性，从而使得刀具寿命大大延长。但深冷处理的加工装置 一直是限制深冷处理工艺得以普及的瓶颈。这就越发显示出开发深冷处理加 工装置的必要性。深冷也常称为深度冷冻，常指的是低于-161℃的低温状态， 深冷处理属于低温技术。深冷处理所需的低温通常是利用相变制冷获得到 的。采用深冷处理技术可使得刀具寿命延长若干倍。经过深低温处理过的工 具材料，从表面到内部组织结构都起了变化，制作出的刀具不会因重磨而使 其内部结构组织发生变化，从而提高了刀具的耐磨性和使用寿命。深冷技术 的关键是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地获得低温。目前，通常获得 低温的方法有两种：一种是喷淋法，即被处理的工具材料周围设置有喷淋管， 喷出雾状低温液体，利用控制喷速来得到所需要的低温，但是其温度较难控 制，特别容易过冷；另一种方法是将被处理材料放在液面上方的一定位置， 利用蒸发的冷气流和电加热控制温度，这种方法比较节省低温液体，但有时 会出现冷气不足；当然，也有直接把被加工材料“浸泡”在低温液体中的， 这种方式就更难以调整温度了。

本发明的目的就是为了克服和解决现有的深冷处理加工技术的深冷温度 难于调整、控制、容易过冷或不够冷等的缺点和问题，研究设计一种能方便、 快捷、低廉、可靠地获得所需的深冷温度的微机控制深冷处理加工装置及其 工艺。

本发明是通过下述技术方案来实现的：微机控制深冷处理加工装置结构 示意图如图1所示；其硬件电路方框图如图2所示；其信号调理电路原理图 如图3所示；其电磁阀的控制电路原理图如图4所示；其微机控制主程序流 程方框图如图5所示，数字滤波子程序流程方框图如图6所示；延时测温子 程序流程方框图如图7所示；温度控制子程序流程方框图如图8所示；显示 打印曲线子程序流程方框图如图9所示；其工艺曲线如图10所示；微机控 制深冷处理加工装置由开关阀1、送气管2、冷处理室3、盘管式制冷管4、 热电偶5、管接头6、排气孔7、低温液体输送管8、电磁阀控制线9、微机 与控制柜通信线10、计算机或工控机11、数据线12、显示器13、键盘14、 打印机15、电源线16、控制柜17、低温液体贮存室18、安全阀19、电磁 阀20、21、22、高压气体室23共同连接构成，其相互位置及连接关系为： 高压气体室23通过开关阀1及送气管2与电磁阀22相连接；开设有排气孔 7的冷处理室3通过管接头6、低温液体输送管8与电磁阀21相连接；装置 于冷处理室3的热电偶5通过控制线与控制柜17相电气连接；控制柜17分 别通过电磁阀控制线9分别与电磁阀20、21、22相电气连接；计算机或工 控机11通过通信线10与控制柜17相电气连接；显示器13、键盘14、打印 机15通过数据线12相互电气连接；显示器13通过电源线16与控制柜17 的电源相电气连接；安全阀19装于液体贮存室18；低温液体贮存室18通 过管接头及管道分别与电磁阀20、21相连接；电磁阀20通过管道与电磁阀 22相连接；本发明装置硬件电路由温度测量传感器、信号调理电路、A/D 转换电路及多功能数据采集卡、微计算机或工控机、电磁阀控制电路、显示 器及键盘、打印机共同电气连接构成，其相互位置及连接关系为：信号调理 电路分别通过温度测量信号线、A/D转换信号线分别与温度测量传感器、A/D 转换电路及多功能数据采集卡相电气连接；微计算机或工控机分别通过数据 线、电磁阀控制信号线、打印信号线、键盘信号线、显示信号线分别与多功 能数据采集卡、电磁阀控制电路、打印机、键盘、显示器相电气连接，电磁 阀控制电路分别通过输出控制信号线分别与电磁阀20、21、22相电气连接； 其中：信号调理电路由运放集成件IC1、IC2、二极管D1、D2、电阻R1～R5、 电容C1～C5、电位器W1、W2共同连接构成；电磁阀控制电路由光电耦合 器件G1、三极管T1、T2、电阻R6～R9、电容C6、C7、二极管D3、电磁阀 电磁线圈J1共同连接构成。

本发明的深冷处理加工工艺技术如下：本发明提供了微机控制深冷处理 加工装置，以实现对温度的精确控制，满足被加工工具材料深冷处理的要求； 本装置包括五大部分，即冷处理室、低温液体贮存室、高压气体室、微机控 制部分(计算机和控制柜)、打印机；五部分协同作用，控制温度检测、数 据处理、制冷剂流量、数据打印，构成深冷处理加工装置；冷处理室侧部有 排气孔，也安装有温度传感器(热电偶)和盘管式制冷管；盘管式制冷管有 两层，是用两根紫铜管并绕而成，为了温度均匀，采用交叉进出液体和气体 的方法：即一根下进上出，一根上进下出，且出口直接留在处理室中，这样 能使汽化的气体在冷处理室内产生自搅动，从而使冷处理室在不安装风扇的 情况下，室内温度也趋于均匀；本装置采用计算机自动控制温度变化速率及 温度值，根据不同的工艺要求设计温度变化参数并输入微机后，由微机自动 控制整个处理加工过程；深低温回火处理工艺技术采用液态氮作为制冷剂， 刀具和材料在冷处理室容器内，经过50℃～100℃/小时的冷却速度降温至 -100℃～-194℃的温度，在此温度下保冷10～20小时，再以50℃～100℃ 小时的升温速度升温至室温，再进行通常标准的热/淬火、回火工序构成深 冷处理的全工艺过程，其工艺曲线如图10所示；在计算机的控制之下，冷 处理室内的温度可按规定的时间下降、保温、升温，以满足不同工具材料的 处理工艺要求；计算机和打印机相连，可分别打印出设定与实际冷却曲线， 同时也可把得出的曲线储存于机内数据库中；冷处理室采用盘管式制冷管以 满足室内温度场的均匀性；且处理室内安装有温度传感器，实现对室内温度 值的采样，以利于计算机更准确的调节电磁阀的开启，从而对冷处理室的温 度实现闭环控制。

本发明装置的工作过程如下：首先打开开关阀1、控制柜17，然后启动 计算机11，运行加工程序，装置会通过控制柜17经电磁阀控制线9开启电 磁阀20、21、22，于是，低温液体就会在高压气体室23中高压气体的压力 下通过低温液体输送管输送到盘管式制冷管4中开始制冷；同时，装置对冷 处理室内温度进行采样，并把测得的温度值与设定的温度值进行比较，决定 电磁阀21的开启或关闭，从而控制冷却速度及冷却温度，实现对冷处理室 3内温度的闭环控制，达到工件深低温处理加工的要求。

本发明的深冷处理加工装置的整体硬件及电路工作作用原理如下：整个 深冷处理加工装置以高性能的微计算机(或PC总线工控机)和多功能数据 采集卡AR-B3202F(或PCL-818L等)为核心。微计算机或PC总线工控机 主要用于实时控制测试过程、数据处理、存贮、查询、统计分析和系统管理 等；AR-B3202F或PCL-818F等高性能的多功能数据采集卡提供了A/D、D/A 转换，数字输入输出，可编程时间计数器/定时器，完成精确的数据采样功 能；调理电路对传感器信号进行放大；输出电路为光电隔离的输出控制电路， 用于控制各电磁阀的开启、关闭；温度传感器可采用热电偶传感器(如铜- 康铜型的：测量精度高；测量范围宽，一般为-200℃～200℃；结构简单，使 用方便)或热电阻传感器(它是利用半导体或半导体的电阻率随温度变化而 变化的原理制成的，一般金属热电阻传感器测量温度范围为-200℃～+85℃) 也可以选用集成温度传感器；其中，三个电磁阀用于控制增压气体和液氮的 开启，保证冷处理室的温度按预定温度曲线变化。

各电路原理图的工作作用原理如下：图3为信号调理电路，IC1可选用 自稳零高精度ICL7650或OP07等运放芯片，后一级运放主要是完成反向功 能，可选用CA3140。电位器W2用来调整放大倍数，可选用多圈精密电位 器；图4为电磁阀的控制电路原理图。J代表电磁阀的电磁线圈(其中电磁 阀可选用QF型针式节流阀)，它的通断由计算机的输出开关量控制。功率 放大由晶体管T1和T2完成。并联在J两端的二极管D用来释放当线圈断 电时产生的反电压。这种冲击电压对线路的干扰信号不会进入计算机而影响 其正常工作。装置工作时，计算机通过I/O接口输出高低电平控制J的接通 与断开。当计算机输出高电平时，光电耦合器G输出为低电平，晶体管T1 不导通、T2导通，J中有电流流过；当计算机输出为低电平时，G输出为高 电平，T1导通、T2截止，J被关断。在关断J的瞬间，存储在线圈中的能 量由J和二极管D构成回路变成热能消耗掉。

本发明装置的软件采用Visual C++6.00开发平台，基于Window9x操作 系统，整个软件可分为四个部分：主程序、数字滤波子程序、延时测温子程 序、温度控制子程序、显示打印加工过程曲线子程序，程序中也建立有数据 库，主程序流程图如图5所示；在计算机应用系统的输入信号中，一般含有 各种噪音和干扰，它们主要来自被测信号本身、传感器或外界的干扰。为了 提高信号的可靠性，减小虚假信号的影响，可采用软件方法实现数字滤波。 数字滤波程序，就是通过一定的计算或判断来提高信噪比，它与硬件RC滤 波器相比具有以下优点：(1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加任何硬 件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多通道共用，不但可以节约资源，还 可提高可靠性、稳定性；(2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC 电路受电容容量的限制，频率不可能太低；(3)灵活性好，可以用不同的滤 波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数；数字滤波的方法有多种， 本程序采用程序判断滤波；程序判断滤波是根据经验，确定出两次采样的输 入信号可能出现的最大偏差ΔX，若超过此偏差值，则可表明输入信号是干 扰信号，应该去掉；用上次采样值作为本次采样值；若小于、等于ΔX，表 明没有受到干扰，本次采样值有效。由于在冷处理室中，温度不可能在几秒 种内发生很大的变化(比如数百度，也需视冷处理室的空间大小而定)。所 以可从经验出发，定出一个最大可能的变化范围，每次采样都和上次采样值 比较，如果变化幅度不超过经验值，本次采样有效；否则，视为无效丢弃， 以上次为准。数字滤波子程序流程图见图6所示；在本装置中，温度的变化 是比较缓慢的，因此，软件采用延时测温子程序；即在温度采样程序中采用 了延时。延时测温子程序流程图如图7所示；通过温度的实际测量值与设定 值相比较(设设定值为ε)，其实际测量值为Δ，如果Δ＜ε，电磁阀21继续 开着；如果Δ＞ε，电磁阀21断开(会稍稍超过设定值，即Δ会稍稍大于ε)； 如果Δ=ε，延时保冷(实质上还要重复上述过程——递归调用，即不断地测 量温度与设定值相比较)；温度控制子程序流程图如图8所示；显示打印加 工过程曲线子程序流程图如图9所示。

本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果：(1)本发明装置自动 化程度高，操作简单方便；(2)本发明装置控制电路采用集成电路，使用寿 命长、可靠性高；(3)本发明温度场分布均匀且控制精确；(4)本发明耗氮 量少，节约成本；(5)本发明加工工件范围广，用本发明加工无污染。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是本微机控制深冷处理加工装 置的结构示意图；图2是其整体硬件电路方框图；图3是其信号调理电路原 理图；图4是其电磁阀控制电路原理图；图5是本装置控制程序主程序流程 方框图；图6是数字滤波子程序流程方框图；图7是其延时测量子程序流程 方框图；图8是其温度控制子程序流程方框图；图9是本装置显示打印加工 过程曲线子程序流程方框图；图10是深冷处理加工工艺曲线图。

本发明的实施方式可为如下：(1)按图1所示，设计、加工制造或选购 本装置的各部件；例如：开关阀1可选YQD-07型；安全阀19可选YQD-07 型；冷处理室3、管接头6、控制柜17、低温液体贮存室18可选用金属或 合金钢材料用普通用机加工方法加工制造而成；电磁阀20、21、22可选用 QF型针式节流阀；高压气体室23可选耐高压钢材料冲压形成，其它连接管、 输送管道可选用铝合金属加工制造，选购好各部件后，可按上面说明书所述 的相互连接关系进行安装连接；(2)计算机可选用IBM PC系列微机或台湾 研祥工控机；显示器及打印机可选用所选计算机配套的显示器及打印机；多 功能数据采集卡可选用AR-B3202F型或PCL-818L卡、温度传感器可选用 铜-康铜型的热电偶传感器；温度测量范围可在-200℃～+200℃；若选用金属 热电阻传感器测量温度范围可选在-200℃～+85℃；也可选用集成温度传感 器。选购好各部件后，可按图2所示及上面说明书的连接关系进行安装连接； (3)按图3、图4所示绘制印制电路板、然后筛选元器件进行安装连接电 路板，例如：IC1可选自稳零高精度运放集成件ICL7650或OP07等；IC2 可选运放集成件CA3140；二极管D1、D2可选2KC44；G可选4N25；三极 管T1、T2可选3DG6D型；(4)按图5～图9所示分别编制各软件控制程序， 并输入微计算机存贮器存贮，以控制本深冷处理加工工艺；(5)按上面说明 书所述的工艺技术及工艺条件，在本发明装置及其软件控制下便能较好地实 施本发明。其中的实施例之一如下：

实施例1：按上面说明书所述的深冷处理加工工艺技术，采用了液态氮 作为制冷剂，刀具在本发明装置的冷处理室容器内进行，经过50℃/小时或 100℃/小时的冷却速度降温至-138℃或-194℃，在这温度下保冷20小时或15 小时，再以50℃/小时或100℃/小时的升温速度升温至30℃室温，然后进行 了常规的标准热/淬火、回火工序，便制成了磨损极小、稳定性、可靠性很 高的刀具。