[发明专利]一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法

说明书

一种用于超低温冷却加工的液氮喷射量在线控制方法，该方法先构建切削工艺参数与液氮喷射量关系模型，并将其置于超低温加工液氮喷射在线控制器中，控制器基于采集的机床数控加工系统切削工艺参数，可调控液氮供给装置中控计算机输入的材料特性、刀具参数、最佳切削温度和散热比例系数，通过调用关系模型和参数数据库，确定预期的液氮喷射量。与此同时，控制器通过固定在内喷式切削刀具中的热电偶，在线采集切削区温度来反馈调节实际液氮喷射量在一定范围内变化，使切削区处于最佳切削温度区间，保证零件加工质量，提高刀具使用寿命。该方法根据切削加工的发热情况在线控制液氮喷射量的大小，优化迭代时间短，能快速实现切削区温度的“精准”控制。

技术领域

本发明属于低温加工技术领域，具体为一种用于超低温冷却加工过程实现液氮喷射量在线控制的方法。

背景技术

针对钛合金、高强度钢、复合材料、芳纶纤维等难加工材料，其切削过程会在切削区产生大量的切削热导致切削局部温度极高，影响零件的加工质量。为了降低切削局部温度，减少刀具磨损，抑制积屑瘤，获得更好的零件表面完整性，可以在加工局部喷射低温气体或液体，如液氮等，快速降低切削局部温度，实现难切削材料的高质高效加工。

近年来，液氮喷射超低温冷却加工方法被广泛采用和研究，然而，由于液氮温度极低，且与切削区接触后迅速汽化发生沸腾换热带走大量热量，导致工件切削局部发生“热-冷”瞬时复合而产生宏观变形，影响加工表面质量；而过低的刀具温度也会导致刀具崩韧，对加工造成不利影响。因此，必须根据切削局部的发热情况在线控制液氮喷射量的大小，实现“精准”冷却，确保切削区处于最佳切削温度区间内。

2017年，王永青等人在发明专利CN107388032A中公布了一种液氮射流状态稳定流量调控方法，基于该方法设计的可调控液氮供给装置可以稳定液氮射流状态，实现液氮流量的精确控制。然而该装置并未考虑如何根据加工需要来“精准”输出液氮流量。2012年，曾翔宇等在发明专利CN103707124B中公开了一种温度可控低温冷却装置，该装置采用液氮先冷却热传导构件，然后间接冷却被加工材料，基于温度传感器采集的工件温度，来控制液氮容器相对于传热构件的位移以及加热单元的制热功率，来控制整体的冷却温度。该方法需要借助传热构件传递热量，冷却速度慢，响应不及时，难以实现在线调控。2014年，段玉岗等人的发明专利CN104260143公开了一种树脂基纤维增强复合材料低温钻削加工装置和方法，该专利通过在密封箱中输入氮气，并通过温度控制装置调节箱内温度稳定在-80℃～0℃再开展低温钻削加工。该方法仅实现了密封箱内环境温度的控制，无法直接控制切削区温度，且调控温度和区域的范围都较大，无法实现“精准”控制。2016年，贾振元等人的发明专利CN106054803A公开了一种复合材料的适温切削实时控制方法，该方法通过搭建复合材料的适温切削实时控制系统，利用雾化喷嘴将超低温气体喷射到切削区，然后通过安装在复合材料上的热电偶实时监测切削区温度来反馈调节雾化喷嘴与切削区的距离，使切削区温度在预期范围内。该方法利用超低温气体换热的实际冷却效率较低，且喷嘴与切削区距离的可调节范围有限，难以满足实际加工的调节需求，此外，该方法并未提及超低温气体喷射量的设定或调节控制问题。

发明内容

本发明旨在为现有超低温加工技术的自动化、产业化应用提供一种液氮喷射量在线控制方法，该方法克服了现有温度调控装置和方法未考虑加工情况导致调控不精准的问题。该方法通过构建超低温加工液氮喷射在线控制系统，基于切削工艺参数与液氮喷射量关系模型，在线采集机床数控加工系统的切削工艺参数和切削区温度，控制器计算输出液氮喷射量参数，在线控制液氮的精准喷射，实现切削区温度的控制，温度调控准、速度快。

本发明的技术方案：