一種自啟動少切削液冷卻潤滑系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種少切削液冷卻潤滑系統，包括超聲波霧化單元、噴嘴霧化單元、切削熱檢測單元和電路控制模塊，其中超聲波霧化單元和噴組霧化單元各自包括設置在刀具前刀面和主后刀面區域附近的多個霧化組件，并基于切削熱檢測單元所實時檢測的刀具前刀面溫度，通過對這些霧化組件進行一體化控制，由此實現多種冷卻潤滑介質的靈活組合應用。本發明還公開了相應的電氣控制方法。通過本發明，能夠在保證整體良好冷卻潤滑效果的同時，大幅度降低切削液的用量，同時具備冷卻效果好、便于操控和適用面廣等特點，因而尤其適用于機床加工之類的規模化工業生產場合。
【專利說明】一種自啟動少切削液冷卻潤滑系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械加工【技術領域】，更具體地，涉及一種自啟動少切削液冷卻潤滑系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]切削液是一種在金屬切削、磨削加工過程中，用來冷卻和潤滑刀具和加工件的工業用液體，切削液由多種超強功能助劑復合配成，并具備良好的冷卻、潤滑性能、防銹、除油清洗和防腐等特性。切削液所具備的以上特征，使得它在包括機床加工在內的多個機械加工領域中獲得了廣泛的應用。但切削液的使用也帶來了很多問題，其中，最重要的是切削液使用過多而導致的成本增加和環境污染的問題。例如，有關數據表明，機床機械加工中的能量消耗，主軸運轉需要的動力約占30%，而與冷卻潤滑相關的能量消耗卻占50%以上；而且金屬加工后的廢切削液對環境的污染也非常嚴重。此外，在實踐應用中還存在切削液的使用效率偏低、冷卻效果不夠明顯等不足。
[0003]針對上述技術問題，現有技術中已經提出了一些解決方案。例如，CN201010551978.9中公開了一種對切削加工進行潤滑和冷卻的方法和裝置，其中披露了通過在切削液中加入納米顆粒和分散劑，并在壓縮空氣作用下將納米顆粒懸浮液霧化噴射，由此達到降低刀具與工件之間的摩擦以及提高換熱效率的效果；此外，CN201220470665.5中公開了一種復合型微量潤滑冷卻系統，其中通過將植物性切削液與高壓氣體和水混合后形成復合油霧噴射到加工區域，以此方式來執行加工工具和被加工零件的冷卻和潤滑效果O
[0004]然而，進一步的研究表明，上述現有技術的改進主要集中在對切削液自身的配料類型、切削液的復合以及噴射方式等方面，在整個加工過程中切削液的用量仍然偏多，相應引起的能耗高昂和環境污染嚴等問題并未獲得有效解決，此外也沒有充分結合切削加工的工藝流程特點進行考慮和設計。相應地，在本領域亟需尋找更為完善的切削液冷卻潤滑方式，以便在保證實現良好冷卻和潤滑的同時，能夠盡可能地減少切削液的用量。

【發明內容】

[0005]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種自啟動少切削液冷卻潤滑系統及其控制方法，其中通過針對加工刀具的不同位置區域來配備多種霧化單元，同時結合切削加工各階段的工藝流程特點充分采用水汽混合物來替代切削液執行冷卻潤滑，測試表明能夠在保證良好冷卻潤滑效果的同時，大幅度降低切削液的用量，由此取得節約能耗、資源利用率高和避免環境污染等效果，并尤其適用于機床加工的應用用途。
[0006]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，該系統包括超聲波霧化單元、噴嘴霧化單元、切削熱檢測單元和電路控制模塊，其中:
[0007]所述超聲波霧化單元包括鼓風機、給水組件和多個超聲波霧化器，其中鼓風機和給水組件分別通過配備有控制閥的管道向超聲波霧化器輸送空氣和水，超聲波霧化器分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得輸送至此的空氣和水執行混合霧化后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和/或主后刀面區域噴射水汽混合物；
[0008]所述噴嘴霧化單元包括切削液容納箱、空氣壓縮機、水泵和多個霧化噴嘴，其中切削液容納箱通過配備有液體開停閥、液控單向閥和節流閥的管道向霧化噴嘴輸送切削液，空氣壓縮機和水泵分別通過配備有控制閥的管道向霧化噴嘴輸送空氣和水，霧化噴組分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得切削液、壓縮空氣和水執行混合霧化形成復合油霧后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和主后刀面區域噴射該復合油霧；
[0009]所述切削熱檢測單元用于對切削加工過程中刀具前刀面的實時溫度執行檢測，并將檢測結果傳送給電路控制模塊；
[0010]所述電路控制模塊基于切削熱檢測單元所傳送的檢測溫度，同時結合預設的第一、第二和第三溫度閾值對超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元執行一體化控制:其中當檢測溫度高于第一溫度閾值1\且低于第二溫度閾值T2時，單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；當檢測溫度高于第二溫度閾值T2且低于第三溫度閾值T3時，同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當檢測溫度高于第三溫度閾值T3時，則啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑。
[0011]作為進一步優選地，所述超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元各自包括兩個霧化器和霧化噴嘴，它們搭配組合成兩組分別設置在刀具前刀面和主后刀面附近，并且各組內的霧化器和霧化噴嘴彼此相對于主切削刃對稱，由此實現對作用區域的全面覆蓋。
[0012]作為進一步優選地，所述超聲波霧化單元還包括空氣過濾器和空氣氣壓計，由此分別用于對輸送至超聲波霧化器的空氣執行過濾處理和氣壓監控；所述噴嘴霧化單元還包括液體壓力計，由此用于對輸送至霧化噴嘴的切削液液壓進行監控。
[0013]作為進一步優選地，所述切削熱檢測單元優選為基于熱電偶測溫方式的檢測單
J Li ο
[0014]作為進一步優選地，當檢測溫度高于第三溫度閾值T3時，所述電路控制模塊可以使位于刀具前刀面區域附近的霧化噴嘴和超聲波霧化器同時處于工作狀態，由此對前刀面噴射切削液復合油霧和水汽混合物以執行冷卻潤滑。
[0015]按照本發明的另一方面，還提供了相應的控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:
[0016](a)正常啟動機床，使用加工刀具對工件進行切削加工，在刀具溫度上升的過程中采用切削熱檢測模塊對其前刀面溫度進行實時檢測；
[0017](b)當檢測溫度上升達到預設的第一溫度閾值T1后，單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度下降低于第一溫度閾值T1后，則停止位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器；
[0018](C)機床繼續工作，當檢測溫度上升達到預設的第二溫度閾值T2后，同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度開始下降至第一溫度閾值T1后，則重復執行以上步驟(b)；
[0019](d)機床繼續工作，當檢測溫度上升達到預設的第三溫度閾值T3后，啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑；而當前刀面開始下降至第二溫度閾值T2后，則重復執行以上步驟(C)。
[0020]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，主要具備以下的技術優點:
[0021]1、由于在切削加工過程中針對初期刀具溫度不是很高的情況，通過采用超聲波霧化單元用水汽混合物來替代切削液對刀具前刀面和主后刀面以逐步遞進的方式進行冷卻和潤滑，測試表明能夠在保證整體良好冷卻潤滑效果的同時，大幅度降低切削液的用量，避免了能耗和資源的浪費，符合節能環保的時代主題；
[0022]2、通過對水汽混合物和切削液復合油霧兩種類型冷卻潤滑物質的設置和噴射方式尤其是一體化電動控制進行設計，能夠針對切削加工的具體應用場合單獨或同時組合使用，在短時間內迅速反應且使得冷卻潤滑效果達到最佳；
[0023]3、按照本發明所構建的自啟動少切削液冷卻潤滑系統整體結構緊湊、便于操控，能夠針對刀具和被加工領域的不同區域實現大面積的良好冷卻效果，同時具備使用靈活、作用效率高和適用面廣等特點，因而尤其適用于機床加工之類的規模化工業生產場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是按照本發明優選實施例的超聲波霧化單元的結構示意圖；
[0025]圖2是按照本發明優選實施例的噴嘴霧化單元的結構示意圖；
[0026]圖3是按照本發明優選實施例的切削熱檢測單元的結構示意圖；
[0027]圖4是按照本發明優選實施例的電路控制模塊的原理示意圖；
[0028]圖5是用于示范性說明按照本發明的少切削液冷卻潤滑系統對刀具前刀面執行多介質霧化噴射時的示意圖；
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0030]1-鼓風機2-給水組件3-控制閥4-管道5-高頻振蕩器6_霧化片7_噴嘴8_箱體
9-控制面板10-電源11-電控部分12-接水盤13-溢流閥14-刀具15-空氣過濾器16-空氣壓力計17-液體壓力計18-霧化噴嘴19-液控單向閥20-液體過濾器21-節流閥22-液體開停閥23-電壓檢測器24-A/D轉換器25-變流檢測器26-取樣電阻27-等效電阻28-逆變電源29-電感30-銅壓板31-計算機
【具體實施方式】
[0031]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0032]針對【背景技術】中所述的切削液使用過多而導致的各種問題，本發明期望能夠針對加工刀具的不同位置區域來配備多種霧化單元，同時結合切削加工各階段的工藝流程特點充分采用水汽混合物來替代切削液執行冷卻潤滑，由此實現一種自啟動少切削液冷卻潤滑體系。
[0033]下面將參照附圖1-4來具體描述按照本發明的少切削液冷卻潤滑系統。該系統主要包括超聲波霧化單元、噴嘴霧化單元、切削熱檢測單元和電路控制模塊。具體而言，如圖1中所示，所述超聲波霧化單元可包括鼓風機1、給水組件I和多個超聲波霧化器，其中鼓風機I和給水組件2分別通過配備有控制閥3的管道4向超聲波霧化器輸送空氣和水，并可以配備有空氣過濾器、空氣氣壓計等組件，以便對鼓風機I向超聲波霧化器所輸送的空氣進行過濾處理及氣壓監控。超聲波霧化器譬如可由高頻振蕩器5和霧化片6等組件構成，它的數量可設定為2個，分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得輸送至此的空氣和水執行混合霧化后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和/或主后刀面區域噴射水汽混合物，并以此直接替代切削液。
[0034]所述噴嘴霧化單元可包括切削液容納箱、空氣壓縮機、水泵和多個霧化噴嘴，如圖2中所示，其中切削液容納箱通過配備有液體開停閥22、液控單向閥19、液體過濾器20和節流閥21 (此外還可以配備液體開停手柄、液體壓力計17等其他配件)的管道向霧化噴嘴18輸送切削液，空氣壓縮機和水泵分別通過配備有控制閥的管道向霧化噴嘴18輸送空氣(在輸送空氣的管路還可以根據需求設置空氣過濾器15、空氣壓力計16等元件)和水，霧化噴組18分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得切削液、壓縮空氣和水執行混合霧化形成復合油霧后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和主后刀面區域噴射該復合油霧。
[0035]所述切削熱檢測單元用于對切削加工過程中刀具前刀面的實時溫度執行檢測，并將檢測結果傳送給電路控制模塊。按照本發明的一個優選實施例，如圖3中所示，該切削熱檢測單元可以包括銅壓板30、電感29、逆變電源28、取樣電阻26、變流檢測器25、電壓檢測器23、A/D轉換器24和計算機31等器件，并按照圖中所示的電路連接方式執行切削熱檢測過程。其中銅壓板30設置在刀桿不影響切削加工的位置且盡量靠近切削部位，用于將導線壓緊固定在刀具末端，使整個切削系統形成一個回路，便于電壓與電流的測量與檢測；等效電阻27用于代替原電路中多個電阻而起到相同的效果，并簡化電路；變流檢測器25用于測量檢測通過取樣電阻的電流；取樣電阻26和電源電路相連，由此將電流信號轉換為電壓信號來進行測量;A/D轉換器則用于把檢測到的電壓或電流信號轉換成計算機能夠識別的等效數字量通過以上優選實施例，測試表明能夠準確、快捷地實現對加工刀具前刀面的實時溫度檢測，同時便于與本系統的其他單元組合使用。
[0036]圖4中顯示了按照本發明優選實施例的電路控制模塊的原理示意圖。如圖4中所示，該電路控制模塊基于切削熱檢測單元所傳送的檢測溫度，同時結合預設的第一、第二和第三溫度閾值對超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元執行一體化控制:其中當檢測溫度高于第一溫度閾值T1且低于第二溫度閾值T2時，單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；當檢測溫度高于第二溫度閾值T2且低于第三溫度閾值T3時，同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當檢測溫度高于第三溫度閾值T3時，則啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑。本領域的技術人員容易理解，上述電路控制模塊可以設計為多種具體的電路形式，只要其實現上述功能過程即可，因此在此不再贅述。[0037]下面將具體解釋按照本發明的系統控制流程。
[0038]首先，機床正常啟動，刀具切削工件，刀具溫度上升，切削熱檢測單元工作，檢測刀具前刀面溫度，由于在切削加工過程中刀具在開始階段會達到熱平衡溫度(溫度不再上升)，其前刀面溫度低于預設的第一溫度閥值T1 (考慮到機床切削加工的常見工況，譬如可以將此第一溫度閾值預設為450°C)超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元均不啟動；
[0039]接著，機床繼續工作，刀具切削工件，刀具溫度上升，切削熱檢測單元工作，檢測刀具前刀面溫度，其前刀面溫度高于第一溫度閾值T1且低于第二溫度閾值T2 (該第二溫度閾值譬如可預設為600°c)則單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度下降低于第一溫度閾值T1后，則停止位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器；
[0040]接著，機床繼續工作，刀具切削工件，刀具溫度繼續上升，當檢測溫度上升達到預設的第二溫度閾值T2且低于第三溫度閾值T3 (該第三溫度閾值譬如可預設為750°C )，則同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度開始下降至第二溫度閾值T1后，則按照以上控制原則重復執行以上步驟；
[0041]接著，機床繼續工作，刀具溫度繼續上升，當檢測溫度上升達到預設的第三溫度閾值T3后，啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑；而當前刀面開始下降至第二溫度閾值T2后，則按照上述控制原則重復執行以上步驟，直至完成整個機床切削加工過程。
[0042]綜上所述，通過本發明的自啟動少切削液冷卻潤滑系統及其控制方法，通過采用超聲波霧化單元用水汽混合物來替代切削液對刀具前刀面和主后刀面以逐步遞進的方式進行冷卻和潤滑，測試表明能夠在保證整體良好冷卻潤滑效果的同時，大幅度降低切削液的用量，避免了能耗和資源的浪費，符合節能環保的時代主題；此外，本發明能夠針對刀具和被加工領域的不同區域實現大面積的良好冷卻效果，同時具備使用靈活、作用效率高和適用面廣等特點，因而尤其適用于機床加工之類的規模化工業生產場合。
[0043]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，該系統包括超聲波霧化單元、噴嘴霧化單元、切削熱檢測單元和電路控制模塊，其中: 所述超聲波霧化單元包括鼓風機、給水組件和多個超聲波霧化器，其中鼓風機和給水組件分別通過配備有控制閥的管道向超聲波霧化器輸送空氣和水，超聲波霧化器分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得輸送至此的空氣和水執行混合霧化后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和/或主后刀面區域噴射水汽混合物； 所述噴嘴霧化單元包括切削液容納箱、空氣壓縮機、水泵和多個霧化噴嘴，其中切削液容納箱通過配備有液體開停閥、液控單向閥和節流閥的管道向霧化噴嘴輸送切削液，空氣壓縮機和水泵分別通過配備有控制閥的管道向霧化噴嘴輸送空氣和水，霧化噴組分別設置在切削加工刀具的前刀面和主后刀面區域附近，并在其內部使得切削液、壓縮空氣和水執行混合霧化形成復合油霧后，根據電路控制模塊的指令向刀具前刀面和主后刀面區域噴射該復合油霧； 所述切削熱檢測單元用于對切削加工過程中刀具前刀面的實時溫度執行檢測，并將檢測結果傳送給電路控制模塊； 所述電路控制模炔基于切削熱檢測單元所傳送的檢測溫度，同時結合預設的第一、第二和第三溫度閾值對超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元執行一體化控制:其中當檢測溫度高于第一溫度閾值T1且低于第二溫度閾值T2時，單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；當檢測溫度高于第二溫度閾值T2且低于第三溫度閾值T3時，同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面 噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當檢測溫度高于第三溫度閾值T3時，則啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑。
2.如權利要求1所述的少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，所述超聲波霧化單元和噴嘴霧化單元各自包括若干個霧化器和霧化噴嘴，它們搭配組合成兩組分別設置在刀具前刀面和主后刀面區域附近，并且各組內的霧化器和霧化噴嘴彼此相對于主切削刃對稱，由此實現對作用區域的全面覆蓋。
3.如權利要求1或2所述的少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，所述超聲波霧化單元優選還包括空氣過濾器和空氣氣壓計，由此分別用于對輸送至超聲波霧化器的空氣執行過濾處理和氣壓監控；所述噴嘴霧化單元還包括液體壓力計，由此用于對輸送至霧化噴嘴的切削液液壓進行監控。
4.如權利要求3所述的少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，所述切削熱檢測單元優選為基于熱電偶測溫方式的檢測單元。
5.如權利要求1-4任意一項所述的少切削液冷卻潤滑系統，其特征在于，當檢測溫度高于第三溫度閾值T3時，所述電路控制模塊可以使位于刀具前刀面區域附近的霧化噴嘴和超聲波霧化器同時處于工作狀態，由此對前刀面噴射切削液復合油霧和水汽混合物以執行冷卻潤滑。
6.一種用于對如權利要求1-5任意一項所述的少切削液冷卻潤滑系統進行控制的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:(a)正常啟動機床，使用加工刀具對工件進行切削加工，在刀具溫度上升的過程中采用切削熱檢測模塊對其前刀面溫度進行實時檢測； (b)當檢測溫度上升達到預設的第一溫度閾值T1后，單獨啟動位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器，對刀具的前刀面噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度下降低于第一溫度閾值T1后，則停止位于刀具前刀面區域附近的超聲波霧化器； (C)機床繼續工作，當檢測溫度上升達到預設的第二溫度閾值T2后，同時啟動位于前刀面和主后刀面區域的超聲波霧化器，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射水汽混合物執行冷卻潤滑；而當前刀面溫度開始下降至第一溫度閾值T1后，則重復執行以上步驟(b)； (d)機床繼續工作，當檢測溫度上升達到預設的第三溫度閾值T3后，啟動噴嘴霧化單元的霧化噴嘴，對刀具的前刀面和主后刀面區域噴射切削液復合油霧來執行冷卻潤滑；而當前刀面開始下降至第二 溫度閾值T2后，則重復執行以上步驟(C)。
【文檔編號】B23Q11/10GK103921166SQ201410119725
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】肖明, 張華 , 江志剛, 曾良才, 周艷, 周敏, 鄢威, 王賢琳, 向琴, 馮朝暉 申請人:武漢科技大學