[发明专利]基于静电冷却条件下的聚光加热切削方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种加热切削工艺方法及其装置，特别是一种基于静电冷却条件下的聚光加热切削方法及装置。属于机械制造及应用技术领域。

背景技术

已知的加热切削工艺方法的加热方式有：电接触电阻方式，这种加热方式的加热速度较慢，且不适用于切削具有断续表面、不导电材料、铸件或者毛坯件；等离子加热方式，这种加热方式的加热功耗大，通常达数十千瓦，且不适用于切削非回转体类零件；激光加热方式，这种方式的加热成本昂贵，转换效率不高，功耗大，且作用空间大，切削区热量传递给刀具引起刀具强度、硬度下降，特别是切削钛合金高温氧化的现象很严重。

已知的聚光加热方式，近年来在国外已被应用于医药、卫生、工程材料和科学研究等领域。例如：金属熔样炉、高温灭菌装置、高速热处理机和快速热化学反应装置等，都采用了聚光加热方式，而静电场应用方面大部分应用在除尘、喷涂等工艺。而综合采用聚光加热方式及静电冷却刀具复合工艺进行加热切削现未见有文献记载与报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单、成本低廉、操作方便的聚光加热切削方法及其装置。该方法是基于静电冷却条件下操作的。由于工件切削前被加热到800℃以上，切削加工中将储存的一部分热传导给刀具，导致刀具切削刃的温度大幅上升，硬度和强度下降，刀具磨损加快，如果使用冷却液无法控制其冷却位置，会导致工件表面温度降低，无法实现加热切削。为了提高刀具和灯罩的使用寿命，采用静电冷却方法对刀具和聚光灯罩进行冷却。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：基于静电冷却条件下的聚光加热切削方法及装置，该装置主要有两部分，一部分是由聚光器(4)及可调支架(5)组成。其中聚光器(4)装在可调支架(5)上。可调支架(5)固定在机床大溜板(7)上，使聚光器(4)与安装在刀架(9)上的刀具(10)保持同步。聚光器(4)是由光源(1)、聚光罩(2)和可调支座(3)组成，光源为辐射光源，聚光罩(2)的内表面可采用椭圆回转曲面构成，也可采用抛物面及一组凸透镜构成。光源(1)安装在聚光罩(2)的焦点处，通过聚光罩把辐射光会聚于一点，形成微区光斑(6)，以使工件表面瞬间局部加热。可调支架(5)上下可在支架(2)上沿自身光轴方向前后调整、沿水平方向调整和在垂直面内转动，以使光斑位置满足加热切削的需要。喷嘴(12)安装在刀架(9)上。上述喷嘴(12)的主体为锥形腔体，其前端设有外套(13)。

该装置的另一部分是静电冷却装置(11)，由两块紫铜板为电极板。

聚光加热切削方法在切削时，首先启动聚光器(4)的光源(1)，调整可调支座(3)，使会聚的光斑的强度达到最强，并使聚光器(4)的光斑交于一处。然后调整可调支架(5)，使会聚的光斑正好落在被切削工件(8)的待加工表面上。再联合调整可调灯座及可调支架(5)，使光斑的位置在轴线方向略引前刀尖，在圆周方向与刀尖保持一定距离。聚光在能量分布和时间特性上有很好的可控性，可以将聚光聚焦到一个很小的区域上，从而得到较高的功率密度，瞬间可使工件表面微区达到数百度，使得加热区域的材料软化，造成工件表面局部的硬度下降，为切削创造条件。为了保证电场均匀性，同时为了避免尖端放电现象，紫铜板表面进行磨光处理。

聚光加热切削方法中喷嘴是静电冷却装置的重要组成部分，主要用来改变电离空气的流速，为使电离空气能以一定的流速并均匀的射进切削区，在此采用渐缩结构的喷嘴(12)，将其安装在刀架(9)上。其冷却管道为三通式，一端接在喷嘴上冷却刀具，另一端接在灯罩上对灯罩进行冷却，替代了水冷灯罩，还可以避免由于水冷灯罩造成触电现象。静电冷却(干式切削)装置是由供电电源装置、空气压缩装置、高压静电场装置、电离空气的传输系统装置间的连接件、夹具安装框架及喷嘴组成。工作电压V＝500v，消耗空气为1-3m³/min，压力为0.5-0.8Mpa(取工作压力是0.6Mpa)，向喷嘴输送的压缩空气为0.25-0.35Mpa，不得夹杂尺寸超过0.1mm的固体颗粒，空气湿度60％以下，温度在25℃以下。启动机床，光斑与刀具同步运动，边加热，边切削。还可以利用聚光加热装置，先将工件预热，待工件表面达到一定温度后，再启动机床，进行加热切削，并适时打开静电冷却系统对刀尖实体部分进行干式冷却。

为使切屑不伤害聚光器，可在刀具的前部装上适当的防屑板。