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1、(10)申请公布号 CN 104015079 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 1 5 0 7 9 A (21)申请号 201410228633.8 (22)申请日 2014.05.27 B23Q 3/12(2006.01) B23Q 11/10(2006.01) (71)申请人大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路 2号 (72)发明人王永青 王凤彪 张金豹 刘海波 李泳臻 侯博 张余升 任斐 郭东明 康仁科 (74)专利代理机构大连理工大学专利中心 21200 代理人关慧贞 (54) 发明名称 一种液氮内喷式刀柄装置 (57) 摘要。
2、 本发明一种液氮内喷式刀柄装置属于机床刀 具设计领域，涉及一种通过刀具刀柄内腔流通液 氮直至中空刀杆切削刃附近细孔喷出，实现深冷 低温切削的机床刀具刀柄装置。液氮内喷式刀柄 装置由左刀柄外围组件，右刀柄外围组件和刀柄 组件组成。左、右刀柄外围组件依次装配于刀柄外 圆面上，由端部螺母锁紧。装置中，与液氮接触的 各部件表面做绝热材料改性处理，降低了部件传 热能力。该装置解决了现有外喷式液氮切削液装 置面对复杂结构工件液氮输送不便的难题，本发 明消除了液氮利用率低的缺陷；解决了普通内置 式切削液系统实现内喷液氮切削液的问题，保证 了机床加工难加工材料的加工精度，提高了数控 机床加工范围。 (51)I。
3、nt.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104015079 A CN 104015079 A 1/1页 2 1.一种液氮内喷式刀柄装置，其特征是，刀柄装置由左刀柄外围组件(I)，右刀柄外围 组件(II)和刀柄组件(III)组成；其中： 左刀柄外围组件(I)中的轴承(1.2)、轴承(1.3)依次由轴承架(1.1)开放端装入，最 后套入轴承盖(1.4)并利用螺钉(1.5)将其与轴承架(1.1)固定；将装好的左刀柄外围组 件(I)由刀柄组件(III)中的刀柄(3.1。
4、)右端装入，并固定于刀柄(3.1)轴肩处，最后套入 轴承压板(1.6)并将左刀柄外围组件(I)压紧； 右刀柄外围组件(II)中的密封圈左压板(2.1)和轴套(2.7)依次由刀柄(3.1)右侧 装在其外圆上并固定，同时保证轴套(2.7)外圆中心上的4个中心孔与刀柄(3.1)外圆上 的相互垂直的两个通孔(a)、(b)相互贯通；将圆周密封圈(2.3)、(2.5)，端面密封圈(2.2)、 (2.6)分别压入密封圈架(2.4)的密封圈槽中，并实现密封圈与沟槽的完全接触；将装好的 密封圈架(2.5)部件由刀柄(3.1)右端装入到轴套(2.7)外圆面上；由刀柄(3.1)的右端 依次装入密封圈右压板(2.8)。
5、和紧固螺母(2.9)，旋紧紧固螺母(2.9)，并具有一定预紧力， 将右刀柄外围组件(II)固定于刀柄(3.1)右端外援面上； 刀柄组件(III)中，刀柄(3.1)在右端沿轴心线方向有一细中心孔(c)与两细通孔(a) 和(b)相互贯通，细中心孔右端攻内螺纹，细管(3.2)外螺纹与之相连；用螺栓(3.6)将刀 具支架(3.7)固定于轴承架(1.1)和密封圈架(2.4)的外圆平面上。 2.依据权利要求1所述的一种液氮内喷式刀柄装置，其特征是，刀柄装置为降低部件 传热能力，与液氮接触的各部件表面做绝热材料改性处理，即刀柄装置中的刀柄(3.1)上 具有的相互垂直的三个细通孔(a)、(b)、(c)和细管(。
6、3.2)内外表面，以及轴套(2.7)内外 表面和刀柄(3.1)上安装轴承的轴颈外圆表面都具有一定厚度耐低温、低导热系数的绝热 涂层；轴套(2.7)具有高硬度的表面；圆周密封圈(2.3)、(2.5)和端面密封圈(2.2)、(2.6) 为耐超低温密封圈。 权 利 要 求 书CN 104015079 A 1/3页 3 一种液氮内喷式刀柄装置 技术领域 0001 本发明属于机床刀具设计领域，涉及一种通过刀具刀柄内腔流通液氮直至中空刀 杆切削刃附近细孔喷出，实现深冷切削的机床刀具刀柄装置。 背景技术 0002 目前利用数控机床精密加工难加工材料、复杂结构零件已很普遍，工业生产中精 密加工技术的重要性已日。
7、益凸显。数控机床作为制造业的重要装备，也面临了新时代的机 遇和挑战。因此提高数控机床加工精度稳定性、加工效率，减少刀具磨损是提高数控机床产 品质量、增强市场竞争力的关键所在。而通过控制数控机床切削区温度来提高加工效果的 问题成为机床发展的关键。但对于难加工材料的精密切削，普通切削液的降温方式达不到 精密切削的要求。利用低温下材料物理化学性质，通过液氮深冷低温切削可改善切削区环 境，提高材料切削性能，达到难加工材料精密切削、延长刀具寿命的目的。 0003 对于数控机床切削液系统来说，液氮供液方式从形式上可分为外喷式和内喷式两 大类,其中外喷式是当前的主要方式。外喷式液氮供液系统与机床主轴是各自独。
8、立的，在 机床切削区刀具切削同时，外置喷嘴将液氮喷于被切削工件表面。虽然这种方式结构简单， 易于构建，但为了防止喷嘴对切削刃的干涉影响，喷嘴离切削面距离较远，影响了液氮的冷 却效果和利用率。此外，对于复杂结构工件，分离的喷嘴和刀具不能方便协同进入内部切削 区，喷嘴不能有效供液，也影响了切削效果和液氮利用率，很难达到精密切削和提高刀具利 用率的要求。北京金万众机械科技有限公司，开发了包括刀柄本体、连接套筒、轴承和密封 圈的外转内冷刀柄，并申请了国内专利，专利号CN201220515154.0，发明名称：“外转内冷 刀柄”。该装置能够克服目前中低端数控设备不能进行内冷却加工的限制，但是，该装置只 。
9、能以常规切削液作为冷却液，且密封效果不是很理想，不能够实现液氮冷却的深冷加工功 能，达不到加工难切削材料、保证切削精度、提高刀具寿命的要求。 发明内容 0004 本发明主要解决的技术问题是克服上述外转内冷刀柄的不足，发明了一种液氮内 喷式刀柄装置，该装置能够实现液氮切削液刀具内喷功能，缩小了喷嘴与切削加工区的距 离，提高了加工工件范围和液氮利用率，实用性强，采用通用数控机床刀具设计理念，从而 保证了刀具装置在结构和零部件设计上的标准化、通用化，以及后期所开发系列刀具装置 的系列化。 0005 本发明所采用的技术方案是一种液氮内喷式刀柄装置，其特征是，刀柄装置由左 刀柄外围组件I，右刀柄外围组件。
10、II和刀柄组件III组成；其中： 0006 左刀柄外围组件I中的轴承1.2、轴承1.3依次由轴承架1.1开放端装入，最后套 入轴承盖1.4并利用螺钉1.5将其与轴承架1.1固定；将装好的左刀柄外围组件I由刀柄 组件III中的刀柄3.1右端装入，并固定于刀柄3.1轴肩处，最后套入轴承压板1.6并将左 刀柄外围组件I压紧； 说 明 书CN 104015079 A 2/3页 4 0007 右刀柄外围组件II中的密封圈左压板2.1和轴套2.7依次由刀柄3.1右侧装在 其外圆上并固定，同时保证轴套2.7外圆中心上的4个中心孔与刀柄3.1外圆上的相互垂 直的两个通孔a、b相互贯通；将圆周密封圈2.3、2.。
11、5，端面密封圈2.2、2.6分别压入密封圈 架2.4的密封圈槽中，并实现密封圈与沟槽的完全接触；将装好的密封圈架2.5部件由刀柄 3.1右端装入到轴套2.7外圆面上；由刀柄3.1的右端依次装入密封圈右压板2.8和紧固 螺母2.9，旋紧紧固螺母2.9，并具有一定预紧力，将右刀柄外围组件II固定于刀柄3.1右 端外援面上； 0008 刀柄组件III中，刀柄3.1在右端沿轴心线方向有一细中心孔c与两细通孔a和 b相互贯通，细中心孔右端攻内螺纹，细管3.2外螺纹与之相连；用螺栓3.6将刀具支架3.7 固定于轴承架1.1和密封圈架2.4的外圆平面上。 0009 一种液氮内喷式刀柄装置，其特征是，刀柄装置。
12、为降低部件传热能力，与液氮接触 的各部件表面做绝热材料改性处理，即刀柄装置中的刀柄3.1上具有的相互垂直的三个细 通孔a、b、c和细管3.2内外表面，以及轴套2.7内外表面和刀柄3.1上安装轴承的轴颈外 圆表面都具有一定厚度耐低温、低导热系数的绝热涂层；轴套2.7具有高硬度的表面；圆周 密封圈2.3、2.5和端面密封圈2.2、2.6为耐超低温密封圈。 0010 本发明的有益效果是解决了现有外喷式液氮切削液装置面对复杂结构工件液氮 输送不便的难题，消除了液氮利用率低的缺陷；解决了普通内置式切削液系统实现内喷液 氮切削液的问题，保证了机床加工难加工材料的加工精度，提高了数控机床加工范围。 附图说明。
13、 0011 图1液氮内喷刀柄装置剖视图。 0012 图2液氮内喷刀柄装置俯视图。其中：1.1-轴承架，1.2-轴承，1.3-轴承， 1.4-轴承盖，1.5-螺钉，1.6-轴承压板，2.1-密封圈左压板，2.2-端面密封圈，2.3-圆周 密封圈，2.4-密封圈架，2.5-圆周密封圈，2.6-端面密封圈，2.7-轴套，2.8-密封圈右压 板，2.9-紧固螺母，3.1-刀柄，3.2-细管，3.3-弹簧夹头，3.4-弹簧夹头螺母，3.5-刀具， 3.6-螺钉，3.7-刀具支架，I-左刀柄外围组件，2-右刀柄外围组件，III-刀柄组件。 0013 图3液氮输送管路图。其中：1-杜瓦罐，2-低温电磁阀，3。
14、-低温流量调节阀， 4-真空绝热软管，5-低温软管接头，6-主轴，7-刀柄，8-刀具。 具体实施方式 0014 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：数控机床液氮内喷式 刀柄装置是在原有传统刀柄结构的基础上进行改造，切削液由输送软管经管接头进入刀柄 内孔，经细管进入刀具，液氮由刀具切削刃附近细孔喷出。喷嘴与切削面距离可达到1mm以 内，液氮喷出时大部分还处于液态，提高了液氮利用率，通过控制液氮流量来控制切削区瞬 间温度。切削液系统与刀具内孔的合并，使得复杂结构工件内腔液氮低温精密切削成为可 能。但该装置中的高速旋转刀柄与静止的刀柄外设装置间的协调性、动静密封性及保温效 果对该装置。
15、的可靠运行和切削区的供液效果有很大的影响。 0015 图1刀具安装如下：将细管3.2有螺纹的一端伸入刀柄3.1右端孔并扭入孔中；将 弹簧夹头3.3装入弹簧夹头螺母3.4孔中，合为一体，并将该整体有锥面一侧套入刀柄3.1 说 明 书CN 104015079 A 3/3页 5 锥孔中，旋扭弹簧夹头螺母3.4与刀柄3.1外螺纹扭合固定；将刀具3.5沿弹簧夹头3.3圆 孔插入刀柄3.1中，直到细管3.2外圆肩面，并将细管3.2的细杆插入刀具中心孔中，旋紧 旋扭弹簧夹头螺母3.4，夹紧刀具3.5。 0016 为了实现液氮内喷式刀柄在保证加工精度的前提下，又能够对切削材料表面喷射 液氮降温，提高工件切削性。
16、能，在性能上要求图1中的密封圈架2.4与刀柄3.1联接部位的 密封效果达到一定要求，保证最少的液氮泄露量，保证刀具微孔足够的喷射压力，保证刀柄 上流经液氮的零部件表面具有较强的绝热功能，减轻刀柄其他部位的温度梯度变化。 0017 在结构上要求以刀柄轴颈中心连线作为基准，其他如轴承、密封圈架和轴套等都 以这一中心线为基准在同一轴线上，确保刀具回转精度，防止刀具径向跳动，减少加工误 差，采用的实施方法具体步骤如下： 0018 1、刀柄3.1前后轴颈中心连线作为主轴回转中心线和径向定位基准线，轴承左侧 轴肩面作为轴向定位基准面； 0019 2、轴承1.2、1.3内圆与刀柄3.1轴颈处过渡配合，与轴承。
17、架1.1内孔圆面过渡配 合，实现刀柄3.1轴颈与轴承架1.1的同轴度要求； 0020 3、密封圈架2.4的轴向位置由刀具支架3.7、密封圈左压板2.2和端面密封圈2.2 确定，并由与密封圈压板、密封圈内、外圆的装配的关系达到与刀柄3.1装配轴颈处的同轴 度的要求； 0021 4、利用刀具3.5尾部端面与细管3.2肩部接触和刀具3.5外圆面与弹簧夹头3.3 内孔面的接触对刀具3.5进行轴向和径向定位； 0022 5、为实现刀柄3.1上相互垂直的三个细通孔a、b、c和细管3.2内外表面，以及轴 套2.7内外表面和刀柄3.1上安装轴承的轴颈外圆表面具有绝热性能，以上各零件表面需 做表面改性处理。 0。
18、023 该装置操作方式如下： 0024 1、如图1、2所示，利用螺钉3.6将刀具支架3.7固定于轴承架1.1和密封圈架2.4 上； 0025 2、如图1、3所示，将整个刀柄7安装于主轴锥孔中，并实现夹紧，同时将刀具支架 3.7利用螺栓固定于主轴箱上，将图3中的低温绝热软管4接头旋入密封圈架2.4外接锥形 圆头液氮入口中，并拧紧该接头； 0026 3、启动机床，主轴旋转后，除轴承架1.1、轴承外圈、轴承盖1.4、螺钉1.5、刀具支 架3.7、密封圈左压板2.1、密封圈、密封圈架2.4外，都随主轴旋转； 0027 4、液氮由杜瓦罐1出口经低温绝热软管4、低温电磁阀2、低温流量调节阀3后，经 低温绝。
19、热软管4与密封圈架2.4的管接头进入密封圈架2.4内腔，并经刀柄3.1内孔流入 细管3.2，之后流入刀具8内孔中，最后由刀具8刀头附近细孔喷出。 0028 本发明提高难切削材料复杂结构工件的切削性能，消除了液氮外喷式切削液系统 对于机床切削复杂结构工件的干涉影响，提高了切削精度。采用液氮内喷式刀柄装置，切削 冷却同步性好、液氮利用率高、使用方便、成本低廉。该装置可以很有效的用于数控机床主 轴切削工作，实现难加工材料典型工件的高效切削加工。 说 明 书CN 104015079 A 1/2页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104015079 A 2/2页 7 图3 说 明 书 附 图CN 104015079 A 。