一種自動化液氮流量控制的難加工材料深冷加工系統的制作方法

本發明屬于數字裝備與機械制造加工技術領域，更具體地，涉及一種難加工材料深冷加工系統。

背景技術：

在現代工業部門和技術領域不可或缺的結構材料中，鈦合金、高溫合金等材料，以其比強度、比剛度高且耐腐蝕，焊接性能好的特點，在航天航空領域得到了廣泛的應用，然而，由于這幾種材料具有熱導率小，彈性模量低，切削力大的特點，使得機械加工切削時切削溫度高，刀具磨損嚴重，此外，切削溫度下化學活性強，極易與周圍介質發生反應，這些都使得這幾種材料成為難加工材料，限制了其在很多重要領域的應用。

液氮低溫冷卻加工作為一種新型的綠色加工方法，具有良好的冷卻潤滑效果和環境親和性，從而備受研究者關注，這種加工方法將零下196度的液態氮噴射到切削區，取代了切削液，能夠有效的抑制切削鈦合金、高溫合金等時的刀具磨損，提高加工表面質量，也間接加強了鈦合金等難加工材料零件的疲勞壽命和使用性能，是一種有著良好發展前景的加工方法。

目前液氮深冷加工仍然停留在實驗室研究階段，且因為液氮超低溫、極易吸熱氣化的性質，并沒有成熟的液氮深冷加工設備和技術，大多數研究人員研究液氮深冷加工時，直接是將液氮從液氮罐通過管路導出至切削區，這其中缺乏對液氮流量、氣液相等因素的控制，安全性較差，這些都從設備上極大的限制了對液氮深冷加工技術的進一步研究和應用。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種自動化液氮流量控制的難加工材料深冷加工系統，主要依靠氣液相分離器來實現液氮的自動化流量控制，其中氣液相分離器中安裝的液位傳感器、進液電磁閥和出液電磁閥負責液面的高度控制，由壓力傳感器、進氣電磁閥、泄壓電磁閥負責液面上方氣體壓力的控制，能夠準確、方便的實現液氮的自動化控制。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種自動化液氮流量控制的難加工材料深冷加工系統，其特征在于，包括氣液相分離器、液氮杜瓦瓶、氮氣儲存罐、泄壓電磁閥、液位傳感器、萬向噴頭、噴頭夾持裝置和系統控制主機，其中，

所述氣液相分離器上設置有液氮入口、氮氣補壓口、氮氣泄壓口和液氮出口；

所述液氮杜瓦瓶通過進液電磁閥與所述液氮入口連接，以用于向所述氣液分離器內通入液氮；

所述氮氣儲存罐依次連接減壓閥和進氣電磁閥，所述進氣電磁閥與所述氮氣補壓口連接，以用于向所述氣液分離器內通入氮氣；

所述泄壓電磁閥通過泄壓管道連接所述氮氣泄壓口，并且所述泄壓管道上安裝有壓力傳感器；

所述液位傳感器安裝在所述氣液相分離器上，以用于獲取所述氣液相分離器內液氮的液位；

所述液氮出口處安裝出液管道，所述出液管道上安裝有出液電磁閥和萬向噴頭；

所述萬向噴頭安裝在所述噴頭夾持裝置上；

所述控制系統主機通過液位傳感器采集氣液相分離器內的液面高度數據，從而控制進液電磁閥和出液電磁閥的開關，進而實現液面高度的控制；

所述控制系統主機通過壓力傳感器采集氣液相分離器內的液面上方的氣壓值，從而控制進氣電磁閥和泄壓電磁閥的開關，進而實現液面上方氣壓的控制。

優選地，所述氣液相分離器包括外筒、內筒及設置在所述外筒與內筒之間的真空絕熱夾層。

優選地，所述噴頭夾持裝置包括三軸移動平臺及夾具，所述三軸移動平臺包括X軸平臺、Y軸平臺及Z軸平臺，所述Y軸平臺上安裝有連接軸，所述連接軸上可轉動安裝所述夾具，所述夾具上安裝所述萬向噴頭，并且所述萬向噴頭通過軟管與所述出液管道連接。

優選地，所述夾具上穿裝有可將所述夾具固定在所述連接軸上的螺釘。

優選地，所述出液管道上安裝有靶式流量計，所述靶式流量計與所述控制系統主機連接。

優選地，所述出液管道上安裝有壓力溫度傳感器，所述壓力溫度傳感器與所述控制系統主機連接。

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，能夠取得下列有益效果：

1)本發明采用了基于壓力控制的自動化液氮流量控制裝備，具有方便便捷、成本低、控制精準、全自動化、安全性高等優勢。

2)本發明采用壓力控制的方式來實現液氮的自動化流量控制，相對于控制開度大小的方法，控制的更加準確，且因為安裝有氣液相分離器，可以分離出管道中吸熱氣化的氮氣，使得裝置的安裝位置不再受限，噴出的液氮純度也更高，從而帶來更好的加工效果。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明中氣液相分離器的結構示意圖；

圖3是本發明中系統控制主機與各電磁閥和傳感器的信息交互控制示意圖。

具體實施方式

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。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

參照圖1～圖3，一種自動化液氮流量控制的難加工材料深冷加工系統，包括氣液相分離器8、液氮杜瓦瓶1、氮氣儲存罐3、泄壓電磁閥7、液位傳感器9、萬向噴頭15、噴頭夾持裝置14和系統控制主機，其中，

所述氣液相分離器8上設置有液氮入口2-1、氮氣補壓口2-4、氮氣泄壓口2-5和液氮出口2-9；

所述液氮杜瓦瓶1通過進液電磁閥2與所述液氮入口2-1連接，以用于向所述氣液分離器8內通入液氮；

所述氮氣儲存罐3依次連接減壓閥4和進氣電磁閥5，所述進氣電磁閥5與所述氮氣補壓口2-4連接，以用于向所述氣液分離器8內通入氮氣；

所述泄壓電磁閥7通過泄壓管道連接所述氮氣泄壓口2-5，并且所述泄壓管道上安裝有壓力傳感器6；

所述液位傳感器9安裝在所述氣液相分離器8上，以用于獲取所述氣液相分離器8內液氮的液位；

所述液氮出口2-9處安裝出液管道，所述出液管道上安裝有出液電磁閥11和萬向噴頭15；

所述萬向噴頭15安裝在所述噴頭夾持裝置14上；

所述控制系統主機通過液位傳感器9采集氣液相分離器8內的液面高度數據，從而控制進液電磁閥2和出液電磁閥11的開關，進而實現液面高度的控制；

所述控制系統主機通過壓力傳感器6采集氣液相分離器8內的液面上方的氣壓值，從而控制進氣電磁閥5和泄壓電磁閥7的開關，進而實現液面上方氣壓的控制。

進一步，所述氣液相分離器8包括外筒2-8、內筒2-6及設置在所述外筒2-8與內筒2-6之間的真空絕熱夾層2-7。

進一步，所述噴頭夾持裝置14包括三軸移動平臺及夾具，所述三軸移動平臺包括X軸平臺、Y軸平臺及Z軸平臺，所述Y軸平臺上安裝有連接軸，所述連接軸上可轉動安裝所述夾具，所述夾具上安裝所述萬向噴頭15，并且所述萬向噴頭15通過軟管與所述出液管道連接。

進一步，所述夾具上穿裝有可將所述夾具固定在所述連接軸上的螺釘。

進一步，所述出液管道上安裝有靶式流量計12，所述靶式流量計12與所述控制系統主機連接。

進一步，所述出液管道上安裝有壓力溫度傳感器13，所述壓力溫度傳感器13與所述控制系統主機連接。

液氮液氮杜瓦瓶1放置在數控機床側邊，主要提供液氮和初始的液氮流動壓力，中間通過304不銹鋼波紋管與可調壓氣液相分離器8進行連接，可調壓氣液相分離器8同樣放置在數控機床側邊，為整套設備核心，內部部件以及附屬功能部件包括氮氣儲存罐3、減壓閥4、進氣電磁閥5、壓力傳感器6、泄壓電磁閥7、氣液相分離器8、進液電磁閥2、液位傳感器9等，其中：氮氣儲存罐3、減壓閥4、進氣電磁閥5用于補充氣液相分離器中的氣體氣壓；壓力傳感器6、泄壓電磁閥7用于控制氣液相分離器中的氣體壓強；氣液相分離器8用于將流入的液氮流體進行氣液相分離；進液電磁閥2和液位傳感器9用于控制氣液相分離器中的液氮液面高度。以上四個部分組合到一起實現了氣液相分離器8中的液氮液面高度可調和氮氣氣壓壓強可調，從而可以用于實現液氮的流量控制。

氣液相分離器8通過液氮出口2-9與靶式流量計進行連接12，靶式流量計12用于測量液氮的流量并將流量數據轉化為4-20ma的電信號傳給控制系統10，靶式流量計12出口通過雙層真空管道與壓力溫度傳感器13連接，壓力溫度傳感器13采集管道中的液氮壓力溫度數據，壓力溫度傳感器13通過304不銹鋼波紋管與萬向噴頭15進行連接，萬向噴頭15將液氮噴射到切削區，改善切削效果，萬向噴頭15夾持在噴頭夾持裝置14上，四個自由度可調，從而可以準確方便的調節到最佳的噴射位置，噴頭夾持裝置14通過固定底座3-4固定在數控機床內部。整個系統裝置中，雙層真空管道和波紋管外部均使用保溫棉進行絕熱保溫。

如圖2所示，對氣液相分離器8內部結構進行了說明，氣液相分離器分內筒2-6和外筒2-8兩層，中間為真空絕熱夾層2-7，這樣能夠保證整個容器是絕熱的，極大的降低了液氮氣化的程度，液氮上壓強采集口2-2和液氮下壓強采集口2-3分別連接在液位傳感器9的兩端，液位傳感器9本質是差壓傳感器，通過測量液氮上下壓強差，來測量液面高度，液氮下壓強采集口2-3通過不銹鋼長管伸入容器底部，因為液氮是易氣化的，所以會在管道內形成一個氣密，在伸入容器之前的那一段為一個平面的U型，這樣設計是為了保證上端壓力變化時，導致的液氮沖入管道內的時候，不影響液位傳感器的測量結果。氮氣補壓口2-4安裝在容器的上方，用于補充容器8內的氮氣氣壓。整個容器8制作過程中使用氬弧焊焊接工藝，焊接處都要進行嚴密的性能測試，最后完成后抽真空。

本發明的噴頭夾持裝置主要包括XYZ三個方向的移動平臺，全部可以用手工進行調整，萬向噴頭15卡緊在夾具上，從而實現噴頭15四個自由度的移動和旋轉，更方便精準地將液氮噴到加工區。

如圖3所示，對本發明的整體硬件架構進行了說明，系統控制主機為整個硬件的核心，具體型號為西門子PLC S7-200，壓力傳感器6采集氣液相分離器8中氮氣壓強數據，轉化為4-20ma電流信號傳輸給系統控制主機，系統控制主機反饋控制進氣電磁閥5和泄壓電磁閥7的開關，來控制氣液相分離器8中的氮氣壓強，這幾者組合起來形成氣壓控制閉環。液位傳感器9采集氣液相分離器8中液氮液面高度，將高度數據轉化4-20ma電流信號傳輸給系統控制主機，系統控制主機反饋控制進液電磁閥2和出液電磁閥11的開關，來控制氣液相分離器8中的液氮液面高度，這幾者組合起來形成液位控制閉環。觸摸顯示屏與系統控制主機串口通信，完成全部數據、動作、狀態的顯示與輸入。靶式流量計12采集管道中的液氮流量，將數據轉化為4-20ma工業信號傳輸給系統控制主機。

裝置中，液氮的流量取決于氣液相分離器中的氮氣壓強大小和液氮液面高度，現在這兩者可控，即意味著液氮的管道流量是可控的，又通過靶式流量計12采集到了管道中的液氮流量數據，即可完成液氮的自動化流量閉環控制。

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。