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摘要：介绍了一种基于脉冲管制冷技术的机床冷却系统。该系统以脉冲管制冷机为冷源，将制冷的脉冲管置于切削刀具内，通过脉冲管的冷端将切削区的热量带走，达到降低刀具的切削温度、提高刀具耐用度的目的。
关键词：制冷机；机床；冷却系统
引言
目前，国内外设计的机床大多采用传统的冷却液方式冷却。为提高刀具耐用度，在机床冷却系统方面的研究主要是改变冷却液的配方，而对于制冷刀具，国内学者也做过一些研究，如有资料提出用半导体制冷技术、热管技术来降低刀具的切削温度；某些单位也尝试用液氮、CO2来冷却车刀。 我们提出采用制冷机做冷源来冷却刀具，以适应自动化的要求。
1 冷却系统的总体设计
1.1 对冷却系统的基本要求
设计该冷却系统的主要目的是为了增加切削刀具的耐用度，为金属切削及机床冷却系统提供一种新的方法。因此该系统要满足以下要求： ①降低切削区温度200℃左右；②不影响刀具的刚度、强度；③不影响刀具的切削功能；④使用、制造方便，制冷效果好，成本低，可靠性高，便于操作。
基于以上要求设计的冷却系统见图1。
（图片） 1.2 冷却系统组成
冷却系统由脉冲管制冷机、制冷车刀所组成。
2 同轴脉冲管制冷机
由于基本脉冲管制冷机外部热损失大，效率低，制冷温度有限，而且还需配备冷却水，所以不适合我们的要求，因而，设计了同轴脉冲管制冷机。
同轴脉冲管制冷机原理示意图见图2。
2.1 同轴脉冲管制冷机的结构设计
考虑制冷机要适合机床的要求以及它的经济性，因此，在结构上必须满足以下要求：①压力波发生器与脉冲管要分离；②脉冲管的直径满足普通可转位车刀刀杆的要求；③制冷功率要满足刀具的散热要求。
（图片）
1-冷头；2-蓄冷器；3-脉冲管；4-双向进气阀门；5-气库；
6-节流小孔(阀门)；7-柔性连接管道；8-压力波发生器旁通阀门；
9-压力传感器；10-压力波发生器；11-电器控制部分
图2同轴脉冲管制冷机原理示意图
2.2 同轴脉冲管制冷机的性能参数
脉冲管形式是双向进气脉冲管，最低制冷温度150K，净制冷功率大于125W，降温时间11分钟。脉冲管外形尺寸10×200，重0.25kg， 抽气体积33cm3，驱动电机功率400W，气库体积120cm3，连接管道长度2000mm，平均压力1.3MPa， 工作频率1.6Hz，压比1.26
，系统介质为氦气，冷却方式为自然对流(无冷却水)。
2.3 同轴脉冲管制冷机的特点
2.3.1低温下无运动部件，产生振动和噪音的压力波发生器可以通过柔性管到隔离在较远的地方。因此，脉冲管制冷机的可靠性、寿命、冷头的振动、噪音以及冷头移动的灵活性都优于其它制冷机。
2.3.2该机实现了小型化，适合于机床冷却系统要求。
2.3.3为了减少漏热，脉冲管和蓄冷器均采用薄壁不锈钢管制作。
2.3.4压力波发生器采用全封闭无油结构，将电机转子和压力波发生器直接连接，降噪减振。压力波发生器和脉冲管部分均无冷却水，全部采用自然对流冷却。
3 制冷车刀
制冷车刀的结构设计见图3。
（图片） 制冷车刀是冷却系统的重要组成部分，冷却效果的好坏与制冷车刀结构是否合理有很大关系，因此制冷车刀在设计时要考虑以下问题：①要符合目前刀具的常用技术规格；②刀具结构的改变不影响刀具的切削性能；③刀具结构改变后要有足够的刚性；④刀具结构要满足热传导的要求。
根据以上要求，我们设计了一种新型的制冷刀具，刀具选择标准的可转位车刀，刀头部分保留原设计要求。将刀杆中心开一孔放置脉冲管，并将脉冲管的冷头与切削区接触以增加冷却效果。
4 结论
实验证明，该冷却系统可以提高刀具耐用度6倍以上。没有发生刀具的断裂现象，特别适用于干切削的场合，可以适应自动化的要求。
6/5/2004
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