一种复叠式制冷冰冻装夹装置

1.本发明属于装夹技术领域，涉及一种复叠式制冷冰冻装夹装置。


背景技术：

2.零件加工过程中，常伴随着变形、颤振等动态问题，影响零件加工过程的稳定性，以及零件的最终质量。装夹作为零件制造过程中的关键环节，装夹的可靠性对提高零件制造精度，保障零件使用性能起到关键作用。因此，如何实现零件的可靠装夹是装夹技术领域亟待解决的核心问题。
3.目前，常用装夹形式主要包括靠模装夹、真空吸附装夹、模块化装夹、磁流变装夹等等。其中，靠模装夹，需根据零件外形与尺寸定制装夹构型，成本高，生产周期长，是一种传统的刚性装夹形式。真空吸附装夹，能够利用气压快速夹紧零件，装夹效率高，但夹具的长期磨损，会产生漏气现象，降低装夹稳定性，增加了夹具的维护成本。模块化装夹，是一种标准化的夹具，能够根据装夹需求，重构装夹布局，实现零件装夹，但夹具单元安装时，存在误差累积，影响装夹精度。磁流变装夹，利用磁流变液励磁固化特性，实现零件装夹，且磁流变颗粒具有阻尼特性，能够吸附加工颤振，维持加工过程稳定性，但磁流变液固化后，刚性较低，难以承受大载荷加工。以上装夹形式，由于装夹性能的局限性，难以满足零件高性能装夹需求。因此，亟待发展一种高性能装夹装置，提高零件装夹可靠性，满足零件高性能精密加工需求。
4.大连理工大学在专利cn201510451544.4中，发明一种金属蜂窝工件冰固持加工方法。首先，将金属蜂窝工件固定于夹具内，并在夹具内充满水，放置在冷冻柜中冰冻，来实现工件加工过程的冰固持装夹，并利用液氮对加工局部进行冷却，防止切削热导致的局部融化。但该专利中，夹具没有制冷功能，难以保证加工过程中，对冰整体的制冷。翎创机电有限公司在专利cn201720268291.1中，设计一种无应力冰冻盘工装，利用制冷片实现零件的冰冻装夹。但该专利，制冷功率受散热功率影响较大，制冷效率较低，耗能大。
5.上述研究均未提及一种复叠式制冷冰冻装夹装置。


技术实现要素：

6.为了克服上述方法的不足，面向零件加工过程的高性能装夹需求，本发明提出一种复叠式制冷冰冻装夹装置。本发明利用水作为冰冻装夹材料，无毒无害，绿色环保；相比于传统相变装夹，冰冻装夹的刚性更强，装夹可靠性更好；相比于机械装夹，冰冻装夹无装夹应力，避免了零件的装夹损伤；采用箱体和制冷控制器分离式结构，便于冰冻装夹装置在机床平台上的安装与使用；利用复叠式制冷方式，实现零件的冰冻装夹以及加工过程的持续制冷，有效保证加工过程中，冰冻稳定性。
7.本发明所采用的技术方案是：
8.一种复叠式制冷冰冻装夹装置，包括箱体5、制冷控制器14和真空软管。
9.所述箱体5设有内胆2，用于放置零件3和注水；内胆2外壁设置有冷却管17，对内胆
内的水进行制冷，使水结成冰4，从而夹紧零件3，且冷却管17的制冷，贯穿刀具1对零件3的整个加工过程，防止冰4的融化。所述箱体5上设置有箱体入口8和箱体出口9，分别用于冷却管17中冷却介质的流入和流出；箱体5的外壳19内侧设置有保温棉18，对制冷过程进行保温；箱体5顶部设有保温盖15，实现水结冰过程的保温作用。所述箱体5通过定位头7安装在机床平台6上。
10.所述真空软管用于传输冷却介质，包括真空软管a10和真空软管b11；其中，真空软管a10将箱体入口8与制冷控制器冷却介质出口12连接；真空软管b11将箱体出口9与制冷控制器冷却介质入口13连接。
11.所述制冷控制器14包括压缩机a20、冷凝蒸发器21、压力控制阀a22、回热器23、膨胀容器24、节流阀a25、压力控制阀b26、压缩机b27、节流阀b28和冷凝器29。制冷控制器14是由两级循环复叠而成，包括高温级循环和低温级循环，两级循环分别使用不同制冷剂。两级循环之间的作用方式是：通过冷凝蒸发器21，利用高温级循环的制冷量来承担低温级循环的冷凝负荷，从而在低温级循环中获取较低制冷温度。
12.所述回热器23将来自制冷控制器冷却介质入口13的低温级气液混合冷却介质与来自冷凝蒸发器21的低温级液态冷却介质进行热交换，其目的在于提高低温级气液混合冷却介质温度，以及降低液态冷却介质温度。其中，提高低温级气液混合冷却介质温度目的在于确保蒸汽中所携带的液滴全部汽化，提高压缩机b27的吸气温度，从而减少吸气管路中的过热损失；降低液态冷却介质温度目的在于使液体达到过冷状态，避免冷却介质在经过节流阀a25节流前部分汽化。
13.所述制冷控制器14中的低温级循环如下：
14.所述回热器23将来自制冷控制器冷却介质入口13的低温级气液混合态冷却介质适当回热升温；所述压缩机b27将来自回热器23的低温级气态冷却介质压缩；压缩后的低温级气态冷却介质进入冷凝蒸发器21中放热冷凝成液态，与来自高温级循环的高温级液态冷却介质实现热交换。冷凝后的低温级液态冷却介质进入回热器23中过冷，之后，进入节流阀a25节流降压，并从制冷控制器冷却介质出口12流出，通过真空软管a10和箱体入口8，流进箱体5的冷却管17内，对内胆2空间进行制冷。所述压力控制阀a22、压力控制阀b26和膨胀容器24，与压缩机b27并联，用于避免当系统停机时低温级冷却介质大量汽化导致的系统内压力过高现象。
15.所述制冷控制器14中的高温级循环如下：
16.所述压缩机a20将来自冷凝蒸发器21的高温级气态冷却介质压缩；压缩后的高温级气态冷却介质进入冷凝器29中与外界的空气介质发生热交换，放热冷凝为液态；高温级液态冷却介质经过节流阀b28节流降压后进入冷凝蒸发器21中与低温级气态冷却介质发生热交换，吸收低温级气态冷却介质的热量，蒸发为气态冷却介质，并流出冷凝蒸发器21，进入下一次高温级循环。
17.本发明的有益效果：本发明利用水作为冰冻装夹材料，绿色环保；相比于传统相变装夹材料，冰的装夹刚性更高，对零件加工过程的装夹效果更好；相比于机械装夹，冰冻装夹无装夹应力，避免了零件在装夹过程中，产生变形、压痕等装夹损伤问题；采用箱体和制冷控制器分离式结构，节省空间，便于箱体在机床平台上的安装；利用复叠式制冷，有效保证箱体敞开式加工时的制冷效率，防止冰受环境热干扰产生的融化，保证冰冻可靠性和装
夹稳定性。
附图说明
18.图1为复叠式制冷冰冻装夹装置示意图。
19.图2为箱体内部结构示意图。
20.图3为制冷控制器内部结构示意图。
21.图中：1刀具；2内胆；3零件；4冰；5箱体；6机床平台；7定位头；8箱体入口；9箱体出口；10真空导管a；11真空导管b；12制冷控制器冷却介质出口；13制冷控制器冷却介质入口；14制冷控制器；15保温盖；16支撑板；17冷却管；18保温棉；19外壳；20压缩机a；21冷凝蒸发器；22压力控制阀a；23回热器；24膨胀容器；25节流阀a；26压力控制阀b；27压缩机b；28节流阀b；29冷凝器。
具体实施方式
22.下面结合附图和技术方案对本发明作进一步说明。
23.如图1所示，一种复叠式制冷冰冻装夹装置，包括箱体5、制冷控制器14和真空软管。
24.所述箱体5设有内胆2，用于放置零件3和注水；内胆2外壁设置有冷却管17，用于对内胆内的水进行制冷，使水结成冰4，从而夹紧零件3，且冷却管17的制冷，贯穿刀具1对零件3的整个加工过程，防止冰4的融化。所述箱体5上设置有箱体入口8和箱体出口9，用于冷却介质的流入和流出；箱体5的外壳19内侧设置有保温棉18，对制冷过程进行保温；箱体5顶部设有保温盖15，实现水结冰过程的保温作用。所述箱体5通过定位头7安装在机床平台6上。
25.所述真空软管用于传输冷却介质，包括真空软管a10和真空软管b11；其中，真空软管a10将箱体入口8与制冷控制器冷却介质出口12连接；真空软管b11将箱体出口9与制冷控制器冷却介质入口13连接。
26.所述制冷控制器14是由两级循环复叠而成，包括高温级循环和低温级循环，两级循环分别使用不同制冷剂。两级循环之间的作用方式是：通过冷凝蒸发器21，利用高温级循环的制冷量来承担低温级循环的冷凝负荷，从而在低温级循环中获取较低制冷温度。
27.所述回热器23将来自制冷控制器冷却介质入口13的低温级气液混合冷却介质与来自冷凝蒸发器21的低温级液态冷却介质进行热交换，其目的在于提高低温级气液混合冷却介质的温度，以及降低液态冷却介质的温度。提高低温级气液混合冷却介质温度目的在于确保蒸汽中所携带的液滴全部汽化，提高压缩机b27的吸气温度，从而减少吸气管路中的过热损失；降低液态冷却介质温度目的在于使液体达到过冷状态，避免冷却介质在经过节流阀a25节流前部分汽化。
28.所述制冷控制器14中的低温级循环如下：
29.所述回热器23将来自制冷控制器冷却介质入口13的低温级气液混合态冷却介质适当回热升温；所述压缩机b27将来自回热器23的低温级气态冷却介质压缩；压缩后的低温级气态冷却介质进入冷凝蒸发器21中放热冷凝成液态，与来自高温级循环的高温级液态冷却介质实现热交换。冷凝后的低温级液态冷却介质进入回热器23中过冷，之后，进入节流阀a25节流降压，并从冷却介质出口12流出，通过真空软管a10和箱体入口8，流进箱体5的冷却
管17内，对内胆2空间进行制冷。所述压力控制阀a22、压力控制阀b26和膨胀容器24，与压缩机b27并联，用于避免当系统停机时低温级冷却介质大量汽化导致的系统内压力过高现象。
30.所述制冷控制器14中的高温级循环如下：
31.所述压缩机a20将来自冷凝蒸发器21的高温级气态冷却介质压缩；压缩后的高温级气态冷却介质进入冷凝器29中与外界的空气介质发生热交换，放热冷凝为液态；高温级液态冷却介质经过节流阀b28节流降压后进入冷凝蒸发器21中与低温级气态冷却介质发生热交换，吸收低温级气态冷却介质的热量，蒸发为气态冷却介质，并流出冷凝蒸发器21，进入下一次高温级循环。

技术特征：
1.一种复叠式制冷冰冻装夹装置，其特征在于，该装置包括箱体(5)、制冷控制器(14)和真空软管；所述箱体(5)通过定位头(7)安装在机床平台(6)上；箱体(5)设有内胆(2)，用于放置零件和注水；内胆(2)外壁设置有冷却管(17)，对内胆内的水进行制冷，夹紧零件；所述箱体(5)上设置有箱体入口(8)和箱体出口(9)，二者均通过真空软管与制冷控制器(14)连接，用于冷却介质的流入和流出；箱体(5)顶部设有保温盖15，实现水结冰过程的保温作用；所述制冷控制器(14)由高温级循环和低温级循环复叠而成，两级循环分别使用不同制冷剂；两级循环之间的作用方式是：通过冷凝蒸发器，利用高温级循环的制冷量来承担低温级循环的冷凝负荷，从而在低温级循环中获取较低制冷温度；制冷控制器(14)包括压缩机a(20)、冷凝蒸发器(21)、回热器(23)、节流阀、压缩机b(27)和冷凝器(29)；其中，所述制冷控制器(14)中的低温级循环如下：回热器(23)将来自制冷控制器冷却介质入口(13)的低温级气液混合态冷却介质回热升温；压缩机b(27)将来自回热器(23)的低温级气态冷却介质压缩；压缩后进入冷凝蒸发器(21)中放热冷凝成液态，与来自高温级循环的高温级液态冷却介质实现热交换；冷凝后的低温级液态冷却介质进入回热器(23)中过冷，之后，进入节流阀a(25)节流降压，并从制冷控制器冷却介质出口(12)流出，进入箱体的冷却管(17)内，对内胆空间进行制冷；所述制冷控制器(14)中的高温级循环如下：压缩机a(20)将来自冷凝蒸发器(21)的高温级气态冷却介质压缩；然后进入冷凝器(29)中与外界的空气介质发生热交换，放热冷凝为液态；高温级液态冷却介质经过节流阀b(28)节流降压后进入冷凝蒸发器(21)中，与低温级气态冷却介质发生热交换，吸收低温级气态冷却介质的热量，蒸发为气态冷却介质，并流出冷凝蒸发器(21)，进入下一次高温级循环。2.根据权利要求1所述的一种复叠式制冷冰冻装夹装置，其特征在于，所述制冷控制器(14)的低温级循环还包括与压缩机b(27)并联的压力控制阀a(22)、压力控制阀b(26)和膨胀容器(24)，用于避免当系统停机时低温级冷却介质大量汽化导致的系统内压力过高现象。3.根据权利要求1或2所述的一种复叠式制冷冰冻装夹装置，其特征在于，所述真空软管包括真空软管a(10)和真空软管b(11)；其中，真空软管a(10)将箱体入口(8)与制冷控制器冷却介质出口(12)连接；真空软管b(11)将箱体出口(9)与制冷控制器冷却介质入口(13)连接。4.根据权利要求1或2所述的一种复叠式制冷冰冻装夹装置，其特征在于，箱体(5)的外壳(19)内侧设有保温棉(18)，对制冷过程进行保温。5.根据权利要求3所述的一种复叠式制冷冰冻装夹装置，其特征在于，箱体(5)的外壳(19)内侧设有保温棉(18)，对制冷过程进行保温。

技术总结
本发明提出一种复叠式制冷冰冻装夹装置，属于装夹技术领域。该装置包括箱体、制冷控制器和真空软管。本发明利用水作为冰冻装夹材料，绿色环保；相比于传统相变装夹材料，冰的装夹刚性更高，对零件加工过程的装夹效果更好；相比于机械装夹，冰冻装夹无装夹应力，避免了零件在装夹过程中，产生变形、压痕等装夹损伤问题；采用箱体和制冷控制器分离式结构，节省空间，便于箱体在机床平台上的安装；利用复叠式制冷，有效保证箱体敞开式加工时的制冷效率，防止冰受环境热干扰产生的融化，保证冰冻可靠性和装夹稳定性。可靠性和装夹稳定性。可靠性和装夹稳定性。


技术研发人员：王永青 熊文涛 王诚鑫 孙克宇 李旭 刘海波 刘阔 郭东明
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8