[0001] 本发明属于数控机床设计技术领域，涉及一种可实现液氮内喷式冷却加工的小型单摆头五轴加工中心。

[0002] 液氮冷却加工是一种新兴的绿色加工技术，可大幅降低切削温度，提高难加工材料零件表面完整性，同时液氮是一种清洁无污染的冷却介质，加工后在零件表面无残留、不需要清洗。对于钻削或复杂曲面铣削加工，相较于外喷冷却方式，刀具中内喷冷却能更精准地进入切削区域，故液氮内喷式冷却非常适用于对表面清洁程度要求极高的难加工材料零件加工。针对钛合金人工关节、钛合金椎间融合器、钛合金义齿基台、聚醚醚酮骨科支架等人体植入物，在切削加工方面均存在常规冷却不足或不够清洁的问题，导致零件加工表面粗糙、边缘毛刺显著，后续光整、清洗流程繁琐。因此，针对这类面形复杂的小尺寸难加工材料人体植入物，液氮内喷式冷却多轴联动加工具有独特优势。

[0003] 故而，液氮内喷式小型单摆头五轴加工中心可作为人体植入物高质高效清洁钻铣削加工的装备之一。但是，在小型加工中心的紧凑空间内液氮通过单摆头、电主轴、刀具内腔，进而实现可控的液氮内喷式冷却功能，常规的机床结构显然不行。比如，不同材料的人体植入物或不同的加工特征，对液氮流量、压力或冷却温度有不同的要求，故需在有限的机床空间内合理布置液氮传输调控系统，并且该系统还应具备良好的隔热能力；由于液氮流体温度与流量往往紧密关联，故无法独立调节，为此可通过切削时不同的冷却工艺来达到改变温度的目的。最后，难度最大的当属如何将液氮通过单摆铣削头而不影响其正常运行，其中近‑196℃的液氮传输过程中的隔热、静止管路与多自由度旋转管路结合处的超低温动密封、液氮内喷式电主轴的自动换刀都极具挑战。

[0004] 目前，为实现液氮内喷式冷却加工，国内外机构发明了若干种加工装置。2010年，克雷雷有限公司在发明专利201080018034.3中公开了“用于通过机床主轴轴向输送低温流体的装置”，该装置采用静止的真空管路在主轴内传输液氮，但该主轴为机械主轴，且未涉及多自由度的摆头结构。2018年，大连理工大学在发明专利201810144333.X中公开了“一种超低温介质内喷式数控机床”，该装置具备液氮通过主轴的内喷式冷却功能，同时可以调控液氮传输参数，但该机床为采用机械主轴的三轴立式铣床，其技术特征无法实现单摆头连接电主轴并在其中内喷液氮。2019年，大连理工大学在发明专利201911212427.7中公开了“一种用于液氮中空输送的蜂窝密封结构刀柄”，该装置虽也能实现刀具中液氮内喷式冷却加工，但液氮是由刀柄外侧进入，并不通过主轴，若将该刀柄安装于单摆头五轴加工中心，外置连接的液氮输送管路会随主轴摆动而运动，不仅干涉切削加工，而且连接处容易断裂。

[0023] 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。

[0024] 本实施例中，液氮的最低冷却温度为‑196℃；小型加工中心的外形尺寸为1560×1100×1800mm；转台1.10尺寸为φ400mm，C轴回转范围为n×360°；A轴回转范围为±130°；
X/Y/Z轴最大行程为350/300/250mm，X/Y/Z轴定位精度为0.004mm、重复定位精度为
0.002mm，A/C轴定位精度为4″、重复定位精度为2″；铣削头最大外径为φ160mm，轴向长度为
320mm，最高转速为24000rpm，额定功率为2.2kW，额定扭矩3.2Nm；真空隔层拉刀杆4.8的最小直径为φ16mm；真空管路的直径在φ20～φ25mm范围内；刀库1.27容量为10把，换刀时间小于3s；自增压液氮罐2.1公称容积为175L，最大工作压力为2.2MPa；调节阀2.10的液氮流量可调范围为0～50L/h，调节精度为±1L/h；减压阀2.7的液氮压力可调范围为0.1～
1.5MPa，调节精度为±0.1MPa；安全阀2.9整定压力为2.4MPa；真空结构的导热系数近似为
0；隔热套管4.17采用改性聚酰亚胺材料，导热系数小于0.15W/(m·K)；摆头旋转密封接头静环3.9、摆头旋转密封接头动环3.10、主轴旋转密封接头静环4.4、主轴旋转密封接头动环
4.6的端面材料为碳化硅；液氮传输通道的最小内径为φ2mm。

[0025] 可实现液氮内喷式冷却加工的小型单摆头五轴加工中心装配过程如下：如附图1、2、3、4、5和6所示，第一步，在床身座1.1上安装台座1.2，将Y轴导轨1.3固定在台座1.2上；将四个Y轴滑块1.4安装在工作台底座1.7底部，令Y轴滑块1.4与Y轴导轨1.3滑动配合，由Y轴电机1.5和Y轴丝杠1.6的提供并传递动力；在工作台底座1.7上表面固定C轴导轨1.8，并将C轴滑块1.9安装在转台1.10底部，令C轴滑块1.9与C轴导轨1.8滑动配合，并由C轴电机1.11直接驱动；将床身双侧立柱1.12安装于床身座1.1上，在床身双侧立柱1.12的顶端前侧安装X轴导轨1.13，将四个X轴滑块1.14安装在X轴滑枕1.17背面，令X轴滑块1.14与X轴导轨1.13滑动配合，由X轴电机1.15和X轴丝杠1.16提供并传递动力；将Z轴导轨1.18安装在X轴滑枕
1.17正面，再将四个Z轴滑块1.19安装在Z轴滑枕1.22背面，令Z轴滑块1.19与Z轴导轨1.18滑动配合，由Z轴电机1.20和Z轴丝杠1.21提供并传递动力；将摆头箱体1.23固定在Z轴滑枕
1.22下端，铣削头箱体1.24连接于摆头箱体1.23右侧，其中摆头箱体1.23与铣削头箱体
1.24内安装着液氮内喷式单摆铣削头；将刀库1.27与换刀机械手1.28安装在机床右侧，将接屑槽1.29安装在床身座1.1下，床身座1.1依靠四个床身支脚1.30水平放置于地面，整个加工中心重量约700kg；至此，小型转台式加工中心主机装配完成；

[0026] 第二步，将175L的自增压液氮罐2.1放置于机床左后方，其出液阀2.2通过螺母一2.3与长1.5m的输入真空软管2.4相连，输入真空软管2.4又通过螺母二2.5与不锈钢硬管
2.6连接；通过螺纹与法兰连接形式，依次连接减压阀2.7、流量计2.8、安全阀2.9、调节阀
2.10、温度传感器2.11和压力传感器2.12，并将不锈钢硬管2.6全程用聚氨酯泡沫包裹方式进行隔热处理；通过螺母三2.14，将不锈钢硬管2.6与真空硬管2.15连接，再通过螺母四
2.16将真空硬管2.15与中段真空软管2.17连接，然后通过螺母五2.18将中段真空软管2.17与输出真空软管2.19相连；采用若干紧固螺箍2.13将不锈钢硬管2.6、真空硬管2.15和中段真空软管2.17固定于机床防护面板2.23上；将调节阀2.10的阀门执行机构2.20通过支架
2.21加固于机床防护面板2.23上，并将数据采集传输模组2.22粘接在机床防护面板2.23上；至此，加工中心内部的液氮隔热传输调控系统装配完成；

[0027] 第三步，将摆头箱体1.23通过螺栓连接固定在Z轴滑枕1.22下端，再将摆头轴承3.6以过渡配合形式安装在摆头箱体1.23中，并用轴承压盖3.5压住摆头轴承3.6的外圈；将摆头电机定子3.3安装在摆头电机壳体3.2内表面；将摆头轴芯3.7顺着摆头轴承3.6的内圈安装到摆头箱体1.23中，其与摆头轴承3.6内圈呈过渡配合，并与摆头箱体1.23留有间隙，再将摆头电机转子3.4安装在摆头轴芯3.7外表面；然后将装有摆头电机定子3.3的摆头电机壳体3.2安装到摆头箱体1.23的内腔中，并用螺栓形式固定；将摆头真空芯轴3.8以过盈配合方式安装于摆头轴芯3.7内，随后将摆头旋转密封接头动环3.10通过螺纹形式拧入摆头轴芯3.7左端；将输出真空软管2.19的自由端依次穿过Z轴滑枕中心孔3.12和摆头安装盖
3.1的L型孔3.13；先将输出真空软管2.19的自由端以过渡形式插入摆头旋转密封接头静环
3.9内孔中，后将摆头旋转密封接头静环3.9以螺纹形式拧入L型孔3.13出口；将摆头安装盖
3.1通过螺栓形式固定于摆头电机壳体3.2外侧，此时摆头旋转密封接头动环3.10与摆头旋转密封接头静环3.9端面精密接触；用摆头箱体侧盖1.26通过螺栓形式将摆头箱体1.23敞口侧盖住；至此，液氮内喷式单摆铣削头中的单摆头部分装配完成；

[0028] 第四步，将铣削头箱体1.24通过螺栓形式固定于摆头箱体1.23右侧，然后将固定接头3.11以螺纹形式拧入摆头轴芯3.7右端，直至抵住摆头真空芯轴3.8；将拉刀碟簧4.9安装到自制的真空隔层拉刀杆4.8上，再将真空隔层拉刀杆4.8装入主轴轴芯4.10中；将主轴旋转密封接头动环4.6通过螺纹形式拧入真空隔层拉刀杆4.8尾端，再将打刀缸4.7整体安装到主轴壳体4.21尾端；将主轴旋转密封接头静环4.4以螺纹形式拧入端子4.3中，并将端子4.3安装在打刀缸4.7上，然后将连接管4.2拧入到端子4.3外侧，直至抵住主轴旋转密封接头静环4.4；其次，将拉刀爪4.11过盈装配到主轴轴芯4.10首端内腔中，再将拉刀楔4.12通过螺纹形式与真空隔层拉刀杆4.8连接；在主轴壳体4.21与主轴壳体头盖4.22上加工一个贯通的抽气孔4.20，并密封连接吸气管4.19；将装配好的铣削头部分安装到铣削头箱体1.24中，并用螺栓形式固定，使吸气管4.19伸出铣削头箱体1.24外；将一根排气管4.23穿过铣削头箱体1.24插入打刀缸4.7上的排气口4.5；选取一根摆头内真空软管4.1，使其一端螺纹连接固定接头3.11，另一端螺纹连接连接管4.2，然后用铣削头箱体顶盖1.25将铣削头箱体1.24顶端敞口封住并螺栓固定；至此，液氮内喷式单摆铣削头中的铣削头部分装配完成；

[0029] 在液氮内喷式冷却加工时，将隔热套管4.17通过螺纹形式装入刀柄4.13中，然后将内冷刀具4.15插入弹簧夹头4.14中，并将弹簧夹头4.14装入刀柄4.13，随后用锁紧螺母4.16将其锁紧；将刀柄4.13插入主轴轴芯4.10锥孔，此时隔热套管4.17与拉刀楔4.12中的环型密封圈4.18过盈配合；拉刀指令发出后，打刀缸4.7加载液压力拉动真空隔层拉刀杆
4.8，拉刀楔4.12随之运动，继而拉刀爪4.11被撑开并将刀柄4.13拉紧，此时主轴旋转密封接头静环4.4与主轴旋转密封接头动环4.6端面接触，实现液氮流体旋转动密封；在真空隔层拉刀杆4.8与隔热套管4.17间断处，依靠环型密封圈4.18实现液氮流体静密封；换刀时，真空隔层拉刀杆4.8回退，主轴旋转密封接头静环4.4与主轴旋转密封接头动环4.6端面分离，液氮由排气口4.5通过排气管4.23排除；

[0030] 在加工中，液氮依次通过输入真空软管2.4、不锈钢硬管2.6、真空硬管2.15、中段真空软管2.17、输出真空软管2.19、摆头旋转密封接头静环3.9、摆头旋转密封接头动环3.10、摆头真空芯轴3.8、固定接头3.11、摆头内真空软管4.1、连接管4.2、主轴旋转密封接头静环4.4、主轴旋转密封接头动环4.6、真空隔层拉刀杆4.8、拉刀楔4.12、隔热套管4.17和内冷刀具4.15的内腔通道；

[0031] 一种实施例中，当加工钛合金等强度较高的金属材料零件时，采用的内冷刀具4.15，其沿刀具内冷通道5.1存在切削刃冷却射流口5.2，液氮可直接冷却切削刃5.4，即直接冷却切削刃5.4与材料的接触区域，此时切削临近区域弥漫的氮气可由吸气管4.19抽走；

[0032] 另一种实施例中，当加工聚醚醚酮等强度较低的高分子材料零件时，采用的内冷刀具4.15，其射流口5.3位于切削刃5.4的根部，接近内冷刀具4.15的刀杆处，故液氮只能间接冷却切削刃5.4，不直接冷却切削刃5.4与材料的接触区域，此时切削临近区域弥漫的氮气可由吸气管4.19抽走；

[0033] 本发明克服了单摆头与电主轴局限空间内温度极低的液氮流体隔热与动密封难题，实现了液氮内喷式冷却功能与小尺寸单摆铣削头的有效集成，同时还具备自动换刀功能；机床内部液氮传输调控系统管路与阀门元件布置合理，不仅实现了液氮的隔热传输与精准调节，还不过多增大小型五轴加工中心尺寸；该机床结合不同类型刀具的使用，可为对冷却温度需求有差异的不同材料零件的高质、高效、清洁加工提供一种可选装置与方法。