精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置的制作方法

本发明涉及数控机床切削液恒温冷却，具体为精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置。

背景技术：

1、精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置是数控机床加工领域用于切削液恒温冷却的关键设备，广泛应用于cnc加工中心、精密磨床、珩磨机等高精度加工设备。当前人形机器人、机器狗轻量化关节壳体、传动支架等零部件大多采用铝合金材料数控铣削成型，铝合金热膨胀系数高，且机器人结构件多为薄壁结构、尺寸公差严苛；切削液温度波动极易引发工件、刀具热变形，造成批量加工尺寸漂移，因此稳定维持切削液温度均衡，是保障铝构件加工精度、改善表面质量、延长刀具使用寿命的核心条件。

2、现有浸入式冷却机的盘管通常采用固定式安装结构，直接将蒸发器盘管悬挂或固定在冷却液箱内，通过制冷剂在盘管内循环流动与外部切削液进行热交换。然而，上述传统固定式盘管结构在实际应用中存在以下技术问题：固定式盘管的安装高度不可调节，无法适应不同深度的冷却液箱，当液箱深度与盘管尺寸不匹配时，容易出现盘管浸没深度不足或者盘管贴近箱底堆积铝屑的不利问题，设备难以兼容多型号数控机床，增加了设备改造投入与现场生产管理难度；

3、而且，现有固定式盘管周围的切削液在冷却过程中容易形成温度分层，靠近盘管的液体温度较低而远离盘管的液体温度较高，盘管外壁形成稳定的温度边界层，换热效率随时间逐渐下降，造成箱内切削液局部温差过大；固定螺距式盘管无法主动扰动切削液，仅依靠自然对流换热，换热系数低，冷却响应速度慢，难以满足人形机器人铝合金薄壁构件高速精加工工况下快速恒温的需求；固定式盘管与供液管的连接处为刚性固定，无法补偿热胀冷缩和液面变化产生的位移，长期使用容易导致密封失效和切削液泄漏。

4、综上所述，现有浸入式冷却机存在盘管高度不可调、温度边界层持续增厚、换热效率偏低等技术问题。因此，研发一种能够自适应液面变化、扰动切削液、强化换热、均衡冷却液温度的精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置，是面向人形机器人铝构件精密加工领域的技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置，包括切削液箱体、浸入式冷却机；所述浸入式冷却机固定在切削液箱体上；还包括有多级浮动盘管组件；

3、所述多级浮动盘管组件设置于浸入式冷却机底部，且位于切削液箱体内；

4、所述多级浮动盘管组件包括上盘管单元、中盘管单元和下盘管单元，所述上盘管单元、中盘管单元和下盘管单元通过辅助软管依次连通；

5、所述上盘管单元的顶部固定连通有波纹管，所述波纹管与浸入式冷却机制冷管路连通；且所述下盘管单元底部也通过管路与另一波纹管连通，构成一个热交换回路；

6、每个所述盘管单元上均固定连接有浮力调节件，所述上盘管单元、中盘管单元和下盘管单元相互独立浮动；

7、所述浮力调节件包括配重块、空腔柱以及收缩式气囊，所述空腔柱螺纹连接于配重块顶部；

8、所述收缩式气囊设置于空腔柱内，所述收缩式气囊通过气管与外界泵气设备连接；

9、所述浸入式冷却机底部固定连接有竖向导轨，所述空腔柱滑动适配于竖向导轨内。

10、作为优选的，还包括有切削液水体层温处理组件；

11、所述切削液水体层温处理组件包括有齿条件、传动齿轮、轮轴、轴承以及扰动轮；

12、所述齿条件通过辅助杆固定连接于最底端的浮力调节件的配重块的底面；

13、所述扰动轮以及传动齿轮呈对称式固定连接于轮轴两端，所述轮轴穿插固定连接于轴承内，所述传动齿轮与齿条件相互啮合；

14、所述竖向导轨上固定连接有安装支架，所述轴承内嵌于安装支架上。

15、作为优选的，所述上盘管单元、中盘管单元和下盘管单元的直径相同且螺距依次递减，形成上疏下密的盘管分布结构。

16、作为优选的，所述收缩式气囊为波纹式折叠气囊。

17、作为优选的，所述波纹管为不锈钢伸缩式管体，所述波纹管的伸缩行程与浮力调节件的升降行程相适配。

18、作为优选的，所述空腔柱的侧壁竖向开设有贯通的长条槽孔，外界切削液经该长条槽孔进入空腔柱内部与收缩式气囊外壁接触。

19、与现有技术相比，本发明提供了精密加工冷却液多级恒温平衡热交换装置，具备以下有益效果：

20、1、本发明通过第一组件/多级浮动盘管组件的设计，能带来如下好处：

21、多单元分体独立浮动，设备通用性大幅提升，适配多种规格切削液箱体：通过设计将换热盘管拆分为上、中、下三段独立盘管单元，每段盘管单元配套独立浮力调节件，可单独升降调节高度，摒弃传统整体固定式盘管无法调整安装高度的缺陷；针对不同加工机床配套深度尺寸存在差异的切削液箱体，各盘管单元可分别调整悬浮位置，有效降低设备定制、改造与采购成本，现场产线兼容适配能力显著增强；

22、气囊浮力电控自适应调节，实时匹配液位动态波动，稳定有效换热面积：机床启停阶段切削液在管路、工作台与箱体间流转，会造成箱体液位瞬时下降与回升；长期加工切削液损耗需定期补液，箱体液位长期处于浮动状态；装置通过液位传感器辅助采集液面高度信号，由总控制器控制气泵调节收缩式气囊内部充气量，气囊膨胀/收缩改变浮力调节件整体浮力，驱动上、中、下盘管单元自主升降，有效维持各盘管单元合理浸没深度；低液位时气囊充气膨胀提升浮力，防止盘管下沉贴近箱底掩埋铝屑；高液位时气囊放气收缩降低浮力，避免上段盘管整体上浮裸露、换热面积锐减，全程保证充足且稳定的换热面积，温控不会随液位起伏大幅漂移；

23、避免两大传统盘管核心故障工况，降低运维成本，延长装置使用寿命：传统固定式盘管无法随液位调整高度，极易出现两类弊端：盘管位置过低则贴近箱底，加工铝件产生的铝屑持续淤积包裹盘管外壁，形成隔热层削弱换热，同时碎屑长期腐蚀盘管；盘管位置偏高则液位降低后盘管局部裸露，气液换热效率暴跌、制冷负荷失衡；本设计各盘管单元可自适应调整悬浮高度，始终与箱底预留防沉渣间隙、与液面维持安全浸没高度，有效规避铝屑包裹盘管、盘管裸露失效两类问题，减少盘管清理维护频次，延缓盘管腐蚀老化，延长换热部件使用寿命。

24、2、本发明通过第二组件/切削液水体层温处理组件的设计，能带来如下好处：

25、无外部动力自驱动扰动，降低设备能耗与改造成本，结构简洁可靠：本组件依托机床运行过程中天然存在的切削液液面起伏作为唯一动力源，利用多级浮动盘管组件的浮力调节件升降运动实现传动，无需额外配置驱动电机、搅拌水泵、配套供电线路及控制模块。对比传统增设独立搅拌机构的冷却设备，大幅减少耗电部件，降低量产使用能耗；同时省去电机安装、密封防水、线路布线等配套结构，简化箱体内部布局，减少零部件数量，降低整机生产、改造及后期电气维护成本；

26、持续破除盘管外壁温度边界层，显著提升换热系数，加快恒温响应速度：传统固定式盘管仅依靠切削液自然对流完成热交换，盘管外壁极易形成静止低温滞流边界层，阻隔管壁与切削液之间的热量传递，换热效率低、温度调节滞后明显。本组件通过扰动轮持续搅动盘管周边流体，不断冲刷、打散管壁附着的静态温度边界层，强化管壁与切削液的强制对流换热，换热系数大幅提升；切削液热量交换速度加快，能够快速抵消铣削人形机器人铝合金薄壁件产生的瞬时集中热量，缩短温度调节滞后时间，保障切削液快速稳定至设定恒温区间；

27、形成液面波动—扰动搅拌的自增强正反馈循环，全域均衡切削液温度场：机床启停、盘管自适应升降带来液面小幅波动，带动浮力调节件上下位移，竖向齿条随浮力调节件同步运动并啮合驱动传动齿轮、扰动轮旋转；扰动轮搅动切削液会进一步加剧箱内流体流动与液面起伏，放大浮力调节件的升降行程，反向提升扰动轮搅拌幅度与频率，构建自增强正反馈循环。该机制可推动箱体上部低温切削液与底部高温回流切削液充分掺混，消除储液箱竖向温度分层现象，箱内全域切削液温度均匀性大幅提升，避免局部温差过大造成铝制工件、刀具热变形，保障精密加工尺寸一致性；

28、传动结构随盘管自适应同步动作，适配液位全工况：扰动机构的动力输入部件竖向齿条直接集成于浮力调节件底部，与多级浮动盘管组件联动一体，可跟随盘管单元同步自适应升降；无论箱体处于低液位、标准液位还是高液位工况，只要存在液面起伏，齿条与齿轮啮合传动即可正常工作，扰动轮持续产生搅拌作用；不会因液位变化、盘管升降出现搅拌失效、传动卡滞问题，实现全加工周期不间断流体扰动，全程维持高效换热状态。

29、3、本发明通过上盘管单元、中盘管单元和下盘管单元的直径相同且螺距依次递减，形成上疏下密的盘管分布结构，能带来如下好处：

30、匹配箱体天然上冷下热温度分布，底层定向强化换热，有效削弱竖向温度分层：切削液回流后高温流体自然沉降在冷却液箱体底部，上层切削液温度更低；本设计三段盘管直径统一、螺距从上至下逐级减小，下盘管单元螺距最小、缠绕最密集，单位高度内换热管路更长、有效换热面积更大，可针对性对箱底聚集的高温切削液集中散热，快速带走回流切削携带的加工余热；中盘管单元中等螺距实现箱体中部区间均衡换热，上盘管单元采用大螺距预留流体对流空间，避免上层低温液体堆积滞留，上下换热强度分级适配箱体温度梯度，大幅缩小箱内切削液上下温差；

31、与自驱动扰动机构协同增效，底层强化边界层破除，上层保障流体掺混通道：下层密绕盘管管壁排布密集，扰动轮搅动切削液时，流体与盘管外壁接触频次显著提升，流体冲刷作用能够持续、高效冲散盘管外壁静态低温边界层，强制对流换热效果进一步放大；上层大螺距盘管间隙宽阔，不会阻挡扰动产生的竖向对流，底层高温流体向上、上层低温流体向下可自由流通混合，高低温切削液充分交融，进一步消除箱体局部温差，最大化发挥切削液水体层温处理组件的自扰动降温作用，形成“底层强换热、上层强流通”的协同优化搭配；

32、减少铝屑淤积包裹盘管，长期稳定换热效率，降低清理维护工作量：加工人形机器人铝合金构件会产生大量微细铝屑并向箱底沉降；下层密绕盘管虽换热面多，但紧凑排布可阻挡大块铝屑嵌入盘管缝隙、大面积包覆管壁形成隔热污垢；上层宽螺距间隙便于悬浮细小铝屑随对流流体穿过盘管，不会卡在盘管之间堆积结块；相较等密盘管，能延缓隔热垢层生成速度，长期运行换热衰减幅度更小，减少人工拆解清洗盘管的频次，降低运维成本，延长盘管使用寿命。

33、4、本发明通过配重块、空腔柱以及收缩式气囊构成浮力调节件的设计，能带来如下好处：

34、配重块可拆卸螺纹装配，适配多种切削液与加工工况，装置通用性更强：配重块与空腔柱采用螺纹可拆卸连接，工作人员可根据乳化切削液、合成切削液等不同介质密度，以及轻负荷精加工、大余量铣削高热负荷等工况，更换不同重量的配重块，调整浮力调节件自重基准。在不同型号机床、不同规格液箱配套使用时，仅更换配重即可完成浮力匹配，无需改造气囊、盘管主体结构，大幅拓宽装置适用范围；

35、一套结构实现双重功能，集成度高，简化箱体内部布局，降低零部件成本：本浮力调节件由配重块、空腔柱、收缩式气囊一体化装配而成，具备两大核心作用；一方面作为多级浮动盘管组件的浮力调控载体，依靠气囊充气量改变整体浮力，自主调节各盘管单元浸没深度，适配不同液箱深度与波动液位；另一方面作为切削液水体层温处理组件的动力源载体，液位变化带动浮力调节件同步升降，驱动齿条齿轮传动机构带动扰动轮搅拌切削液。单一部件同时承担浮力调节与动力输出双重作用，无需分别设置独立浮体、搅拌驱动构件，减少箱体内部零件数量，简化装配结构，降低整机加工、组装与采购成本。