專利名稱：一種對切削加工進行潤滑和冷卻的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，本發(fā)明還涉及實現(xiàn)該方法的直O(jiān)背景技術
切削加工過程中，特別是高硬難加工材料，加工區(qū)會產生大量的熱，為了避免工件 出現(xiàn)熱損傷，必須對加工區(qū)進行潤滑和冷卻，以減少熱量的產生，并將產生的熱量及時帶 走。目前，對加工區(qū)進行潤滑和冷卻的方法主要包含澆注切削液法、水蒸汽冷卻法、液氮冷 卻法、低溫冷風冷卻法和微量潤滑(即MQL)技術。其中，在澆注切削液過程中能夠進入切 削區(qū)并真正起潤滑和冷卻作用的切削液的量很少，而且進入切削區(qū)的這少部分切削液受熱 后會迅速汽化為“蒸汽膜”，蒸汽膜的出現(xiàn)會阻礙新的切削液進入高溫切削區(qū)，同時，切削液 的大量使用會污染環(huán)境；水蒸汽冷卻法會加速金屬材料工件生銹；液氮冷卻法成本很高； 低溫冷風冷卻和MQL技術分別是采用氣相和氣液兩相冷卻，冷卻效果不太理想。發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是提供一種能將潤滑性能和導熱性能優(yōu)良的 冷卻介質有效地注入切削區(qū)，以改善切削區(qū)的潤滑狀態(tài)、減小摩擦、減少發(fā)熱，并將產生的 熱量及時帶走的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法。
本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是提供一種實現(xiàn)該方法的裝置。
為了解決第一個技術問題，本發(fā)明提供的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，包 括切削液，在切削液中按體積比為1 5%的比例加入粒徑達20 40納米的納米顆粒和 0. 05-0. 15%的分散劑，在頻率為10 40KHz的超聲振動下形成潤滑和導熱性能大大增強 且懸浮穩(wěn)定性能優(yōu)良的納米顆粒懸浮液，在壓力為0. 3-lMPa的壓縮空氣作用下將納米顆 粒懸浮液霧化成直徑達到微米級的霧粒，高壓霧粒沖破刀具和工件表面氣障層射向切削 區(qū)，進行潤滑和冷卻。
所述的納米顆粒為氧化鋁、多壁碳納米管或氧化鋅。
所述的分散劑為十二烷基磺酸鈉SDBS，化學純，陰離子型；或十六烷基三甲基溴 化銨CTAB，化學純，陽離子型。
所述的切削液為植物油或去離子水中。
所述的植物油為菜油、油茶油或蓖麻油。
為了解決第二個技術問題，本發(fā)明提供的實現(xiàn)對切削加工進行潤滑和冷卻的方法 的裝置，包括噴嘴、容器、節(jié)流閥、流量計、儲氣罐、過濾器、減壓閥和壓縮機，所述的容器放 置在超聲波振動平臺上。
所述的超聲波振動平臺的振動頻率為10 40KHz。
采用上述技術方案的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法及其裝置，與現(xiàn)有技術相 比，其技術效果在于
①霧粒中含有一定的納米顆粒，使得切削區(qū)的潤滑性能得到極大改善，刀具與工 件之間的摩擦系數大大下降，因摩擦而產生的切削熱將大為減少。
②眾所周知，固體的導熱系數通常比液體的要大幾個數量級，因此，在切削液中添 加納米顆粒制備成納米顆粒懸浮液后其傳熱性能會顯著提高；納米顆粒懸浮液霧化后霧粒 的直徑達到微米級，這極大地增加了換熱面積，進一步提高了霧粒的傳熱系數；同時，根據 強化傳熱理論，由于噴霧射流具有較高的射流速度，使得工件和刀具表面對流換熱系數獲 得極大提高。
③當切削區(qū)的熱流密度增大至足夠產生沸騰時，水霧(針對水基納米顆粒懸浮 液)受熱后會迅速汽化將帶走切削熱，降低磨削溫度；油霧(針對油基納米顆粒懸浮液)在 切削區(qū)起潤滑作用，能有效降低切削區(qū)的摩擦，抑制切削熱的產生。
④由于該裝置潤滑性能優(yōu)良，傳熱效果好，使得切削溫度和切削力急劇下降，刀具 磨損大大降低，刀具振動非常小，工件表面粗糙度大為降低，表面質量大為改善，生產效率 也會得到提高。
⑤植物油(或去離子水)消耗量極小，通常為10_50ml/小時，而且完全可以自行 分解，無公害、無毒性、沒有變態(tài)反應，這使得工作環(huán)境大為改善，不會對人體造成傷害；同 時，粘附在工件上的油污很少，清洗方便；切屑是干燥的，收集方便；不會腐蝕機床；降低了 加工成本。
綜上所述，本發(fā)明是一種能將潤滑性能和導熱性能優(yōu)良的冷卻介質有效地注入切 削區(qū)，以改善切削區(qū)的潤滑狀態(tài)、減小摩擦、減少發(fā)熱，并將產生的熱量及時帶走的對切削 加工進行潤滑和冷卻的方法及其裝置。


圖1是微量納米顆粒懸浮液噴霧射流冷卻裝置示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明采用的用于對切削加工進行潤滑和冷卻的方法是；在植物油(如菜油，油 茶油或蓖麻油)或去離子水中加入體積比為1 5%、粒徑達20-40納米的納米顆粒(如氧 化鋁Al2O3，多壁碳納米管或氧化鋅SiO)，然后添加體積比為0. 05 0. 15 %的分散劑(如 十二烷基磺酸鈉SDBS，化學純，陰離子型；或十六烷基三甲基溴化銨CTAB，化學純，陽離子 型)并配以頻率為10 40KHz的超聲波振動，以獲得均勻且分散性好的油基(或水基)納 米顆粒懸浮液，在壓力為0. 3 IMPa的壓縮空氣作用下將納米顆粒懸浮液充分霧化成直徑 達到微米級的霧粒，高壓霧粒通過噴嘴沖破刀具(如車刀，銑刀，鉆頭，砂輪等)和工件表面 氣障層射向切削區(qū)，對切削區(qū)進行潤滑和冷卻。
本發(fā)明提供的實現(xiàn)用于對切削加工進行潤滑和冷卻的方法的裝置，壓縮機1設有 減壓閥2，減壓閥2出口連接有過濾器3、儲氣罐4、壓力表5、第一節(jié)流閥6、第一流量計7和 噴嘴8，儲氣罐4通過第二節(jié)流閥14連接容器13，容器13安裝在超聲波振動平臺11上，容 器13裝有納米顆粒懸浮液12，容器13經流量計10連接噴嘴8。
如圖1所示，從壓縮機1出來的壓縮空氣通過減壓閥2，經過濾器3去除其中的雜質儲存在儲氣罐4中，獲得穩(wěn)定的氣源，構成供氣裝置，供氣壓力可以通過減壓閥2進行調 節(jié)，壓力表5可以讀取壓力大小。穩(wěn)壓空氣經第一節(jié)流閥6和第一流量計7進入噴嘴8，為 納米顆粒懸浮液霧化裝置提供穩(wěn)定氣流，第一節(jié)流閥6可以調節(jié)空氣流量，氣流量調節(jié)范 圍為50-200L/min，流量可以通過第一流量計7讀取。同時，穩(wěn)壓空氣還經第二節(jié)流閥14注 入裝有納米顆粒懸浮液12的容器13內，容器13安裝在超聲波振動平臺11上，納米顆粒懸 浮液12在壓縮空氣的作用下經第二流量計10進入噴嘴8，為納米顆粒懸浮液霧化裝置提 供納米顆粒懸浮液，第二節(jié)流閥14可以調節(jié)空氣的流量，進而調節(jié)納米顆粒懸浮液12的流 量，納米顆粒懸浮液流量的調節(jié)范圍為10-50ml/h。在噴嘴8內，納米顆粒懸浮液在壓縮空 氣的作用下充分霧化成直徑達到微米級的霧粒9，高壓霧粒9沖破刀具和工件表面氣障層 射向切削區(qū)，潤滑和冷卻切削區(qū)。在容器13中按1 5%加入事先制備的粒徑達20-40納 米的納米顆粒(如氧化鋁Al2O3，多壁碳納米管或氧化鋅SiO)和植物油(如菜油，油茶油或 蓖麻油)或去離子水，再添加體積比為0. 05 0. 15%的分散劑(如十二烷基磺酸鈉SDBS， 化學純，陰離子型；十六烷基三甲基溴化銨CTAB，化學純，陽離子型)，分散劑使納米顆粒表 面吸引異電離子形成雙電層，并通過雙電層之間的排斥作用使顆粒之間發(fā)生團聚的引力大 大降低，實現(xiàn)納米顆粒的分散的目的。在超聲波振動平臺11上輔以振動頻率為10 40KHz 的超聲振動，從物理上解決納米顆粒懸浮液的團聚問題，可以獲得懸浮性能穩(wěn)定的納米顆 粒懸浮液。
影響微量納米顆粒懸浮液噴霧射流潤滑冷卻效果的主要因素包括納米顆粒懸浮 液的導熱性能和噴射參數，納米顆粒懸浮液導熱性能主要取決于納米顆粒的種類、粒徑、體 積含量、植物油的種類和分散劑的種類及其體積含量等，噴射參數包括空氣壓力、氣流量、 納米顆粒懸浮液流量等。筆者將該裝置引入到切削加工中，進行了如下實施案例的實驗，發(fā) 現(xiàn)與傳統(tǒng)的澆注冷卻、干式加工和MQL技術進行了比較，該潤滑冷卻裝置的潤滑性能、冷卻 效果、加工質量有了較大的提高。
權利要求
1.一種對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，包括切削液，其特征是在切削液中按體 積比為1 5%的比例加入粒徑達20 40納米的納米顆粒和0. 05-0. 15%的分散劑，在頻 率為10 40KHz的超聲振動下形成潤滑和導熱性能大大增強且懸浮穩(wěn)定性能優(yōu)良的納米 顆粒懸浮液，在壓力為0. 3-lMPa的壓縮空氣作用下將納米顆粒懸浮液霧化成直徑達到微 米級的霧粒，高壓霧粒沖破刀具和工件表面氣障層射向切削區(qū)，進行潤滑和冷卻。
2.根據權利要求1所述的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，其特征是所述的納米 顆粒為氧化鋁、多壁碳納米管或氧化鋅。
3.根據權利要求1或2所述的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，其特征是所述的 分散劑為十二烷基磺酸鈉SDBS，化學純，陰離子型；或十六烷基三甲基溴化銨CTAB，化學 純，陽離子型。
4.根據權利要求1或2所述的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，其特征是所述的 切削液為植物油或去離子水中。
5.根據權利要求4所述的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法，其特征是所述的植物 油為菜油、油茶油或蓖麻油。
6.實現(xiàn)權利要求1所述的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法的裝置，包括噴嘴(8)、容 器(1 和儲氣罐G)，其特征是所述的容器(1 放置在超聲波振動平臺(11)上。
7.根據權利要求6所述的實現(xiàn)對切削加工進行潤滑和冷卻的方法的裝置，其特征是 所述的超聲波振動平臺(11)的振動頻率為10 40KHZ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對切削加工進行潤滑和冷卻的方法及其裝置。在植物油或去離子水中加入體積比為1～5％、粒徑達20～40納米的納米顆粒，然后添加體積比為0.05～0.15％的分散劑并配以頻率為10～40kHz的超聲波振動，以獲得均勻且分散性好的油基或水基納米顆粒懸浮液，再在壓力為0.3～1MPa的壓縮空氣作用下將納米顆粒懸浮液充分霧化成直徑達到微米級的霧粒，高壓霧粒通過噴嘴沖破刀具及工件表面氣障層射向切削區(qū)，對切削區(qū)進行潤滑和冷卻。本發(fā)明是一種能將潤滑性能和導熱性能優(yōu)良的冷卻介質有效地注入切削區(qū)，以改善切削區(qū)的潤滑狀態(tài)、減小摩擦、減少發(fā)熱，并將產生的熱量及時帶走的對切削加工進行潤滑和冷卻的方法及其裝置。
文檔編號B23Q11/10GK102029551SQ201010551978
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2010年11月18日
發(fā)明者周志雄, 張健, 李岳林, 毛聰, 胡宏偉, 邵毅敏, 鄒洪富 申請人:長沙理工大學