一種可控納米流體霧滴噴霧切削方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種切削加工冷卻和潤滑領(lǐng)域中的可控納米流體霧滴噴霧切削方法及裝置，刀具通過導(dǎo)線連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器的正極輸出端并接地，充電噴嘴通過高壓電纜連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極輸出端，充電噴嘴的后端通過硅橡膠管連接微量注射泵，微量注射泵向充電噴嘴輸送納米流體，可調(diào)高壓靜電發(fā)生器給充電噴嘴提供直流負(fù)高壓，在刀具表面感應(yīng)出與充電噴嘴極性相反的正電荷，在噴嘴與刀具間建立高壓靜電場，充分發(fā)揮納米流體霧滴對切削區(qū)的冷卻潤滑作用，提高對切削區(qū)的冷卻潤滑效果；通過改變噴嘴與刀具間的靜電場可調(diào)控納米流體霧滴的大小、分布及運動軌跡，實現(xiàn)霧滴向切削區(qū)的定向可控輸運。
【專利說明】一種可控納米流體霧滴噴霧切削方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及切削加工冷卻和潤滑領(lǐng)域，具體為一種納米流體霧滴噴霧切削方法及
裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]切削加工是獲得零件的主要方法。在切削加工中，去除材料所消耗能量的絕大部分都轉(zhuǎn)化為切削熱并集中在切削區(qū)域，引起刀具高溫，導(dǎo)致刀具快速磨損。這在高速、高效切削時表現(xiàn)更為突出。以往通常以向切削區(qū)澆注大量切削液的方式來達(dá)到降低切削溫度，延長刀具壽命，進而提高加工效率的目的。然而因刀具和切屑、刀具和工件接觸界面存在著很高的壓力，使得向切削區(qū)澆注大量切削液時，能夠進入切削區(qū)并真正起到冷卻潤滑作用的切削液僅占極小的比例，無法對切削區(qū)進行有效地?fù)Q熱，并且大量使用切削液會帶來諸如零件制造成本大幅度提高、環(huán)境嚴(yán)重污染、危害工人身體健康等負(fù)面影響。
[0003]微量潤滑（Minimumquantity lubrication, MQL)是將壓縮空氣與微量無污染、可降解的綠色潤滑劑(植物油、合成酯等）混合霧化后噴射至加工區(qū)，從而對刀具和工件進行冷卻潤滑的一種準(zhǔn)干式切削技術(shù)。它可減小切削接觸界面的摩擦，延長刀具壽命，并且使用潤滑劑的量僅為傳統(tǒng)濕式切削用量的萬分之一，節(jié)約了資源，減少了環(huán)境污染。目前，微量潤滑技術(shù)存在兩個主要的問題：1)因潤滑油在高溫下的潤滑能力下降，甚至蒸發(fā)而喪失潤滑機能導(dǎo)致微量潤滑的冷卻潤滑性能難以滿足切削加工，尤其是高速、高效加工的需求；2)以壓縮空氣作為霧滴傳送載體，引起油霧微粒向空氣中的飄散，造成油霧微粒濃度增加，對工作環(huán)境和人體健康均產(chǎn)生不利的影響。因此，如何有效改善微量潤滑的冷卻潤滑性能，減少油霧微粒向空氣中的飄散，降低空氣中油霧微粒濃度是微量潤滑技術(shù)亟需解決的問題。
[0004]納米流體是將納米顆粒按一定的比例和方式添加到基液中形成的兩相懸浮液。目前采用的基液主要有水、乙二醇、機油、變壓器油等，所用的納米顆粒主要有金屬、非金屬、氧化物、氮化物及碳化物等。研究表明，納米流體可顯著提高基液的傳熱性能和減摩抗磨性能，同時由于小尺寸效應(yīng)和布朗運動，與傳統(tǒng)添加微米或毫米固體粒子的流體相比，懸浮穩(wěn)定性更好。納米流體的諸多優(yōu)異特性已使其作為微量潤滑的冷卻潤滑介質(zhì)來彌補微量潤滑冷卻潤滑能力不足的缺陷。
[0005]在霧滴傳送方式方面，中國專利申請?zhí)枮?01310042095. 9、名稱為“一種納米流體靜電霧化可控射流微量潤滑磨削系統(tǒng)”，公開的是將納米流體磨削液和壓縮空氣分別通過供液系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)同時送入電暈荷電噴嘴，納米流體由壓縮空氣帶動從噴嘴體出口噴出霧化，同時被高壓直流靜電發(fā)生器荷電為可控射流。該專利申請以氣動力作為納米流體磨削液霧化的主要驅(qū)動力，霧滴是在氣動力和電場力的作用下分布到加工工件的磨削區(qū)，當(dāng)霧滴在氣動力和電場力的作用下分布到加工工件磨削區(qū)時，由于氣動力高于電場力，難以通過調(diào)節(jié)電場來做到霧滴的有效可控分布，因此霧滴在傳送過程中的可控程度有限，進而降低霧滴在傳送過程中對環(huán)境污染的效果有限。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種可控納米流體霧滴噴霧切削方法，采用在高壓靜電場作用下納米流體破碎成的帶電霧滴對切削區(qū)進行冷卻潤滑，通過電場控制帶電霧滴向切削區(qū)域的輸運過程，從而降低霧滴在傳送過程中的飄散，減少對環(huán)境的污染；本發(fā)明同時提供一種可實施上述切削方法的可控納米流體霧滴噴霧切削裝置，以靜電力為霧化驅(qū)動力，實現(xiàn)霧滴向加工區(qū)的可控輸運。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種所述可控納米流體霧滴噴霧切削裝置采用的技術(shù)方案是:包括刀具和充電噴嘴，刀具通過導(dǎo)線連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器的正極輸出端并接地，充電噴嘴通過高壓電纜連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極輸出端，充電噴嘴的后端通過硅橡膠管連接微量注射泵，微量注射泵向充電噴嘴輸送納米流體，充電噴嘴的前端出口處面對刀具。
[0008]進一步地，充電噴嘴的前端與刀具的表面之間的夾角是20?45度；在充電噴嘴的中心軸方向上，充電噴嘴的前端至刀具表面之間的噴射距離為20?50mm。
[0009]本發(fā)明所述一種可控納米流體霧滴噴霧切削方法采用的技術(shù)方案是按以下步驟:
O以去離子水或以植物性潤滑油或不飽和多元醇酯為基液，將固體納米顆粒和基液混合，經(jīng)超聲振動得到納米流體；固體納米顆粒采用金屬或非金屬物質(zhì)的納米顆粒，金屬是鋁或鋅或銅，非金屬是石墨、二硫化鑰、金剛石或納米碳管，固體納米顆粒的粒度為I?10nm,固體納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-1% ；
2)可調(diào)高壓靜電發(fā)生器給充電噴嘴提供直流負(fù)高壓，在刀具表面感應(yīng)出與充電噴嘴極性相反的正電荷,并在兩者之間形成靜電場,產(chǎn)生電力線；同時,將制備好的納米流體通過微量注射泵送入充電噴嘴進行荷電；
3 )當(dāng)納米流體荷電后的荷電量達(dá)到臨界值時，帶電納米流體表面電荷之間的靜電斥力大于其表面張力和粘性力，使納米流體破碎成帶電霧滴從充電噴嘴(3)噴射出，帶負(fù)電的納米流體霧滴受充電噴嘴同性電荷的排斥，并受到刀具表面異性電荷的吸引，在電場力的推動下沿著電力線作定向運動，從不同方向飛向切削區(qū)，對切削區(qū)進行冷卻潤滑。
[0010]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明在噴嘴與刀具間建立高壓靜電場，微量納米流體送至噴嘴充電，當(dāng)荷電量達(dá)到臨界值時，納米流體破碎成為帶電霧滴，在電場力的作用下霧滴沿電力線從不同方向飛向切削區(qū)，對切削區(qū)實施冷卻潤滑。通過改變噴嘴與刀具間的靜電場可調(diào)控納米流體霧滴的大小、分布及運動軌跡，進而實現(xiàn)霧滴向切削區(qū)的定向可控輸運，從而使納米流體霧滴從刀具前刀面與切屑之間的接觸面、后刀面與加工表面之間的接觸面及刀齒兩側(cè)等多條路線同時向切削區(qū)滲透，增加其向切削區(qū)的滲透性，充分發(fā)揮納米流體霧滴對切削區(qū)的冷卻潤滑作用，提高對切削區(qū)的冷卻潤滑效果。此外，靜電參與納米流體霧化過程產(chǎn)生的霧滴粒徑小且分布均勻，有利于霧滴向切削區(qū)的滲透；并且與現(xiàn)有的納米流體氣動霧化裝置相比，霧化原理和霧滴輸運方式上均不同，本發(fā)明可控納米流體霧滴噴霧切削裝置更加簡單。
[0011]2、本發(fā)明將具有優(yōu)異傳熱性能或高溫潤滑性能的固體納米顆粒分散至基液中制成納米流體，納米流體荷電霧化后帶電霧滴在電場力的作用下向切削區(qū)作定向運動，有效減少小直徑霧滴的飄移散失，降低空氣中霧滴濃度，改善工作環(huán)境。同時，由于靜電感應(yīng)原理，使得納米流體霧滴與刀具表面之間帶有相互吸引的異性電荷，增加了霧滴與刀具表面之間的吸引力，減少高速霧滴撞擊切削壁面時的反彈與飛濺，提高噴霧沉積量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種可控納米流體霧滴噴霧切削裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中充電噴嘴3放大的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖3是圖1中充電噴嘴3和刀具4放大的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是圖1所述切削裝置工作時納米流體帶電霧滴向切削區(qū)輸運原理示意圖。
[0013]圖中:1.可調(diào)高壓靜電發(fā)生器；2.微量注射泵；3.充電噴嘴；4.刀具；5.硅橡膠管；6.高壓電纜；7.導(dǎo)線；8.中心通孔。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發(fā)明一種可控納米流體霧滴噴霧切削裝置包括刀具4和充電噴嘴3，刀具4的材料為硬質(zhì)合金或高速鋼。充電噴嘴3位于刀具4旁，刀具4通過導(dǎo)線7連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器I的正極輸出端并接地，充電噴嘴3通過高壓電纜6連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器I的負(fù)極輸出端，由可調(diào)高壓靜電發(fā)生器I給充電噴嘴3提供直流負(fù)高壓。充電噴嘴3的后端通過硅橡膠管5連接微量注射泵2，微量注射泵2向充電噴嘴3輸送納米流體，充電噴嘴3的前端出口處面對刀具4。
[0015]如圖2所示，充電噴嘴3的中心開有中心通孔8，用于連通硅橡膠管5，從微量注射泵2輸送的納米流體經(jīng)硅橡膠管5和充電噴嘴3的中心通孔8后到達(dá)充電噴嘴3的前端。充電噴嘴3為金屬噴嘴，充電噴嘴3的前端呈錐形，因?qū)w所形成的電場的場強與導(dǎo)體表面的曲率半徑成正比，所以充電噴嘴3出口設(shè)計為錐形，以提高納米流體液滴的荷電效果。
[0016]如圖3所示，充電噴嘴3的前端與其所面對的刀具4的表面之間的夾角α是20?45度，在充電噴嘴3的中心軸方向上，充電噴嘴3的前端至刀具4表面之間的距離是噴射距離D，噴射距離D為20?50mm。
[0017]可控納米流體霧滴噴霧切削裝置工作時，首先要制備納米流體。納米流體是固體納米顆粒分散至基液中形成的兩相懸浮液，是以去離子水為基液的水基納米流體或以植物性潤滑油或不飽和多元醇酯為基液的油基納米流體，將固體納米顆粒和基液按一定比例混合后，再用超聲振動，得到穩(wěn)定的兩相懸浮液。固體納米顆粒采用金屬或非金屬物質(zhì)的納米顆粒。金屬是鋁或鋅或銅，非金屬是石墨、二硫化鑰、金剛石或納米碳管。固體納米顆粒的粒度在I?10nm之間，固體納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1_1%。
[0018]可調(diào)高壓靜電發(fā)生器I給充電噴嘴3提供直流負(fù)高壓，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，在刀具4表面感應(yīng)出與充電噴嘴3極性相反的正電荷，并在兩者之間形成靜電場，產(chǎn)生電力線，參見圖4?？烧{(diào)高壓靜電發(fā)生器I輸出的直流高壓的范圍為O?-120KV。同時，將制備好的納米流體通過微量注射泵2泵入硅橡膠管5，經(jīng)硅橡膠管5送入充電噴嘴3進行荷電，輸送過程中，使納米流體的流量為10-200ml/h。納米流體流經(jīng)充電噴嘴3時，與帶直流負(fù)高壓的充電噴嘴3直接接觸，帶上與充電噴嘴3同極性的負(fù)電荷，充電噴嘴3前端出口處的高場強電離周圍空氣產(chǎn)生大量正負(fù)離子，發(fā)生電暈放電，與充電噴嘴3相異極性的正離子被充電噴嘴3中和，與充電噴嘴3極性相同負(fù)離子受同性電荷的排斥并使周圍形成負(fù)離子區(qū)，納米流體與電暈放電產(chǎn)生的負(fù)離子相撞而進一步帶上負(fù)電荷。負(fù)電暈放電的起暈電壓較正電暈放電低而擊穿電壓較正電暈放電高。充電噴嘴3通過接觸充電和電暈充電相結(jié)合的方式對納米流體充電，可提高充電效果。
[0019]當(dāng)采用的納米流體是水基納米流體時，充電噴嘴3的電壓為-5KV到-30KV，電流不大于1mA。當(dāng)采用的納米流體是油基納米流體時，充電噴嘴3的電壓為為-20KV到-60KV，電流不大于1mA。
[0020]納米流體荷電后，導(dǎo)致其表面張力下降和內(nèi)壓差增加，從而減小霧化阻力，當(dāng)荷電量臨界值達(dá)到瑞利極限時，帶電納米流體表面電荷之間的靜電斥力大于其表面張力和粘性力，使納米流體無法保持穩(wěn)定狀態(tài)，破碎成帶電霧滴從充電噴嘴3噴射出來。參見圖3，帶負(fù)電的納米流體霧滴受充電噴嘴3同性電荷的排斥，并受到刀具4表面異性電荷的吸弓丨，在電場力的推動下，沿著電力線作定向運動，從不同的方向高速飛向切削區(qū)B，對切削區(qū)B進行冷卻潤滑。納米流體液滴破碎與液滴在電場中的荷電量有關(guān)，而荷電量又與液滴所處電場的電場強度有關(guān)。荷電量臨界值的計算公式如下：
= (8Λ·2κτη?}3)1/2,式中Wji—荷電量臨界值，c , f 一周圍介質(zhì)的介電常數(shù)A —納米流體表面張力，mN/m ； D 一納米流體霧滴直徑，μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種可控納米流體霧滴噴霧切削裝置，包括刀具(4)和充電噴嘴(3)，其特征是:刀具(4)通過導(dǎo)線(7)連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器(I)的正極輸出端并接地，充電噴嘴(3)通過高壓電纜(6)連接可調(diào)高壓靜電發(fā)生器(I)的負(fù)極輸出端，充電噴嘴(3)的后端通過硅橡膠管(5 )連接微量注射泵(2 )，微量注射泵(2 )向充電噴嘴(3 )輸送納米流體，充電噴嘴(3 )的前端出口處面對刀具(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控納米流體霧滴噴霧切削裝置，其特征是:充電噴嘴(3)的前端與刀具(4)的表面之間的夾角是20~45度；在充電噴嘴(3)的中心軸方向上，充電噴嘴(3)的前端至刀具(4)表面之間的噴射距離為20~50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控納米流體霧滴噴霧切削裝置，其特征是:充電噴嘴(3)的中心開有用于連通硅橡膠管(5)的中心通孔(8);充電噴嘴(3)的前端呈錐形。
4.一種如權(quán)利要求1所述可控納米流體霧滴噴霧切削裝置的切削方法，其特征是按以下步驟: O以去離子水或以植物性潤滑油或不飽和多元醇酯為基液，將固體納米顆粒和基液混合，經(jīng)超聲振動得到納米流體；固體納米顆粒采用金屬或非金屬物質(zhì)的納米顆粒，金屬是鋁或鋅或銅，非金屬是石墨、二硫化鑰、金剛石或納米碳管，固體納米顆粒的粒度為I~10nm,固體納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-1% ； 2)可調(diào)高壓靜電發(fā)生器(I)給充電噴嘴(3)提供直流負(fù)高壓，在刀具(4)表面感應(yīng)出與充電噴嘴(3)極性相反的正電荷，并在兩者之間形成靜電場，產(chǎn)生電力線；同時，將制備好的納米流體通過微量注射泵(2)送入充電噴嘴(3)進行荷電； 3 )當(dāng)納米流體荷電后的荷電量達(dá)到臨界值時，帶電納米流體表面電荷之間的靜電斥力大于其表面張力和粘性力，使納米流體破碎成帶電霧滴從充電噴嘴(3)噴射出，帶負(fù)電的納米流體霧滴受充電噴嘴(3)同性電荷的排斥，并受到刀具(4)表面異性電荷的吸引，在電場力的推動下沿著電力線作定向運動，從不同方向飛向切削區(qū)，對切削區(qū)進行冷卻潤滑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削方法，其特征是:荷電量臨界值是:(Ir = βπ2εσ0Ο3)ιη , 是荷電量臨界值，C ; ^是周圍介質(zhì)的介電常數(shù)；了是納米流體表面張力，mN/m ； D是納米流體霧滴直徑，μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削方法，其特征是:步驟I)中可調(diào)高壓靜電發(fā)生器(I)輸出的直流高壓為O~-120KV ;步驟2)中，納米流體的流量為10-200ml/h。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削方法，其特征是:以去離子水為基液的納米流體是水基納米流體，以植物性潤滑油或不飽和多元醇酯為基液的納米流體是油基納米流體，當(dāng)采用的納米流體是水基納米流體時，充電噴嘴(3)的電壓為-5KV到-30KV，電流不大于ImA ;當(dāng)采用的納米流體是油基納米流體時，充電噴嘴(3)的電壓為為-20KV到-60KV，電流不大于ImA0
【文檔編號】B23Q11/10GK104029079SQ201410229717
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】蘇宇, 趙忠超, 陳丹丹, 劉志強, 李碧, 曹卉, 宮樂 申請人:江蘇科技大學(xué)