CN102029551A - 一种对切削加工进行润滑和冷却的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对切削加工进行润滑和冷却的方法及其装置。在植物油或去离子水中加入体积比为1～5％、粒径达20～40纳米的纳米颗粒，然后添加体积比为0.05～0.15％的分散剂并配以频率为10～40kHz的超声波振动，以获得均匀且分散性好的油基或水基纳米颗粒悬浮液，再在压力为0.3～1MPa的压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液充分雾化成直径达到微米级的雾粒，高压雾粒通过喷嘴冲破刀具及工件表面气障层射向切削区，对切削区进行润滑和冷却。本发明是一种能将润滑性能和导热性能优良的冷却介质有效地注入切削区，以改善切削区的润滑状态、减小摩擦、减少发热，并将产生的热量及时带走的对切削加工进行润滑和冷却的方法及其装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种对切削加工进行润滑和冷却的方法，本发明还涉及实现该方法的装置。
背景技术
切削加工过程中，特别是高硬难加工材料，加工区会产生大量的热，为了避免工件出现热损伤，必须对加工区进行润滑和冷却，以减少热量的产生，并将产生的热量及时带走。目前，对加工区进行润滑和冷却的方法主要包含：浇注切削液法、水蒸汽冷却法、液氮冷却法、低温冷风冷却法和微量润滑(即MQL)技术。其中，在浇注切削液过程中能够进入切削区并真正起润滑和冷却作用的切削液的量很少，而且进入切削区的这少部分切削液受热后会迅速汽化为“蒸汽膜”，蒸汽膜的出现会阻碍新的切削液进入高温切削区，同时，切削液的大量使用会污染环境；水蒸汽冷却法会加速金属材料工件生锈；液氮冷却法成本很高；低温冷风冷却和MQL技术分别是采用气相和气液两相冷却，冷却效果不太理想。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能将润滑性能和导热性能优良的冷却介质有效地注入切削区，以改善切削区的润滑状态、减小摩擦、减少发热，并将产生的热量及时带走的对切削加工进行润滑和冷却的方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种实现该方法的装置。
为了解决第一个技术问题，本发明提供的对切削加工进行润滑和冷却的方法，包括切削液，在切削液中按体积比为1～5％的比例加入粒径达20～40纳米的纳米颗粒和0.05-0.15％的分散剂，在频率为10～40KHz的超声振动下形成润滑和导热性能大大增强且悬浮稳定性能优良的纳米颗粒悬浮液，在压力为0.3-1MPa的压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液雾化成直径达到微米级的雾粒，高压雾粒冲破刀具和工件表面气障层射向切削区，进行润滑和冷却。
所述的纳米颗粒为氧化铝、多壁碳纳米管或氧化锌。
所述的分散剂为十二烷基磺酸钠SDBS，化学纯，阴离子型；或十六烷基三甲基溴化铵CTAB，化学纯，阳离子型。
所述的切削液为植物油或去离子水中。
所述的植物油为菜油、油茶油或蓖麻油。
为了解决第二个技术问题，本发明提供的实现对切削加工进行润滑和冷却的方法的装置，包括喷嘴、容器、节流阀、流量计、储气罐、过滤器、减压阀和压缩机，所述的容器放置在超声波振动平台上。
所述的超声波振动平台的振动频率为10～40KHz。
采用上述技术方案的对切削加工进行润滑和冷却的方法及其装置，与现有技术相比，其技术效果在于：
①雾粒中含有一定的纳米颗粒，使得切削区的润滑性能得到极大改善，刀具与工件之间的摩擦系数大大下降，因摩擦而产生的切削热将大为减少。
②众所周知，固体的导热系数通常比液体的要大几个数量级，因此，在切削液中添加纳米颗粒制备成纳米颗粒悬浮液后其传热性能会显著提高；纳米颗粒悬浮液雾化后雾粒的直径达到微米级，这极大地增加了换热面积，进一步提高了雾粒的传热系数；同时，根据强化传热理论，由于喷雾射流具有较高的射流速度，使得工件和刀具表面对流换热系数获得极大提高。
③当切削区的热流密度增大至足够产生沸腾时，水雾(针对水基纳米颗粒悬浮液)受热后会迅速汽化将带走切削热，降低磨削温度；油雾(针对油基纳米颗粒悬浮液)在切削区起润滑作用，能有效降低切削区的摩擦，抑制切削热的产生。
④由于该装置润滑性能优良，传热效果好，使得切削温度和切削力急剧下降，刀具磨损大大降低，刀具振动非常小，工件表面粗糙度大为降低，表面质量大为改善，生产效率也会得到提高。
⑤植物油(或去离子水)消耗量极小，通常为10-50ml/小时，而且完全可以自行分解，无公害、无毒性、没有***反应，这使得工作环境大为改善，不会对人体造成伤害；同时，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；不会腐蚀机床；降低了加工成本。
综上所述，本发明是一种能将润滑性能和导热性能优良的冷却介质有效地注入切削区，以改善切削区的润滑状态、减小摩擦、减少发热，并将产生的热量及时带走的对切削加工进行润滑和冷却的方法及其装置。
附图说明
图1是微量纳米颗粒悬浮液喷雾射流冷却装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明采用的用于对切削加工进行润滑和冷却的方法是；在植物油(如菜油，油茶油或蓖麻油)或去离子水中加入体积比为1～5％、粒径达20-40纳米的纳米颗粒(如氧化铝Al2O3，多壁碳纳米管或氧化锌ZnO)，然后添加体积比为0.05～0.15％的分散剂(如十二烷基磺酸钠SDBS，化学纯，阴离子型；或十六烷基三甲基溴化铵CTAB，化学纯，阳离子型)并配以频率为10～40KHz的超声波振动，以获得均匀且分散性好的油基(或水基)纳米颗粒悬浮液，在压力为0.3～1MPa的压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液充分雾化成直径达到微米级的雾粒，高压雾粒通过喷嘴冲破刀具(如车刀，铣刀，钻头，砂轮等)和工件表面气障层射向切削区，对切削区进行润滑和冷却。
本发明提供的实现用于对切削加工进行润滑和冷却的方法的装置，压缩机1设有减压阀2，减压阀2出口连接有过滤器3、储气罐4、压力表5、第一节流阀6、第一流量计7和喷嘴8，储气罐4通过第二节流阀14连接容器13，容器13安装在超声波振动平台11上，容器13装有纳米颗粒悬浮液12，容器13经流量计10连接喷嘴8。
如图1所示，从压缩机1出来的压缩空气通过减压阀2，经过滤器3去除其中的杂质储存在储气罐4中，获得稳定的气源，构成供气装置，供气压力可以通过减压阀2进行调节，压力表5可以读取压力大小。稳压空气经第一节流阀6和第一流量计7进入喷嘴8，为纳米颗粒悬浮液雾化装置提供稳定气流，第一节流阀6可以调节空气流量，气流量调节范围为50-200L/min，流量可以通过第一流量计7读取。同时，稳压空气还经第二节流阀14注入装有纳米颗粒悬浮液12的容器13内，容器13安装在超声波振动平台11上，纳米颗粒悬浮液12在压缩空气的作用下经第二流量计10进入喷嘴8，为纳米颗粒悬浮液雾化装置提供纳米颗粒悬浮液，第二节流阀14可以调节空气的流量，进而调节纳米颗粒悬浮液12的流量，纳米颗粒悬浮液流量的调节范围为10-50ml/h。在喷嘴8内，纳米颗粒悬浮液在压缩空气的作用下充分雾化成直径达到微米级的雾粒9，高压雾粒9冲破刀具和工件表面气障层射向切削区，润滑和冷却切削区。在容器13中按1～5％加入事先制备的粒径达20-40纳米的纳米颗粒(如氧化铝Al2O3，多壁碳纳米管或氧化锌ZnO)和植物油(如菜油，油茶油或蓖麻油)或去离子水，再添加体积比为0.05～0.15％的分散剂(如十二烷基磺酸钠SDBS，化学纯，阴离子型；十六烷基三甲基溴化铵CTAB，化学纯，阳离子型)，分散剂使纳米颗粒表面吸引异电离子形成双电层，并通过双电层之间的排斥作用使颗粒之间发生团聚的引力大大降低，实现纳米颗粒的分散的目的。在超声波振动平台11上辅以振动频率为10～40KHz的超声振动，从物理上解决纳米颗粒悬浮液的团聚问题，可以获得悬浮性能稳定的纳米颗粒悬浮液。
影响微量纳米颗粒悬浮液喷雾射流润滑冷却效果的主要因素包括纳米颗粒悬浮液的导热性能和喷射参数，纳米颗粒悬浮液导热性能主要取决于纳米颗粒的种类、粒径、体积含量、植物油的种类和分散剂的种类及其体积含量等，喷射参数包括空气压力、气流量、纳米颗粒悬浮液流量等。笔者将该装置引入到切削加工中，进行了如下实施案例的实验，发现与传统的浇注冷却、干式加工和MQL技术进行了比较，该润滑冷却装置的润滑性能、冷却效果、加工质量有了较大的提高。
在实际应用中，纳米颗粒的种类除了上述提及到的几种材料以外，还包含许多其它金属、金属氧化物和非金属材料，如铜、四氧化三铁、金刚石粉末等。基液的种类除了上述的植物油和去离子水以外，还可以采用生物降解能力好的机油、合成油。实际工作中需要根据具体加工情况来制备相应的纳米颗粒悬浮液和选取相应的喷雾参数。
Claims (7)
1.一种对切削加工进行润滑和冷却的方法，包括切削液，其特征是：在切削液中按体积比为1～5％的比例加入粒径达20～40纳米的纳米颗粒和0.05-0.15％的分散剂，在频率为10～40KHz的超声振动下形成润滑和导热性能大大增强且悬浮稳定性能优良的纳米颗粒悬浮液，在压力为0.3-1MPa的压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液雾化成直径达到微米级的雾粒，高压雾粒冲破刀具和工件表面气障层射向切削区，进行润滑和冷却。
2.根据权利要求1所述的对切削加工进行润滑和冷却的方法，其特征是：所述的纳米颗粒为氧化铝、多壁碳纳米管或氧化锌。
3.根据权利要求1或2所述的对切削加工进行润滑和冷却的方法，其特征是：所述的分散剂为十二烷基磺酸钠SDBS，化学纯，阴离子型；或十六烷基三甲基溴化铵CTAB，化学纯，阳离子型。
4.根据权利要求1或2所述的对切削加工进行润滑和冷却的方法，其特征是：所述的切削液为植物油或去离子水中。
5.根据权利要求4所述的对切削加工进行润滑和冷却的方法，其特征是：所述的植物油为菜油、油茶油或蓖麻油。
6.实现权利要求1所述的对切削加工进行润滑和冷却的方法的装置，包括喷嘴(8)、容器(13)和储气罐(4)，其特征是：所述的容器(13)放置在超声波振动平台(11)上。
7.根据权利要求6所述的实现对切削加工进行润滑和冷却的方法的装置，其特征是：所述的超声波振动平台(11)的振动频率为10～40KHz。
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