CN203092250U - 切削液气雾微量润滑装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种切削液气雾微量润滑装置，包括微量润滑气雾发生装置，微量润滑气雾发生装置的喷嘴上设有能够使喷嘴喷出的切削液气雾带电的充电电极，充电电极与高压静电发生器连接。本技术方案采用带电切削液气雾对切削加工区域进润滑冷却，切削液滴带电后具有更小的粒径、表面张力和粘度等特点，这样可以提高切削液滴在工件-刀具-切屑接触区域的渗透性、润滑性和冷却性，从而提高加工工件的表面质量以及刀具的耐用度。
Description
技术领域
本实用新型属于切削加工领域和气雾微量润滑技术领域，特别涉及一种切削液气雾微量润滑装置，可用于车床、铣床和磨床等进行机械切削加工时工具和工件的润滑和冷却。
背景技术
切削加工中，为降低切削温度、延长刀具寿命以及提高工件表面质量和尺寸精度，切削液被大量使用。传统加工中，切削液一般以浇注方式供给，对加工区域进行润滑冷却。切削液在给机械制造业带来利益的同时，产生了诸如资源消耗、环境污染和影响员工健康等不利因素。在完全没有切削液的条件下进行的干切削加工，目前只适用于铸铁和普通钢件等的高速切削加工，不适合高温合金和钛合金等材料的加工。干切削加工是机械制造技术的一个终极发展方向。
微量润滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL）技术利用压缩空气将微量润滑剂雾化成微米级液滴，喷向切削区，对刀具与工件、切屑的接触界面进行润滑，减少摩擦和并防止切屑粘附到刀具上，同时润滑剂液滴和压缩空气还起到冷却切削区的作用。MQL技术能在不缩短刀具使用寿命、不降低加工表面质量的前提下，减少了切削液的使用量，节约了资源，避免了废液回收处理的麻烦。MQL是介于干式切削与湿式切削之间的准绿色加工技术，在机械加工中应用日益广泛。
微量润滑气雾发生装置将压缩空气和切削液分别输送至喷嘴并混合，雾化的切削液滴与压缩空气形成气液两相流喷向目标物。微量润滑气雾发生装置中，切削液供给方式一般有两大类：第一类装置利用文丘里效应，由压缩空气将切削液连续带入，结构简单，但切削液流量较大；另一类装置通过频率发生器控制气动油泵实现供油，特点是切削液间歇供给，流量较小。
MQL的切削液用量一般在每小时数十至数百毫升之间，在不降低机械加工的润滑、冷却性能的前提下，进一步减少切削液用量，可以降低生产成本，节约资源；提高喷雾在加工区域的润滑性和冷却性，有利于提高工件的表面质量，降低工具的磨损，延长其使用寿命。
因此，如何进一步提高切削液的润滑性和冷却性，减少切削液用量，是微量润滑技术的发展方向。
使液体带静电的应用场合很多：农药静电喷雾是应用高压静电在喷头与目标间建立一静电场，而药液流经喷头雾化后通过相应的充电方法被充以电荷形成群体荷电雾滴，然后在静电场力和其他外力作用下，雾滴作定向运动而吸附在目标上。具有雾滴尺寸均匀、沉积性能好、飘移损失小、雾群分布均匀，尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴等优点。静电喷涂依靠静电场的环抱效应，使更多的涂料被吸附于目标体，有效的提高了喷涂设备的传递效率，使涂膜均匀丰满。
在带电液体润滑方面，美国喷洒***公司公开了静电润滑剂分配***专利（CN101415987A），用于将润滑剂引导至金属零件，起到润滑作用。该***利用压缩空气驱动油泵将润滑剂输送至喷洒嘴，润滑剂在喷嘴体内与高压电极接触荷电，喷嘴口的带电液滴受金属目标物吸引，滴入需润滑的金属表面。该专利用于“需要以非常慢的流速将流体涂覆至非常小的区域”。该专利的主要特征是①喷嘴喷出的是纯液滴，非气雾，纯液滴体积远大于气雾液滴；②液滴的流速非常慢，③纯液滴在感应静电场中依靠静电力的作用滴入目标区域。该方法不能用于切削加工区域的润滑和冷却，更不能提高切削液的润滑性和冷却性。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种切削液气雾微量润滑装置，采用带电切削液气雾对切削加工区域进润滑冷却，切削液滴带电后具有更小的粒径、表面张力和粘度等特点，这样可以提高切削液滴在工件-刀具-切屑接触区域的渗透性、润滑性和冷却性，从而提高加工工件的表面质量以及刀具的耐用度。
为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：
一种切削液气雾微量润滑装置，包括微量润滑气雾发生装置，微量润滑气雾发生装置的喷嘴上设有能够使喷嘴喷出的切削液气雾带电的充电电极，充电电极与高压静电发生器连接。
所述充电电极使切削液气雾带电的方式如下：所述充电电极可以通过静电感应方式使喷嘴口的切削液带电，则该充电电极称为感应电极；或者是，所述充电电极可以通过电晕放电方式使喷嘴口的切削液带电，则该充电电极称为电晕电极；再或者是，所述充电电极可以通过接触放电方式使喷嘴口的切削液带电，则该充电电极称为接触电极。
作为优选，所述微量润滑气雾发生装置包括气泵、调节阀、流量计、过滤器、气动频率发生器、气动油泵、切削液储存箱、双层气/液管接口板、内液外气双层气/液管和喷嘴；气泵将压缩空气经调节阀、流量计、过滤器送至双层气/液管接口板，气动频率发生器控制气动油泵从切削液储存箱将切削液送至双层气/液管接口板；内液外气双层气/液管将切削液和压缩空气送至喷嘴形成切削液气雾。
所述充电电极为感应电极、电晕电极或者接触电极。
作为优选，所述喷嘴包括喷嘴头、喷嘴头内壳、喷嘴头外壳、感应电极、高压静电接线柱、切削液接地端子和喷嘴座。
或者优选，所述喷嘴包括电晕电极、喷嘴头和高压静电接线柱。
再或者优选，所述喷嘴包括接触电极、喷嘴头和喷嘴座。
本实用新型由于采用了以上的技术方案，以带电切削液气雾代替现有技术中的不带电切削液气雾。因为带电气雾的切削液液滴的粒径、表面张力和粘度变小，在目标区域的渗透性、润滑性和冷却性变好；同时，带电气雾的切削液液滴受到充电电极与接地目标物之间的静电场力的作用，在目标区域的定向吸附能力增强，且对于脱离目标区域的带电液滴可以吸附在目标物外壳，减少了工作场所的颗粒物污染。经反复试验证明，本实用新型方案提高了切削液气雾的润滑性和冷却性，减少了切削刀具的磨损，提高了加工零件的表面质量，减少了切削液气雾对工作环境的污染。
附图说明
图1是本实用新型切削液气雾微量润滑装置的结构示意图。
图2是本实用新型感应电极喷嘴的结构示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本实用新型电晕电极喷嘴的结构示意图。
图5是本实用新型接触电极喷嘴的结构示意图。
图6是图5的B-B剖视图。
图7是本实用新型切削液气雾微量润滑切削加工的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。
实施例1：
如图1所示的切削液气雾微量润滑装置，包括微量润滑气雾发生装置，微量润滑气雾发生装置的喷嘴12上设有能够使喷嘴12喷出的切削液气雾带电的充电电极，充电电极与高压静电发生器13连接。所述微量润滑气雾发生装置包括气泵1、调节阀2、流量计3、过滤器4、气动频率发生器6、气动油泵9、切削液储存箱7、双层气/液管接口板10、内液外气双层气/液管11和喷嘴12；气泵1将压缩空气经调节阀2、流量计3、过滤器4送至双层气/液管接口板10，气动频率发生器6控制气动油泵9从切削液储存箱7将切削液送至双层气/液管接口板10；内液外气双层气/液管11将切削液和压缩空气送至喷嘴12形成切削液气雾。压力表5显示压缩空气气压。当喷嘴12集成感应电极，并连接高压静电发生器13，喷嘴12喷出带电切削液气雾，此时，应将切削液储存箱7中的切削液接地8，或者在感应电极喷嘴处将切削液接地。当喷嘴12集成电晕电极，并连接静电高压发生器13，喷嘴12喷出带电切削液气雾。当喷嘴12集成接触电极，并连接高压静电发生器13，喷嘴12喷出带电切削液气雾，此时，应将切削液输送回路绝缘。
如图2、图3所示的一种带电切削液气雾微量润滑装置用感应电极喷嘴，由喷嘴头29、喷嘴头内壳21、喷嘴头外壳22、感应电极23、高压静电接线柱24、切削液接地端子25、喷嘴座26、切削液输液内管27和输气外管28组成。这里的切削液输液内管27和输气外管28即为上述内液外气双层气/液管11。
如图4所示的一种带电切削液气雾微量润滑装置用电晕电极喷嘴，由电晕电极31、喷嘴头32、高压静电接线柱33、切削液输液内管27和输气外管28组成。
如图5、图6所示的一种带电切削液气雾微量润滑装置用接触电极喷嘴，由接触电极41、喷嘴头42、喷嘴座43、切削液输液内管27和输气外管28组成。利用接触电极喷嘴时，要确保气雾发生装置与其他物体绝缘。
下面通过多种实验对本实用新型使用方法和效果进行进一步说明：
实验1：
美国ITW公司ACCU-LUBE LB-2000纯天然植物润滑油广泛应用于微量润滑，但其电导率小于10-9S/m，利用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠进行改性，增加其电导率。先用15g十二烷基苯磺酸钠加入到纯净水中，配制成100mL的十二烷基苯磺酸钠饱和溶液，将上述100mL溶液加入到233mL的LB-2000润滑油中，用均质机充分混合，形成切削液。用电导率仪测得该切削液的电导率为2.46×10-1S/m。
利用上述电晕电极喷嘴，接高压静电时产生带电切削液气雾，不接高压静电时产生不带电切削液气雾。为比较两种气雾的润滑特性，进行气雾四球摩擦性能试验。摩擦实验条件：MMW-1型万能摩擦磨损试验机，四球摩擦副，Ⅱ级GCr15钢球，钢球直径12.7mm，试验转速1000r/min，载荷147N；切削液为上述配制的十二烷基苯磺酸钠改性LB-2000切削油；在电晕电极施加15000伏负高压，压缩气体压力0.4MPa，切削液供给量30mL/h，摩擦试验时间5min。所用静电高压发生器为EST705-60高精度高稳定静电高压发生器，输出电压0~60kV，最大输出电流2mA。利用带电和不带电切削液气雾进行四球摩擦性能试验得到摩擦系数：带电切削液气雾平均摩擦系数为0.08，不带电切削液气雾平均摩擦系数为0.11。带电切削液气雾的润滑性能明显好于不带电切削液气雾。
实验2：
采用沈阳机床厂CAK6150D数控卧式车床进行切削加工，润滑冷却采用机床自带浇注式供液***，喷嘴为常规塑料万向水管。浇注式供液为纯切削液供给，无压缩空气。切削液采用广州市联诺化工科技有限公司生产的NC300不锈钢加工油，并用十二烷基苯磺酸钠饱和溶液改性，两者体积比为9:1。为验证浇注式润滑冷却条件下切削液带电对切削加工性能的影响，在塑料喷嘴前端设置一接触电极，接触电极与喷嘴喷出的液流接触，使NC300油性切削液带电。所用静电高压发生器为EST705-60高精度高稳定静电高压发生器。
所述两种车削加工方法的工艺参数见下表。
经所述不带电浇注式润滑冷却下车削加工8分钟，工件的表面粗糙度值Ra分别为1.08微米，刀具后刀面磨损量VB值74微米；经所述带电浇注式润滑冷却下车削加工8分钟，工件的表面粗糙度值Ra分别为1.02微米，刀具后刀面磨损量VB值76微米。两者比较，工件的表面粗糙度和后刀面磨损量差别不大。说明大流量浇注式切削液供给下，切削液荷电对工件的表面粗糙度和后刀面磨损影响不显著。
实验3：
如图7所示，进行切削液气雾微量润滑车削加工，喷嘴12指向刀具62和工件63，切削液气雾对刀具62、工件63和切屑64起到润滑冷却作用。车削加工时，切削液气雾可直接进入刀具62前刀面65与切屑64之间的区域；同时工件63的旋转运动导致刀具62后刀面66与工件63之间的区域形成负压，气雾被卷吸进这个区域，气雾对后刀面66和工件63起到润滑冷却作用。
本实验中，喷嘴12为感应电极喷嘴，将微量润滑***的储液箱中的切削液接地。所用静电高压发生器为EST705-60高精度高稳定静电高压发生器。当感应电极喷嘴施加高压静电时，即为本发明方法。作为比较，感应电极喷嘴不施加高压静电时，即可实现常规不带电切削液气雾微量润滑车削加工的方法。
采用沈阳机床厂CAK6150D数控卧式车床进行切削加工，所述两种车削加工方法的工艺参数见下表。
经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工16分钟、32分钟和48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.49微米、0.43微米和0.44微米，加工48分钟后刀具后刀面磨损量VB值84微米；经所述不带电切削液气雾微量润滑车削加工16分钟、32分钟和48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.56微米、0.69微米和0.82微米，加工48分钟后刀具后刀面磨损量VB值114微米。两者比较，本发明方案的带电切削液气雾微量润滑切削加工后，工件的表面粗糙度值更小，刀具更耐磨。
实验4：
在实验3的带电切削液气雾微量润滑车削加工工艺基础上，改变感应充电电压V，分别为2000V、5000V和15000V，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。1000V、5000V和15000V感应电压下经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.71微米、0.56微米和0.79微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为101微米、96微米和107微米。
感应充电电压优选为1000V至20000V。感应电压过低，切削液的荷电量小；感应电压过高，感应电极边缘产生电晕放电现象，影响切削液的感应荷电。
实验5：
在实验3的切削液气雾微量润滑车削加工工艺基础上，改变切削液喷雾流量L，分别为10mL/h、60mL/h和100mL/h，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。同时并行开展不带电切削液气雾微量润滑车削加工对比实验，即感应充电电压0V，切削液喷雾流量分别为10mL/h、60mL/h和100mL/h，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。
10mL/h、60mL/h和100mL/h流量下经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.70微米、0.51微米和0.62微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为104微米、86微米和98微米。
10mL/h、60mL/h和100mL/h流量下经所述不带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.97微米、0.85微米和0.88微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为122微米、116微米和119微米。
这是由于喷雾流量低时，抵达切削区域的荷电气雾量少，影响润滑冷却效果；喷雾流量大时，尽管抵达切削区域的荷电气雾量增多，但切削液的荷质比减小，也影响荷电气雾的润滑冷却效果。因此，切削液流量优选为5mL/h至150mL/h，以保证较好的润滑冷却效果。
改变切削液流量条件下，与带电切削液气雾微量润滑车削比较，利用不带电切削液气雾微量润滑车削加工后，工件的表面粗糙度值Ra和刀具后刀面磨损量VB值均有所增加。因此，利用带电切削液气雾微量润滑工艺具有更好的润滑冷却效果。
实验6：
在实验3的切削液气雾微量润滑车削加工工艺基础上，改变喷雾气压P，分别为0.1MPa、0.6MPa和1.0MPa，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。同时并行开展不带电切削液气雾微量润滑车削加工对比实验，即感应充电电压0V，喷雾气压分别为0.1MPa、0.6MPa和1.0MPa，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。
0.1MPa、0.6MPa和1.0MPa气压下经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.81微米、0.65微米和0.91微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为111微米、96微米和120微米。
0.1MPa、0.6MPa和1.0MPa气压下经所述不带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为1.03微米、0.87微米和1.16微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为127微米、119微米和132微米。
这是由于气压低时，切削液滴粒直径大，润滑效果差，并且压缩空气对切削区域冷却效果也弱；气压高时，尽管切削液滴粒直径变小，但气雾的速度增大，不利于液滴在切削区的吸附，影响润滑效果差。因此，压缩空气气压优选为0.05MPa至1.2MPa，以保证较好的润滑冷却效果。
改变气压条件下，与带电切削液气雾微量润滑车削比较，利用不带电切削液气雾微量润滑车削加工后，工件的表面粗糙度值Ra和刀具后刀面磨损量VB值均有所增加。因此，利用带电切削液气雾微量润滑工艺具有更好的润滑冷却效果。
实验7：
在实验3的切削液气雾微量润滑车削加工工艺基础上，采用电晕荷电方式对切削液荷电，电压分别为5000V、15000V、25000V和30000V，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。
5000V、15000V、25000V和30000V电压下经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.78微米、0.59微米、0.46微米和0.50微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为109微米、95微米、87微米和89微米。
电晕充电电压优选为3000V至30000V（改成35000V）。电压过低，电晕电极附近空气电离不足，影响切削液滴荷电效果；电压增加，电极产生电晕放电，提高切削液滴荷电效果；电晕电压进一步增加，切屑从金属工件分离时如果距离电晕喷嘴较近，容易造成短路，静电高压发生器过载，停止工作。
实验8：
在实验3的切削液气雾微量润滑车削加工工艺基础上，采用接触充电方式对切削液荷电，电压分别为5000V、15000V、25000V和35000V，加工时间48分钟，其他工艺参数不变。接触充电气雾微量润滑时，要保证气雾发生***绝缘。5000V、15000V、25000V和35000V电压下经所述带电切削液气雾微量润滑车削加工48分钟后，工件的表面粗糙度值Ra分别为0.58微米、0.51微米、0.47微米和0.48微米，刀具后刀面磨损量VB值分别为91微米、87微米、86微米和88微米。
接触充电电压优选为2000V至40000V。电压过低，切削液荷电不足。在15000V至35000V范围内，接触充电气雾微量润滑的加工性能差别不大。但是，接触充电时由于要求气雾发生***绝缘，安全性要求提高。
切削液流量和压缩空气气压参数对电晕充电气雾润滑加工和接触充电气雾润滑加工的影响基本等同感应充电气雾润滑加工，不再一一叙述。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本实用新型的范围也不应当视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，包括微量润滑气雾发生装置，微量润滑气雾发生装置的喷嘴（12）上设有能够使喷嘴（12）喷出的切削液气雾带电的充电电极，充电电极与高压静电发生器（13）连接。
2.根据权利要求1所述的一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，所述微量润滑气雾发生装置包括气泵（1）、调节阀（2）、流量计（3）、过滤器（4）、气动频率发生器（6）、气动油泵（9）、切削液储存箱（7）、双层气/液管接口板（10）、内液外气双层气/液管（11）和喷嘴（12）；气泵（1）将压缩空气经调节阀（2）、流量计（3）、过滤器（4）送至双层气/液管接口板（10），气动频率发生器（6）控制气动油泵（9）从切削液储存箱（7）将切削液送至双层气/液管接口板（10）；内液外气双层气/液管（11）将切削液和压缩空气送至喷嘴（12）形成切削液气雾。
3.根据权利要求1所述的一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，所述充电电极为感应电极、电晕电极或者接触电极。
4.根据权利要求1所述的一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，所述喷嘴（12）包括喷嘴头、喷嘴头内壳、喷嘴头外壳、感应电极、高压静电接线柱、切削液接地端子和喷嘴座。
5.根据权利要求1所述的一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，所述喷嘴（12）包括电晕电极、喷嘴头和高压静电接线柱。
6.根据权利要求1所述的一种切削液气雾微量润滑装置，其特征在于，所述喷嘴（12）包括接触电极、喷嘴头和喷嘴座。
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