低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统的制作方法

本发明涉及机械加工中的高速高效绿色切削技术领域，特别是涉及一种低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统。

背景技术：

高速切削是一种已经广泛应用于航空、模具、汽车等行业的高性能工艺技术。传统切削大量使用切削液已经成为机械加工行业对环境的重要污染，并且引发了各种负面效应。废弃的切削液会污染到土壤和空气，并且切削液对人体是有害的，吸入人体后会引发各种疾病，并且切削液的使用成本也很高，在使用的过程中对机床有一定的腐蚀性。切削液渗透到加工区能力的强弱，是衡量润滑冷却的关键，在传统加工过程中，机床主轴的高速回转产生巨大的离心力、高速流场流，传统浇注冷却方式下大部分的切削液难以进入切削区域，难以对加工区域实现有效的冷却；尤其是在加工钛合金、高温合金、航空复合材料等难加工材料时，由于加工时温度比一般材料温度更高，所以传统的冷却润滑系统无法有效的对其进行降温，从而导致刀具寿命快速降低，工件质量不好等问题。因此，研究新型的绿色切削技术是推动绿色技术发展的重要环节，是实现机械制造可持续发展的必然要求。

传统的微量润滑技术，由于在切削区的温度很高，微量的切削油在高温下很容易就会失去润滑的效果，起不到很好的降温的作用，严重影响了刀具寿命以及加工的质量。传统油雾水雾复合喷雾技术，虽然微细水滴颗粒在雾化过程中可以吸收大量的热量，但是相比于加工过程中产生的热量，复合喷雾技术的加工效果仍然不够显著，特别是在加工钛合金、高温合金、航空复合材料等难加工材料时，切削的温度会更高，切削温度对刀具的寿命影响更加显著。

低温冷风油膜附水滴技术是一种新型金属加工的润滑方式，即半干式切削也叫准干式切削，指将压缩气体进行制冷后与极其微量的油雾水雾混合后，形成微米级别的雾状颗粒，高速喷射到切削区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效润滑降温的一种切削加工方法。低温冷风油膜附水滴技术通过使用冷风、水雾来进行降温，水雾在与加工区域相接触时会发生汽化相变而变成水蒸气，吸收大量的热量，配合涡流管和二级压缩制冷对压缩空气制出的冷风，使降温效果更加明显。同时也可以降低冷风的使用量，减少涡流管热气体的排放，降低噪音；同时，通过油雾来进行润滑，减少刀具与工件、切屑之间的摩擦，并提高刀具的寿命和工件的加工质量等。

涡流管是一种结构简单的能量分离装置。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳制冷效应。

低温冷风油膜附水滴技术可以起到抑制切削区温度升高，减少刀具与工件、切屑与刀具之间的摩擦，并且可以有效的将切屑及时排出，防止粘连以及提高工件加工质量的作用。使用润滑液少，但是对加工效果的改善却十分显著，在提高了工效的同时，又不会污染环境。

低温冷风油膜附水滴技术采用外部冷却润滑方式：外部冷却润滑方式工作原理相对较简单，首先将雾化的油雾跟水导入涡流雾化喷嘴口与低温气体混合，再利用高压低温气体通过喷嘴将雾化后形成的毫微米级气雾不断地喷射到切削点。另外在高速机床加工中，机床主轴高速旋转所产生较大的离心力会使油雾与水雾很难进入切削区，因此需要更大的压力克服离心力的影响，才能使油雾顺利到达切削区。

低温冷风油膜附水滴技术充分利用润滑剂的润滑特性，以及低温冷风与水雾蒸发的降温特性，在高速切削难加工材料时会迅速降低切削区温度，使工件的加工质量更好。通过将低温切削与复合喷雾技术结合是当今在加工钛合金、高温合金、航空复合材料等难加工材料时，最为有效的冷却润滑方式之一。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统，可产生超低温冷风、微米级油雾和水雾，通过外部输入的高压气体经过制冷后喷射到切削加工区域，高压气体可以保证油雾和水雾能克服刀具高转速离心力及流场的影响，顺利达加工区区域，该系统自带压缩制冷机制冷以及涡流管制冷，对压缩空气进行多重降温，大大降低刀具加工中的切削温度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供一种低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统，包括：

空气增压泵和气罐，该空气增压泵的入口端与压缩空气源连接，该空气增压泵的出口端与该气罐连接，该空气增压泵将压缩空气源的气体进行增压后储存到该气罐中；

水箱，该水箱内装有水；

雾化室，该雾化室内装有切削油，该雾化室的内腔上部设有文丘里雾化喷头，该文丘里雾化喷头具有进气口、吸油口和喷射出口，该文丘里雾化喷头的进气口通过第一输气管连接至该气罐的出口端，该文丘里雾化喷头的吸油口通过油液输送管连接至该雾化室的底部；

涡流雾化喷嘴，该涡流雾化喷嘴包括涡流管和油水气混合喷头，该涡流管通过第二输气管连接至该气罐的出口端，该第二输气管上设有压缩制冷机，该油水气混合喷头与该水箱之间通过水管连接，该水管上设有水泵，该油水气混合喷头与该雾化室之间通过油雾输送管连接，经过该压缩制冷机制冷和该涡流管制冷的冷风与来自该雾化室的油雾和来自该水箱的水在该油水气混合喷头混合。

进一步地，该油水气混合喷头包括油水混合文丘里管、外层输送管和内层输送管，该油水混合文丘里管具有油雾入口、吸水口和喷射出口，该油雾入口与该油雾输送管连接，该吸水口与该水管连接，该喷射出口与该外层输送管连通，该内层输送管与该涡流管的冷风端连通，该内层输送管输送冷风，该外层输送管输送油雾与水雾，该内层输送管输送的冷风和该外层输送管输送的油雾与水雾在该油水气混合喷头前端的喷嘴口混合。

进一步地，该内层输送管与该涡流管的冷风端之间通过保温输送管连通。

进一步地，该水箱通过第三输气管连接至该空气增压泵的入口端。

进一步地，该第三输气管上设有压力调节阀。

进一步地，该空气增压泵和该气罐连接在进气管上，该进气管的进气端与压缩空气源连接，该系统还包括分别设置在该进气管、该第一输气管、该第二输气管、该第三输气管和该水管上的多个电磁阀。

进一步地，该油液输送管上设有流量调节阀。

进一步地，该系统还包括与该进气管并联设置的旁通管，该旁通管的一端与该空气增压泵的入口端连接，该旁通管的另一端与该气罐连接，该旁通管上设有单向阀。

进一步地，该压缩制冷机为具有二级制冷的二级压缩制冷机。

进一步地，该第二输气管为保温输送气管。

本发明的有益效果在于：解决使用传统切削液加工中成本高，冷却润滑效果差，难回收，污染工作环境和生态环境等问题；同时将低温冷风、复合喷雾的两者优势进行结合，达到最好的润滑冷却效果。该系统能够产生高速的油雾和水雾，克服高速加工中所产生的离心力，使油雾和水雾颗粒更好的渗透到切削区。配合使用低温冷却气体，能够使刀具在加工钛合金、高温合金、航空复合材料等难加工材料时，使切削温度得到迅速降低，加工过程更加高效，刀具寿命得到延长。

附图说明

图1是本发明第一实施例中低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统的结构示意图。

图2是图1中文丘里雾化喷头的局部结构示意图。

图3是图1中压缩制冷机的工作流程示意图。

图4是图1中涡流雾化喷嘴的结构示意图。

图5是本发明第二实施例中低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统的结构示意图。

图中：气体输送开关1；过滤器2、6；电磁阀3、7、13、14、16；空气增压泵4；气罐5；压力调节阀8；油雾9；雾化室10；切削油101；隔板102；压缩制冷机11；水箱12；水121；单向阀15；水泵17；文丘里雾化喷头18；进气口181；吸油口182；喷射出口183；气动球阀19；涡流雾化喷嘴20；涡流管21；油水气混合喷头22；保温输送管23；水混合文丘里管220；油雾入口221；吸水口222；喷射出口223；外层输送管225；内层输送管226；进气管30；输气管31、32、33；油液输送管35；水管36；油雾输送管37；流量调节阀38；旁通管39。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，但并不是把本发明的实施范围局限于此。

[第一实施例]

如图1、图2、图4所示，本发明第一实施例提供的低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统，适用于为难加工材料的切削加工提供冷却润滑，该系统包括：

空气增压泵4和气罐5，空气增压泵4的入口端与压缩空气源连接，空气增压泵4的出口端与气罐5连接，空气增压泵4将压缩空气源的气体进行增压后储存到气罐5中；

水箱12，水箱12内装有水121；

雾化室10，雾化室10内装有切削油101，雾化室10的内腔上部设有文丘里雾化喷头18，文丘里雾化喷头18具有进气口181、吸油口182和喷射出口183，文丘里雾化喷头18的进气口181通过第一输气管31连接至气罐5的出口端，文丘里雾化喷头18的吸油口182通过油液输送管35连接至雾化室10的底部；

涡流雾化喷嘴20，涡流雾化喷嘴20包括涡流管21和油水气混合喷头22，涡流管21通过第二输气管32连接至气罐5的出口端，第二输气管32上设有压缩制冷机11，油水气混合喷头22与水箱12之间通过水管36连接，水管36上设有水泵17，油水气混合喷头22与雾化室10之间通过油雾输送管37连接，经过压缩制冷机11制冷和涡流管21制冷的冷风与来自雾化室10的油雾9和来自水箱12的水121在油水气混合喷头22混合。

进一步地，涡流管21具有冷风入口210、冷风端211和热气端212，冷风入口210与第二输气管32连接。

进一步地，油水气混合喷头22包括油水混合文丘里管220、外层输送管225和内层输送管226，油水混合文丘里管220具有油雾入口221、吸水口222和喷射出口223，油雾入口221与油雾输送管37连接，吸水口222与水管36连接，喷射出口223与外层输送管225连通，内层输送管226与涡流管21的冷风端211连通，内层输送管226输送冷风，外层输送管225输送油雾与水雾，内层输送管226输送的冷风和外层输送管225输送的油雾与水雾在油水气混合喷头22前端的喷嘴口228混合。

进一步地，内层输送管226与涡流管21的冷风端211之间通过保温输送管23连通。

进一步地，水箱12通过第三输气管33连接至空气增压泵4的入口端。

进一步地，第三输气管33上设有压力调节阀8。

进一步地，空气增压泵4和气罐5连接在进气管30上，进气管30的进气端与压缩空气源连接，该系统还包括分别设置在进气管30、第一输气管31、第二输气管32、第三输气管33和水管36上的多个电磁阀3、14、13、7、16。

具体地，电磁阀3设置在进气管30上且位于第三输气管33与进气管30连接的节点前端；电磁阀14设置在第一输气管31上；电磁阀13设置在第二输气管32上且位于压缩制冷机11的前端；电磁阀7设置在第三输气管33上且位于压力调节阀8的前端；电磁阀16设置在水管36上且位于水泵17的前端。

进一步地，油液输送管35上设有流量调节阀38。

进一步地，进气管30上设有多个过滤器2、6，其中一个过滤器2位于空气增压泵4的入口端，另一个过滤器6位于气罐5的出口端。

进一步地，该系统还包括与进气管30并联设置的旁通管39，旁通管39的一端与空气增压泵4的入口端连接，旁通管39的另一端与气罐5连接，旁通管39上设有单向阀15。

进一步地，进气管30的最前端设有气体输送开关1。气体输送开关1可以是手动球阀，在设备工作之前通过人工手动打开且在设备工作过程中一直维持打开状态。

进一步地，油雾输送管37上设有油雾输送开关19，油雾输送开关19具体可以是气动球阀。

进一步地，压缩制冷机11为具有二级制冷的二级压缩制冷机。

进一步地，第二输气管32为保温输送气管，第一输气管31和第三输气管33则可以采用普通输送气管。

本实施例中，气体输送开关1、过滤器2、电磁阀3、电磁阀7、压力调节阀8、水箱12通过气体管路连接在一起。

气体输送开关1、过滤器2、单向阀15、气罐5连接在一起。当气罐5内的压力小于常压压缩空气的压力时，单向阀15开启，可以及时的补充气罐5中的气量。当空气增压泵5出现故障不工作时，常压压缩空气就会从单向阀15进入气罐5，也不会使加工时出现无气无油状态，防止导致刀具磨损加快或断刀等损失。

气体输送开关1、过滤器2、电磁阀3、空气增压泵4、气罐5、过滤器6、电磁阀14、雾化室10通过气体管路连接在一起。

如图2所示，本实施例采用的文丘里雾化喷头18是一种使两种流体高效充分混合的专用设备，本身没有运动部件，当气流通过一个由大渐小然后由小渐大的管道时文丘里管喉部，气流经狭窄部分时流速加大，压力下降，使前后形成压力差，当喉部有一更小管径的入口时，形成负压，将切削油101从雾化室10内通过油液输送管35吸取上来并从吸油口182进入文丘里雾化喷头18混合，在文丘里雾化喷头的作用下形成油雾颗粒，由压缩气体带动下喷射进入雾化室10内，形成微细油雾9。

进一步地，雾化室10内固定有隔板102，隔板102的中部开设有多个贯穿其上下表面的通孔。雾化室10内的微细油雾9中，有部分油雾颗粒会聚集成切削油滴，雾化室10中隔板102上开有均匀的小孔，油雾形成的液滴可以经过此孔收集在下面的油液区域。

本实施例中，油液输送管35上设有流量调节阀38。当刀具加工不需过大的油雾量时，可以手动调节流量调节阀38来控制油液输送管35出油量的大小，更加精准的控制了用油量，有效节省了用油量，降低了成本。

气体输送开关1、过滤器2、电磁阀3、空气增压泵4、气罐5、过滤器6、电磁阀13、压缩制冷机11通过气体管路连接在一起。

经过压缩制冷机11制冷的冷风通过保温输送气管32输送到涡流雾化喷嘴20，雾化室10内的油雾9通过油雾输送管37输送到涡流雾化喷嘴20，水箱12内的水121由水泵17抽出输送到涡流雾化喷嘴20；冷风、油雾、水在涡流雾化喷嘴20混合后喷射到加工区域。

优选地，压缩制冷机11为具有二级制冷的二级压缩制冷机，这样可以提供具有更低温度的冷风。图3所示为具有二级制冷的压缩制冷机的工作流程示意图，压缩空气到达压缩制冷机，通过内部的前置过滤器并对压缩空气进行过滤，减少空气中的杂质和水份；压缩空气通过压力调节阀后输入干燥罐内，干燥罐对压缩空气进行除湿，防止压缩空气中含有水份而在低温下结冰，影响设备的正常运转；经过干燥后的压缩空气进入到后置过滤器中，对空气进行再次过滤，过滤后的压缩气体进入热交换1中进行降温，热交换1的工作原理为：压缩机将气态的制冷剂压缩为高温高压的液态制冷剂，然后输送到冷凝器中散热后成为常温高压的液态制冷剂；液态的制冷剂经毛细管，进入蒸发器中，空间增大，压力减小，液态的制冷剂就会汽化，变成气态低温的制冷剂，从而吸收大量的热量，蒸发器随之降温，随后常温压缩空气经过蒸发器进行热交换；然后气态的制冷剂回到压缩机继续压缩(压缩1)，继续循环；经过一级制冷后降低温度的压缩气体再次进行压缩后，输送到热交换2，在热交换2中进行再次的降温，此时对空气进行了两次降温。经过两次降温的空气再进行压缩(压缩2)，压缩后经过流量调节阀后，在出口的冷风温度为-50℃到-70℃的冷风；然后通过保温输送气管32输送到涡流雾化喷嘴20。

如图4所示，涡流雾化喷嘴20中，喷嘴20的前部是一个油水气混合喷头22，喷嘴20的后部是一个涡流管21。压缩气体经过前段的压缩制冷机11制冷后虽然能提供温度很低的冷风，但经过保温输送气管32的输送，尤其是经过较远距离输送后，冷风的冷量会散失，为了弥补这部分冷量散失，以及更进一步降低冷风的温度，本发明还利用涡流管21对经过压缩制冷机11制冷得到的低温冷风进行再次制冷。涡流管(Vortex Tube)是一种结构非常简单的能量分离装置，涡流管现象在1922年由一个法国学者所发现，在1960年以后涡流管开始被商业应用，作为一种可产生冷气流的核心部件，涡流管经过几十年的发展，涡流管技术如今已是非常成熟，并在全世界范围内得到广泛应用。工作原理：压缩空气喷射进涡流管涡流室后，气流以高达每分钟一百万转的速度旋转着流向涡流管热气端出口，一部分气流通过控制阀流出，剩余的气体被阻挡后，在原气流内圈以同样的转速反向旋转，并流向涡流管冷气端。在此过程中，两股气流发生热交换，内环气流变冷，从前端流出，外环气流则变热，从后端流出。

利用涡流管21对低温冷风进行再次制冷时，低温冷风沿切线方向从冷风入口210进入涡流管21，气流在涡流管21内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流层，处于中心部位的气流温度低，处于外层的气流温度高；随后热量从后端的热气端212排出，制冷后的冷风从前端的冷风端211输出。

涡流管制冷效率与气压的关系

注明：A代表冷风可降温度；B代表热风可升温度。

如上表所示，涡流管制冷效率与进口压缩空气压力的大小有关，压力越大制冷效率越高；本系统在进气管路上安装有空气增压泵4，使压缩空气继续增压，随着空气压力的升高，涡流管的制冷效率会随着空气压力的提高而提高，因此冷风输送到涡流管进行三级制冷的效果会比没增压时的冷却效果更加明显，经过三级制冷后，压缩空气的温度能达到-70℃到-90℃。

在涡流管中，冷气流的温度及流量大小还可通过调节涡流管中的气流阀门进行控制，如上表所示，如果涡流管的冷风端出气比例越低，则涡流管的冷风端气流的温度就越低，但流量也相应减少。

如图4所示，在涡流雾化喷嘴20前端的油水气混合喷头22中，油雾水雾与冷风是分层的，油水混合文丘里管220的喷射出口223与外层输送管225连通，因此外层输送管225为油雾与水雾；油水气混合喷头22的内层输送管226与涡流管21的冷风端211连通，因此内层输送管226为低温冷风；内层输送管226与冷风端211之间通过保温输送管23连通，可降低冷风的冷量散失；油雾与水雾在外层输送管225可以吸收一部份内层输送管226冷风散发出来的冷量，可以减少冷风冷量的损失；同时，油水气混合喷头22放置在涡流雾化喷嘴20的前端，油雾水雾与冷风混合后即直接喷出，油雾水雾与冷风在涡流雾化喷嘴20内没有先进行混合，这样可以避免油雾水雾与冷风混合后在输送管道中结冰的现象。

如图1所示，压缩气体通过气体输送开关1、过滤器2、电磁阀3、空气增压泵4、气罐5、过滤器6、电磁阀14到达文丘里雾化喷头18处，通过文丘里雾化喷头18的作用，把雾化室10底部的切削油101通过油液输送管35吸到文丘里雾化喷头18处，通过压缩空气将切削油101吹散形成油雾9并喷入雾化室10内，雾化之后的油雾9通过油雾输送管37并打开气动球阀19，输送到涡流雾化喷嘴20的油水气混合喷头22中。

气体输送开关1、过滤器2、电磁阀3、电磁阀7、压力调节阀8、水箱12依次连接在一起，打开电磁阀16后，由水泵17将水箱12中的水121输送到涡流雾化喷嘴20的油水气混合喷头22中；通过调节水泵17的频率，可以起到调节水量的作用；压缩气体通过第三输气管33通入水箱12的上部空腔，可以利用压缩气体的压力将水121辅助压出，并可进一步通过压力调节阀8来调节水箱压力达到控制水的流量。

油雾和水输送到油水气混合喷头22的油水混合文丘里管220处，通过油雾的流速在文丘里管中将吸上来的水吹散并混合；混合后的水雾油雾通过油水气混合喷头22的外层输送管225输送到油水气混合喷头22前端的喷嘴口228再与内层输送管226输送的冷风混合并喷射到加工区域进行冷却、润滑和排屑。

冷风经过涡流雾化喷嘴20的三级制冷后温度更低，对于切削区温度降低的效果比普通的低温气体降温效果更加的明显，对于刀具寿命和表面质量的影响更加显著；水雾进入到切削区后，由于切削区的温度很高，水雾会沸腾汽化，并带走切削区的热量；由于切削区在加工时的温度很高，单纯依靠低温冷风的降温效果不能充分降低切削区的温度，通过配合水雾使用，可以使切削区的降温效果更加的明显，而且使用水雾可以减少冷风的使用量，减少涡流管制冷量，涡流管制冷量减少可以减少噪音的产生；单纯的油雾在进入温度过高的切削区之后会由于切削区的高温而失效，从而失去油雾的润滑特性，而通过综合使用低温冷风和水雾，可以充分降低切削区的温度，保证油雾进入到切削区之后不会因为高温而失去润滑特性；因此，水雾在此时可以起到配合冷风降温的效果，同时也可以保证润滑油的润滑特性的作用；油雾混合低温冷风和水雾使用，可以综合低温冷风、水雾和油雾的优势，对提高刀具的使用寿命和工件的表面加工质量有非常显著的作用。

为防止水121和切削油101在低温下出现结冻，水箱12内的水121可以选用低冰点的水性冷却液，这样在温度很低的情况下不会结冰，其中低冰点的水性冷却液主要成分是丙二醇、无味乙醇、AMP-95(2-氨基-2-甲基-1-丙醇)、肌醇六磷酸、自乳化合成酯、水。而雾化室10内的切削油101可以选用低凝固点的油性润滑剂，其中低凝固点的油性润滑剂主要包含单酯(月桂酸单酯)、异构十六醇。

本系统中所有电磁阀和气动球阀开关均由PLC(图未示出)自动控制，通过控制电磁阀3、7、13、14、16和油雾输送开关19开启可达到控制气体、油雾和水输送的目的，并且本系统可以接入机床系统，由机床系统给信号来实现自动化运行。本系统目前已用于加工高温合金、钛合金和不锈钢等难加工材料，均取得良好的使用效果。

低温复合喷雾技术改变了传统切削液的冷却加工方式，通过采用低温冷风与复合喷雾相结合的方式，低温冷风可以使切削区的温度更低，减少加工过程中温度对刀具寿命和工件加工质量的影响。油雾配合冷风使用可以防止油雾在高温加工区域由于高温而失去润滑特性。水雾可以吸收更多的热量，喷射在切削区可以带走切削区大量的切削热，通过配合低温冷风使用，可以使切削区的降温效果更加的明显。空气的压力会对涡流管的降温效果产生重要的影响，通过使用空气增压泵对空气增压，增压后的低温气体在流经涡流管时，可以提高涡流管的制冷效果。低温复合喷雾技术可以降低切削区的温度、延长刀具的使用寿命、得到更好的工件加工质量，同时使用此低温润滑冷却系统可以减少传统切削液使用所带来的环境污染，对人体伤害，加工成本高等一系列的问题。

[第二实施例]

如图5所示，本发明第二实施例提供的低温水雾油雾切削冷却润滑供应系统与上述第一实施例基本相同，不同之处在于，本实施例中，取消了设置在水箱12与进气管30之间的第三输气管33，同时也取消了设置在第三输气管33上的电磁阀7和压力调节阀8。本实施例依靠水泵17和油水混合文丘里管220产生的吸力从水箱12中抽水，同样可以实现本发明的目的。本实施例的其余结构以及工作原理均与第一实施例相同，这里不再赘述。

上述实施方式只是发明的实施例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明专利所申请的保护范围中所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明专利范围内。