摆线式超声搅拌结合交变电场配制绿色纳米切削液的方法与流程

本发明属于金属加工液技术领域，特别是涉及一种摆线式超声搅拌结合交变电场配制绿色纳米切削液的方法。

背景技术：

金属切削液是一种在金属切削加工过程中采用的工业用液体，能起润滑、冷却及防锈等作用，并能有效地延长工具的使用寿命，在机械工程中有很重要的作用。但传统的矿物油基切削液存在对人和环境伤害大的问题，所以发展易降解、少污染的植物油替代，形成绿色切削液，已成为当前切削液发展的趋势。将纳米技术应用到切削技术领域，利用纳米颗粒良好的热传导性及“微滚珠效应”，可形成绿色纳米切削液，以达到进一步提高切削液的传热、减摩抗磨性能。但是，绿色纳米切削液由于添加纳米颗粒的成分，在配制过程中也存在着团聚现象，绿色纳米切削液出现团聚现象会严重影响切削液的功能实现，使绿色纳米切削液无法良好散热、润滑。

在传统搅拌方式加入超声搅拌后，绿色纳米切削液的团聚现象得到一定程度的解决，但是在超声搅拌之后溶液的团聚现象并没有被完全解决，依旧有团聚现象存在。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种摆线式超声搅拌结合交变电场配制绿色纳米切削液的方法，利用超声波和交变电场同时作用的原理，并且选用合适的运动轨迹，配制出均质稳定绿色纳米切削液；制备得到的该绿色纳米切削液团聚现象基本消失，不仅可以降低绿色纳米切削液的分散尺度，还可以提高其分散均匀性。

本发明具体如下：

第一步：将有机玻璃容器置于型材架上；有机玻璃容器底部设置减震垫；有机玻璃容器的中心处设有一体成型的筒状立柱；超声振动搅拌棒置于有机玻璃容器内；两个弧形电极对称置于有机玻璃容器内壁处，且均通过导线与交变脉冲电源相连；将切削液前置混合液倒入有机玻璃容器中；启动伺服电机，同时温控装置将超声振动搅拌棒与超声脉冲电源接通，打开给两个弧形电极供电的交变脉冲电源；由伺服控制器控制伺服电机转速；伺服电机驱动力通过联轴器传递给驱动轴，驱动轴通过轴承支承于有机玻璃容器的筒状立柱内；驱动轴带动固定在驱动轴上的驱动齿轮旋转；由于齿圈固定在型材架上，从动齿轮同时与驱动齿轮和齿圈啮合时便绕着驱动齿轮作旋转运动；而且，由于超声振动搅拌棒偏心固定在从动齿轮上，从动齿轮在自转的同时带动超声振动搅拌棒绕从动齿轮的中心作旋转运动，从而实现超声振动搅拌棒在有机玻璃容器中的物理搅拌；同时，由于超声脉冲和交变脉冲共同作用，在搅拌区域内实现了摆线式超声搅拌与交变电场复合作用。

第二步：循环搅拌

超声振动搅拌棒随从动齿轮周期性转动，形成周期性搅拌，一个搅拌周期为10～15分钟，循环5～10次。每个搅拌周期中，当温度传感器测得有机玻璃容器内切削液前置混合液的温度超过60℃时，温控装置自动切断超声振动搅拌棒的供电，停止振动，只进行物理搅拌，而两个弧形电极的交变电场继续保持工作，同时增大设置在有机玻璃容器外壁及底部的水冷通道内的常温水的流量，待测得切削液前置混合液的温度降低至常温时重新对超声振动搅拌棒供电，进行超声振动搅拌，同时减小水冷通道内常温水的流量。

第三步：搅拌完成后，关闭超声脉冲电源和交变脉冲电源，静置，并利用水冷通道内的常温水将有机玻璃容器内的切削液前置混合液水冷至常温，得到均质的绿色纳米切削液。

进一步，所述的轴承通过轴承盖轴向限位。

进一步，所述伺服电机的底座通过电机架固定在型材架上。

进一步，所述的从动齿轮开设有排布规律呈阿基米德螺旋线的多个安装孔，超声震动搅拌棒固定在与从动齿轮中心距离排在倒数第二的安装孔处。

进一步，各个安装孔中心与从动齿轮中心的距离d＝a+bθ，其中，a为最靠近从动齿轮中心的安装孔中心与从动齿轮中心的距离，b为大于且小于r的系数；记最靠近从动齿轮中心的安装孔中心与从动齿轮中心的连线为线段a，θ为线段a沿阿基米德螺旋方向转到安装有超声振动搅拌棒的安装孔中心与从动齿轮中心连线所需的角度。

进一步，设齿圈的半径为r，从动齿轮的半径为r，旋转角速度为ω，则超声震动搅拌棒中心在坐标系xoy中划过的轨迹为：

其中，t为伺服电机的运行时刻。

进一步，由于两个弧形电极带等量异种电荷，两个弧形电极上位置对应且间距为d的两个点之间的电场强度为：

其中，u为交变脉冲电源的电压。

进一步，弧形电极的材料为黄铜。

进一步，超声脉冲电源的脉冲频率为20～50khz，功率为400～600w；交变脉冲电源的电压为40～60v，脉冲频率为100～200khz。

进一步，切削液前置混合液配置如下：首先在机玻璃容器内将蓖麻油、甲壳素、纳米级金刚石粉末以质量比为1:(0.5～2.5):(0.25～1)的比例混合，所得溶液再与去离子水以质量比为1:(5～20)的比例混合，最后加入不超过5g的氯化钠晶体，得到切削液前置混合液。

本发明具有的有益效果：

本发明制备的绿色纳米均质切削液是一种带有纳米级金刚石粉末和微纳级油滴的混合溶液，且溶液均质稳定，在切削加工行业中有良好的应用前景。其中，本发明设计的搅拌路径可以使超声震动搅拌棒有规律移动，而移动的振源在该路径规划下有利于全方位充分混合，对切削液的搅拌效果更佳；本发明的交变电场设计，使得当纳米粒子和微细油滴与弧形电极接触时，粒子和液滴将被极化，形成带电体，又由于两个弧形电极间区域内电场强度分布不均匀，带电体所受库仑力随时发生变化，且电场方向也发生周期性变化，从而纳米粒子和微细油滴在偶极作用力、库仑力、运动阻力、重力等作用下的合力不为零，相互之间移动特性加强，团聚及聚并性能减弱。

附图说明

图1为本发明装置的剖视图；

图2为本发明中齿圈、驱动齿轮与从动齿轮的啮合关系示意图；

图3-1为超声震动搅拌棒固定在最靠近从动齿轮中心的安装孔处时超声震动搅拌棒中心划过的轨迹包络线示意图；

图3-2为超声震动搅拌棒固定在与从动齿轮中心距离排在倒数第二的安装孔处时超声震动搅拌棒中心划过的轨迹包络线示意图；

图4为本发明中两个弧形电极的供电及电场场强分布示意图；

图5为拉削实验中采用本发明三个实施例不同类型切削液以及干切削和常规商用油作用下的切削力对比图；

图6为拉削实验中采用不同超声搅拌方式下的切削力对比图。

图中：1、型材架，2、伺服电机，3、电机架，4、联轴器，5、减震垫，6、驱动轴，7、弧形电极，8、水冷通道，9、有机玻璃容器，10、轴承盖，11、齿圈，12、驱动齿轮，13、从动齿轮，14、超声振动搅拌棒，15、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

摆线式超声搅拌结合交变电场配制绿色纳米切削液的方法，具体如下：

第一步：如图1所示，将有机玻璃容器9置于型材架1上；有机玻璃容器9底部设有减震垫5；有机玻璃容器9的中心处设有一体成型的筒状立柱；超声振动搅拌棒14置于有机玻璃容器9内；两个弧形电极7对称置于有机玻璃容器9内壁处，且均通过导线与交变脉冲电源相连；将切削液前置混合液倒入有机玻璃容器9中；启动伺服电机2，同时温控装置将超声振动搅拌棒14与超声脉冲电源接通，打开给两个弧形电极7供电的交变脉冲电源；其中，伺服电机2的底座通过电机架3固定在型材架1上；由伺服控制器控制伺服电机2转速；伺服电机2驱动力通过联轴器4传递给驱动轴6，驱动轴通过轴承支承于有机玻璃容器9的筒状立柱内，轴承通过轴承盖10轴向限位；驱动轴带动固定在驱动轴6上的驱动齿轮12旋转；由于齿圈11固定在型材架1上，从动齿轮13同时与驱动齿轮12和齿圈啮合时便绕着驱动齿轮12作旋转运动；由于超声振动搅拌棒14偏心固定在从动齿轮13上，从动齿轮13在自转的同时带动超声振动搅拌棒14绕从动齿轮13的中心作旋转运动，从而实现超声振动搅拌棒14在有机玻璃容器9中的物理搅拌；同时，由于超声脉冲和交变脉冲作用，在搅拌区域内实现了摆线式超声搅拌与交变电场复合作用。其中，超声振动搅拌棒14在搅拌的同时产生超声波空化，进一步促使不同物质混合的前置混合液均细化；弧形电极7的弧形区域内电场强度不均匀，而靠近弧形电极7的纳米粒子或微细油滴极易被极化，被极化的纳米粒子或油滴在不同电场强度中所受力(包括偶极作用力、库仑力、运动阻力、重力)的合力不为零，因此电场中纳米粒子和油滴之间的作用力会进一步加速运动，使得纳米粒子的团聚效应和油滴的聚并效应被进一步破坏。由于搅拌过程中会使温度上升，温度过高会影响绿色纳米切削液性能，必须利用温度传感器15对有机玻璃容器9内的切削液前置混合液温度进行实时监测。

第二步：循环搅拌

超声振动搅拌棒14随从动齿轮13周期性转动，形成周期性搅拌，一个搅拌周期为10～15分钟(以下实施例中一个搅拌周期均为10分钟)，循环5～10次(以下实施例中均循环10次，且以下实施例中超声振动搅拌棒14的搅拌速度均设置为120r/min)。每个搅拌周期中，当测得切削液前置混合液的温度超过60℃时，温控装置自动切断超声振动搅拌棒14的供电，停止振动，只进行物理搅拌，而两个弧形电极7的交变电场继续保持工作，同时增大设置在有机玻璃容器9外壁及底部的水冷通道8内的常温水的流量，待测得切削液前置混合液的温度降低至常温时重新对超声振动搅拌棒14供电，进行超声振动搅拌，同时减小水冷通道8内常温水的流量。

第三步：搅拌完成后，关闭超声脉冲电源和交变脉冲电源，静置，并利用水冷通道8内的常温水将有机玻璃容器9内的切削液前置混合液水冷至常温，得到均质的绿色纳米切削液。

进一步，如图2所示，从动齿轮13开设有排布规律呈阿基米德螺旋线的多个安装孔，即各个安装孔中心与从动齿轮13中心的距离d＝a+bθ，其中，a为最靠近从动齿轮13中心的安装孔中心与从动齿轮13中心的距离，b为大于0且小于r的系数；记最靠近从动齿轮13中心的安装孔中心与从动齿轮13中心的连线为线段a，θ为线段a沿阿基米德螺旋方向转到安装有超声振动搅拌棒14的安装孔中心与从动齿轮13中心连线所需的角度；设齿圈11的半径为r，从动齿轮13的半径为r，旋转角速度为ω，则超声震动搅拌棒14中心在坐标系xoy中划过的轨迹为：

其中，t为伺服电机2的运行时刻。

如图3-1所示为超声震动搅拌棒14固定在最靠近从动齿轮13中心的安装孔处时超声震动搅拌棒14中心划过的轨迹包络线，如图3-2所示为超声震动搅拌棒14固定在与从动齿轮13中心距离排在倒数第二的安装孔处(以下实施例中超声震动搅拌棒14均固定在该安装孔处)时超声震动搅拌棒14中心划过的轨迹包络线。

进一步，如图4所示，弧形电极7的材料为黄铜，两个弧形电极7带等量异种电荷，则两个弧形电极7上位置对应且间距为d的两个点之间的电场强度为：

其中，u为交变脉冲电源的电压；上述电场强度求解公式是按照将弧形电极近似为无数个平行电极板后间距为d的两个平行电极板之间的电场强度来求解的。可见，两个弧形电极7上位置对应的两个点距离越近，电场强度越大，电场线密度也越大。

实施例1：

(1)切削液前置混合液配置如下：

将质量份数为1份的蓖麻油、质量份数为0.5份的甲壳素、质量份数为0.25份的纳米级金刚石粉末在机玻璃容器9内进行混合，再将质量份数为8.75份的去离子水加入机玻璃容器9内进行混合，最后在机玻璃容器9内加入2g氯化钠晶体进行混合，得到切削液前置混合液。本实施例中，蓖麻油50g，甲壳素25g，纳米金刚石粉末12.5g，去离子水437.5g，氯化钠晶体2g。

(2)摆线式超声搅拌与交变电场复合作用的参数设置：

超声脉冲电源的脉冲频率设置为20khz，功率设置为400w；交变脉冲电源的电压为40v，脉冲频率为100khz。

实施例2：

(1)切削液前置混合液配置如下：

将质量份数为1份的蓖麻油、质量份数为2.5份的甲壳素、质量份数为1份的纳米级金刚石粉末在机玻璃容器9内进行混合，再将质量份数为90份的去离子水加入机玻璃容器9内进行混合，最后在机玻璃容器9内加入5g氯化钠晶体进行混合，得到切削液前置混合液。本实施例中，蓖麻油50g，甲壳素125g，纳米金刚石粉末50g，去离子水4.5kg，氯化钠晶体5g。

(2)摆线式超声搅拌与交变电场复合作用的参数设置：

超声脉冲电源的脉冲频率设置为50khz，功率设置为600w；交变脉冲电源的电压为60v，脉冲频率为200khz。

实施例3：

(1)切削液前置混合液配置如下：

将质量份数为1份的蓖麻油、质量份数为1份的甲壳素、质量份数为0.5份的纳米级金刚石粉末在机玻璃容器9内进行混合，再将质量份数为25份的去离子水加入机玻璃容器9内进行混合，最后在机玻璃容器9内加入1g氯化钠晶体进行混合，得到切削液前置混合液。本实施例中，蓖麻油50g，甲壳素50g，纳米金刚石粉末25g，去离子水1.25kg，氯化钠晶体1g。

(2)摆线式超声搅拌与交变电场复合作用的参数设置：

超声脉冲电源的脉冲频率设置为30khz，功率设置为500w；交变脉冲电源的电压为50v，脉冲频率为150khz。

将以上三个实施例所配制的绿色纳米切削液应用于拉削实验中，实时监测拉削切削力变化，三个实施例与干切削以及应用现有常规的商用油切削的切削力对比如图5所示。可见，三个实施例配制的绿色纳米切削液，与干切削和商用油切削相比，应用于拉削实验时拉削切削力均有所降低，且实施例3的绿色纳米切削液降低效果最佳。

实施例3配制的绿色纳米切削液与实施例3中改变搅拌方式后的三个对比例配制的绿色纳米切削液相比，应用于拉削实验时的拉削切削力对比如图6所示，其中，第一个对比例采用超声定点搅拌方式(即伺服电机2变为停转状态，且交变脉冲电源不供电)，第二个对比例采用超声圆周搅拌方式(即超声振动搅拌棒14改为固定在从动齿轮13中心处，且交变脉冲电源不供电)，第三个对比例采用超声摆线搅拌方式(即交变脉冲电源不供电)，可见，应用本发明的摆线式超声搅拌与交变电场复合作用搅拌方式所获得的拉削切削力最小，效果最佳。