一种纳米流体油膜水滴静电可控射流切削方法及装置与流程

本发明属于切削加工领域，具体是对切削加工的切削区域进行冷却和润滑的装置及方法。

背景技术：

切削加工是获得零件的主要方法，在切削加工中，去除材料所消耗能量的绝大部分都转化为切削热并集中在切削区域，引起刀具高温，导致刀具快速磨损，这在高速、高效切削时表现更为突出。通常的冷却措施是向切削区浇注大量切削液的方式来达到降低切削温度、延长刀具寿命进而提高加工效率的目的。然而因刀具和切屑、刀具和工件接触界面存在着很高的压力，使得向切削区浇注大量切削液时，能够进入切削区并真正起到冷却润滑作用的切削液仅占极小的比例，无法对切削区进行有效地换热，并且大量使用切削液会带来诸如零件制造成本大幅度提高、环境严重污染、危害身体健康等负面影响。

目前，微量润滑是将一定压力的压缩空气与微量润滑油混合并雾化，喷向切削加工区，对刀具与切屑和刀具与工件的接触面进行润滑，以减少摩擦，同时冷却切削区的一种准干式切削技术，微量润滑利用压缩空气射流带走切削热及微量润滑油雾化成的油粒子在切削区发生相变吸收切削热来实现对切削区的直接冷却作用，微量润滑油对切削区的润滑还可降低刀具与切屑、工件之间的摩擦，减少摩擦热的产生，进而实现对切削区的间接冷却作用。但由于气体的比热和导热系数低且润滑油气化热小，这种冷却方法无法有效降低切削高温，且切削高温还会使润滑油蒸发而丧失润滑机能。这一问题在高效切削，尤其是难加工材料高效切削中表现更为突出。此外，在微量润滑中，压缩空气为润滑油雾化喷射的驱动力和雾滴输送载体，雾滴喷出后运动不可控制，易飘散至空气中。这不仅污染了工作环境，而且通过呼吸作用和皮肤接触使操作人员易患呼吸系统疾病和皮肤病，危害其健康。

为改善微量润滑的冷却润滑性能，目前是采用油膜附水滴的冷却润滑加工方法，采用微量可降解润滑油和少量水在压缩空气驱动作用下，在特殊多段式喷嘴中雾化并形成表面吸附油膜的微小水滴，在高压空气的作用下喷射至切削加工区，水滴吸收切削热而汽化，起到冷却作用，而油膜则附着在刀具或工件表面形成润滑膜，起到润滑和减摩作用。该方法利用水滴汽化吸热提高散热效率，有益于润滑膜强度的保持，从而确保润滑油的润滑机能。尽管该方法提高了微量润滑的冷却润滑效果，但其却存在着如下缺陷：（1）油膜水滴形成所需的水流量较大，不能满足高效率、低能耗的要求；（2）以高压空气作为油膜水滴形成和输送的动力，同样会造成油膜水滴向空气中的飘散，对工作环境和人体健康产生不利的影响。

纳米流体是一种由基液和纳米粒子组成的两相悬浮液，纳米粒子是指尺寸为1~100nm的超细微小固体颗粒，目前应用于纳米流体之中的纳米粒子主要有金属、非金属、氧化物、氮化物及碳化物等，基液主要有去离子水、矿物油、植物油、乙二醇等。因固体的导热系数远高于液体且纳米粒子具有低摩擦特性，将纳米粒子添加到基液中可明显改善基液的传热性能和减摩性能，并且与在液体中添加毫米或微米级固体粒子相比，纳米粒子由于小尺寸效应和布朗运动在基液中的悬浮稳定性更好，纳米流体的诸多优异特性已使其成为改善微量润滑冷却润滑性能的新型冷却润滑介质。中国专利号为ZL201410229717.3、名称是《一种可控纳米流体雾滴喷雾切削方法及装置》的文献中公开的装置，是在喷嘴与刀具间建立高压静电场，微量纳米流体荷电雾化成为带电雾滴，在电场力的作用下雾滴输运至切削区，对切削区实施冷却润滑；通过改变喷嘴与刀具间的静电场可调控纳米流体雾滴的大小、分布及运动轨迹，实现雾滴向切削区的定向可控输运，从而降低雾滴在传送过程中的飘散，虽然提高了微量润滑的冷却润滑性能，同时也改善了其环保性能，但由于实施过程中仅使用一种纳米流体（水基或油基）为冷却润滑介质，未能将水基纳米流体的高冷却性能和油基纳米流体的优异润滑性能有机结合，从而其冷却润滑性能仍需进一步提升，以满足难加工材料高效切削对冷却润滑的高要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为有效解决现有技术存在的上述问题，提供一种纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置以及该装置的可控射流切削方法，使用两种流体作为冷却润滑介质，将水基纳米流体的高冷却性能和油基纳米流体的优异润滑性能有机结合，提高冷却润滑性能，能满足难加工材料高效切削对冷却润滑的高要求。

为实现上述目的，本发明一种纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置采用如下技术方案：可调高压静电发生器通过高压电缆与同轴喷嘴相连，同轴喷嘴通过第一硅橡胶管连接第一微量注射泵、通过第二硅橡胶管连接第二微量注射泵，第一微量注射泵泵出的是水基纳米流体，第二微量注射泵泵出的是油基纳米流体。

所述同轴喷嘴包括内喷嘴进料口、内喷嘴、外喷嘴、外喷嘴进料口和喷嘴出料口，外喷嘴内部设有台阶通孔，台阶通孔的中心处同轴固定设置内喷嘴，喷嘴进料口同轴固定连接内喷嘴进料端，内喷嘴出料端和外喷嘴出料端形成喷嘴出料口，在喷嘴出料口处，外喷嘴内壁和内喷嘴外壁之间留有环状空隙；外喷嘴侧壁上固定连接外喷嘴进料口，外喷嘴进料口与外喷嘴内部的台阶通孔相连通；第一微量注射泵经第一硅橡胶管连接内喷嘴进料口，第二微量注射泵经第二硅橡胶管连接外喷嘴进料口。

所述纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置的可控射流切削方法采用的技术方案包括以下步骤：

A、制备好水基纳米流体和油基纳米流体，第一微量注射泵将制备好的水基纳米流体泵出至内喷嘴进料口送入内喷嘴中，第二微量注射泵将制备好的油基纳米流体泵出至外喷嘴进料口送入外喷嘴中，

B、同时可调高压静电发生器给同轴喷嘴输出直流负高压，在同轴喷嘴与刀具、工件之间建立高压静电场；

C、水基纳米流体和油基纳米流体流与带直流负高压的同轴喷嘴直接接触，荷上与同轴喷嘴同极性的负电荷，在喷嘴出料口的出口处汇合形成纳米流体油膜水滴，输运至切削区，带走切削产生的热量和对切削区润滑。

进一步地，步骤A中，水基纳米流体是纳米粒子分散至去离子水中形成的两相悬浮液，油基纳米流体是纳米粒子分散至植物性润滑油或酯油中形成的两相悬浮液；纳米粒子的大小在1~100nm之间，纳米粒子的质量分数是0.1~1%。

进一步地，步骤B中，同轴喷嘴的中心轴与刀具的中心轴之间的夹角α为30~40度，在同轴喷嘴的中心轴方向上，喷嘴出料口至刀具表面之间的最小距离为喷射距离为20~30mm。

进一步地，步骤B中，可调高压静电发生器输出的直流负高压的电压范围为0~-30kV，向同轴喷嘴供给的电压为-4~-12kV。

本发明采用上述技术方案后，具有以下有益效果：

1、将水基纳米流体和油基纳米流体借助同轴静电雾化方式形成纳米流体油膜水滴，采用在高压静电场作用下水基纳米流体和油基纳米流体经同轴射流破碎成的带电纳米流体油膜水滴对切削区进行冷却润滑，有效结合水基纳米流体的高冷却性能与油基纳米流体的优异润滑性能，对切削区可实施高效冷却润滑。

2、纳米流体油膜水滴在电场力的作用下向切削区作定向运动，通过电场控制带电纳米流体油膜水滴向切削区的输送过程，有效减少了传送过程中纳米流体油膜水滴的飘移散失，不仅改善工作环境，而且提高了水基纳米流体和油基纳米流体的利用率。此外，由于静电感应原理，纳米流体油膜水滴与刀具、工件表面之间带有相互吸引的异性电荷，这增加了纳米流体油膜水滴与刀具、工件之间的吸引力，减少纳米流体油膜水滴撞击切削区壁面时的反弹与飞溅，提高沉积量。

3、通过改变同轴喷嘴与刀具、工件间的高压静电场、水基和油基纳米流体流量可调控纳米流体油膜水滴的大小，包括调控纳米流体油膜水滴的直径、纳米流体油膜厚度及纳米流体水滴的直径、分布及运动，实现纳米流体油膜水滴向切削区的定向可控输运，从而获得不同的冷却润滑性能，能适应现代混流生产模式下多变的切削材料和切削用量。

4、与现有的油膜水滴气动形成方式相比，本发明纳米流体油膜水滴形成所需的水基纳米流体流量大大减少，同时装置简单。

附图说明

图1是本发明一种纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置的结构示意图；

图2是图1中同轴喷嘴放大的结构剖视图；

图3是图1中同轴喷嘴、刀具和工件放大的结构示意图以及几何尺寸标图；

图中：1.可调高压静电发生器；2.高压电缆；3.第一微量注射泵；4.第一硅橡胶管；5.第二微量注射泵；6.第二硅橡胶管；7.同轴喷嘴；8.刀具；9.工件；10.导线；11.内喷嘴进料口；12.端盖；13.内喷嘴；14.外喷嘴；15.外喷嘴进料口；16.喷嘴出料口。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置包括可调高压静电发生器1、高压电缆2、第一微量注射泵3、第一硅橡胶管4、第二微量注射泵5、第二硅橡胶管6、同轴喷嘴7、刀具8、工件9以及导线10。

可调高压静电发生器1通过高压电缆2与同轴喷嘴7相连，给同轴喷嘴7提供直流负高压。可调高压静电发生器1的正极输出端通过导线10接地，刀具8和工件9通过机床间接接地，刀具3的材料为硬质合金或高速钢，工件9的材料为金属。

同轴喷嘴7通过第一硅橡胶管4连接第一微量注射泵3，同时通过第二硅橡胶管6连接第二微量注射泵5。第一微量注射泵3泵出水基纳米流体，第二微量注射泵5泵出油基纳米流体，水基纳米流体和油基纳米流体同时进入同轴喷嘴7，同轴喷嘴7的喷嘴出料口喷出的是纳米流体油膜水滴。

如图2所示，同轴喷嘴7包括内喷嘴进料口11、端盖12、内喷嘴13、外喷嘴14、外喷嘴进料口15和喷嘴出料口16。外喷嘴14内部设有台阶通孔，在喷嘴出料口16处的台阶通孔是小孔，其余部分是大孔。在台阶通孔的中心处同轴固定设置内喷嘴13，内喷嘴13进料端同轴固定连接内喷嘴进料口11。外喷嘴14通过螺纹固定连接一个端盖12，确保内喷嘴13在外喷嘴14中具有固定位置。喷嘴进料口11从外喷嘴14的外部经过端盖12的中心孔伸入外喷嘴14内部后同轴固定连接内喷嘴13进料端，内喷嘴13出料端和外喷嘴14出料端形成喷嘴出料口16。在喷嘴出料口16处，外喷嘴14中的台阶通孔的小孔内径大于内喷嘴13的外径，外喷嘴14中的台阶通孔的小孔内径为0.7~2mm，内喷嘴13的内径为0.2~0.6mm，并且，外喷嘴14的内壁和内喷嘴13的外壁在喷嘴出料口16处之间留有环状空隙。

在外喷嘴14的侧壁上固定连接一个外喷嘴进料口15，外喷嘴进料口15与外喷嘴14之间通过螺纹密封连接。外喷嘴进料口15的中心轴和外喷嘴14、内喷嘴13的中心轴相垂直。外喷嘴进料口15与外喷嘴14内部的台阶通孔的大孔相连通。

结合图1和2，第一微量注射泵3经第一硅橡胶管4连接内喷嘴进料口11，第二微量注射泵5经第二硅橡胶管6连接外喷嘴进料口15。可调高压静电发生器1给同轴喷嘴7提供直流负高压，内喷嘴13和外喷嘴14具有相同的直流负高压。

如图3所示，同轴喷嘴7的中心轴与刀具8的中心轴之间的夹角α为30~40度，在同轴喷嘴7的中心轴方向上，同轴喷嘴7的喷嘴出料口16至刀具8表面之间的最小距离为喷射距离D，喷射距离D为20~30mm。

纳米流体油膜水滴静电可控射流切削装置工作时，首先要制备水基纳米流体和油基纳米流体。水基纳米流体是纳米粒子分散至去离子水中形成的两相悬浮液。油基纳米流体是纳米粒子分散至植物性润滑油或酯油中形成的两相悬浮液。将纳米粒子和去离子水或植物性润滑油或酯油按一定比例混合后，经超声振动，得到两相悬浮液。纳米粒子采用石墨或金刚石或纳米碳管的固体纳米颗粒。纳米粒子的大小在1~100nm之间，纳米粒子的质量分数在0.1~1%。

可调高压静电发生器1给同轴喷嘴7提供直流负高压，在同轴喷嘴7与刀具8、工件9之间建立高压静电场。可调高压静电发生器1输出的直流负高压的电压范围为0~-30kV，通过高压电缆2后向同轴喷嘴7供给电压为-4~-12kV。根据静电感应原理，在刀具8和工件9表面感应出与同轴喷嘴7极性相反的正电荷，并在同轴喷嘴7与刀具8、工件9之间形成高压静电场。同时，第一微量注射泵3将制备好的水基纳米流体泵出至第一硅橡胶管4，经第一硅橡胶管4和内喷嘴进料口11送入内喷嘴13，在输送过程中，使水基纳米流体的流量为1~10ml/h。同时，第二微量注射泵5将制备好的油基纳米流体泵出至第二硅橡胶管6，经第二硅橡胶管6和外喷嘴进料口15送入外喷嘴14中，在输送过程中，使油基纳米流体的流量为2~15ml/h。这样，水基和油基纳米流体流经同轴喷嘴7，与带直流负高压的同轴喷嘴7直接接触，荷上与同轴喷嘴7同极性的负电荷。水基纳米流体从内喷嘴13中流出，油基纳米流体从内喷嘴13和外喷嘴14之间的环状空隙中流出，在同轴喷嘴7的喷嘴出料口16的出口处汇合形成具有核壳结构的复合液滴。因水基纳米流体的静电驰豫时间远小于油基纳米流体，负电荷主要分布于核层水基纳米流体表面上，亦即核层水基纳米流体和壳层油基纳米流体之间的界面上。所述的静电弛豫时间是液滴在电场中荷电所需的时间，计算公式如下：

，

式中：－静电弛豫时间，单位s；－液体的相对介电常数；－真空介电常数，单位F/m；K－液体的电导率，单位S/m。

当电场强度达到一定值时，作用于核层水基纳米流体和壳层油基纳米流体之间界面上的电场力克服界面张力，使核层水基纳米流体形成稳定射流，同时，在界面粘性作用下，壳层油基纳米流体随同核层水基纳米流体一起流动形成同轴射流。同轴射流末端破碎雾化，形成带负电的纳米流体油膜水滴。带负电的纳米流体油膜水滴受同轴喷嘴7同性电荷的排斥，并受到刀具8和工件9表面异性电荷的吸引，在电场力的作用下，输运至切削区。当纳米流体油膜水滴接触刀具8或工件9表面时，附着在纳米流体水滴表面的纳米流体油膜破裂，失去纳米流体油膜包裹的纳米流体水滴在切削高温作用下沸腾和汽化，带走切削产生的大量热量；纳米流体水滴快速汽化后留下的纳米粒子和纳米流体油膜附着在刀具8或工件9表面，降低切削接触界面摩擦，从而实现对切削区的高效冷却润滑。