專利名稱：微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械加工領(lǐng)域，即微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴。
背景技術(shù)：
目前，磨削加工大量使用潤(rùn)滑劑，也稱作澆注式磨削，對(duì)環(huán)境和工人健康傷害很大。由于環(huán)保要求，潤(rùn)滑劑的廢液必須經(jīng)過(guò)處理、達(dá)標(biāo)后才能排放，廢液處理耗資巨大，高達(dá)潤(rùn)滑劑成本的討％，使人們不得不對(duì)潤(rùn)滑劑作重新評(píng)價(jià)。德國(guó)對(duì)汽車制造廠作過(guò)調(diào)查， 得到的結(jié)果是工具費(fèi)用只占加工成本的2% -4% ；但與潤(rùn)滑劑有關(guān)的費(fèi)用，卻占成本的 7%-17%，是工具費(fèi)用的3-5倍。機(jī)械加工中的能量消耗，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)需要的動(dòng)力只占20%， 與冷卻潤(rùn)滑有關(guān)的能量消耗卻占53%。這說(shuō)明由于“環(huán)保和低碳”的要求，潤(rùn)滑劑的廉價(jià)優(yōu)勢(shì)已不存在，已經(jīng)變成影響生產(chǎn)發(fā)展的障礙。為保護(hù)環(huán)境、降低成本而有意識(shí)地完全停止使用潤(rùn)滑劑的干式磨削應(yīng)運(yùn)而生。干式磨削由于拋棄了潤(rùn)滑劑的使用，其環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。但由于磨削加工去除單位材料體積所消耗的能量遠(yuǎn)比銑削、車削、鉆削等加工方法大得多，在砂輪/工件界面產(chǎn)生如此高的能量密度，僅有不到10 %的熱量被磨屑帶走，這些傳入工件的熱量會(huì)聚集在表面層形成局部高溫，因此在磨削加工中完全不使用潤(rùn)滑劑，不僅使加工工件表面質(zhì)量惡化， 而且砂輪使用壽命大幅度降低，甚至報(bào)廢失效。微量潤(rùn)滑技術(shù)是在確保潤(rùn)滑性能和冷卻效果的前提下，使用最小限度的潤(rùn)滑劑。 微量潤(rùn)滑磨削是在高壓氣體中混入微量的潤(rùn)滑劑，靠高壓氣流混合霧化后進(jìn)入高溫磨削區(qū)。高壓氣流起到冷卻、排屑的作用，潤(rùn)滑油黏附在工件的加工表面，形成一層保護(hù)膜，起到微量潤(rùn)滑的作用?？墒?，研究表明高壓氣流的冷卻效果很有限，滿足不了高磨削區(qū)溫度強(qiáng)化換熱的需要，工件的加工質(zhì)量和砂輪壽命比傳統(tǒng)澆注式磨削明顯降低，說(shuō)明微量潤(rùn)滑技術(shù)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。由強(qiáng)化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠(yuǎn)大于液體和氣體。常溫下固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比液體、氣體等流體材料大幾個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。可是，由于固體物質(zhì)流動(dòng)性差， 既難于參與磨削過(guò)程，又很難帶走熱量，所以還沒有得到重視。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是既有固體材料參與潤(rùn)滑劑的強(qiáng)化換熱，又使?jié)櫥瑒┲械墓腆w材料有良好的流動(dòng)性能和穩(wěn)定性能。在相同體積含量下，納米粒子的表面積和熱容量遠(yuǎn)大于毫米或微米級(jí)的固體粒子，因此將納米粒子和潤(rùn)滑劑充分混合后制成納米流體，納米流體的導(dǎo)熱能力將大幅度增加。再加上納米材料的小尺寸效應(yīng)，其行為接近于流體分子，納米粒子強(qiáng)烈的布朗運(yùn)動(dòng)有利于其保持穩(wěn)定懸浮而不沉淀，具有優(yōu)異的流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能和成份均一性能。此外，納米粒子優(yōu)良的潤(rùn)滑特性又有助于提高磨削砂輪/工件界面的摩擦學(xué)特性，降低磨削力和磨削比能，使磨削區(qū)溫度進(jìn)一步降低。本實(shí)用新型將納米粒子加入潤(rùn)滑劑中制成納米流體，然后納米流體在高壓氣體攜帶作用下，以射流的形式噴入到磨削區(qū)的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴。上述目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，將三相流(納米粒子、潤(rùn)滑劑、高壓氣體)在噴嘴內(nèi)部混合霧化后噴射到磨削區(qū)。其特征是將納米粒子與潤(rùn)滑劑混合制成納米流體，然后納米流體經(jīng)液路輸送至噴嘴處，同時(shí)高壓氣體經(jīng)氣路進(jìn)入噴嘴，與納米流體在噴嘴內(nèi)部進(jìn)行混合霧化，最終以三相流霧化液滴的形式噴射至磨削區(qū)。所說(shuō)的噴嘴包括納米流體通道、高壓氣體通道、混合室、加速室、渦流室、端蓋、噴嘴體、閥芯、內(nèi)錐體、旋向通氣孔、渦流室通氣孔、密封墊圈和噴嘴出口。所說(shuō)的閥芯為圓柱體中空結(jié)構(gòu)，其圓柱形內(nèi)腔為混合室，閥芯的上端和端蓋相聯(lián)接，下端和內(nèi)錐體相聯(lián)接，在閥芯的軸向長(zhǎng)度上布有3排旋向通氣孔，每一排旋向通氣孔沿閥芯管壁均勻排布6個(gè)，入口軸線與混合室壁面相切。所說(shuō)的內(nèi)錐體為錐狀中空結(jié)構(gòu)，其圓錐形內(nèi)腔為加速室，外錐面與噴嘴體配合聯(lián)接，內(nèi)錐體的材料為青銅或者陶瓷。所說(shuō)的噴嘴出口為錐狀中空結(jié)構(gòu)，中空內(nèi)腔為渦流室，渦流室最小直徑處右側(cè)壁面上有一渦流室通氣孔，其軸線與渦流室軸線夾角10° ( α <35°，噴嘴出口的上端與噴嘴體和內(nèi)錐體相聯(lián)接。所說(shuō)的渦流室的內(nèi)壁是由幾段與軸向夾角不同的柱面及錐面組合而成，其參數(shù)分別為10°彡β彡20°，3°彡γ彡45°，5°彡θ彡10°。所說(shuō)的噴嘴體上端與端蓋相聯(lián)接，內(nèi)腔中部安裝有閥芯和密封墊圈，內(nèi)腔下部安裝有內(nèi)錐體，在右側(cè)上端壁面上設(shè)有通氣孔。所說(shuō)的高壓氣體通道是由噴嘴體內(nèi)表面、閥芯外表面、密封墊圈上表面和端蓋下表面構(gòu)成。所說(shuō)的端蓋上端與液路相聯(lián)接。所說(shuō)的通氣孔和渦流室通氣孔分別與氣路相聯(lián)接。所說(shuō)的液路包括納米流體儲(chǔ)液箱、液壓泵、流體調(diào)壓閥、流體節(jié)流閥、流體流量計(jì)、 溢流閥和流體回收箱。所說(shuō)的氣路包括空氣壓縮機(jī)、過(guò)濾器、儲(chǔ)氣罐、壓力表、氣體調(diào)壓閥、氣體節(jié)流閥和氣體流量計(jì)。本實(shí)用新型的有益效果是將納米流體經(jīng)液路輸送至噴嘴處，同時(shí)高壓氣體經(jīng)氣路進(jìn)入噴嘴，高壓氣體與納米流體在噴嘴混合室中充分混合霧化，經(jīng)加速室加速后進(jìn)入渦流室，同時(shí)壓縮氣體經(jīng)渦流室通氣孔進(jìn)入，使三相流進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)混合并加速，然后三相流以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口噴射至磨削區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型噴嘴混合室的旋向通氣孔與混合室壁面相切，高壓氣體攜帶納米流體旋轉(zhuǎn)形成渦流，納米流體與氣體混合均勻；渦流室的內(nèi)壁是由幾段與軸向夾角不同的柱面及錐面結(jié)構(gòu)組成，壓縮氣體經(jīng)渦流室通氣孔從渦流室直徑最小的圓柱段進(jìn)入，使渦流室內(nèi)的三相流進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)加速和充分霧化，霧化液滴直徑小，分散范圍廣；氣路和液路均布有調(diào)壓閥、節(jié)流閥和流量計(jì)，納米流體和高壓氣體的壓力、流量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到最優(yōu)的微量潤(rùn)滑效果；解決了微量潤(rùn)滑冷卻能力不足，澆注式磨削潤(rùn)滑劑用量大，費(fèi)液處理成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重的難題。
圖1是一種實(shí)施例的噴嘴結(jié)構(gòu)圖；圖2是這種實(shí)施例的供液系統(tǒng)原理圖；圖3是這種實(shí)施例噴嘴的旋向通氣孔布置圖；圖4是這種實(shí)施例噴嘴的渦流室結(jié)構(gòu)圖。圖中可見空氣壓縮機(jī)1，儲(chǔ)氣罐2，納米流體儲(chǔ)液箱3，液壓泵4，流體節(jié)流閥5，流體流量計(jì)6，氣體節(jié)流閥7，氣體流量計(jì)8，流體調(diào)壓閥9，氣體調(diào)壓閥10，壓力表11，過(guò)濾器 12，溢流閥13，納米流體通道14，通氣孔15，高壓氣體通道16，旋向通氣孔17，密封墊圈18， 渦流室通氣孔19，渦流室20，噴嘴出口 21，內(nèi)錐體22，加速室23，閥芯24，混合室25，端蓋沈，噴嘴體27，流體回收箱觀。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型總的構(gòu)思是將納米流體(納米粒子和潤(rùn)滑劑)經(jīng)液路輸送至噴嘴中的納米流體通道，同時(shí)高壓氣體經(jīng)氣路進(jìn)入噴嘴中的通氣孔，高壓氣體通道中的高壓氣體經(jīng)旋向通氣孔進(jìn)入混合室，與來(lái)自納米流體通道中的納米流體在噴嘴混合室中充分混合霧化，經(jīng)加速室加速后進(jìn)入渦流室，同時(shí)高壓氣體經(jīng)渦流室通氣孔進(jìn)入，使三相流進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)混合并加速，然后三相流以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口噴射至磨削區(qū)。由于納米粒子導(dǎo)熱系數(shù)高，納米流體通過(guò)高溫區(qū)域時(shí)，會(huì)帶走大量的磨削熱，從而增強(qiáng)了潤(rùn)滑劑的冷卻性能， 彌補(bǔ)了微量潤(rùn)滑冷卻能力的不足。同時(shí)由于納米材料的小尺寸效應(yīng)，優(yōu)異的流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能和成份均一性能，保持了微量潤(rùn)滑的性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)，且優(yōu)良的潤(rùn)滑特性和以霧化液滴的形式噴出，增加了潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑面積，有效減小了砂輪與工件、砂輪與切屑之間的摩擦，延長(zhǎng)砂輪的壽命，獲得了加工質(zhì)量高、成本低、無(wú)污染的積極效果。
以下結(jié)合附圖介紹一種實(shí)施例。圖1為一種實(shí)施例的噴嘴結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合圖1可見，噴嘴是由納米流體通道14，通氣孔15，高壓氣體通道16，旋向通氣孔17，密封墊圈18，渦流室通氣孔19，渦流室20，噴嘴出口 21，內(nèi)錐體22，加速室23，閥芯M，混合室25，端蓋沈，噴嘴體27構(gòu)成；閥芯M為圓柱體中空結(jié)構(gòu)，其圓柱形內(nèi)腔為混合室25，閥芯M的上端和端蓋沈相聯(lián)接，下端和內(nèi)錐體22相聯(lián)接，在閥芯24的軸向長(zhǎng)度上布有3排旋向通氣孔17，結(jié)合圖3可見，每一排旋向通氣孔17 沿閥芯M管壁均勻排布6個(gè)，入口軸線與混合室壁面相切；內(nèi)錐體22為錐狀中空結(jié)構(gòu)，其圓錐形內(nèi)腔為加速室23，外錐面與噴嘴體27配合聯(lián)接，內(nèi)錐體22的材料為青銅或者陶瓷。結(jié)合圖1，圖4可見，噴嘴出口 21為錐狀中空結(jié)構(gòu)，中空內(nèi)腔為渦流室20， 渦流室20最小直徑處右側(cè)壁面上有一渦流室通氣孔19，其軸線與渦流室軸線夾角 10° < α <35°，噴嘴出口 21的上端與噴嘴體27和內(nèi)錐體22相聯(lián)接。渦流室20的內(nèi)壁是由幾段與軸向夾角不同的柱面及錐面組合而成，其參數(shù)分別為10° < β <20°， 3° ^ y ^ 45° ,5° ^ θ ^ 10°。結(jié)合圖1可見，噴嘴體27上端與端蓋沈相聯(lián)接，內(nèi)腔中部安裝有閥芯M和密封墊圈18，內(nèi)腔下部安裝有內(nèi)錐體22，在右側(cè)上端壁面上設(shè)有通氣孔15。高壓氣體通道16是由噴嘴體27內(nèi)表面、閥芯M外表面、密封墊圈18上表面和端蓋沈下表面構(gòu)成。結(jié)合圖1，圖2可見，端蓋沈上端與液路相聯(lián)接，通氣孔15和渦流室通氣孔19分別與氣路相聯(lián)接。圖2所示為微量潤(rùn)滑磨削三相流供給系統(tǒng)的原理圖，由液路、氣路和噴嘴構(gòu)成，工作時(shí)，啟動(dòng)液壓泵4，儲(chǔ)存在納米流體儲(chǔ)液箱3中的納米流體經(jīng)流體調(diào)壓閥9、流體節(jié)流閥5 和流體流量計(jì)6進(jìn)入到噴嘴中的納米流體通道14，溢流閥13起到安全閥的作用，當(dāng)液路中的壓力超過(guò)調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥13打開，使納米流體經(jīng)溢流閥13流回到流體回收箱觀中； 啟動(dòng)液壓泵4的同時(shí)，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)1，高壓氣體經(jīng)過(guò)濾器12、儲(chǔ)氣罐2、氣體調(diào)壓閥10、 氣體節(jié)流閥7和氣體流量計(jì)8進(jìn)入到噴嘴中的通氣孔15，壓力表11監(jiān)測(cè)氣路中的壓力值； 高壓氣體通道16中的高壓氣體經(jīng)旋向通氣孔17進(jìn)入混合室25，與來(lái)自納米流體通道14中的納米流體在噴嘴混合室25中充分混合霧化，經(jīng)加速室23加速后進(jìn)入渦流室20，同時(shí)高壓氣體經(jīng)渦流室通氣孔19進(jìn)入，使三相流進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)混合并加速，然后三相流以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口 21噴射至磨削區(qū)。通過(guò)調(diào)節(jié)氣路和液路中的調(diào)壓閥、節(jié)流閥和流量計(jì)，納米流體和高壓氣體的壓力、流量可根據(jù)需要達(dá)到最優(yōu)的微量潤(rùn)滑效果。納米流體的制備方法是在納米粒子和潤(rùn)滑劑的混合液內(nèi)添加烷基磺酸鹽表面活性劑、硫酸二甲脂分散劑后，再采用1. 6-2萬(wàn)次/分鐘高頻振動(dòng)得到穩(wěn)定的懸浮液。納米粒子是石墨顆粒，納米流體中納米粒子的體積含量為-30Vol%，潤(rùn)滑劑為L(zhǎng)B1000可降解合成潤(rùn)滑油或植物油，納米流體的消耗量為單位砂輪寬度5-180ml/h。
權(quán)利要求1.一種微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，包括納米流體通道(14)，通氣孔(15)，高壓氣體通道(16)，旋向通氣孔(17)，密封墊圈(18)，渦流室通氣孔(19)，渦流室00)，噴嘴出口(21)，內(nèi)錐體(22)，加速室(23)，閥芯(M)，混合室(25)，端蓋( )，噴嘴體(27)組成；其特征在于所說(shuō)的閥芯04)為圓柱體中空結(jié)構(gòu)，其圓柱形內(nèi)腔為混合室(25)，閥芯04)的上端和端蓋06)相聯(lián)接，下端和內(nèi)錐體0 相聯(lián)接，在閥芯04)的軸向長(zhǎng)度上布有3排旋向通氣孔(17)，每一排旋向通氣孔(17)沿閥芯04)管壁均勻排布6個(gè)，入口軸線與混合室壁面相切。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特征在于所說(shuō)的內(nèi)錐體(22)為錐狀中空結(jié)構(gòu)，其圓錐形內(nèi)腔為加速室(23)，外錐面與噴嘴體(XT)配合聯(lián)接，內(nèi)錐體的材料為青銅或者陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特征在于所說(shuō)的噴嘴出口 為錐狀中空結(jié)構(gòu)，中空內(nèi)腔為渦流室(20)，渦流室00)最小直徑處右側(cè)壁面上有一渦流室通氣孔(19)，其軸線與渦流室軸線夾角10°彡α <35°，噴嘴出口 Ql)的上端與噴嘴體(XT)和內(nèi)錐體02)相聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特征在于所說(shuō)的渦流室OO)的內(nèi)壁是由幾段與軸向夾角不同的柱面及錐面組合而成，其參數(shù)分別為 10° < β < 20° ,3° ^ y ^ 45° ,5° ^ θ ^ 10°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特征在于所說(shuō)的噴嘴體 (27)上端與端蓋06)相聯(lián)接，內(nèi)腔中部安裝有閥芯04)和密封墊圈(18)，內(nèi)腔下部安裝有內(nèi)錐體(22)，在右側(cè)上端壁面上設(shè)有通氣孔(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特征在于所說(shuō)的高壓氣體通道(16)是由噴嘴體、2Τ)內(nèi)表面、閥芯04)外表面、密封墊圈(18)上表面和端蓋06) 下表面構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械加工領(lǐng)域，即微量潤(rùn)滑磨削三相流供給噴嘴，其特點(diǎn)是將納米流體經(jīng)液路輸送至噴嘴處，同時(shí)高壓氣體經(jīng)氣路進(jìn)入噴嘴，高壓氣體與納米流體在噴嘴混合室中充分混合霧化，經(jīng)加速室加速后進(jìn)入渦流室，同時(shí)壓縮氣體經(jīng)渦流室通氣孔進(jìn)入，使三相流進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)混合并加速，然后三相流以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口噴射至磨削區(qū)。有益效果是噴嘴混合室的旋向通氣孔與混合室壁面相切，納米流體與氣體混合均勻；氣路和液路布有調(diào)壓閥、節(jié)流閥和流量計(jì)，納米流體和高壓氣體的壓力、流量可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，達(dá)到最優(yōu)的微量潤(rùn)滑效果；解決了微量潤(rùn)滑冷卻能力不足，澆注式磨削潤(rùn)滑劑用量大，廢液處理成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重的難題。
文檔編號(hào)B24B57/02GK202155801SQ20112026787
公開日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月17日
發(fā)明者李晶堯, 李長(zhǎng)河, 韓振魯 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)