CN103286629B - 一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法及其装置，该方法是将存储在储气罐内的压缩气体，经过滤干燥后通过软管联接到一个三通使输出管道分为两个支路，其中一个支路的气体经冷却装置冷却后成为低温高压气体，该气体经连接一个或一个以上三通后输入到气动雾化喷嘴的气体入口端，另一个支路的气体经压力调节阀调节压力后通入密封良好的切削液存储容器内，压出切削液，切削液通过软管经连接的一个或一个以上三通后联接入多个气动雾化喷嘴的液体入口端，气体和液体在喷嘴喷口外部混合，产生高速喷雾射流。减小了冷却润滑液的使用量，同时充分发挥了流体介质的冷却和润滑作用，大大降低了切削温度，显著提高刀具耐用度。
Description
技术领域
本发明涉及高效冷却润滑技术领域，特别是涉及切削磨削中的冷却方法及其冷却装置。
背景技术
目前大多企业仍旧采用传统的冷却方式即浇注切削液来冷却润滑切削区以降低切削温度，提高刀具寿命和加工质量。但是切削液有着很大的负面效应：一是会对工人的健康产生威胁。为提高冷却润滑性能而在切削液中加入的极压添加剂多为有毒、有害物质，甚至具有致癌性；二是对环境造成严重污染，切削液如未经充分处理，排入自然环境直接导致水质，土壤和空气的污染；三是目前切削液的成本在加工成本中所占的百分比越来越高；四是该方式流量大，浪费资源，冷却润滑效果非常有限，往往不能满足冷却润滑及环保的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的冷却方法，采用高压低温喷雾射流的的冷却润滑方式，大大提高了难加工材料的刀具寿命，提高了生产效率，降低了生产成本。
本发明的另一个目的在于提供一种高压低温喷雾射流冷却装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置，包括储气罐，储气罐的输出口依次连接过滤器、干燥器，并连接至三通后分为两个支路，其中液体输送支路经管道连接至切削液存储容器，切削液存储容器的出口连接一个或者一个以上三通后连接至气动雾化喷嘴的液体入口端；气体输送支路连接冷却装置后连接一个或者一个以上三通后连接到气动雾化喷嘴的气体入口端。
所述的冷却装置是涡流管冷却枪，温度调节范围为-20℃~0℃，则所述的高压低温气体的温度为-20℃~0℃、气压为0.5MPa~0.1MPa；切削液的压力为0.4MPa~0.1MPa。
液体输送支路上在切削液存储容器的输入管路上设置气压调节阀、气体压力表。
一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法，是将存储在储气罐内的压缩气体，经过滤干燥后通过软管联接到一个三通使输出管道分为两个支路，其中一个支路的气体经冷却装置冷却后成为低温高压气体，该气体经连接一个或一个以上三通后输入到气动雾化喷嘴的气体入口端，另一个支路的气体经压力调节阀调节压力后通入密封良好的切削液存储容器内，压出切削液，切削液通过软管经连接的一个或一个以上三通后联接入多个气动雾化喷嘴的液体入口端，气体和液体在喷嘴喷口外部混合，产生高速喷雾射流。
所述的气动雾化喷嘴，喷口直径为Ф1.2mm；
所采用的气体为空气，较佳为氮气。
本发明采用高速雾流冲击的方式，通过充分汽化、射流冲击和气液两相强对流，使换热表面始终保持在核态沸腾状态，其成细雾状的冷却液将迅速汽化并带走大量的热，显著提高了传热系数，此外由于高压低温喷雾射流具有极高的射流速度，这也可使对流换热系数获得极大的提高；作为冷却介质的高压低温气流，降低了雾滴温度，使平均传热温差变大，同时形成的无数雾滴群极大地增加了换热表面积。冷却介质雾化成微米级的雾滴，大大增加换热面积的同时，具有较大动能的雾滴能够从多个方向进入后刀面，并在高速下冲击切削加工区域，以较高的效率及时带走摩擦产生的热量，很大程度上降低了刀具切削温度，尤其是在高速铣削时非常明显，在大的切削用量时采用适当的加载方式仍旧能大幅度地提高刀具耐用度。解决了浇注切削液换热效果较差，切削液不到充分进入到切削区域，从而导致切削过程中切削温度过高刀具急剧磨损的问题。
附图说明
图1为高压低温喷雾射流冷却系统图；
图2为传统的浇注方式和本发明的高压低温喷雾射流方式的冷却介质渗透效果图；其中图2a为传统的浇注冷却方式，图2b为本发明的高压低温喷雾射流方式；
图3为本发明装置的双喷头前后刀面加载示意图；
图4为高压低温喷雾冷却换热示意图；
图5为高压低温喷雾冷却与池内沸腾高温表面热流密度对比曲线（水作为冷却介质）。
主要附图标记的说明：
1-储气罐；2-过滤器；3-干燥器；4-三通管；5-调压阀；6-压力表；7-液体容器；8-开关；9-喷嘴；10-二通管；11-冷却装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为高压低温喷雾射流冷却系统图，将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置，主要由储气罐1、过滤器2、干燥器3、冷却装置、流体容器7以及雾化喷嘴9组成。经干燥过滤后的气体首先储存在储气罐1中，储气罐1内的压缩气体通过过滤器2、干燥器3，经管道连接至一个三通管4上分两路气路，第一路经冷却装置11后成为一定压力的低温气体，该气体连接到气动雾化喷嘴9的气体入口端（气体通路）；第二路气体通入密封性良好的液体容器7内，由气压压出液体通过管道输入气动雾化喷嘴9的液体入口端（液体通路），高压低温气体和液体在喷嘴喷口外部混合，产生高速喷雾射流。在喷嘴9液体入口端和气体入口端之间的管路上设置开关8，这样根据使用需要可随时开通或关闭某一个喷嘴。
其中，第一路的冷却装置是涡流管冷却枪，温度调节范围为-20℃~0℃；第二路连接至液体容器的管路上设置气压调节阀5、气体压力表6，这样从储气罐1输出的气体在输入液体容器之前根据需要经过压力调节后成为一定压力的气体。
第一路的高压低温气体经冷却后，可连接一个或一个以上的三通管可分为双倍三通管数目的气流入口；第二路输出的液体被高压气体压出后，也可接一至数个三通管分为双倍三通管数目的液流入口，则第一路的气体和第二路的液体可经分别各路三通的双倍数量的喷嘴喷出。
所连接的气动雾化喷嘴，喷口直径为Ф1.2mm，Ф1.2mm喷口在气压0.5MPa、水压0.4MPa、靶距10mm的工况条件下，射流速度达280m/s，雾滴平均粒径为10μm，喷雾流量为0.18kg/min，临界热流密度高达92W/mm2，此时获得较高的换热效率。通过旋转喷嘴的针状阀体，调节液体的喷射流量，从而控制流量的大小；采用氮气气源能获得更好的冷却润滑效果。
图2为传统的浇注方式和本发明的喷雾射流方式的冷却介质渗透效果图，可见采用本发明的高速喷雾射流方式，冷却介质被雾化成微米级颗粒，在2个或更多个大气压的条件下更易进入切削区域，起到充分冷却润滑的作用。
图3为本发明装置的双喷头前后刀面加载示意图；当第一路或第二路的尾端连接的一个三通时，喷嘴的数量为两个，从图3可知，本发明加载双喷头同时对切削刀具前后刀面冷却润滑，有利于前后刀面热量的散发，提高刀具耐用度。
图4为高压低温喷雾冷却换热示意图，如图4所示，采用本发明高速雾流冲击的方式，使换热表面始终保持在核态沸腾状态。高压气体驱动的气动雾化喷嘴产生大量的微小液体群，喷射冲击到高温表面上，在热表面上形成一层薄薄的液膜，并在液膜里形成大量的气泡，这些气泡逐渐增大并最终破裂，并在液膜表面形成一层蒸汽膜，通过该过程的汽化相变可带走大量的汽化潜热。气泡从形成到破裂的时间间隔除了与换热表面温度有关外，还与雾滴补入速度和雾滴冲击力有关。喷雾射流速度越高，其冲击力就越大，这样可以冲破气泡，加速气泡从形成到破裂的过程，从而加速雾滴的汽化过程。而存在于液膜上面的高压驻点气流可以将由于雾滴汽化所产生的大量蒸汽从换热表面驱除，使换热表面始终保持湿润状态，避免膜态沸腾的发生，可获得较好的换热效果。
图5为高压低温喷雾冷却与池内沸腾高温表面热流密度对比曲线，从图5中可知，冷却介质为水时，高压低温喷雾冷却的临界热流密度相当于池内沸腾的十倍以上，这意味着高压低温喷雾冷却相对于池内沸腾具有超强的换热能力，在相同的表面温度下喷雾冷却可以带走更多的热量，这对于解决加工区的换热问题是十分重要的。
Claims (6)
1.一种将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置，其特征在于包括储气罐，储气罐的输出口连接过滤器、干燥器后连接至三通后分为两个支路，其中液体输送支路经管道连接至切削液存储容器，切削液存储容器的出口连接一个或者一个以上三通后连接至气动雾化喷嘴的液体入口端；气体输送支路连接冷却装置后连接一个或者一个以上三通后连接到气动雾化喷嘴的气体入口端。
2.根据权利要求1所述的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置，其特征在于所述的冷却装置是涡流管冷却枪，温度调节范围为-20℃~0℃。
3.根据权利要求1所述的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置，其特征在于所述液体输送支路上在切削液存储容器的输入管路上设置气压调节阀、气体压力表。
4.基于权利要求1所述的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的装置的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法，其特征在于是将存储在储气罐内的压缩气体，经过滤干燥后通过软管联接到一个三通使输出管道分为两个支路，其中一个支路的气体经冷却装置冷却后成为低温高压气体，该气体经连接一个或一个以上三通后输入到气动雾化喷嘴的气体入口端，另一个支路的气体经压力调节阀调节压力后通入密封良好的切削液存储容器内，压出切削液，切削液通过软管经连接的一个或一个以上三通后联接入多个气动雾化喷嘴的液体入口端，气体和液体在喷嘴喷口外部混合，产生高速喷雾射流。
5.根据权利要求4所述的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法，其特征在于采用的气体为氮气、空气。
6.根据权利要求4所述的将切削冷却介质形成高压低温喷雾射流的方法，其特征在于所述的高压低温气体的温度为-20℃~0℃、气压为0.5MPa~0.1MPa；切削液的压力为0.4MPa~0.1MPa。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20130911 Assignee: Jiangsu Jincheng CNC Machine Tool Co., Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: 2016320000158 Denomination of invention: Method and device for forming high-pressure and low-temperature jet flow by cutting coolant Granted publication date: 20160217 License type: Exclusive License Record date: 20160608 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |