CN103612207A - 磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，通过在电晕区周围增加磁场，提高液滴的荷电量。它包括：外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的喷嘴；喷嘴与纳米粒子供液系统、供气系统连接；高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；在静电放电的电晕区周围是磁场形成装置；纳米流体磨削液从喷嘴的喷头喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。

Description

磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备

技术领域

本发明涉及一种机械磨削加工微量润滑磨削液运输工艺方法与装备，特别是一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备。

背景技术

微量润滑技术又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）技术，他是将极微量的润滑液与具有一定压力的压缩空气混合并雾化，喷射至磨削区，对砂轮与磨屑、砂轮与工件的接触面进行有效润滑。这一技术在保证有效润滑和冷却效果的前提下，使用最小限度的磨削液（约为传统浇注式润滑方式用量的千分之几），以降低成本和对环境的污染以及对人体的伤害。

纳米射流微量润滑是基于强化换热理论建立的，由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于液体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级。在微量润滑介质中添加固体粒子，可显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力，极大弥补微量润滑冷却能力不足的缺陷。此外，纳米粒子（指尺寸为1-100nm的超细微小固体颗粒）在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减摩和高承载能力等摩擦学特性。纳米射流微量润滑就是将纳米级固体粒子加入微量润滑流体介质中制成纳米流体，即纳米粒子、润滑剂（油、或油水混合物）与高压气体混合雾化后以射流形式喷入磨削区。

发明人对微量润滑磨削供给系统进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请了相关的专利，由发明设计人申请的发明专利，申请号：201210153801.2公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统，它将纳米级固体粒子加入可降解的磨削液中制成微量润滑磨削的润滑剂，由微量供给装置将润滑剂变为具有固定压力、脉冲频率可变、液滴直径不变的脉冲液滴，在高压气体产生的空气隔离层作用下以射流形式喷入磨削区。但它不是采用磁增强静电雾化的形成产生射流可控的微细液滴，雾化原理和液滴控制方式不同；申请号：201110221543.2的发明专利公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统，将纳米流体经液路输送至喷嘴处，同时高压气体经气路进入喷嘴，高压气体与纳米流体在喷嘴混合室中充分混合雾化，经加速室加速后进入涡流室，同时压缩气体经涡流室通气孔进入，使三相流进一步旋转混合并加速，然后三相流以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。但公开的技术方案中也不是采用磁增强静电雾化的原理形成带电荷的微细雾滴，更不能做到射流可控，雾化原理和液滴控制方式均不同。

申请号：201310042095.9公开了一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，通过静电学原理可以使喷射的雾滴实现可控分布，从而降低对环境的污染，为工作人员提供了更好的健康保障。其磨削系统安装有电晕荷电喷嘴，电晕荷电喷嘴的喷嘴体与供液系统、供气系统连接，喷嘴体下部的高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极与工件加电装置连接，工件加电装置附着于工件的不加工表面；纳米流体磨削液通过供液系统送入电晕荷电喷嘴，同时供气系统将压缩空气送入电晕荷电喷嘴，纳米流体磨削液由压缩空气带动从喷嘴体出口喷出雾化的同时被高压直流静电发生器荷电为可控射流，在电场力及气动力的作用下可控的分布到加工工件的磨削区。公开的技术方案不是采用磁场、电场以及雾化三者耦合作用下的纳米粒子射流液滴荷电及雾滴可控有序输运实现的微量润滑磨削，产生射流可控的微细液滴，雾化原理和液滴控制方式不同。

微量润滑磨削中如果微量润滑剂在高压气体的携带作用下，不能有效可控的注入磨削区，即砂轮/工件界面的楔形区域，纳米射流就会散发到周围环境中。现如今我们正高度关注着在使用微量润滑加工时润滑液与冷却液对操作人员健康的影响，如，操作人员会得各种各样的呼吸系统疾病，包括职业性气喘、过敏性肺炎、肺功能丧失和皮肤病如过敏、油痤疮、和皮肤癌等。微量润滑的工业关注点是以空气为动力的雾滴给操作人员带来的潜在健康危害。在微量润滑以压缩空气为动力的喷射中雾滴喷射出以后不再受到约束，其运动不再可控，会发生扩散、漂移等一系列问题。然而这些问题的出现会使颗粒微小的雾滴扩散到工作环境中，不仅对环境造成了极大的污染而且会对工作人员造成极大的健康危害。当雾滴的大小小于4μm甚至能引起各种各样的职业病。根据实际报道即使短时间暴露在这种环境下也可能损坏肺功能。为此美国职业安全健康研究所建议矿物油雾滴的暴露极限浓度为0.5mg/m³。为了确保工作人员的健康，必须对微量润滑过程中微小液滴加以控制，减少扩散量。然而从目前检索的文献来看，对于此方面的研究还未见报道，因此对于上述问题的研究迫在眉睫。基于这样的现状我们进行了对微量润滑过程中微小雾滴的可控分布进行了探索。

发明人对微量润滑磨削供给系统的射流可控性进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请了相关的专利，由发明设计人申请的发明专利，申请号：201310042095.9公开了以一种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，利用静电雾化原理在气动雾化的基础上对纳米射流微量润滑液进一步雾化，同时利用静电荷电原理将喷出的微量润滑液液滴荷电，被荷电的液滴在电场力的作用下定向的向工件移动，从而实现纳米粒子射流的可控。虽然这种方案实现了纳米粒子射流定向可控，但在这种情况下若想进一步增大液滴的荷电量，就需要不断的增加直流电源的电压，但是由于击穿电压的限制，不能无限制的增加静电电压，如何在不增大静电电压的情况下增加液滴的荷电量，成为研究的主要方向基于这样的现状，我们进行了对静电雾化荷电过程中如何在不增加静电电压的基础上增加雾滴的荷电量进行了探索。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，通过在电晕区周围增加磁场，提高液滴的荷电量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，它包括：

外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的喷嘴；

喷嘴与纳米粒子供液系统、供气系统连接；

高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；

在静电放电的电晕区周围是磁场形成装置；

纳米流体磨削液从喷嘴的喷头喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。

所述高压直流静电发生器安装在磁场形成装置上，磁场形成装置安装在喷嘴上。

所述高压直流静电发生器为喷头的一部分组成，磁场形成装置安装在喷嘴上。

所述磁场形成装置由两套相同的结构，通过各自的中部为半圆弧的固定板固定在喷嘴靠近喷头位置外周的卡槽内，两固定板则连接在一起；每套结构均包括：

一个定板，一个动板，两者铰接，定板上部设有T形滑槽，角度调节固定机构一端固定在动板上，另一端则与T形滑槽活动连接，进行角度调整并固定；

在动板上设有磁盒，磁盒内设有磁性元件，磁盒顶部设有电极卡盘，高压直流静电发生器安装在电极卡盘上。

所述高压直流静电发生器为若干L形针状电极Ⅰ，所述L形针状电极Ⅰ中部设有橡胶塞，尾部设有导线接口；在磁场形成装置的电极卡盘一侧设有多个电极插槽，在电极卡盘相对侧设有导线通槽，所述电极插槽与所述导线通槽连通，导线接口位于所述导线通槽内并与电极高压导线连接。

所述喷头为扁平扇形，在扁平扇形喷头内表面为半椭球或半球面；在半椭球的顶端开一个V形槽，V形槽两斜面关于喷嘴轴线对称且和半椭圆球相贯形成狭长喷口。

所述磁场形成装置由两套相同的结构，通过各自的中部为半圆弧的固定板固定在喷嘴靠近喷头位置外周的卡槽内，两固定板则连接在一起；每套结构均包括：

一个定板，一个动板，两者铰接，定板上部设有T形滑槽，角度调节固定机构一端固定在动板上，另一端则与T形滑槽活动连接，进行角度调整并固定；

在动板上设有磁盒，磁盒内设有磁性元件，磁盒顶部设有电极卡盘。

所述喷头分成两部分喷头体和电极喷嘴Ⅰ，喷头体和电极喷嘴Ⅰ螺纹连接，喷头体由陶瓷材料制成，电极喷嘴Ⅰ由放电电极的材料制成作为高压直流静电发生器，且电极喷嘴Ⅰ的出口处较薄为0.3-1.2mm，在电极喷嘴Ⅰ上设置有导线连接环Ⅰ用于连接电极高压导线。

所述角度调节固定装置包括一个角度定位环，它上面设有弧形滑槽，角度定位环与动板固定连接，弧形滑槽则通过滑块螺杆和螺母组成的定位机构与定板活动连接，进行角度调整和固定。

所述磁性元件为永磁铁或电磁铁；在采用电磁铁时，磁盒后侧面设有电磁铁导线槽，电磁铁与通过电磁铁导线与电磁铁可调供电电源连接。

所述喷嘴包括混合腔体，混合腔体两端分别与注气管和喷头密封连接；在混合腔体内分为进液腔和混合腔，两者间由盘形进液塞分隔，在进液塞上设有多个进液孔；位于混合腔的注气管前部设有多个注气孔，注气孔以相对的两组螺旋线形式分布排列；混合腔与喷头间设有锥形加速段。

一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，它包括：

内部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置从而形成一体喷嘴；

一体喷嘴与纳米粒子供液系统、供气系统连接；

高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；

在静电放电的电晕区周围设置磁场形成装置；

纳米流体磨削液从一体喷嘴喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。

所述一体喷嘴包括一体喷嘴体，它的内部设有一体喷嘴注气通道，一体喷嘴注气通道的一体喷嘴注气管壁下部设有若干注气孔，并与一体喷嘴混合腔连通；

所述一体喷嘴体还有与一体喷嘴注液通道连通的一体喷嘴注液腔；所述一体喷嘴注液腔通过一体喷嘴节流孔与一体喷嘴混合腔连通；在一体喷嘴混合腔底部是一体喷嘴扇形喷嘴出口；

在所述一体喷嘴扇形喷嘴出口下部是一体喷嘴电极槽，一体喷嘴电极槽下部是一体喷嘴磁盒）；高压直流静电发生器和磁场形成装置分别置于一体喷嘴电极槽和一体喷嘴磁盒内。

所述一体喷嘴包括一体喷嘴体，它的内部设有一体喷嘴注气通道，一体喷嘴注气通道的一体喷嘴注气管壁下部设有若干注气孔，并与一体喷嘴混合腔连通；

所述一体喷嘴体还有与一体喷嘴注液通道连通的一体喷嘴注液腔；所述一体喷嘴注液腔通过一体喷嘴节流孔与一体喷嘴混合腔连通；在一体喷嘴混合腔底部是喷头体和电极喷嘴Ⅱ，喷头体和电极喷嘴Ⅱ螺纹连接；在电极喷嘴Ⅱ上设置有导线连接环Ⅱ与电极高压导线连接，作为高压直流静电发生器；

在所述电极喷嘴Ⅱ下部是一体喷嘴磁盒；磁场形成装置置于一体喷嘴磁盒内。

所述高压直流静电发生器包括：

圆形电极盘，在圆形电极盘上设置有环形的电极导线放置槽，以及间隔设置的多个针状电极卡槽；

在电极导线放置槽内还设置有电极导线通孔，电极高压导线接出后经一体喷嘴电极导线通道接出到一体喷嘴外部；

L形针状电极Ⅱ则插放在针状电极卡槽内。

所述磁场形成装置包括：

磁铁，它放置在一体喷嘴磁盒内，由定位卡盘定位，在定位卡盘上设置有磁体挡板；

所述磁体为永磁铁或电磁铁，若为电磁铁则电磁铁导线经由一体喷嘴电磁铁导线通道接出。

所述工件加电装置由工件加电装置绝缘壳体、压铁、压紧永磁铁、压紧弹簧组成；压紧永磁铁安装在工件加电装置绝缘壳体上，压铁通过压紧弹簧穿透安装在工件加电装置绝缘壳体中部，露出工件加电装置绝缘壳体的端部则设有导线连接环和开口销插槽。

本发明的有益效果是：

提供了一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，通过在电晕区周围增加磁场，提高液滴的荷电量。在磁增强电晕放电的情况下，在库仑力和洛伦兹力的共同作用下，自由电子形成了拉莫运动，自由电子的运动轨迹被延长了。也就是说由于自由电子做了拉莫运动，自由电子与空气分子和微量润滑磨削液微粒碰撞的几率明显增加，从而使电子雪崩更加剧烈，空气电离增强，使微粒荷电更加充分。同时由于磁场的存在，电晕放电的起晕电压也有所降低。通过磁场、电场以及雾化三者耦合作用下，实现纳米粒子射流液滴荷电及雾滴可控有序输运微量润滑磨削。

附图说明

图1是第一种和第三种实施例的装配轴测图；

图2是第二种和第四种实施例的装配轴测图；

图3是第一种、第二种、第三种和第四种实施例的液路和气路系统简图；

图4是第一种、第二种、第三种和第四种实施例的电路系统框图；

图5a、b是第一种、第二种、第三种和第四种实施例的工件加电装置剖视图和俯视图；

图6是第一种和第二种实施例的喷嘴体剖视图；

图7是第一种和第三种实施例的注气管的局部轴测图；

图8是第一种实施例的喷头剖视图；

图9是第一种和第三种实施例的电磁装置装配轴测图；

图10是第一种和第三种实施例的喷嘴和电磁装置装配示意图；

图11是第一种和第三种实施例的定板轴测图；

图12是第一种和第三种实施例的动板轴测图；

图13是第一种和第三种实施例的磁盒轴测图；

图14是第一种和第三种实施例的电极卡盘轴测图；

图15是第一种和第三种实施例的固定板轴测图；

图16是第一种和第三种实施例的角度定位环俯视图；

图17是第一种实施例的L形针状电极和橡胶塞轴测图；

图18是第二种实施例的一体喷嘴的剖视图；

图19是第二种和第四种实施例的一体喷嘴的俯视图；

图20是第二种实施例的一体喷嘴和电磁装置装配剖视图；

图21a、b是第二种实施例的圆形电极槽的俯视图和旋转剖视图；

图22是第二种和第四种实施例的定位卡盘的俯视图；

图23是第三种实施例的电极喷头的剖视图；

图24是第四种实施例的一体喷嘴的剖视图；

其中，1-砂轮，2-磨床部分工作台，3-绝缘板材，4-工件，5-磁力吸盘，6-砂轮罩，7-压缩空气输送蛇形管，8-纳米流体输送蛇形管，9-可调高压直流电源，10-电极高压导线，11-工件加电装置，12-喷嘴，13-电磁装置，14-电磁铁导线，15-电磁铁可调供电电源，16-混合腔体，17-注气管，18-喷头，19-喷嘴左螺母，20-进液螺纹管，21-喷嘴右螺母，22-进液塞，23-密封垫圈Ⅰ，24-密封垫圈Ⅱ，25-进液腔，26-混合腔，27-加速段，28-扇形喷嘴出口，29-卡槽，30-定位螺纹孔，31-空气压缩机，32-纳米流体储液罐，33-储气罐，34-液压泵，35-过滤器，36-压力表，37-节流阀Ⅰ，38-涡轮流量计Ⅰ，39-涡轮流量计Ⅱ，40-节流阀Ⅱ，41-调压阀Ⅰ，42-调压阀Ⅱ，43-溢流阀，44-纳米流体回收箱，45-定板，46-动板，47-角度定位环，48-螺杆Ⅰ，49-螺杆Ⅱ，50-滑块螺杆，51-电极卡盘，52-磁盒，53-螺母，54-螺杆Ⅲ，55-螺杆Ⅳ，56-T形滑槽，57-通孔Ⅰ，58-定位块，59-固定板插口，60-磁盒固定块，61-通孔Ⅱ，62-螺纹孔Ⅰ，63-六角沉孔，64-通孔Ⅲ，65-螺纹通孔，66-螺纹孔Ⅱ，67-电磁铁导线槽，68-电极插槽，69-通孔Ⅳ，70-导线通槽，71-固定板，72-通孔Ⅴ，73-通孔Ⅵ，74-通孔Ⅶ，75-弧形滑槽，76-开口销插槽，77-工件加电装置绝缘壳体，78-压铁，79-压紧永磁铁，80-压紧弹簧，81-导线连接环，82-橡胶塞，83-L形针状电极Ⅰ，84-导线接口，85-一体喷嘴体，86-一体喷嘴注气通道，87-一体喷嘴注气通道接头，88-一体喷嘴注液通道，89-一体喷嘴注液通道接头，90-一体喷嘴注液腔，91-一体喷嘴节流孔，92-一体喷嘴混合腔，93-一体喷嘴加速段，94-一体喷嘴扇形喷嘴出口，95-一体喷嘴电极导线通道，96-一体喷嘴电极槽，97-一体喷嘴磁盒，98-一体喷嘴电磁铁导线通道，99-一体喷嘴固定螺纹孔，100-一体喷嘴注气管壁，101-圆形电极盘，102-L形针状电极Ⅱ，103-磁铁，104-定位卡盘，105-电极导线通孔，106-针状电极卡槽，107-电极导线放置槽，108-定位通孔，109-磁体挡板，110-一体喷嘴，111-喷头体，112-电极喷嘴Ⅰ，113-导线连接环Ⅰ，114-电极喷嘴Ⅱ，115-电极接线空间，116-导线连接环Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

本发明的第一种实施例如图1和图3至17所示，是关于一种磁增强电场诱导纳米粒子射流液滴荷电机理及雾滴可控有序输运微量润滑磨削工艺方法与装备。

如图1所示，在第一种实施例中，在磨床部分工作台2上覆上绝缘板材3（这种新型材料可以导磁但不导电，从而既可以保证工件4的安装又可以保证喷嘴12与工件4间形成稳定电场）。将工件4放置在绝缘板材3上，磨床加磁时夹紧定位工件4，将磁力吸盘5吸附在砂轮罩6的侧面，用来固定纳米流体输送蛇形管8、压缩空气输送蛇形管7和电极高压导线10中的负极导线。纳米流体输送蛇形管8一端与进液螺纹管20相连，另一端与涡轮流量计Ⅱ39相连。压缩空气输送蛇形管7一端与注气管17相连，另一端与涡轮流量计Ⅰ38相连。电极高压导线10中的负极导线一端穿过导线通槽70，依次与各针状电极尾端相连接，另一端与可调高压直流电源9的负极输出端相连。电极高压导线10中的正极导线一端与导线连接环81相连另一端与可调高压直流电源9的正极输出端相连接，并进行接地处理。将工件加电装置11吸附于工件不加工表面，从而使工件4与可调高压直流电源9正极接通，电磁铁线圈通过电磁铁导线14与电磁铁可调供电电源15相连，电磁装置通过固定板71固定在喷嘴12上。

如图3所示，在第一种实施例中所述的喷嘴12为气动雾化喷嘴，压缩空气和纳米流体在喷嘴12内部混合。所述喷嘴12的气路由空气压缩机31、过滤器35、储气罐33、调压阀Ⅰ41、节流阀Ⅰ37、涡轮流量计Ⅰ38依次连接组成。所述喷嘴12的液路由纳米流体储液罐32、液压泵34、调压阀Ⅱ42、节流阀Ⅱ40、涡轮流量计Ⅱ39依次连接组成。由空气压缩机31产生的压缩空气经过滤器35进入储气罐33，再经调压阀Ⅰ41和节流阀Ⅰ37，流经涡轮流量计Ⅰ38进入注气管17；液压泵34将纳米流体储液罐32中的纳米流体抽出，再经调压阀Ⅱ42和节流阀Ⅱ40，流经涡轮流量计Ⅱ39进入进液螺纹管20。其中溢流阀43和纳米流体回收箱44形成保护回路，压力表36用来监测储气罐33的气压。

如图4所示，在第一种实施例中，可调高压直流电源9由交流电源输入单元、直流稳压单元V1、直流稳压单元V2、自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路和恒流自动控制电路组成。

如图5a、b所示，在第一种实施例中，工件加电装置11由工件加电装置绝缘壳体77、压铁78、压紧永磁铁79、压紧弹簧80组成。将其靠近工件不加工表面时，压紧永磁铁79会与工件4产生吸引力压缩压紧弹簧80，同时压紧弹簧80提供反作用力，保证压铁78与工件4紧密相连。在压铁78上开有开口销插槽76，其作用是插入开口销，以保证工件加电装置11未与工件4吸附时，压铁78和压紧弹簧80不会从工件加电装置绝缘壳体77中脱落。压铁78尾端设置有导线连接环81方便导线连接。

如图6、7和8这种实施例的喷嘴体剖视图、注气管17的局部轴测图及喷头剖视图所示，在第一种实施例中可以看出该实施例中所设计使用的喷嘴12为微量润滑雾化喷嘴由喷嘴左螺母19、注气管17、密封垫圈Ⅰ23、进液螺纹管20、进液塞22、喷嘴右螺母21、密封垫圈Ⅱ24、喷头18和混合腔体16构成，其装配如图6所示。从图中可以看出喷嘴12还包括进液腔25、混合腔26、加速段27和扇形喷嘴出口28。压缩空气和纳米流体分别通过注气管17和进液腔25进入混合腔26进行混合，进液塞22为圆盘形，可根据需要在周围对称分布着4-8个进液孔，其作用是限制纳米流体进入混合腔26内的量，从而可以使压缩空气和纳米流体在混合腔26内有足够的混合空间。压缩空气与纳米流体在混合腔26内充分混合形成亚音速三相（压缩空气、液态润滑基油和固态纳米粒子）泡状流。泡状流进入到加速段27后，由于加速段27为锥形结构缩小了三相泡状流的流动空间，从而增大了三相泡状流的压力和流速，并减小了气泡直径。同时三相泡状流经过加速段27时受挤压而失稳，破裂成更小的气泡和液滴，增加了雾滴的数量提高了雾化效果。同时三相泡状流经过加速后在扇形喷嘴口28以近音速喷出，加大了射流速度，由于压力突然降到大气压力，气泡会急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，同时周围气泡会受到冲击而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小。注气管17上开有注气孔，注气孔以相对的两组螺旋线形式分布排列，这更有利于三相泡状流在混合腔26内充分混合及碰撞，同时注气管17轴向沿螺旋线分布的注气孔的中心轴线和喷嘴注气管的中心轴线成15至35度倾斜角，这样有利于混合腔26内的三相泡状流向加速段27推进，在注气管17顶端设有轴向注气孔，其作用是进一步使三相泡状流在加速段27内加速。卡槽29和定位螺纹孔30用来连接固定板71，定位螺纹孔30在卡槽29内沿圆周方向阵列多组。从图6中可以看出该喷头18为扁平扇形喷头。扁平扇形喷头内表面通常为半椭球或半球面。在半椭球的顶端开一个V形槽，V形槽两斜面关于喷嘴轴线对称且和半椭圆球相贯形成狭长喷口。这种喷头能产生扇形的均匀扁平射流，这种射流冲击力均匀，冲击范围大，扩散角也可以在较大范围内调整，其清洗能力尤为突出。图中a为椭圆长半轴长度，b为椭圆中心到V型槽底长度，c为喷嘴入射断面直径，α为V型槽角度的一半。

如图9至17所示，电磁装置总装轴测图及各部件视图，在第一种实施例中电磁装置设置为相对的两套，图9中给出的是其中一组。如图所示，螺杆Ⅱ49穿过设置在定板45上的通孔Ⅰ57和设置在动板46上的两个通孔Ⅲ，且螺杆Ⅱ49的一端沉入到六角沉孔63中，螺杆Ⅱ49另一端旋有螺母，从而使动板46和定板45相互连接，且可以相对转动。将滑块螺杆50滑入到T形滑槽56内，使滑块螺杆50上方的螺杆穿过角度定位环47上的弧形滑槽75，滑块螺杆50上方用螺母53旋合。螺杆Ⅰ48穿过角度定位环47上的通孔Ⅶ74旋合在螺纹孔Ⅰ62上，调节螺杆Ⅰ48使角度定位环47可绕其旋转，旋松螺母53可使滑块螺杆50在T形滑槽56内滑动，从而调节定板45和动板46的相对角度，然后旋紧螺杆Ⅰ48和螺母53锁紧角度定位环47，是动板46和定板45的角度固定，角度定位环47上有刻度，可实现方便的定量角度调整。将永磁铁或电磁铁放入到磁盒52中，将电极卡盘51置于磁盒52上方，使螺纹孔Ⅱ66和通孔Ⅳ69对齐，再用螺杆Ⅲ54将磁盒52和电极卡盘51连接起来，若磁盒52内装有电磁铁可将其线圈导线通过电磁铁导线槽67引入到导线通槽70中，电极插槽68内塞有橡胶塞82（过盈配合），L形针状电极Ⅰ83插入到橡胶塞82中（过盈配合），L形针状电极Ⅰ83尾端延伸至导线通槽70，L形针状电极Ⅰ83尾端设置有导线接口84。电磁铁线圈导线和电极导线可经导线通槽70引到装置外与电源连接。将固定板71放置在卡槽29中，使通孔Ⅵ73与定位螺纹孔30对齐并用螺钉连接。以上电磁装置为相对两组设置，将固定板71插入到定位块58上的固定板插口59中，利用螺杆插入到两组固定板71上的通孔Ⅴ72中并用螺母锁紧，实现整体电磁装置的固定。由于定位螺纹孔30在卡槽29内沿圆周方向阵列多组，并且定板45和动板46的相对角度可调节，从而实现了喷嘴前方多角度磁场的形成。

实施例2：

图2至5和图18至22为本发明的第二种实施例，在第二种实施中将第一种实施例中的喷嘴12和电磁装置13替换为一体喷嘴110。

如图2所示，在磨床部分工作台2上覆上绝缘板材3（这种新型材料可以导磁，但不导电，从而既可以保证工件的安装又可以保证喷嘴与工件间形成稳定电场）。将工件4放置在绝缘板材3上，磨床加磁时夹紧定位工件4，将磁力吸盘5吸附在砂轮罩6的侧面，用来固定纳米流体输送蛇形管8、压缩空气输送蛇形管7和电极高压导线10中的负极导线。纳米流体输送蛇形管8一端与一体喷嘴注液通道接头89相连，另一端与涡轮流量计Ⅱ39相连。压缩空气输送蛇形管7一端一体喷嘴注气通道接头87相连，另一端与涡轮流量计Ⅰ38相连。电极高压导线10中的负极导线穿过一体喷嘴电极导线通道95，依次与各针状电极尾端相连接，另一端与可调高压直流电源9的负极输出端相连。电极高压导线10中的正极导线一端与导线连接环81相连另一端与可调高压直流电源9的正极输出端相连接，并进行接地处理。将工件加电装置11吸附于工件不加工表面，从而使工件4与可调高压直流电源9正极接通，电磁铁线圈通过电磁铁导线14与电磁铁可调供电电源15相连。

如图3所示，在第二种实施例中所述的一体喷嘴110为气动雾化喷嘴，压缩空气和纳米流体在一体喷嘴110内部混合。所述一体喷嘴110的气路由空气压缩机31、过滤器35、储气罐33、调压阀Ⅰ41、节流阀Ⅰ37、涡轮流量计Ⅰ38依次连接组成。所述一体喷嘴110的液路由纳米流体储液罐32、液压泵34、调压阀Ⅱ42、节流阀Ⅱ40、涡轮流量计Ⅱ39依次连接组成。由空气压缩机31产生的压缩空气经过滤器35进入储气罐33，再经调压阀Ⅰ41和节流阀Ⅰ37，流经涡轮流量计Ⅰ38进入一体喷嘴注气通道86；液压泵34将纳米流体储液罐32中的纳米流体抽出，再经调压阀Ⅱ42和节流阀Ⅱ40，流经涡轮流量计Ⅱ39进入一体喷嘴注液通道88。其中溢流阀43和纳米流体回收箱44形成保护回路，压力表36用来监测储气罐33的气压。

如图4所示，在第二种实施例中，可调高压直流电源9由交流电源输入单元、直流稳压单元V1、直流稳压单元V2、自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路和恒流自动控制电路组成。

如图5a、b所示，在第二种实施例中，工件加电装置11由工件加电装置绝缘壳体77、压铁78、压紧永磁铁79、压紧弹簧80组成。将其靠近工件不加工表面时，压紧永磁铁79会与工件4产生吸引力压缩压紧弹簧80，同时压紧弹簧80提供反作用力，保证压铁78与工件4紧密相连。在压铁78上开有开口销插槽76，其作用是插入开口销，以保证工件加电装置11未与工件4吸附时，压铁78和压紧弹簧80不会从工件加电装置绝缘壳体77中脱落。压铁78尾端设置有导线连接环81方便导线连接。

如图18至22所示，在第二种实施例中所用喷嘴为一体喷嘴110，所述一体喷嘴110由陶瓷材料使用快速成型方法制成包括一体喷嘴体85，一体喷嘴注气通道86，一体喷嘴注气通道接头87，一体喷嘴注液通道88，一体喷嘴注液通道接头89，一体喷嘴注液腔90，一体喷嘴节流孔91，一体喷嘴混合腔92，一体喷嘴加速段93，一体喷嘴扇形喷嘴出口94，一体喷嘴电极导线通道95，一体喷嘴电极槽96，一体喷嘴磁盒97，一体喷嘴电磁铁导线通道98，一体喷嘴固定螺纹孔99，一体喷嘴注气管壁100。压缩空气通过一体喷嘴注气通道86进入一体喷嘴混合腔92，同时纳米流体经过一体喷嘴注液通道88进入到一体喷嘴注液腔90中，在通过一体喷嘴节流孔91节流后进入到一体喷嘴混合腔92中与压缩空气混合。一体喷嘴节流孔91的作用是限制纳米流体进入到一体喷嘴混合腔92内的量，从而可以使压缩空气和纳米流体在一体喷嘴混合腔92内有足够的混合空间。压缩空气与纳米流体在一体喷嘴混合腔92内充分混合形成亚音速三相（压缩空气、液态润滑基油和固态纳米粒子）泡状流。泡状流进入到一体喷嘴加速段93后，由于一体喷嘴加速段93为锥形结构缩小了三相泡状流的流动空间，从而增大了三相泡状流的压力和流速，并减小了气泡直径。同时三相泡状流经过一体喷嘴加速段93时受挤压而失稳，破裂成更小的气泡和液滴，增加了雾滴的数量提高了雾化效果。同时三相泡状流经过加速后在一体喷嘴扇形喷嘴出口94以近音速喷出，加大了射流速度，由于压力突然降到大气压力，气泡会急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，同时周围气泡会受到冲击而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小。一体喷嘴注气管壁100上开有注气孔，注气孔与实施例一中的排列布置相同，这的布置更有利于三相泡状流在一体喷嘴混合腔92内充分混合及碰撞，同时注气孔的中心轴线和喷嘴注气管的中心轴线成15至35度倾斜角，这样有利于一体喷嘴混合腔92内的三相泡状流向一体喷嘴加速段93推进，在一体喷嘴注气管壁100顶端设有轴向注气孔，其作用是进一步使三相泡状流在一体喷嘴加速段93内加速，一体喷嘴扇形喷嘴出口94的设计与第一种实施例中相同。图中所述的圆形电极盘101为橡胶材质具有一定的弹性，在其圆周上阵列有4-8个针状电极卡槽106，在圆形电极盘101上设置有电极导线放置槽107，在电极导线放置槽107内设置有电极导线通孔105方便电极导线接出，电极导线接出后经一体喷嘴电极导线通道95接出到一体喷嘴100外部。L形针状电极Ⅱ102插放在针状电极卡槽106内（过盈配合）。将连接好电极的圆形电极盘101放入到一体喷嘴电极槽96内，将磁铁103放置在一体喷嘴磁盒97内，由定位卡盘104进行如图20所示的定位，在定位卡盘104上设置有磁体挡板109用来限制磁铁的。将螺钉穿过定位通孔108后连接在一体喷嘴固定螺纹孔99上，从而固定定位卡盘104。所述磁体103可以为永磁铁也可以为电磁铁，若为电磁铁则电磁铁导线经由一体喷嘴电磁铁导线通道98接出。

实施例3：

本发明的第三种实施例如图1、图3至5、图6、图7、图9至16和图23所示，在本发明的第三种实施例中，除电极的布置和喷头的设计与第一种实施例不同外，其它设计均与第一种实施例相同。在实施例三中改变了放电电极的添加方式，原第一种实施例中的电极卡盘51上的电极插槽68内不再布置L形针状电极Ⅰ83，在第三种实施例中电极卡盘51仅作为磁盒52的盒盖使用。在实施例三中将实施例一中的喷头18进行了重新的设计，设计方案如图23所示，将原第一种实施例中的喷头18，拆分成两部分喷头体111和电极喷嘴Ⅰ112，喷头体111和电极喷嘴Ⅰ112通过螺纹连接，喷头体111由陶瓷材料制成，电极喷嘴Ⅰ112由可做放电电极的材料制成，且电极喷嘴Ⅰ112的出口处较薄为0.3-1.2mm，在电极喷嘴Ⅰ112上设置有导线连接环Ⅰ113，便于连接导线。

实施例4：

本发明的第四种实施例如图2至5、图19、图22、图24所示，在本发明的第四种实施例中，除电极的布置和喷嘴出口的设计与第二种实施例不同外，其它设计均与第二种实施例相同。在实施例四中去掉了原第二种实施例中一体喷嘴电极槽96这一部分，从而在第四种实施例中也不再使用圆形电极盘101和L形针状电极Ⅱ102。将原第二种实施例中的一体喷嘴扇形喷嘴出口94制作成图24所示的形状并带有内螺纹，与带有外螺纹的电极喷嘴Ⅱ114通过螺纹连接，在一体成型的喷嘴内部设置有如图24所示的电极接线空间115，同时在电极喷嘴Ⅱ114上设置有导线连接环Ⅱ116，方便电极导线的连接。

本方案具体工作过程如下：

以第一种实施例为例，纳米流体经由液路：纳米流体储液罐32、液压泵34、调压阀Ⅱ42、节流阀Ⅱ40、涡轮流量计Ⅱ39进入到进液螺纹管20，压缩空气经由气路：空气压缩机31、过滤器35、储气罐33、调压阀Ⅰ41、节流阀Ⅰ37、涡轮流量计Ⅰ38进入到注气管17。在进液腔25和混合腔26之间设置进液塞22，目的是保证混合腔26内有充分的混合空间。纳米流体与压缩气体同时进入到混合腔26内，由于注气管17上开有以相对的两组螺旋线形式分布排列的注气孔，这导致三相泡状流在混合腔26内充分混合及碰撞形成涡流。同时注气管17轴向沿螺旋线分布的注气孔的中心轴线和喷嘴注气管的中心轴线成15至85度倾斜角，这样有利于混合腔26内的三相泡状流向加速段27推进，在注气管17顶端设有轴向注气孔，其作用是进一步使三相泡状流在加速段27内加速，三相泡状流经加速后进入到扇形喷嘴出口28后喷出，由于压力突然降到大气压力，气泡会急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，同时周围气泡会受到冲击而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小，从而实现了气动雾化。

在电极卡盘51的电极插槽上可以根据情况夹装1至5个L形针状电极Ⅰ83。L形针状电极Ⅰ83放电尖端半径约为0.3～1.5mm。L形针状电极Ⅰ83尾端的导线接口84接有电极高压导线10，电极高压导线10经导线通槽70接出到电磁装置外，并与可调高压直流电源9负极输出端相连接。由于在电晕放电时负电晕放电的起晕电压低而击穿电压高，所以L形针状电极Ⅰ83与电源负极相连，可调高压直流电源9正极输出端通过电极高压导线10与工件加电装置11相连并接地。

由于工件4面积较大，L形针状电极Ⅰ83与工件4形成针对板的结构。从而形成了极不均匀的电场（电晕放电的条件）。该静电电晕喷雾采用的是多极针放电，由于各极针尖端相对距离较大所以并不影响相互间的起晕电压，但它们同时发生电晕放电会极大程度地增大电极与工件间的电子和离子浓度，从而可以增大雾滴的荷电效率，并且它们的电场复合后，雾滴所受的电场力也增强，更有利于雾滴的定向运动。由于可调高压直流电源9的可调电压范围在1KV到150KV之间。由于工况条件中pd＞26.66kpa·cm（p为工况的外界气压，d为针板电极间距）所以我们使用流注理论分析而不使用汤逊理论。

当在L形针状电极Ⅰ83两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面附近的电场(局部电场)很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。这里气体的气压约为10⁵Pa。当电极的曲率半径很小时，由于其附近的场强特别高，很容易发生电晕放电。

在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光。这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。电离区内的分子，在外电离因素（如光源）和电场的作用下，产生了激发、电离，形成大量的电子崩。在此同时也产生激发和电离的可逆过程———复合。在复合过程中，会产生光辐射，从而形成了晕光。这就是电晕。电晕放电的电流强度取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体性质和密度等。

当两电极间的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这时的电流很微弱，当电压增加到一定数值V_s，时，电晕放电发生了。该电压V_s，称为起晕电压或电晕放电的阑值电压，它的大小数值由电极间电流的突然增大(从大约10^-14到10^-6A)和在曲率半径较小的电极处朦胧的辉光的出现所表征。

阀值场强的计算公式为：

(E_r)_s＝E₀mδ[1+K/(δr)^1/2]    （1）

式中（E_r）_s为阀值场，E0=3100kV/m(此值相当于标准状态下空气中放电间隙为lcm时的均匀场中的火花场强)，m是一个描述导体表面状态的系数(0.6<m<l)，δ为空气的相对密度:δ=2.94×10^-3P/(273+T)(P以Pa为单位，当P=101325Pa，T=25℃时，δ=1)，K=3.08×10^-2m^1/2，r是电极端的半径。

对于不同曲率电极如针对板电极，计算公式为：

${\left(E_r\right)}_s=E_0(1+\frac{K}{{(r/2)}^{1/2}})---\left(2\right)$

这里E₀和K的数值与公式（1）中相同，m和δ为1。上式对曲率半径小的阴极或阳极都适用。

阀值电压的计算：

(3)抛物面的针—平面间隙，针顶端的半径为r，间隙距离为d，V为针状电极所加的实际电压，则沿着间隙轴心离针顶端X距离处的电场强度为：

$\mathrm{Ex}=\frac{2V}{(r+2x)\ln [(r+2d)/r]}---\left(3\right)$

阀值电压为：

V_s＝(E_r)_s(r/2)ln[(r+2d)/r]   （4）

针对磨床加工工况，当L形针状电极Ⅰ83的尖端半径为0.5mm，极间距为20—30cm（当距离大于30cm时电场力的作用开始衰退）。根据公式（4）计算得起晕电压范围为15.3～16.2KV。

进行磨削加工时使喷嘴角度保持在30°喷嘴与工件距离为20cm时，可知喷嘴与工件最小距离为20sin30°=10cm（喷嘴与工件垂直距离）。当工作环境气压p为10⁵pa的空气时，查表可知当d为10cm时火花击穿电压为265KV，当d为20cm时火花击穿电压为510KV。可见其火花击穿电压非常高。

静电液滴雾化机理：

静电雾化是静电力克服液体表面张力，从而导致液体破碎为微小雾滴的现象。由于电晕放电作用，在“集肤作用”下使液滴表面带有大量的同性电荷，增加了液体表面活性，使表层分子产生显著的定向排列，降低了表面张力。在液滴体积不变的情况下，随着电荷电量增加，表面张力会逐渐减小，水面的不稳定性增加，最后形成泰勒锥。当表面张力的大小不足以束缚液体时，液体便会在表面同性电荷之间的相互排斥作用以及外力引起的液体表面扰动下形成细水丝，细水丝不断增多，最后破碎为细小雾滴。此间液滴表面形成的泰勒锥尖端的曲率半径小于电极的尖端的曲率半径，因此在泰勒锥尖端形成了更强的电场，同时由于液体分子的质量远大于空气分子质量，更易于在电晕区附近积累，形成与外加电场一致的空间电场，这对于电晕区的电离十分有利。可见静电雾化电晕荷电的荷电效果明显比传统静电电晕放电荷电效果更好。

当液滴与周围的气体之间有较高的相对速度，则液滴的分裂是由气动压力、表面张力和粘性力控制的。对于粘度较低的液体，液滴的破碎主要由气动压力和表面张力决定。大液滴所受的气动压力为0.5ρ_gΔV²，其中ρ_g是气体密度，ΔV是气液相对速度。然而，表面张力产生的内聚力将阻碍液滴发生变形破碎，内聚力可以表示为4σ/D，σ是液体固有的表面张力，D为初始液滴直径。

液滴直径减小时，内聚力加大，当内聚力和气动压力造成的拉应力两者平衡时，液滴保持稳定，若两者不能互相抵消，液滴就会变形甚至破碎。根据作用在液滴上的气动力产生的拉应力和表面张力产生的内聚力两者平衡这个原则，可以得出一个无量纲数：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g\mathrm{\&Delta;}{V}^{2}D}{\mathrm{\&sigma;}}=8---\left(5\right)$

从而可知当韦伯数大于8时，液滴受力不平衡，发生变形。另外根据（5）可以求出与ΔV相对应的最大稳态液滴直径：

$D_{\max }=\frac{8\mathrm{\&sigma;}}{{\mathrm{\&Delta;V}}^2{\mathrm{\&rho;}}_g}---\left(6\right)$

荷电液滴在库仑斥力的作用下，表面张力变弱，变弱后的表面张力值为：

${\mathrm{\&sigma;}}^{\&prime;}=\mathrm{\&sigma;}-\frac{q^2}{64{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&epsiv;r}}^3}---\left(7\right)$

其中r为液滴半径，q为液滴的荷电量，ε为周围空气介电常数。从式中显然可以看出当带电量q增加时，表面张力就下降，由此可知液滴表面荷电有助于雾化。

此时荷电液滴的We可以表示为：

$\mathrm{We}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&Delta;V}}^{2}D}{\mathrm{\&sigma;}-\frac{q^2}{64{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&epsiv;r}}^3}}=\frac{128{\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&epsiv;R}}^4{\mathrm{\&rho;}}_g{\mathrm{\&Delta;V}}^2}{{64\mathrm{\&pi;}}^2{\mathrm{\&epsiv;R}}^3\mathrm{\&sigma;}-q^2}---\left(8\right)$

由式(8)可见，高速气流中荷电液滴的破碎与气液相对速度、气液物性参数以及充电场有密切的关系。此外，若液滴在气流中达到稳定状态，荷上静电以后，We数增大，液体表面张力减小，不足以抵抗气动压力，液滴将进一步发生变形、破碎，所以在气液参数相同的情况下，荷上静电后雾滴粒径更小。这就达到了细化雾滴颗粒的目的，同时液滴表面相同的电荷，可以保证液滴的分布更加均匀。

液滴的荷电机理：

当在L形针状电极Ⅰ83的尖端发生负极性电晕放电时，会在在电晕区内产生大量的离子，正离子会向电极阴极移动并发生电性中和，而负离子和电子会向阳极移动，进入漂移区，在漂移区与液滴碰撞，附着在液滴上，使液滴变成了电荷携带者，带上了与电极极性相同的电荷。

雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

$q=f[1+2\frac{k-1}{k+2}]4{\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}_0{\mathrm{Er}}^2---\left(9\right)$

式（9）中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{{4\mathrm{\&epsiv;}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t+1}---\left(10\right)$

q——雾滴荷电量，C；

k——雾滴介电常数；

ε₀——空气介电常数，约为8.85×10^-12，c²/n·m²；

E——电晕放电形成的电场强度，V/m；

r——雾滴半径，μm；

N——充电离子浓度，粒子数/m²；

e——电子电荷，1.6×10^-19，C；

Ki——充电离子迁移率，m²/(V·s)；

t——充电滞留时间，s。

从喷嘴喷出的雾滴，在气动力和电场力的作用下向工件加速运动，其速度大约在50m/s到70m/s之间。喷嘴到工件的距离为20cm到30cm，所以运动时间在0.01s之内。然而雾滴荷电所需时间仅为10^-7s至10^-6s，可以保证从喷嘴喷出的油雾在到达工件前充分荷电。

当喷嘴喷出的雾滴被荷电以后，在电场力的作用下定向移动，使其最大量的覆盖于工件表面。在荷电过程中，由于纳米粒子表面比较大，表面极性较强，被荷电后，其荷质比比雾滴的荷质比大，所以纳米粒子趋于更早到达工件，覆盖在油膜下层，这样能够更好的利用其理想的换热能力。在静电场中存在“静电环抱”效应，因此当雾滴和纳米粒子向工件运动是更易进入到工件具有一定粗糙度表面的凹陷处，从而扩大了相对覆盖面积，能够起到更好的润滑和换热作用。

根据图3可以看出，可调高压直流电源9由自激振荡电路、功率放大电路、高频脉冲升压器、倍压整流电路、直流稳压单元V1和直流稳压单元V2和恒流自动控制电路组成。其工作原理为输入端接交流电源，直流稳压单元V1和直流稳压单元V2提供直流电压。直流稳压单元V1作为自激振荡电路的工作电压。直流稳压单元V2是功率转换的主要能源，高频脉冲升压器经倍压整流电路整流获得高压静电，基脉冲信号由自激振荡电路获得，经功率放大电路放大后，在高频脉冲升压器的升压下，最终输出高压信号，经倍压整流电路从而输出直流高压。

该电源的特点是能产生较高的静电高压，而供电电流微小，一般不超过500μA。恒流自动控制电路自动对倍压整流电路的静电工作电流取样，在恒流时，当工作负载正常加大时，不会引起工作电流的上升。当外负载超过允许电流时，自激振荡电路停震，高压被截止，这种特性对操作人员的安全是可靠的，一旦接近或触及高压端，引起的触电电流很微弱，同时截断高压输出，所以不会有生命危险。

为了进一步增加微量润滑的可控性，常常采用增加电场强度来增加静电喷雾微量润滑的荷电效率，增加微粒的荷电量。但是受到击穿电压的限制，不能无限制的提高电场强度，而且提高电场强度会造成较大的电能消耗。在电压不变的情况下，本发明采用在电极两侧增加磁场的方法来增加放电电流，从而增加对微粒的荷电效率。外加磁场情况下放电电流增长的大小主要是由电晕区内的平均磁通量密度决定的，与非电晕区的磁场强度无关，所以磁场的设置应在电晕区两侧。在传统电晕放电的电场中，自由电子在库仑力的作用下沿电场线方向运动，在磁增强电晕放电的情况下，在库仑力和洛伦兹力的共同作用下，自由电子形成了拉莫运动。自由电子的运动轨迹由原来的直线变为复杂的螺旋线，螺旋线的回转中心垂直于电力线和磁力线，由于自由电子在运动的同时会和空气分子和微量润滑磨削液微粒发生弹性和非弹性碰撞，这就使得自由电子的运动轨迹变得尤为复杂，但不管自由电子的具体运动轨迹是什么形状，总之与传统电晕放电相比磁场作用下的电晕放电时，自由电子的运动轨迹被延长了。也就是说由于自由电子做了拉莫运动，自由电子与空气分子和微量润滑磨削液微粒碰撞的几率明显增加，从而使电子雪崩更加剧烈，空气电离增强，使微粒荷电更加充分。

在电晕区内，电离程度的强弱由两个因素决定，一个是自由电子的平均能量，另一个是自由电子的碰撞系次数，若自由电子的能量小于最小电离能时，不论自由电子发生多少次碰磁场强度不变的情况下，增加电场强度自由电子的回转半径会增大，从而降低了自由电子的撞，都不会引发电离，若自由电子能量很高，但碰撞次数及其少时，电离也会十分微弱。在碰撞几率，因此可知自由电子在电晕区内和空气分子的碰撞次数的相对增长和自由电子的平均自由能的变化方向相反，所以放电电流的相对增长存在一个最大值。磁场的应用会使负电晕放电起晕电压有所降低，原因是负电晕放电时，自由电子在库仑力的作用下迅速飞出电晕区，由于自由电子和正离子的质量相差很大，所以当自由电子飞出电晕区时，正离子几乎没有发生移动，积累在电晕区附近。在由磁场作用在电晕区周围时，由于自由电子与空气分子碰撞几率增加，所以会有更多的正离子积累在电晕区附近。电晕区附近正离子的空间电荷电场方向和外加电场方向一致，增强了电晕区内的电场，使电离更加剧烈，同时也降低了起晕电压。

综上可见，外加磁场的静电雾化微量润滑，是雾化电晕放电和磁场电晕放电的结合，可以进一步增加放电电流，增强荷电效果，降低起晕电压。

Claims (15)

1.一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，它包括：

外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的喷嘴（12）；

喷嘴（12）与纳米粒子供液系统、供气系统连接；

高压直流静电发生器与可调高压直流电源（9）的负极连接，可调高压直流电源（9）的正极则与用于附着在工件（4）不加工表面的工件加电装置（11）连接，从而形成负电晕放电的形式；

在静电放电的电晕区周围是磁场形成装置；

纳米流体磨削液从喷嘴（12）的喷头（18）喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。

2.如权利要求1所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述高压直流静电发生器安装在磁场形成装置上，磁场形成装置安装在喷嘴（12）上。

3.如权利要求1所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述高压直流静电发生器为喷头（18）的一部分组成，磁场形成装置安装在喷嘴（12）上。

4.如权利要求2所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述磁场形成装置由两套相同的结构，通过各自的中部为半圆弧的固定板（71）固定在喷嘴（12）靠近喷头（18）位置外周的卡槽（29）内，两固定板（71）则连接在一起；每套结构均包括：

一个定板（45），一个动板（46），两者铰接，定板（45）上部设有T形滑槽（56），角度调节固定机构一端固定在动板（46）上，另一端则与T形滑槽（56）活动连接，进行角度调整并固定；

在动板（46）上设有磁盒（52），磁盒（52）内设有磁性元件，磁盒（52）顶部设有电极卡盘（51），高压直流静电发生器安装在电极卡盘（51）上。

5.如权利要求4所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述高压直流静电发生器为若干L形针状电极Ⅰ（8），所述L形针状电极Ⅰ（83）中部设有橡胶塞（82），尾部设有导线接口（84）；在磁场形成装置的电极卡盘（51）一侧设有多个电极插槽（68），在电极卡盘（51）相对侧设有导线通槽（70），所述电极插槽（68）与所述导线通槽（70）连通，导线接口（84）位于所述导线通槽（70）内并与电极高压导线（10）连接。

6.如权利要求1或2或4所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述喷头（18）为扁平扇形，在扁平扇形喷头（18）内表面为半椭球或半球面；在半椭球的顶端开一个V形槽，V形槽两斜面关于喷嘴（12）轴线对称且和半椭圆球相贯形成狭长喷口。

7.如权利要求3所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述磁场形成装置由两套相同的结构，通过各自的中部为半圆弧的固定板（71）固定在喷嘴（12）靠近喷头（18）位置外周的卡槽（29）内，两固定板（71）则连接在一起；每套结构均包括：

一个定板（45），一个动板（46），两者铰接，定板（45）上部设有T形滑槽（56），角度调节固定机构一端固定在动板（46）上，另一端则与T形滑槽（56）活动连接，进行角度调整并固定；

在动板（46）上设有磁盒（52），磁盒（52）内设有磁性元件，磁盒（52）顶部设有电极卡盘（51）。

8.如权利要求3所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述喷头（18）分成两部分喷头体（111）和电极喷嘴Ⅰ（112），喷头体（111）和电极喷嘴Ⅰ（112）螺纹连接，喷头体（111）由陶瓷材料制成，电极喷嘴Ⅰ（112）由放电电极的材料制成作为高压直流静电发生器，且电极喷嘴Ⅰ（112）的出口处较薄为0.3-1.2mm，在电极喷嘴Ⅰ（112）上设置有导线连接环Ⅰ（113）用于连接电极高压导线（10）。

9.如权利要求4或7所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述角度调节固定装置包括一个角度定位环（47），它上面设有弧形滑槽（75），角度定位环（47）与动板（46）固定连接，弧形滑槽（75）则通过滑块螺杆（50）和螺母（53）组成的定位机构与定板（45）活动连接，进行角度调整和固定；所述磁性元件为永磁铁或电磁铁；在采用电磁铁时，磁盒（52）后侧面设有电磁铁导线槽（67），电磁铁与通过电磁铁导线（14）与电磁铁可调供电电源（15）连接。

10.如权利要求1或2或3或4或7或8所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述喷嘴（12）包括混合腔体（16），混合腔体（16）两端分别与注气管（17）和喷头（18）密封连接；在混合腔体（16）内分为进液腔（25）和混合腔（26），两者间由盘形进液塞（22）分隔，在进液塞（22）上设有多个进液孔；位于混合腔（26）的注气管（17）前部设有多个注气孔，注气孔以相对的两组螺旋线形式分布排列；混合腔（26）与喷头（18）间设有锥形加速段（27）。

11.一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，它包括：

内部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置从而形成一体喷嘴（110）；

一体喷嘴（110）与纳米粒子供液系统、供气系统连接；

高压直流静电发生器与可调高压直流电源（9）的负极连接，可调高压直流电源（9）的正极则与用于附着在工件（4）不加工表面的工件加电装置（11）连接，从而形成负电晕放电的形式；

在静电放电的电晕区周围设置磁场形成装置；

纳米流体磨削液从一体喷嘴（110）喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。

12.如权利要求11所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述一体喷嘴（110）包括一体喷嘴体（85），它的内部设有一体喷嘴注气通道（86），一体喷嘴注气通道（86）的一体喷嘴注气管壁（100）下部设有若干注气孔，并与一体喷嘴混合腔（92）连通；

所述一体喷嘴体（85）还有与一体喷嘴注液通道（88）连通的一体喷嘴注液腔（90）；所述一体喷嘴注液腔（90）通过一体喷嘴节流孔（91）与一体喷嘴混合腔（92）连通；在一体喷嘴混合腔（92）底部是一体喷嘴扇形喷嘴出口（94）；

在所述一体喷嘴扇形喷嘴出口（94）下部是一体喷嘴电极槽（96），一体喷嘴电极槽（96）下部是一体喷嘴磁盒（97）；高压直流静电发生器和磁场形成装置分别置于一体喷嘴电极槽（96）和一体喷嘴磁盒（97）内。

13.如权利要求11所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述一体喷嘴（110）包括一体喷嘴体（85），它的内部设有一体喷嘴注气通道（86），一体喷嘴注气通道（86）的一体喷嘴注气管壁（100）下部设有若干注气孔，并与一体喷嘴混合腔（92）连通；

所述一体喷嘴体（85）还有与一体喷嘴注液通道（88）连通的一体喷嘴注液腔（90）；所述一体喷嘴注液腔（90）通过一体喷嘴节流孔（91）与一体喷嘴混合腔（92）连通；在一体喷嘴混合腔（92）底部是喷头体（111）和电极喷嘴Ⅱ（114），喷头体（111）和电极喷嘴Ⅱ（114）螺纹连接；在电极喷嘴Ⅱ（114）上设置有导线连接环Ⅱ（116）与电极高压导线（10）连接，作为高压直流静电发生器；

在所述电极喷嘴Ⅱ（114）下部是一体喷嘴磁盒（97）；磁场形成装置置于一体喷嘴磁盒（97）内。

14.如权利要求12所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述高压直流静电发生器包括：

圆形电极盘（101），在圆形电极盘（101）上设置有环形的电极导线放置槽（107），以及间隔设置的多个针状电极卡槽（106）；

在电极导线放置槽（107）内还设置有电极导线通孔（105），电极高压导线（10）接出后经一体喷嘴电极导线通道（95）接出到一体喷嘴（100）外部；

L形针状电极Ⅱ（102）则插放在针状电极卡槽（106）内；

所述磁场形成装置包括：

磁铁（103），它放置在一体喷嘴磁盒（97）内，由定位卡盘（104）定位，在定位卡盘（104）上设置有磁体挡板（109）；

所述磁体（103）为永磁铁或电磁铁，若为电磁铁则电磁铁导线（14）经由一体喷嘴电磁铁导线通道（98）接出。

15.如权利要求1或11所述的磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，其特征是，所述工件加电装置（11）由工件加电装置绝缘壳体（77）、压铁（78）、压紧永磁铁（79）、压紧弹簧（80）组成；压紧永磁铁（79）安装在工件加电装置绝缘壳体（77）上，压铁（78）通过压紧弹簧（80）穿透安装在工件加电装置绝缘壳体（77）中部，露出工件加电装置绝缘壳体（77）的端部则设有导线连接环（81）和开口销插槽（76）。

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