CN104191376A - 纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，通过静电雾化原理可以使微量润滑切削液雾滴在喷射中实现可控分布，能够提高雾滴谱的均匀性、沉积效率和液体有效利用率，并且能够有效的控制雾滴的运动规律，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。系统包括可调高压直流电源、内冷刀具转换器、高压电转换装置和集成喷嘴。微量润滑系统通过内冷刀具转换器向内冷钻头供给微量润滑切削液。可调高压直流电源将正极电通过高压电转换装置传输给集成喷嘴的电极针，将负极电接地并通过电磁接头传输到工件，使电极针——工件区域形成电晕荷电场，对微量润滑切削液电晕荷电，实现静电雾化作用。

Description

纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统

技术领域

本发明涉及一种机械加工中纳米粒子微量润滑切削液静电雾化装置，具体为一种纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统。

背景技术

微量润滑技术又称MQL(Minimal Quantity Lubrication)技术，它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。

目前，微量润切削液在高压气体的携带作用下，纳米射流过程中会散发到周围环境中。在纳米流体喷射到工件表面时部分切削液会发生反弹从而散发到空气中，一方面会污染环境，另一方面降低了微量润滑切削液的冷却润滑作用。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。

实用新型专利：纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统(专利号为：ZL201320061299.2)公开了一种机械加工中磨削液供给装置，其特点是：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。

但是，这套系统仅应用于磨削加工工况，微量润滑切削液供给方式为外注式，静电雾化喷嘴尺寸大、精度低，不能用于内冷式钻削、铣削、镗床、铰刀等机床刀具。因此该系统不能普遍适应机械加工特别是内冷式刀具加工。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提供了一种纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，通过静电雾化原理使微量润滑切削液雾滴在喷射过程中实现可控分布，能够提高雾滴谱的均匀性、沉积效率和液体有效利用率，并且能够有效的控制雾滴的运动规律，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。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，它包括可调高压直流电源、内冷刀具转换器、高压电转换装置和集成喷嘴；

内冷钻头由内冷刀具转换器夹持，内冷刀具转换器的旋转部分带动内冷钻头转动，固定部分由内冷刀具转换器定位轴连接于机床定位孔，实现内冷刀具转换器供液部分周向定位；微量润滑系统通过切削液接头连接至内冷刀具转换器固定部分，通过内冷刀具转换器向内冷钻头的内冷孔供给微量润滑切削液；

高压电转换装置的旋转部分随内冷刀具转换器旋转部分旋转，固定部分则由高压电转换装置定位轴插入内冷刀具转换器定位轴孔中，实现定位夹紧，由此实现高压电转换装置固定部分的周向定位；可调高压直流电源负极与高压电转换装置固定部分连接，为集成喷嘴供电；

集成喷嘴安装在内冷钻头的内冷孔下端部，高压电内导线由内冷孔内布置，一端接集成喷嘴电极针，另一端由钻头横孔接出连接至高压电转换装置，实现电流传输；

可调高压直流电源将负极电通过高压电转换装置传输给集成喷嘴的电极针，将正极电接地并通过电磁接头传输到工件，使电极针——工件区域形成电晕荷电场，对微量润滑切削液电晕荷电，实现静电雾化作用。

所述的高压电转换装置由高压电转换装置内圈体、滚动轴承、高压电转换装置外圈体、旋转供电结构构成；

高压电转换装置内圈体作为旋转部分随内冷刀具转换器旋转；

高压电转换装置外圈体作为固定部分通过高压电转换装置定位轴与内冷刀具转换器定位轴连接定位；

在高压电转换装置内圈体与高压电转换装置外圈体间通过滚动轴承连接，滚动轴承由高压电转换装置内圈体支撑；

在高压电转换装置内圈体和高压电转换装置外圈体下部设有旋转供电结构，将与高压电转换装置外圈体连接的高压电外导线的电力送入随高压电转换装置内圈体旋转的高压电内导线，为集成喷嘴供电。

所述旋转供电结构包括与高压电转换装置外圈体固定的高压电转换装置支架，高压电外导线与高压电转换装置支架一侧连接，高压电转换装置滚轮安装在高压电转换装置支架另一侧，并与安装在高压电转换装置内圈体下部的固定圆环接触，固定圆环一方面通过紧定垫圈对滚珠轴承进行支撑，另一方面与位于内冷孔中的高压电内导线连接，完成从高压电外导线获取电力。

所述的固定圆环材料采用金属材料，固定圆环固定在高压电转换装置内圈体下部；固定圆环具有多个轴对称的固定圆环导线接孔，由内冷钻头的内冷孔导出的高压电内导线接于固定圆环导线接孔中，实现高压电传输。

所述的高压电转换装置滚轮、高压电转换装置支架采用金属材料；高压电转换装置滚轮通过支架滚轮销轴安装在高压电转换装置支架上对应的高压电转换装置支架销轴孔中，支架滚轮销轴与高压电转换装置支架销轴孔是过盈配合；支架滚轮销轴直径则小于高压电转换装置滚轮孔径，高压电转换装置滚轮可以自由转动；高压电转换装置外圈体设有支架滚轮滑动孔，高压电转换装置支架插入支架滚轮滑动孔并可以在支架滚轮滑动孔中滑动，高压电转换装置支架为工字形，支撑弹簧一端顶在支架滚轮滑动孔内壁，另一端顶在高压电转换装置支架竖梁上，使高压电转换装置滚轮保持与固定圆环外圈接触；高压电外导线接孔通过高压电外导线接孔接于金属材料的高压电转换装置支架后端，实现高压电传输。

所述的集成喷嘴由：喷嘴体、电极圆环、孔用弹性挡圈、电极针、集成喷嘴固定环构成；高压电内导线由喷嘴体导线孔穿过并接于电极圆环一侧上，电极针接于电极圆环另一侧；喷嘴体设有喷嘴喉孔；电极圆环置于喷嘴体下孔，并将弹性挡圈推入孔用弹性挡圈孔，对电极圆环进行固定；集成喷嘴置于内冷孔中，并用集成喷嘴固定环进行固定；所述的电极圆环材料采用金属材料，电极圆环具有高压电内导线接孔与高压电内导线连接，实现高压电传输；电极圆环具有电极圆环通孔，电极圆环通孔孔径大于喷嘴喉孔孔径，微量润滑切削液通过喷嘴喉孔和电极圆环通孔后进入切削区；所述的电极针采用耐高温金属材料，电极针后端接于电极圆环并保持垂直方向，电极针放电尖端半径r约为0.2mm，极间距为1-2cm，起晕电压范围为2.1499—2.4299Kv。

电极针长度为0.2-0.5cm，电极圆环下表面与内冷孔端面距离为1.5-2cm，电极针尖端与内冷孔端面距离为1-1.8cm。

所述可调高压直流电源包括变压器，变压器初级与交流电源连接，次级的两个线分别作为直流稳压单元V1和直流稳压单元V2，直流稳压单元V1与自激振荡电路连接，自激振荡电路与功率放大电路、高频脉冲升压器以及倍压整流电路、恒流自动控制电路连接，恒流自动控制电路与直流稳压单元V2连接，直流稳压单元V2与功率放大单元连接；可调高压直流电源的可调电压范围在2KV到120KV之间；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，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；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。

所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

$q=f[1+2\frac{k-1}{k+2}]4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{Er}}^2$

式中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\ϵ}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\ϵ}}_0}t+1}$

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。

所述内冷钻头可更换为内冷铣刀或内冷镗刀。

本装置的有益效果是：微量润滑切削液通过内冷刀具转换器进入内冷刀具，实现了切削液的传输；通过高压电转换装置和在刀具内冷孔布置导线，可以将高压电传输至集成喷嘴的电极针。两个装置都实现了输送流的方向转换。微量润滑切削液流经喷嘴喉孔时实现二次雾化，起到气泡雾化喷嘴的作用。在微量润滑切削液经过电极针和工件形成的电晕区域时，雾滴在电晕放电情况下荷电，电荷极性与电极针极性相同。静电力克服液体表面张力，从而导致液体破碎为微小雾滴，实现了对微量润滑切削液的第三次雾化——静电雾化。带电雾滴在电场力作用下可以有效定向的分布于切削区，大大降低了喷雾的漂移量，从而很大程度上提高了切削液的利用率，进而提高了润滑冷却效果降低了微粒扩撒污染。喷雾被荷电后，由于同种电荷的相互排斥作用和静电环抱效应可以使喷雾分布更加均匀。

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，由于微量润滑切削液中的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表面，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。

附图说明

图1是三种实施例的装配主视图；

图2是三种实施例的内冷刀具转换器示意图；

图3(a)是三种实施例的高压电转换装置全剖视图；

图3(b)是三种实施例的高压电转换装置局部放大视图；

图4是三种实施例的高压电转换装置内圈体仰视图和全剖视图；

图4a是图4的A-A剖视图；

图5是三种实施例的高压电转换装置外圈体俯视图；

图5a是三种实施例的高压电转换装置外圈体剖视图；

图5b是图5的局部剖视图；

图5c是图5b的局部剖视图；

图6是三种实施例的高压电转换装置挡环的全剖视图；

图6a是三种实施例的高压电转换装置挡环的仰视图；

图7是三种实施例的高压电转换装置支架滚轮的正视图；

图7a是三种实施例的高压电转换装置支架滚轮的仰视图；

图8是三种实施例的集成喷嘴在内冷孔中的装配全剖视图；

图9是三种实施例的喷嘴体全剖视图；

图9a是三种实施例的喷嘴体俯视图；

图10是三种实施例的电极体剖视图；

图10a是三种实施例的电极体的仰视图；

图11是三种实施例的电路系统示意图；

图12是第一种实施例的内冷孔与内冷转头相对位置示意图；

图13是第二种实施例的内冷孔与内冷铣刀相对位置示意图；

图14是第三种实施例的内冷孔与内冷镗刀相对位置示意图；

其中，1-内冷钻头，2-高压电转换装置，3-内六角螺钉，4-内冷刀具转换器螺孔，5-内冷刀具转换器，6-内冷刀具转换器定位轴，7-内冷刀具转换器定位轴孔，8-内六角螺钉II，9-高压电转换装置定位轴，10-内六角螺钉III,11-高压电转换装置内圈体，12-内圈体螺孔I，13-滚动轴承，14-高压电转换装置外圈体，15-紧定垫圈，16-固定圆环，17-紧定螺钉，18-高压电内导线，19-内冷孔，20-高压电转换装置滚轮，21-高压电转换装置支架，22-支撑弹簧，23-高压电外导线，24-内圈体螺孔II，25-高压电转换装置定位轴平肩，26-支架滚轮滑动孔，27-高压电外导线接孔，28-固定圆环通孔，29-固定圆环导线接孔，30-支架滚轮销轴，31-喷嘴体，32-电极圆环，33-孔用弹性挡圈，34-电极针，35-集成喷嘴固定环，36-喷嘴体导线孔，37-喷嘴喉孔，38-孔用弹性挡圈孔，39-电极圆环通孔，40-高压电内导线接孔，41-集成喷嘴，42-切削液接头,43-内冷刀具转换器固定部分，44-内冷刀具转换器旋转部分，45-可调高压直流电源，46-接地线，47-连接导线，48-电磁接头，49-工作台，50-绝缘板，51-工件，52-高压电转换装置支架竖梁，53-内冷铣刀，54-内冷镗刀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做一下说明。

本发明的第一种实施例如图1至12所示，是关于纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷的工艺方法与装备。

如图1所示，内冷钻头1由内冷刀具转换器5夹持，由两颗内六角螺钉III 10对内冷钻头1定位夹紧在内冷刀具转换器5的旋转部分；内冷刀具转换器5的固定部分由内冷刀具转换器定位轴6连接于机床定位孔，实现内冷刀具转换器5固定部分定位；微量润滑系统通过切削液接头42连接至内冷刀具转换器5的固定部分，通过内冷刀具转换器5向内冷钻头1的内冷孔供给微量润滑切削液；内冷刀具转换器固定部分43具有切削液通道(结合图2)，内冷刀具转换器旋转部分44具有连接内冷钻头1内冷孔的圆柱形液腔，内冷刀具转换器旋转部分在旋转过程中，内冷通道出口与圆柱形液腔圆柱面相通并始终绕圆柱面旋转，实现切削液方向转换。内冷刀具转换器5采用现有技术，如通用内冷刀具转换器、莫氏转换器等。高压电转换装置2的旋转部分通过两颗抽对称内六角螺钉3固定在内冷刀具转换器5的旋转部分上，固定部分由高压电转换装置定位轴9插入内冷刀具转换器定位轴6的内冷刀具转换器定位轴孔7中，通过内六角螺钉II 8实现定位夹紧，由此实现高压电转换装置2固定部分即高压电转换装置外圈体14(如图3a)的周向定位；集成喷嘴41固定于内冷钻头1的内冷孔19端部。结合图2，工作过程中，内冷刀具转换器旋转部分44带动高压电转换装置内圈体11和内冷钻头1旋转对工件加工，内冷刀具转换器固定部分43和高压电转换装置外圈体14由于周向定位而保持不动，分别对内冷钻头1供给微量润滑切削液和高压电。可调高压直流电源45为系统提供高压直流电源，可调高压直流电源45通过连接导线47输送电流，正极电流输送至高压电转换装置2的高压电外导线23(结合图3a、图3b)，再通过高压电内导线输送给电极针34；负极电流通过连接导线47和电磁接头48输送至工件51，并通过接地线46接地。电磁接头48通过自身的磁力吸附在工件51上实现电流传输，在工作台49上附一层绝缘板50，保证电极针34和工件51之间形成稳定电场(当工作台49为磁力工作台时，绝缘板50采用可以导磁，但不导电的材料，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)。

如图2所示，内冷刀具转换器5由内冷刀具转换器固定部分43和内冷刀具转换器旋转部分44构成。内冷刀具转换器旋转部分44具有内冷刀具转换器螺孔4，通过内冷刀具转换器螺孔4连接高压电转换装置2，通过两颗内六角螺钉III 10对内冷钻头1定位夹紧；内冷刀具转换器旋转部分44通过轴承与内冷刀具转换器固定部分43配合，工作过程中，内冷刀具转换器旋转部分44带动高压电转换装置内圈体11和内冷钻头1旋转对工件加工，内冷刀具转换器固定部分43保持不动；内冷刀具转换器旋转部分44具有内冷刀具转换器定位轴6，内冷刀具转换器定位轴6与机床定位孔连接实现内冷刀具转换器固定部分43的周向定位，微量润滑系统通过切削液接头42连接至内冷刀具转换器5，通过内冷刀具转换器5向内冷钻头1供给微量润滑切削液。

如图3a和图3b所示，高压电转换装置2由：高压电转换装置内圈体11、滚动轴承13、高压电转换装置外圈体14、紧定垫圈15、固定圆环16、紧定螺钉17、高压电转换装置滚轮20、高压电转换装置支架21、支撑弹簧22、高压电外导线23构成。在高压电转换装置2的装配过程中，先将滚动轴承13装入高压电转换装置外圈体14，再将滚动轴承13和高压电转换装置外圈体14套入高压电转换装置内圈体11小径部分；随后将装配好的高压电转换装置滚轮支架和支撑弹簧22按图示装入支架滚轮滑动孔26，并将高压电外导线接孔23通过高压电外导线接孔27焊接于金属材料的高压电转换装置支架21后端；最后套入紧定垫圈15顶紧滚动轴承13，通过4颗紧定螺钉17连接固定圆环16于高压电转换装置内圈体11上，固定圆环16一方面通过紧定垫圈15对滚动轴承13实现定位，另一方面高压电转换装置滚轮20在固定圆环16外圈滚动实现高压电传送。高压电内导线18一段焊接于固定圆环导线接孔29中，通过钻头横孔和内冷孔19，另一端焊接于电极圆环32上(结合图8)。工作过程中，高压电转换装置内圈体11和钻头共同旋转，与此同时固定圆环16和高压电内导线18也处于旋转状态；而高压电转换装置外圈体14、高压电转换装置滚轮20、高压电转换装置支架21、支撑弹簧22、高压电外导线23保持不动，通过高压电转换装置滚轮20在固定圆环16外圈上的滚动传递高压电，以此实现高压电由固定的高压电外导线23向旋转的高压电内导线18的传送。高压电内导线18外层包有绝缘皮，布置在刀具内冷孔时防止漏电与刀具短路。

如图4、图4a所示，高压电转换装置内圈体11材料采用高胶ABS增韧PVC系列，材料具有高强度、高韧度和绝缘性。高压电转换装置内圈体11具有轴对称2个内圈体螺孔I 12，内六角螺钉3通过内圈体螺孔I 12旋入内冷刀具转换器螺孔4，实现高压电转换装置2与内冷刀具转换器螺孔4的连接；高压电转换装置内圈体11具有4个内圈体螺孔II 24，紧定螺钉17通过固定圆环通孔28旋入内圈体螺孔II 24，将固定圆环16固定于高压电转换装置内圈体11。

如图5、图5a、图5b、图5c所示，高压电转换装置外圈体14材料采用高胶ABS增韧PVC系列，材料具有高强度、高韧度和绝缘性。高压电转换装置外圈体14具有高压电转换装置定位轴9，高压电转换装置定位轴9插入内冷刀具转换器定位轴孔7中(结合图1)，内六角螺钉II 8通过螺孔旋紧顶在高压电转换装置定位轴平肩25上，实现高压电转换装置外圈体14的周向定位，使高压电转换装置外圈体14在工作过程中保持不动。高压电转换装置外圈体14具有支架滚轮滑动孔26和高压电外导线接孔27，高压电转换装置支架21和高压电转换装置滚轮20插入支架滚轮滑动孔26并可以在支架滚轮滑动孔26中滑动；高压电外导线接孔23通过高压电外导线接孔27焊接于金属材料的高压电转换装置支架21后端，实现高压电传输。

如图6、图6a所示，固定圆环16材料采用导电性能高的金属材料。固定圆环16具有4个固定圆环通孔28，紧定螺钉17通过固定圆环通孔28旋入内圈体螺孔II，将固定圆环16固定于高压电转换装置内圈体11；固定圆环16具有2个轴对称的固定圆环导线接孔29，装配过程中，固定圆环导线接孔29对准高压电内导线18，由内冷钻头1的内冷孔19导出的高压电内导线18焊接于固定圆环导线接孔29中，实现高压电传输。固定圆环16一方面通过紧定垫圈15对滚动轴承13实现定位，另一方面高压电转换装置滚轮20在固定圆环16外圈滚动实现高压电传送(结合图3)。

如图7、图7a所示，高压电转换装置滚轮20、高压电转换装置支架21和支架滚轮销轴30材料采用导电性能高的金属材料。支架滚轮销轴30与高压电转换装置支架21销轴孔是过盈配合关系，支架滚轮销轴30直径小于高压电转换装置滚轮20孔径；装配过程中，销轴通过高压电转换装置支架21销轴孔将高压电转换装置滚轮20固定于高压电转换装置支架21中，高压电转换装置滚轮20在可以自由转动。结合图5，高压电转换装置支架21插入支架滚轮滑动孔26并可以在支架滚轮滑动孔26中滑动，支撑弹簧22一端顶在支架滚轮滑动孔26内壁，另一端顶在高压电转换装置支架竖梁52上，使高压电转换装置滚轮20保持与固定圆环16外圈接触；高压电外导线接孔23通过高压电外导线接孔27焊接于金属材料的高压电转换装置支架21后端，实现高压电传输。

如图8所示，内冷钻头1的内冷孔19在切削刃一端加工为沉头孔，集成喷嘴41插入沉头孔中使用。集成喷嘴41由：喷嘴体31、电极圆环32、孔用弹性挡圈33、电极针34、集成喷嘴固定环35构成；装配过程如下：将高压电内导线18由喷嘴体导线孔36(结合图9)穿过并焊接于电极圆环32上，4根电极针34焊接于电极圆环32另一侧；将电极圆环推入喷嘴体31下孔，并将孔用弹性挡圈33推入孔用弹性挡圈孔38(结合图9)，对电极圆环32进行固定。装配完成后将喷嘴体31装入沉头孔至沉头孔底，将集成喷嘴固定环35外侧涂匀AB胶类胶水，而后将喷嘴固定环35推入内冷孔19沉头孔；一方面喷嘴固定环35对喷嘴体31起到定位作用，另一方面喷嘴固定环35起到绝缘内冷钻头1和电极针34的作用，防止电极针与内冷孔19内壁放电导致短路。电极针34长度为L(0.2-0.5cm)，电极圆环32下表面与内冷孔19端面距离为S(1.5-2cm)，由此电极针34尖端与内冷孔19端面距离为d＝S-L(1-1.8cm)。

如图9、图9a所示，喷嘴体31材料采用橡胶，具有一定韧性从而实现喷嘴体31在螺旋状的内冷孔19内安装装配，具有良好的绝缘性防止金属器件与内冷孔19内壁放电短路。喷嘴体31具有喷嘴体导线孔36，高压电内导线18由喷嘴体导线孔36(结合图9)穿过并焊接于电极圆环32上；喷嘴体31具有喷嘴喉孔37，微量润滑切削液通过喷嘴喉孔37实现二次雾化并产生锥状喷雾，进一步细化雾滴粒径；喷嘴体31具有孔用弹性挡圈孔38，孔用弹性挡圈33推入孔用弹性挡圈孔38(结合图9)，对电极圆环32进行固定。

如图10、图10a所示，电极圆环32材料采用导电性能高的金属材料，电极圆环32具有高压电内导线接孔40，高压电内导线18由喷嘴体导线孔36(结合图9)穿过并焊接于高压电内导线接孔40中，实现高压电传输；电极圆环32具有电极圆环通孔39，电极圆环通孔39孔径大于喷嘴喉孔37孔径，微量润滑切削液通过喷嘴喉孔37和电极圆环通孔39后进入切削区。电极针34采用耐高温金属材料(钨等)，电极针34后端焊接于电极圆环32下表面保持垂直方向，电极针34放电尖端半径r约为0.2mm。

如图11所示，可调高压直流电源45由交流电源单元、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12所示，两组内冷孔19对称分布在钻头后刀面上，内冷孔19与内冷钻头1轴心的中心距为a。

图1至图11及图13为本发明的第二种实施例，纳米流体微量润滑静电雾化可控射流铣削工艺方法与装备。第二种实施例中静电设备、供液设备及供气设备均与第一种实施例相同，仅将图1中的内冷钻头1替换为内冷铣刀53，如图13所示，内冷孔19在内冷铣刀53上分布有多组(依据铣刀数目而定)，每个铣刀片对应设置有两个内冷孔19，分别设置在铣刀端面和铣刀斜面上，其中心与铣刀轴心的中心距分别为b和c。

图1至图11及图14为本发明的第三种实施例，纳米流体微量润滑静电雾化可控射流镗削工艺方法与装备。第三种实施例中静电设备、供液设备及供气设备均与第一种实施例相同，仅将图1中的内冷钻头1替换为内冷镗刀54，如图14所示，内冷孔19在内冷镗刀54的斜面上，内冷孔中心与镗刀轴心的中心距为f。

本方案具体工作过程如下：

微量润滑切削液由微量润滑系统输出，通过切削液接头42进入内冷刀具转换器5，而后进入内冷钻头1的两条螺旋的内冷孔19，随后微量润滑切削液进入集成喷嘴41实现两次雾化及雾滴荷电。在微量润滑切削液流经喷嘴喉孔37时实现二次雾化：由于微量润滑切削液是气液两相流，在其中含有气泡，气液两相流流出喷嘴喉孔37时，气泡中的压力突然降到常压，两相流中的气泡在内外压差的作用下急速膨胀并发生爆炸，起到气泡雾化喷嘴的作用。在微量润滑切削液经过电极针34和工件51形成的电晕区域时，雾滴在电晕放电情况下荷电，电荷极性与电极针34极性相同。静电力克服液体表面张力，从而导致液体破碎为微小雾滴，实现了对微量润滑切削液的第三次雾化——静电雾化。由于雾滴带有和电极针34相同极性的电荷，从而在电场力的作用下定向喷至带有相反极性电荷的工件51，大量减少了微量润滑切削液在喷散过程中向空气中的散发，减少了微细颗粒对环境的污染；而且在静电力作用下，雾滴吸附于工件提高了微量润滑切削液冷却润滑效率。

电晕荷电区域形成机理

可调高压直流电源46通过连接导线47输送电流，正极电流输送至高压电转换装置2的高压电外导线23(结合图3)，再通过高压电内导线输送给电极针34；负极电流通过连接导线47和电磁接头48输送至工件51，并通过接地线46接地。电磁接头48通过自身的磁力吸附在工件51上实现电流传输，在工作台49上附一层绝缘板50，保证电极针34和工件51之间形成稳定电场。电极针34针尖对准工件51，由于工件51面积较大，电极针34与其形成针对板的结构，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46的可调电压范围在2KV到120KV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。

当电极针34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，其大小决定剩余电离；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，它的大小数值山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 X 10^-3P/(273+T)(P以Pa为单位，当P＝101325Pa，T＝25℃时，δ＝1)，K＝3.08 X 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：

抛物面的针—平面间隙，针顶端的半径为r，间隙距离为d，加在电极两端的电压为V，则沿着间隙轴心离针顶端x距离处的电场强度为：

$\mathrm{Ex}=\frac{2V}{(r+2x)1n[(r+2d)/r]}---\left(3\right)$

阀值电压为：

V_s＝(E_r)_s(r/2)ln[(r+2d)/r]   (4)

针对内冷钻头加工工况，假设电极针的尖端半径为0.2mm，极间距为1-2cm(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2.1499—2.4299KV。

当发生电晕放电后，若继续增大电位差，则电流强度将增大，发光层的大小及其亮度也同时增大。当外加电压比阀值电压高很多时，电晕放电会转变为火花放电—发生火花的击穿。

在钻头加工过程中，电极针34与工件51表面最小距离为d＝S-L＝1cm。当工作环境气压p为10⁵pa的空气时，查表可知当d为1cm时火花击穿电压为8KV，再次情况下，阀值电压小于火花击穿电压，因此不会发生火花击穿。

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。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破碎为细小雾滴。

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(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：

当在针状电极17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：

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

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。电极针34到工件51的距离为1cm到2cm，所以运动时间在0.0002s到0.0004s之间。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。

当喷嘴喉孔37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，由于微量润滑切削液中的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11可以看出，可调高压直流电源46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。

Claims (10)

1.一种纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，它包括可调高压直流电源、内冷刀具转换器、高压电转换装置和集成喷嘴；

内冷钻头由内冷刀具转换器夹持，内冷刀具转换器的旋转部分带动内冷钻头转动，固定部分由内冷刀具转换器定位轴连接于机床定位孔，实现内冷刀具转换器供液部分周向定位；微量润滑系统通过切削液接头连接至内冷刀具转换器固定部分，通过内冷刀具转换器向内冷钻头的内冷孔供给微量润滑切削液；

高压电转换装置的旋转部分随内冷刀具转换器旋转部分旋转，固定部分则由高压电转换装置定位轴插入内冷刀具转换器定位轴孔中，实现定位夹紧，由此实现高压电转换装置固定部分的周向定位；可调高压直流电源负极与高压电转换装置固定部分连接，为集成喷嘴供电；

集成喷嘴安装在内冷钻头的内冷孔下端部，高压电内导线由内冷孔内布置，一端接集成喷嘴电极针，另一端由钻头横孔接出连接至高压电转换装置，实现电流传输；

可调高压直流电源将负极电通过高压电转换装置传输给集成喷嘴的电极针，将正极电接地并通过电磁接头传输到工件，使电极针——工件区域形成电晕荷电场，对微量润滑切削液电晕荷电，实现静电雾化作用。

2.如权利要求1所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述的高压电转换装置由高压电转换装置内圈体、滚动轴承、高压电转换装置外圈体、旋转供电结构构成；

高压电转换装置内圈体作为旋转部分随内冷刀具转换器旋转；

高压电转换装置外圈体作为固定部分通过高压电转换装置定位轴与内冷刀具转换器定位轴连接定位；

在高压电转换装置内圈体与高压电转换装置外圈体间通过滚动轴承连接，滚动轴承由高压电转换装置内圈体支撑；

在高压电转换装置内圈体和高压电转换装置外圈体下部设有旋转供电结构，将与高压电转换装置外圈体连接的高压电外导线的电力送入随高压电转换装置内圈体旋转的高压电内导线，为集成喷嘴供电。

3.如权利要求2所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述旋转供电结构包括与高压电转换装置外圈体固定的高压电转换装置支架，高压电外导线与高压电转换装置支架一侧连接，高压电转换装置滚轮安装在高压电转换装置支架另一侧，并与安装在高压电转换装置内圈体下部的固定圆环接触，固定圆环一方面通过紧定垫圈对滚珠轴承进行支撑，另一方面与位于内冷孔中的高压电内导线连接，完成从高压电外导线获取电力。

4.如权利要求3所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述的固定圆环材料采用金属材料，固定圆环固定在高压电转换装置内圈体下部；固定圆环具有多个轴对称的固定圆环导线接孔，由内冷钻头的内冷孔导出的高压电内导线接于固定圆环导线接孔中，实现高压电传输。

5.如权利要求3所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述的高压电转换装置滚轮、高压电转换装置支架采用金属材料；高压电转换装置滚轮通过支架滚轮销轴安装在高压电转换装置支架上对应的高压电转换装置支架销轴孔中，支架滚轮销轴与高压电转换装置支架销轴孔是过盈配合；支架滚轮销轴直径则小于高压电转换装置滚轮孔径，高压电转换装置滚轮可以自由转动；高压电转换装置外圈体设有支架滚轮滑动孔，高压电转换装置支架插入支架滚轮滑动孔并可以在支架滚轮滑动孔中滑动，高压电转换装置支架为工字形，支撑弹簧一端顶在支架滚轮滑动孔内壁，另一端顶在高压电转换装置支架竖梁上，使高压电转换装置滚轮保持与固定圆环外圈接触；高压电外导线接孔通过高压电外导线接孔接于金属材料的高压电转换装置支架后端，实现高压电传输。

6.如权利要求1所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述的集成喷嘴由：喷嘴体、电极圆环、孔用弹性挡圈、电极针、集成喷嘴固定环构成；高压电内导线由喷嘴体导线孔穿过并接于电极圆环一侧上，电极针接于电极圆环另一侧；喷嘴体设有喷嘴喉孔；电极圆环置于喷嘴体下孔，并将弹性挡圈推入孔用弹性挡圈孔，对电极圆环进行固定；集成喷嘴置于内冷孔中，并用集成喷嘴固定环进行固定；所述的电极圆环材料采用金属材料，电极圆环具有高压电内导线接孔与高压电内导线连接，实现高压电传输；电极圆环具有电极圆环通孔，电极圆环通孔孔径大于喷嘴喉孔孔径，微量润滑切削液通过喷嘴喉孔和电极圆环通孔后进入切削区；所述的电极针采用耐高温金属材料，电极针后端接于电极圆环并保持垂直方向，电极针放电尖端半径r约为0.2mm，极间距为1-2cm，起晕电压范围为2.1499—2.4299Kv。

7.如权利要求6所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，电极针长度为0.2-0.5cm，电极圆环下表面与内冷孔端面距离为1.5-2cm，电极针尖端与内冷孔端面距离为1-1.8cm。

8.如权利要求1所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述可调高压直流电源包括变压器，变压器初级与交流电源连接，次级的两个线分别作为直流稳压单元V1和直流稳压单元V2，直流稳压单元V1与自激振荡电路连接，自激振荡电路与功率放大电路、高频脉冲升压器以及倍压整流电路、恒流自动控制电路连接，恒流自动控制电路与直流稳压单元V2连接，直流稳压单元V2与功率放大单元连接；可调高压直流电源的可调电压范围在2KV到120KV之间；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，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；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。

9.如权利要求1所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，

所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

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

式中 $f=\frac{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t}{\frac{\mathrm{NeKi}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_0}t+1}$

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。

10.如权利要求1所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流内冷工艺用系统，其特征是，所述内冷钻头可更换为内冷铣刀或内冷镗刀。