CN104209806A - 纳米流体微量润滑静电雾化可控射流车削系统 - 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车削系统，它包括：可调节多负极电源，可调节多负极电源具有多个不同电压的负极接口和至少一个正极接口，各负极接口彼此独立工作；在内冷车刀上分别设有内置集成喷嘴和外置集成喷嘴，所述两喷嘴分布在车刀的附近为车削提供润滑介质；所述两喷嘴分别通过内冷车刀内部的内冷孔与微量润滑系统连接提供润滑切削液；同时所述两喷嘴还分别通过导线与可调节多负极电源的不同负极接口连接；电磁接头通过导线与可调节多负极电源的正极接口连接，并安装在内冷车刀上，该导线同时接地。本发明在喷射过程中实现可控分布，提高雾滴谱的均匀性、沉积效率和液体有效利用率，控制雾滴运动规律，降低对环境的污染。

Description

纳米流体微量润滑静电雾化可控射流车削系统

技术领域

本发明涉及一种机械加工中车削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车削系统。

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：一种内冷车刀(专利号为：ZL200920061889.9)公开了一种内冷车刀；它包括刀体、刀片和压板,刀体内开设有通孔,该通孔一端连接有供液管；压板内开设有与通孔导通的导液孔,该导液孔设置有出液口,出液口正对刀片的前刀面；工作工程中,刀片切削工件,并在前刀面一侧产生切屑,冷却液经供液管输送至刀体内,经由通孔和导液孔后,从出液口喷出,从出液口喷出的冷却液喷射在前刀面上,迅速为切屑降温,并冲走切屑,使刀片降温并润滑；本实用新型冷却效果好,加工质量高,使用寿命长。

实用新型专利：一种具有供液结构的内冷车刀(专利号为：ZL201320113044.6)公开了一种具有供液结构的内冷车刀，包括刀体、刀片、刀垫和压块，所述刀体杆身设有导液孔，导液孔出口经接头连接供液管，导液孔里端连通的第一和第二出液口分别设置于刀片的侧面和斜下方，所第一出液口内装有的喷嘴管能够360度回转。本实用新型经供液管接头将冷却液输送至刀体导液孔内，经导液孔里端连通的两出液口喷出，由第一出液口喷出的冷却液喷射在刀片上面和切屑上，并冲走切屑；由第二出液口喷出的冷却液则喷射在刀片的切削后角和工件上，既实现了冷却液的精确喷射，提高了冷却液的使用效率，节约了冷却液用量，又实现了降低刀具和工件表面温度、润滑工件表面，减少刀具与工件间的摩擦的作用，提高了工件质量和降低了刀具磨损。

以上两种方案虽然实现了通过内冷方式对车削加工进行冷却润滑，但是切削液喷射过程中雾滴漂移严重，散发到空气中污染了环境；切削液沉积率低，使用效率低，不符合绿色加工理念，需要改进。

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仅为外注式，静电雾化喷嘴尺寸大、精度低，不能用于内冷式车削加工。

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车削系统，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车削系统，它包括：

可调节多负极电源，可调节多负极电源具有多个不同电压的负极接口和至少一个正极接口，各负极接口彼此独立工作；

在内冷车刀上分别设有内置集成喷嘴和外置集成喷嘴，所述两喷嘴分布在车刀的附近为车削提供润滑介质；所述两喷嘴分别通过内冷车刀内部的内冷孔与微量润滑系统连接提供润滑切削液；同时所述两喷嘴还分别通过导线与可调节多负极电源的不同负极接口连接；

电磁接头通过导线与可调节多负极电源的正极接口连接，并安装在内冷车刀上，该导线同时接地。

所述内置集成喷嘴与内冷孔I固定连接，内冷孔I出口端与竖直方向夹角为α，设车刀后角为γ，则1.2γ≥α≥γ。

所述内置集成喷嘴包括：内置集成喷嘴支架以及安装在内置集成喷嘴支架上的内置集成喷嘴体；在内置集成喷嘴支架下部安装有电极针固定片，在电极针固定片上安装内置集成喷嘴电极针，内置集成喷嘴电极针与带有绝缘皮的内置集成喷嘴导线连接，内置集成喷嘴导线穿出内置集成喷嘴支架，在穿出处设有绝缘固定装置；在内置集成喷嘴体内则设有对微量润滑切削液进行二次雾化内置集成喷嘴体喉孔。

所述内置集成喷嘴体下端设有内置集成喷嘴体卡槽，内置集成喷嘴体卡槽的直径与内置集成喷嘴支架内径相同，两者过盈配合，并固定连接。

所述内置集成喷嘴电极针采用耐高温金属材料，内置集成喷嘴电极针放电尖端半径r约为0.2mm，长度为L₁，底端焊接于电极针固定片中心位置；所述内置集成喷嘴电极针尖端距离工件的最短距离为：

S₁＝(L+L_S)/cosα+(L₂-L₁)，起晕电压范围为2.1499—2.4299KV；

其中，内置集成喷嘴电极针长度L₁，出口端距车刀底面距离为L，车刀垂直方向厚度为L_S，电极针固定片上端面距离内置集成喷嘴出口端面距离为L₂。

所述外置集成喷嘴与内冷孔II连接，外置集成喷嘴出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°。

所述外置集成喷嘴包括：喷嘴电极机构以及与之连接的喷嘴管，喷嘴管与内冷孔II连接；喷嘴电极机构设有外置集成喷嘴体，外置集成喷嘴体外部是喷嘴盖；外置集成喷嘴体设有电极圆环，电极圆环上安装有多个外置集成喷嘴电极针，电极圆环与导线连接，导线通过导线封盖固定在喷嘴盖上并穿出导线封盖，穿出处设有固定装置；外置集成喷嘴体具有外置集成喷嘴体喉孔，对微量润滑切削液进行二次雾化；所述电极圆环利用孔用弹性挡圈固定在外置集成喷嘴体内部；所述喷嘴盖设有导线槽，导线置于导线槽内；所述固定装置为导线固定塞，导线固定塞与导线封盖的导线封盖导线孔过盈配合，通过张紧力固定；所述外置集成喷嘴电极针采用耐高温金属材料，共有四根，在电极圆环上成90°角分布，中心距为R，电极针的裸露长度为L₃。

所述外置集成喷嘴电极针距离外置集成喷嘴出口端的距离为c-L₃，放电尖端半径r约为0.5mm；所述外置集成喷嘴电极针距离工件的最短距离为：S₂＝a₁/cosβ-d+(c-L₃)，起晕电压范围为10.9565—12.1147KV，其中，外置集成喷嘴44轴心距离工件19的水平距离为a₁，外置集成喷嘴出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°；喷嘴电极机构出口端面距离喷嘴管竖直段轴心的距离为d，电机圆环后表面距离外置集成喷嘴出口端面c，电极针的裸露长度为L₃。

所述可调多负极电源由交流电源单元、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；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。

所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

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

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。

本发明的有益效果是：微量润滑切削液通过内冷车刀内冷孔进入内置集成喷嘴和外置集成喷嘴，实现了切削液的传输；可调节多负极电源将负极电通过传输给内置集成喷嘴电极针和外置集成喷嘴电极针，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。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是这种实施例的装配轴侧图；

图2是这种实施例的内冷车刀正视图；

图3是这种实施例的内置集成喷嘴装配示意图；

图4是这种实施例的内置集成喷嘴剖视图；

图4a是图4的仰视图；

图5是这种实施例的内置集成喷嘴体剖视图；

图5a是图5的仰视图；

图6是这种实施例的内置集成喷嘴支架剖视图；

图6a是图6的仰视图；

图7是这种实施例的内置集成喷嘴电极固定片和电极针示意图；

图7a是图7的仰视图；

图8是这种实施例的外置集成喷嘴示意图；

图9是这种实施例的外置集成喷嘴局部剖视图；

图10是这种实施例的喷嘴盖剖视图；

图10a是图10的左视图；

图11是这种实施例的外置集成喷嘴电极圆环和电极针示意图；

图11a是图11的左视图；

图12是这种实施例的外置集成喷嘴体剖视图；

图12a是图12的左视图；

图13是这种实施例的导线封盖剖视图；

图13a是图13的左视图；

图14是这种实施例的外置集成喷嘴装配位置示意图；

图15是这种实施例的电路系统示意图；

其中，1-可调节多负极电源，2-正极导线，3-电磁接头，4-切削液接头I，5-内冷车刀，6-车刀压片，7-车刀固定立柱，8-切削液接头II，9-车刀，10-内置集成喷嘴，11-外置集成喷嘴，12-负极导线I，13-负极导线II，14-负极接口I，15-负极接口II，16-正极接口，17-内冷孔I，18-内冷孔II，19-工件，20-绝缘塞，21-内置集成喷嘴导线，22-内置集成喷嘴支架，23-内六角螺钉I，24-电极针固定片，25-内置集成喷嘴电极针，26-内置集成喷嘴体喉孔，27-内置集成喷嘴体，28-内置集成喷嘴体卡槽，29-绝缘塞插孔，30-内置集成喷嘴体支架螺孔，31-电极针导线接孔，32-电极针固定片螺孔，33-内六角螺钉II，34-导线固定塞，35-外置集成喷嘴导线，36-导线封盖，37-孔用弹性挡圈，38-外置集成喷嘴电极针，39-电极圆环，40-垫圈，41-外置集成喷嘴体，42-喷嘴盖，43-喷嘴管，44-喷嘴电极机构，45-导线槽，46-喷嘴盖螺孔，47-电极圆环导线接孔，48-电极圆环通孔，49-孔用弹性挡圈孔，50-外置集成喷嘴体喉孔，51-导线封盖螺孔，52-导线封盖导线孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做一下说明。

如图1所示，结合图2，纳米流体微量润滑静电雾化可控射流车削系统包括可调节多负极电源1、内冷车刀5、内置集成喷嘴10、外置集成喷嘴11构成。可调节多负极电源1具有两个不同电压的负极接口(负极接口I14、负极接口II15)和一个正极接口16，所述两个负极接口电压可调互相不影响。可调节多负极电源1通过负极导线I12向内置集成喷嘴10传输负极电，可调节多负极电源1接口为负极接口II15；可调节多负极电源1通过负极导线II13向外置集成喷嘴11传输负极电，可调节多负极电源1接口为负极接口I14；可调节多负极电源1通过正极导线2和电磁接头3向内冷车刀5传输正极电，可调节多负极电源1接口为正极接口16，同时正极导线2接地。电磁接头3通过自身磁力吸附于内冷车刀5，用于正极电的传输，车刀9插入车刀固定立柱7中，通过车刀压片6固定。内冷孔II18和内冷孔I17的入口端加工为内螺孔，切削液接头II8和切削液接头I4分别通过螺纹连接安装于内冷孔II18和内冷孔I17的出口端。内置集成喷嘴10安装于内冷孔II18出口端(内冷孔II18出口端加工为沉头孔)，微量润滑系统连接于切削液接头II8，通过内冷孔II18向内置集成喷嘴10运输微量润滑切削液；外置集成喷嘴11安装于内冷孔I17出口端(内冷孔I17出口端加工为内螺孔)，微量润滑系统连接于切削液接头I4，通过内冷孔I17向外置集成喷嘴11运输微量润滑切削液。

如图3所示，内冷孔I17出口端加工为沉头孔，并且内冷孔I17出口端与竖直方向夹角为α(设车刀后角为γ，1.2γ≥α≥γ)，出口端距车刀9底面距离为L，车刀9垂直方向厚度为L_S。内置集成喷嘴10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。内置集成喷嘴10安装于内冷孔II18出口端沉头孔，并用AB胶类胶水固定。

如图4所示，内置集成喷嘴10由：绝缘塞20、内置集成喷嘴导线21、内置集成喷嘴支架22、内六角螺钉I23、电极针固定片24、内置集成喷嘴电极针25、内置集成喷嘴体27构成。装配过程中，首先将内置集成喷嘴电极针25焊接于电极针固定片24中心位置；然后将内置集成喷嘴电极针25和电极针固定片24焊接体插入内置集成喷嘴支架22，通过内六角螺钉I23固定；将带有绝缘皮的内置集成喷嘴导线21一端焊接在内置集成喷嘴电极针25的电极针导线接孔31(如图5)，另一端穿过绝缘塞20，通过绝缘塞20固定于内置集成喷嘴支架22，从而将内置集成喷嘴导线21引出内置集成喷嘴10；最后将内置集成喷嘴体27装入内置集成喷嘴支架22上端，内置集成喷嘴体27具有内置集成喷嘴体卡槽28(如图5)，其直径与内置集成喷嘴支架22内径相同，连接关系为过盈配合，再通过AB胶类胶水固定。

如图5所示，结合图6、图6a，内置集成喷嘴体27和内置集成喷嘴支架22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。内置集成喷嘴体27具有内置集成喷嘴体喉孔26，切削液流出过程中起到气泡雾化作用，从而对微量润滑切削液进行二次雾化。内置集成喷嘴体27具有内置集成喷嘴体卡槽28(如图5)，其直径与内置集成喷嘴支架22内径相同，连接关系为过盈配合，再通过AB胶类胶水固定。内置集成喷嘴支架22具有内置集成喷嘴体支架螺孔30，内置集成喷嘴电极针25和电极针固定片24焊接体插入内置集成喷嘴支架22后，内六角螺钉I23旋入内置集成喷嘴体支架螺孔30进行固定。内置集成喷嘴支架22具有绝缘塞插孔29，绝缘塞插孔29和绝缘塞20为过盈配合关系，绝缘塞20安装于绝缘塞插孔29中，通过张紧力固定，用于引出内置集成喷嘴导线21。

如图7所示，内置集成喷嘴电极针25材料采用耐高温金属材料(钨等)，内置集成喷嘴电极针25具有电极针导线接孔31，内置集成喷嘴导线21一端焊接在内置集成喷嘴电极针25的电极针导线接孔31用于传输高压电。内置集成喷嘴电极针25放电尖端半径r约为0.2mm，长度为L1，底端焊接于电极针固定片24中心位置。电极针固定片24材料采用导电性能高的金属材料，电极针固定片24具有电极针固定片螺孔32，内六角螺钉I23通过电极针固定片螺孔32将内置集成喷嘴电极针25和电极针固定片24焊接固定于内置集成喷嘴支架22，电极针固定片24上端面距离内置集成喷嘴10出口端面距离为L₂。结合图3和图4，可以计算出内置集成喷嘴电极针25尖端距离工件的最短距离为：

S₁＝(L+L_S)/cosα+(L₂-L₁)≈1.3cm。

如图8和图9所示，外置集成喷嘴11由喷嘴电极机构44和喷嘴管43构成。喷嘴电极机构44通过螺纹固定在喷嘴管43上，喷嘴管43下端具有外螺纹，外置集成喷嘴11通过螺纹安装于内冷孔I17出口端内螺孔。喷嘴电极机构44出口端面距离喷嘴管43竖直段轴心的距离为d。喷嘴电极机构44由内六角螺钉II33、导线固定塞34、外置集成喷嘴导线35、导线封盖36、孔用弹性挡圈37、外置集成喷嘴电极针38、电极圆环39、垫圈40、外置集成喷嘴体41、喷嘴盖42构成。外置集成喷嘴电极针38焊接在电极圆环39上，而后将外置集成喷嘴电极针38和电极圆环39焊接体推入外置集成喷嘴体41，通过孔用弹性挡圈37固定在外置集成喷嘴体41内部。在喷嘴盖42内部放入垫圈40，将喷嘴盖42旋入喷嘴管43对外置集成喷嘴体41进行固定。装配完成后，将外置集成喷嘴导线35放入喷嘴盖42的导线槽45中，外置集成喷嘴导线35一端穿过固定在导线封盖36上的导线固定塞34，引到喷嘴外，另一端焊接在电极圆环39的电极圆环导线接孔47内(如图11)。再将导线封盖36通过内六角螺钉II33固定在喷嘴盖42上。电机圆环39后表面距离外置集成喷嘴11出口端面为c。

如图10、图10a所示，结合图13，喷嘴盖42和导线封盖36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。喷嘴盖42具有内螺纹，通过与喷嘴管43连接。喷嘴盖42具有导线槽45，外置集成喷嘴导线35放入导线槽45中，并穿过固定在导线封盖36上的导线固定塞34，引到喷嘴外。导线固定塞34与导线封盖36的导线封盖导线孔52过盈配合，通过张紧力固定。喷嘴盖42具有喷嘴盖螺孔46，导线封盖36通过内六角螺钉II33固定在喷嘴盖42上。

如图11、图11a所示，外置集成喷嘴电极针38材料采用耐高温金属材料(钨等)，电极圆环39采用导电性能好的金属材料。4根外置集成喷嘴电极针38焊接在电极圆环39上成90°角分布，中心距为R，电极针的裸露长度为L₃。结合图8可以计算出电极针距离外置集成喷嘴11出口端的距离为c-L₃。在电极圆环39中部是电极圆环通孔48，电极圆环39上还设有电极圆环导线接孔47。

如图12、图12a所示，外置集成喷嘴体41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。外置集成喷嘴体41具有外置集成喷嘴体喉孔50，切削液流出过程中起到气泡雾化作用，从而对微量润滑切削液进行二次雾化。外置集成喷嘴体41具有孔用弹性挡圈孔49，外置集成喷嘴电极针38和电极圆环39焊接体推入外置集成喷嘴体41，通过孔用弹性挡圈37固定在外置集成喷嘴体41内部。

图13、图13a中，导线封盖36设有导线封盖螺孔51和导线封盖导线孔52。

如图14所示，外置集成喷嘴11出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°。根据外置集成喷嘴11的位置可以计算出外置集成喷嘴电极针38,距离工件19的最短距离为：S₂＝a₁/cosβ-d+(c-L₃)≈3.5cm。其中，外置集成喷嘴44轴心距离工件19的水平距离为a1，外置集成喷嘴出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°；喷嘴电极机构出口端面距离喷嘴管竖直段轴心的距离为d，电机圆环后表面距离外置集成喷嘴出口端面c，电极针的裸露长度为L₃。

如图15所示，可调多负极电源1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。

本方案具体工作过程如下：

可调节多负极电源1具有两个不同电压的负极接口(负极接口I14、负极接口II15)和一个正极接口16，两个负极接口电压可调互相不影响。可调节多负极电源1通过负极导线I12向内置集成喷嘴10传输负极电，可调节多负极电源1接口为负极接口II15；可调节多负极电源1通过负极导线I13向外置集成喷嘴11传输负极电，可调节多负极电源1接口为负极接口I14；可调节多负极电源1通过正极导线2和电磁接头3向内冷车刀5传输正极电，可调节多负极电源1接口为正极接口16，同时正极导线2接地。微量润滑系统连接于切削液接头II8，通过内冷孔II18向内置集成喷嘴10运输微量润滑切削液；微量润滑系统连接于切削液接头I4，通过内冷孔I17向内置集成喷嘴11运输微量润滑切削液。内置集成喷嘴10与工件19、外置集成喷嘴11与工件19之间形成电晕区域。

在微量润滑切削液流经内置集成喷嘴体喉孔26和外置集成喷嘴体喉孔50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，气液两相流流出内置集成喷嘴体喉孔26和外置集成喷嘴体喉孔50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。在微量润滑切削液分别经过电极针和工件19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。由于雾滴带有和电极针相同极性的电荷，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19，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

内置集成喷嘴——工件：可调节多负极电源1通过负极导线I12输送电流，负极电流输送至内置集成喷嘴10的内置集成喷嘴电极针25；正极电流通过正极导线2和电磁接头3输送至内冷车刀5，并通过接地线接地加工过程中内冷车刀5将电流传送至工件19。电磁接头3通过自身的磁力吸附在工件19上实现电流传输。内置集成喷嘴电极针25针尖对准工件19，由于工件19面积较大，内置集成喷嘴电极针25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单极针放电。可调节多负极电源1的可调电压范围在2KV到120KV之间。由于工况条件中pd₁＞26.66kpa·cm(p为工况的外界气压，d₁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。

外置集成喷嘴——工件：可调节多负极电源1通过负极导线II13输送电流，负极电流输送至外置集成喷嘴11的外置集成喷嘴电极针38；正极电流通过正极导线2和电磁接头3输送至内冷车刀5，并通过接地线接地加工过程中内冷车刀5将电流传送至工件19。电磁接头3通过自身的磁力吸附在工件19上实现电流传输。外置集成喷嘴电极针38针尖对准工件19，由于工件19面积较大，外置集成喷嘴电极针38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。可调节多负极电源1的可调电压范围在2KV到120KV之间。由于工况条件中pd₁＞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。

当可调节多负极电源1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＝2.94X10^-3P/(273+T)(P以Pa为单位，当P＝101325Pa，T＝25℃时，δ＝1)，K＝3.08X10^-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，则沿着间隙轴心离针顶端χ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)

(一)针对内置集成喷嘴10——工件19区域，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。

在车刀加工过程中，内置集成喷嘴电极针25与工件19表面最小距离为d＝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，在此情况下，阀值电压小于火花击穿电压，因此不会发生火花击穿。

(二)针对外置集成喷嘴11——工件19区域，假设电极针的尖端半径为0.5mm，极间距为3-5cm(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10.9565—12.1147KV。

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。

在车刀加工过程中，外置集成喷嘴电极针38与工件19表面最小距离为d＝3cm。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100KV，在此情况下，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：

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

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：

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

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：

当在电极针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。内置集成喷嘴电极针25与工件19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。外置集成喷嘴电极针38与工件19的距离为3cm到5cm，所以运动时间在0.000429s到0.000714s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。

当内置集成喷嘴体喉孔26和外置集成喷嘴体喉孔50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15可以看出，可调节多负极电源1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车削系统，其特征是，它包括：

可调节多负极电源，可调节多负极电源具有多个不同电压的负极接口和至少一个正极接口，各负极接口彼此独立工作；

在内冷车刀上分别设有内置集成喷嘴和外置集成喷嘴，所述两喷嘴分布在车刀的附近为车削提供润滑介质；所述两喷嘴分别通过内冷车刀内部的内冷孔与微量润滑系统连接提供润滑切削液；同时所述两喷嘴还分别通过导线与可调节多负极电源的不同负极接口连接；

电磁接头通过导线与可调节多负极电源的正极接口连接，并安装在内冷车刀上，该导线同时接地。

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车削系统，其特征是，所述内置集成喷嘴与内冷孔I固定连接，内冷孔I出口端与竖直方向夹角为α，设车刀后角为γ，则1.2γ≥α≥γ。

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车削系统，其特征是，所述内置集成喷嘴包括：内置集成喷嘴支架以及安装在内置集成喷嘴支架上的内置集成喷嘴体；在内置集成喷嘴支架下部安装有电极针固定片，在电极针固定片上安装内置集成喷嘴电极针，内置集成喷嘴电极针与带有绝缘皮的内置集成喷嘴导线连接，内置集成喷嘴导线穿出内置集成喷嘴支架，在穿出处设有绝缘固定装置；在内置集成喷嘴体内则设有对微量润滑切削液进行二次雾化内置集成喷嘴体喉孔。

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车削系统，其特征是，所述内置集成喷嘴体下端设有内置集成喷嘴体卡槽，内置集成喷嘴体卡槽的直径与内置集成喷嘴支架内径相同，两者过盈配合，并固定连接。

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车削系统，其特征是，所述内置集成喷嘴电极针采用耐高温金属材料，内置集成喷嘴电极针放电尖端半径r约为0.2mm，长度为L₁，底端焊接于电极针固定片中心位置；所述内置集成喷嘴电极针尖端距离工件的最短距离为：

S₁＝(L+L_S)/cosα+(L₂-L₁)，起晕电压范围为2.1499—2.4299KV；

其中，内置集成喷嘴电极针长度L₁，出口端距车刀底面距离为L，车刀垂直方向厚度为L_S，电极针固定片上端面距离内置集成喷嘴出口端面距离为L₂。

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车削系统，其特征是，所述外置集成喷嘴与内冷孔II连接，外置集成喷嘴出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°。

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车削系统，其特征是，所述外置集成喷嘴包括：喷嘴电极机构以及与之连接的喷嘴管，喷嘴管与内冷孔II连接；喷嘴电极机构设有外置集成喷嘴体，外置集成喷嘴体外部是喷嘴盖；外置集成喷嘴体设有电极圆环，电极圆环上安装有多个外置集成喷嘴电极针，电极圆环与导线连接，导线通过导线封盖固定在喷嘴盖上并穿出导线封盖，穿出处设有固定装置；外置集成喷嘴体具有外置集成喷嘴体喉孔，对微量润滑切削液进行二次雾化；所述电极圆环利用孔用弹性挡圈固定在外置集成喷嘴体内部；所述喷嘴盖设有导线槽，导线置于导线槽内；所述固定装置为导线固定塞，导线固定塞与导线封盖的导线封盖导线孔过盈配合，通过张紧力固定；所述外置集成喷嘴电极针采用耐高温金属材料，共有四根，在电极圆环上成90°角分布，中心距为R，电极针的裸露长度为L₃。

8.如权利要求7所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流车削系统，其特征是，所述外置集成喷嘴电极针距离外置集成喷嘴出口端的距离为c-L₃，放电尖端半径r约为0.5mm；所述外置集成喷嘴电极针距离工件的最短距离为：S₂＝a₁/cosβ-d+(c-L₃)，起晕电压范围为10.9565—12.1147KV，其中，外置集成喷嘴44轴心距离工件19的水平距离为a₁，外置集成喷嘴出口端与水平方向夹角为β，45°≥β≥60°；喷嘴电极机构出口端面距离喷嘴管竖直段轴心的距离为d，电机圆环后表面距离外置集成喷嘴出口端面c，电极针的裸露长度为L₃。

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车削系统，其特征是，所述可调多负极电源由交流电源单元、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；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。

10.如权利要求5或9所述的纳米流体微量润滑静电雾化可控射流车削系统，其特征是，所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：

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

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。