CN109158946A - 数字化三相微量润滑系统及微量润滑切削模型建立方法 - Google Patents

数字化三相微量润滑系统及微量润滑切削模型建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开数字化三相微量润滑系统及微量润滑切削模型建立方法。数字化三相微量润滑系统主要包括控制面板、三通阀、变径喷射装置、箱体、供油系统、供水系统和供气系统。利用该系统可以准确控制油量、水量和气压的大小，进而建立微量润滑切削模型。通过模型可以确定加工所需要的微量润滑参数(油量、水量和气压)。装置操作方便。不需要编程可以通过按钮调节油量、水量和可以通过稳压定值阀调节气压，在相应的表上面读出油量、水量和气压的大小。数字化微量润滑系统有最佳参数设置，可以提高加工效率和减少生产成本。

Description

数字化三相微量润滑系统及微量润滑切削模型建立方法
技术领域
本发明涉及冷却润滑技术领域，具体涉及一种数字化微量润滑技术。
背景技术
随着经济的发展，我国机床每年的生产量和保有量都在逐步上升。机床的使用离不开冷却、润滑。传统的浇筑式润滑在保障机床性能的同时，会使用大量的切削液。大量切削液的回收处理增加了生产成本也造成了一定的环境压力。在“中国制造2025”的要求下，节能减排已成未来制造业发展的方向之一，工信部设计的“中国绿色制造行动指南”中指出：要大力发展新的切削加工技术，减少切削液的排放。
目前，针对不同的机床、工况和材料等没有实现润滑和冷却定量化，更无法建立微量润滑切削模型，以实现最好的切削效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于:主要包括控制面板、三通阀、变径喷射装置、箱体、供油系统、供水系统和供气系统。
所述变径喷射装置包括高压气体接头、混合液体接头、喷嘴体和变径喷嘴头。所述喷嘴体内部具有贯穿喷嘴体两端的流道A。所述流道A一端安装高压气体接头、另一端安装变径喷嘴头。所述喷嘴体内部还具有流道B。所述流道B的一端与流道A相通、另一端开口位于喷嘴体底部并安装混合液体接头。
所述箱体的一侧是控制面板。
所述供油系统包括安装于箱体顶部的储油箱，以及箱体内的步进电机蠕动泵。所述步进电机蠕动泵的进油口与储油箱相连。所述步进电机蠕动泵的出油口通过管道I与三通阀的进口A连接。所述步进电机蠕动泵通过步进电机驱动器驱动。所述步进电机驱动器接收来自于脉冲信号发生器的控制信号。所述脉冲信号发生器的控制端位于控制面板上。通过脉冲信号发生器控制步进电机蠕动泵的供油流速。控制面板上的显示屏显示脉冲频率值，运用润滑油量控制公式计算并显示出润滑油流量大小。
所述供水系统包括安装于箱体顶部的储水箱，以及箱体内的无刷电机隔膜泵。所述无刷电机隔膜泵的进口与储水箱连接。所述无刷电机隔膜泵的出口通过管道II与三通阀的进口B连接。所述无刷电机隔膜泵通过PWM调速器控制。所述PWM调速器的控制端位于控制面板上。通过PWM调速器控制无刷电机隔膜泵的供水流速。控制面板上的显示屏显示PWM调速器115频率值，运用水量控制公式得出并显示实际水流量。
所述三通阀的出口通过管道III接入所述混合液体接头。
所述供气系统包括位于箱体外的高压气源，以及位于箱体内的稳压定值阀。所述稳压定值阀与高压气源相连的管道安装数显气压表。所述稳压定值阀的控制端和所述数显气压表的显示面位于控制面板上。所述稳压定值阀的出口通过管道IV与所述高压气体接头连接。所述管道IV上安装电磁阀。通过所述稳压定值阀调节气体压强。
供油系统提供的润滑油和供水系统提供的水在变径喷射装置中与高压气体结合后，从变径喷嘴头中喷出微量润滑射流。
进一步，有若干个变径喷嘴头作为选用件。每一个变径喷嘴头具有不同的喷射孔径。这样就使得变径喷射装置因选配不同的变径喷嘴头，成为可变径喷射装置
进一步，所述储油箱放在亚克力棒A上，用特种胶水粘接。亚克力棒A中间设置通孔，保证稳定出油。亚克力棒A下方和出油接头通过螺纹连接。出油接头通过管道和步进电机蠕动泵连接。
进一步，储水箱放在亚克力棒B上面，用特种胶水粘接。亚克力棒B中间设置通孔，保证稳定出水。亚克力棒B下方和出水接头用螺纹连接，出水接头通过管道和无刷电机隔膜泵连接。
进一步，所述变径喷射装置上端连接夹持柄。所述夹持柄上方与万向磁性座连接。所述万向磁性座吸附在铁板或机床上，用于固定和调整变径喷嘴位置。
进一步，所述箱体下方是底板。底板与箱体连接。
底板外侧有凹槽和凹槽。所述凹槽与凹槽各安装一块磁铁。其中，一个磁铁N极朝上，一个磁铁S极朝上，形成闭合的磁力线。
通过所述磁铁，使得箱体和底板吸附在铁板或机床上。
本发明还公开基于上述系统的一种数字化三相微量润滑切削模型建立方法，其特征在于：
1〕将待加工的试验材料夹持在机床上。
2〕将可变径喷射装置调节到合适位置，检查高压气源、润滑油和水，接通电源。
3〕设定加工参数：
按照试验设定的水量、润滑油量和气压，调节稳压定值阀阀门、调节水流量、调节润滑油流量，形成三相微量润滑射流。
按照试验设定调节变径喷嘴头与待加工的试验材料之间的距离。
将热电偶放在被加工工件上
4〕操作机床，开始加工，打开微量润滑设备在进行加工t后，机床停止工作并记录此时的工件温度Q1,微量润滑装置继续工作ΔT 后，记录此时的工件温度Q2，计算ΔQ＝Q2-Q1，获得并记录ΔQ/ΔT 及对应的水量、润滑油量、气压；
5〕重复步骤1～4，每一次改变试验设定的水量、润滑油量、气压和步骤3中所述的距离中的一个或多个。实验的设计采用的是正交设计，然后对大量实验数据进行分析处理。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，具有以下优点：
1、可以准确控制油量、水量和气压的大小，进而建立微量润滑切削模型。通过模型可以确定加工所需要的微量润滑参数(油量、水量和气压)。
2、装置操作方便。不需要编程可以通过按钮调节油量、水量和可以通过稳压定值阀调节气压，在相应的表上面读出油量、水量和气压的大小。
3、数字化微量润滑系统有最佳参数设置，可以提高加工效率和减少生产成本。
附图说明
图1是数字化三相微量润滑系统的外形图。
图2是数字化三相微量润滑系统的内部结构。
图3是供电原理图。
图4是数字化三相微量润滑系统的原理图。
图5是底板结构图。
图6是数字化三相微量润滑系统的操作面板图。
图7是油量、水量和气压的控制原理图。
图8是可变径喷嘴结构图。
图中：控制面板(1)，三通阀(2)，变径喷射装置(3)，电磁阀(4)，箱体(17)，底板(18)、夹持柄(20)，高压气体接头(21)，混合液体接头(22)、喷嘴体(23)、变径喷嘴头(24)，
220V转12V电源(111)，空气开关(112)，步进电机驱动器(113)，脉冲信号发生器(114)，PWM调速器(115)，油开关(116)，水开关 (117)，
储油箱(121)，出油接头(122)，亚克力棒A(123)，步进电机蠕动泵(124)、
储水箱(131)，出水接头(132)，亚克力棒B(133)，无刷电机隔膜泵(134)，
稳压定值阀(141)，数显气压表(161)，凹槽A(181)，凹槽B (182)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于:主要包括控制面板1、三通阀2、变径喷射装置3、箱体17、供油系统、供水系统和供气系统。
所述变径喷射装置3包括高压气体接头21、混合液体接头22、喷嘴体23和变径喷嘴头24。所述喷嘴体23内部具有贯穿喷嘴体23 两端的流道A301。所述流道A301一端安装高压气体接头21、另一端安装变径喷嘴头24。所述喷嘴体23内部还具有流道B302。所述流道B302的一端与流道A301相通、另一端开口位于喷嘴体23底部并安装混合液体接头22。实施例中，如图8所示，有若干个变径喷嘴头24作为选用件。每一个变径喷嘴头24都具有一个固定的喷射孔径，不同的变径喷嘴头24可以加工出不同的喷射孔径。(推荐孔径为1mm、1.5mm、2mm)这样就使得变径喷射装置3因选配不同的变径喷嘴头24，成为可变径喷射装置
所述箱体17的一侧是控制面板1。
所述供油系统包括安装于箱体17顶部的储油箱121，以及箱体 17内的步进电机蠕动泵124。所述步进电机蠕动泵124的进油口与储油箱121相连。所述步进电机蠕动泵124的出油口通过管道I203 与三通阀2的进口A201连接。所述步进电机蠕动泵124通过步进电机驱动器113驱动。所述步进电机驱动器113接收来自于脉冲信号发生器114的控制信号。所述脉冲信号发生器114的控制端位于控制面板1上。通过脉冲信号发生器114控制步进电机蠕动泵124的供油流速。控制面板上的显示屏显示脉冲频率值，运用润滑油量控制公式计算并显示出润滑油流量大小。
所述供水系统包括安装于箱体17顶部的储水箱131，以及箱体 17内的无刷电机隔膜泵134。所述无刷电机隔膜泵134的进口与储水箱131连接。所述无刷电机隔膜泵134的出口通过管道II204与三通阀2的进口B202连接。所述无刷电机隔膜泵134通过PWM调速器115控制。所述PWM调速器115的控制端位于控制面板1上。通过PWM调速器115控制无刷电机隔膜泵134的供水流速。控制面板上的显示屏显示PWM调速器115频率值，运用水量控制公式得出并显示实际水流量。
所述三通阀2的出口通过管道III接入所述混合液体接头22。
所述供气系统包括位于箱体17外的高压气源，以及位于箱体17 内的稳压定值阀141。所述稳压定值阀141与高压气源相连的管道安装数显气压表161。所述稳压定值阀141的控制端和所述数显气压表 161的显示面位于控制面板1上。所述稳压定值阀141的出口通过管道IV205与所述高压气体接头21连接。所述管道IV205上安装电磁阀4。通过所述稳压定值阀141调节气体压强。
供油系统提供的润滑油和供水系统提供的水在变径喷射装置3 中与高压气体结合后，从变径喷嘴头24中喷出微量润滑射流。
实施例中，采用220V转12V电源111对步进电机驱动器113以及图6中的脉冲信号发生器114，油开关116，水开关117和PWM调速器115供电。电源通过电线分别连接到油开关116、水开关117 和电磁阀4。油开关116连接PWM调速器115，控制调速器115的电路通断，最后连接无刷电机隔膜泵134，无刷电机隔膜泵直接控制水量大小。水开关117连接脉冲信号发生器，控制脉冲信号发生器115 的电路通断，脉冲信号发生器115连接步进电机驱动113，最后连接步进电机蠕动泵124，步进电机蠕动泵124直接控制润滑油了的大小。电源直接连接电磁阀4，电磁阀控制气路通断。供电原理如图3所示。
所述变径喷射装置3上端连接夹持柄20。所述夹持柄20上方与万向磁性座连接。所述万向磁性座吸附在铁板或机床上，用于固定和调整变径喷嘴位置。
所述箱体17下方是底板18。底板18与箱体17连接。
底板外侧有凹槽181和凹槽182。所述凹槽181与凹槽182各安装一块磁铁。其中，一个磁铁N极朝上，一个磁铁S极朝上，形成闭合的磁力线。
通过所述磁铁，使得箱体17和底板18吸附在铁板或机床上。
上述系统可对水量和润滑油量控制：
其中，水量控制是用PWM调速器114控制水流量。PWM调速器114频率为A单位为KHz，对应的水的流速为B单位为ml/min。通过实验得到数据，通过计算得出水量控制公式
其中，润滑油的油量大小和步进电机蠕动泵124的转速成正比，步进电机蠕动泵124的转速和脉冲信号发生器115的脉冲频率有关。脉冲信号发生器115脉冲频率范围是0.1KHz～99.9KHz。取脉冲频率为X单位为KHz，取润滑油流速为Y单位为ml/min。通过实验得到数据，通过计算得出润滑油量控制公式
实施例2：
本实施例公开基于实施例1的系统的一种数字化三相微量润滑切削模型建立方法，其特征在于：
1〕将待加工的试验材料即一块高温的铝块进行实验，铝块重量 0.1kg
2〕将可变径喷射装置调节到合适位置，检查高压气源、润滑油和水，接通电源。
3〕设定加工参数：
按照试验设定的水量、润滑油量和气压，调节稳压定值阀阀门、调节水流量、调节润滑油流量，形成三相微量润滑射流。
按照试验设定调节变径喷嘴头24与待加工的试验材料之间的距离。
4〕操作机床，开始加工，打开微量润滑设备在进行加工t＝5min 后，机床停止工作并记录此时的工件温度Q1(单位为：J),微量润滑装置继续工作ΔT(本实施例是35s)后，记录此时的工件温度 Q2(单位为：J)，计算ΔQ＝Q2-Q1，ΔT为35S。计算并记录ΔQ/ ΔT的数值；
5〕重复步骤1～4，完成试验1～9，每一次改变试验设定的水量、润滑油量、气压和步骤3中所述的距离中的一个或多个，试验结果记录如下表
表1
分析：
通过实验7和其他实验对比，当不使用微量润滑直接使用铝板和空气间的热传导时，单位时间减少的热量仅仅为4.8J/S，远远小于使用微量润滑冷却的效果。
在微量润滑的3个因素中，油的主要作用是润滑，水的主要作用是冷却，气的主要作用是冷却，排屑和输送油水介质。润滑油比热容C1通常是1.88kJ/(kg·℃)密度P1为0.91×103(kg/m3)，水的比热容C24.2kJ/(kg℃)密度P2为1g/cm3.通常润滑油为0.2ml/min，水2ml/min。在微量润滑状态下，油和水上升的温度差不多。单位时间内带走的热量比为q2＝V2×C2×P2，q1＝V1×C1×P1，倍，水吸收的热量是润滑油的24.7倍，理论上可以忽略润滑油吸收的热量，通过实验3、实验4和实验9单位时间带走的热量看出，润滑油对温度影响不大。
表2
因素 气压 水 油 实验结果
实验一 0.2 2 0.2 35.3
实验二 0.2 9 0.9 47.5
实验三 0.6 2 0.2 49.1
实验四 0.6 9 0.9 93.5
均值一 41.4 42.2 64.4
均值二 71.3 70.5 48.3
极差 29.9 28.3 16.1
通过对实验1、2、3和4进行正交分析，如表2所示，气压的均值2(0.6mpa)大于均值1(0.2mpa)，所以气压大对微量润滑来说的降温效果更好，气压对降温效果的极差达到了29.9。水量的均值2(9ml/min)大于均值1(2ml/min)，水量更大对微量润滑来说降温效果更好，水量对降温效果的极差达到了28.3。距离的均值1 (50mm)大于均值2(100mm)，距离更短对微量润滑来说降温效果更好，距离对微量润滑的极差达到了16.1。所以，气压和水量对微量润滑的降温影响最大。距离对微量润滑的影响其次。油量对微量润滑降温效果影响最小。微量润滑的高气压可以让微量润滑的液滴更小，有利于穿过加工区域的气障层并且充满刀具上的毛细管，提高润滑效率，所以推荐的气压都大于0.4mpa。当微量润滑是水量大于10ml/min每分钟时，会形成大量水雾对车间环境有一定的影响。根据现有技术，可以确定润滑油量的范围，可以在微量润滑范围被设定的基础上做了大量正交实验。当喷嘴距离增大，喷雾的散射面积也增大会影响微量润滑的效果，所以推荐喷嘴距离小于40mm。
实施例3：
采用如实施例2的方法，可以对铜，铁，铝等不同待加工材料进行正交试验，经过分析后推荐用不同的微量润滑参数。微量润滑参数设置如表3所示。
表3

Claims (7)

1.一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于:主要包括所述控制面板(1)、三通阀(2)、变径喷射装置(3)、箱体(17)、供油系统、供水系统和供气系统；
所述变径喷射装置(3)包括高压气体接头(21)、混合液体接头(22)、喷嘴体(23)和变径喷嘴头(24)；所述喷嘴体(23)内部具有贯穿喷嘴体(23)两端的流道A(301)；所述流道A(301)一端安装高压气体接头(21)、另一端安装变径喷嘴头(24)；所述喷嘴体(23)内部还具有流道B(302)；所述流道B(302)的一端与流道A(301)相通、另一端开口位于喷嘴体(23)底部并安装混合液体接头(22)；
所述箱体(17)的一侧是控制面板(1)；
所述供油系统包括安装于箱体(17)顶部的储油箱(121)，以及箱体(17)内的步进电机蠕动泵(124)；所述步进电机蠕动泵(124)的进油口与储油箱(121)相连；所述步进电机蠕动泵(124)的出油口通过管道I(203)与三通阀(2)的进口A(201)连接；所述步进电机蠕动泵(124)通过步进电机驱动器(113)驱动；所述步进电机驱动器(113)接收来自于脉冲信号发生器(114)的控制信号；所述脉冲信号发生器(114)的控制端位于控制面板(1)上；通过脉冲信号发生器(114)控制步进电机蠕动泵(124)的供油流速；控制面板上的显示屏显示脉冲频率值，运用润滑油量控制公式计算并显示出润滑油流量大小；
所述供水系统包括安装于箱体(17)顶部的储水箱(131)，以及箱体(17)内的无刷电机隔膜泵(134)；所述无刷电机隔膜泵(134)的进口与储水箱(131)连接；所述无刷电机隔膜泵(134)的出口通过管道II(204)与三通阀(2)的进口B(202)连接；所述无刷电机隔膜泵(134)通过PWM调速器(115)控制；所述PWM调速器(115)的控制端位于控制面板(1)上；通过PWM调速器(115)控制无刷电机隔膜泵(134)的供水流速；控制面板上的显示屏显示PWM调速器115频率值，运用水量控制公式得出并显示实际水流量；
所述三通阀(2)的出口通过管道III(206)接入所述混合液体接头(22)；
所述供气系统包括位于箱体(17)外的高压气源，以及位于箱体(17)内的稳压定值阀(141)；所述稳压定值阀(141)与高压气源相连的管道安装数显气压表(161)；所述稳压定值阀(141)的控制端和所述数显气压表(161)的显示面位于控制面板(1)上；所述稳压定值阀(141)的出口通过管道IV(205)与所述高压气体接头(21)连接；所述管道IV(205)上安装电磁阀(4)；通过所述稳压定值阀(141)调节气体压强。
供油系统提供的润滑油和供水系统提供的水在变径喷射装置(3)中与高压气体结合后，从变径喷嘴头(24)中喷出微量润滑射流。
2.根据权利要求1所述的一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于：有若干个变径喷嘴头(24)作为选用件；每一个变径喷嘴头(24)具有不同的喷射孔径；这样就使得变径喷射装置(3)因选配不同的变径喷嘴头(24)，成为可变径喷射装置。
3.根据权利要求1或2所述的一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于：所述储油箱(121)放在亚克力棒A(123)上；亚克力棒A(123)中间设置通孔，保证稳定出油。亚克力棒A(123)下方和出油接头(122)通过螺纹连接；出油接头(122)通过管道和步进电机蠕动泵(124)连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于：储水箱(131)放在亚克力棒B(133)上面，用特种胶水粘接；亚克力棒B(133)中间设置通孔，保证稳定出水。亚克力棒B(133)下方和出水接头(132)用螺纹连接，出水接头(132)通过管道和无刷电机隔膜泵(134)连接。
5.根据权利要求1或3所述的一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于：所述变径喷射装置(3)上端连接夹持柄(20)；所述夹持柄(20)上方与万向磁性座连接；所述万向磁性座吸附在铁板或机床上，用于固定和调整变径喷嘴位置。
6.根据权利要求1所述的一种数字化三相微量润滑系统，其特征在于：所述箱体(17)下方是底板(18)；底板(18)与箱体(17)连接；
底板外侧有凹槽(181)和凹槽(182)；所述凹槽(181)与凹槽(182)各安装一块磁铁；
通过所述磁铁，使得箱体(17)和底板(18)吸附在铁板或机床上。
7.基于1～6任意一项权利要求所述系统的一种数字化三相微量润滑切削模型建立方法，其特征在于：
1〕将待加工的试验材料夹持在机床上；
2〕将可变径喷射装置调节到合适位置，检查高压气源、润滑油和水，接通电源。
3〕设定加工参数：
按照试验设定的水量、润滑油量和气压，调节稳压定值阀阀门、调节水流量、调节润滑油流量，形成三相微量润滑射流，将热电阻与工件连接记录工件温度变化；
按照试验设定调节变径喷嘴头(24)与待加工的试验材料之间的距离。
4〕操作机床，开始加工，打开微量润滑设备在进行加工t后，机床停止工作并记录此时的工件温度Q1,微量润滑装置继续工作ΔT后，记录此时的工件温度Q2，计算；
5〕重复步骤1～4，每一次改变试验设定的水量、润滑油量、气压和步骤3中所述的距离中的一个或多个。
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