CN113351920B - 一种微量润滑铣削加工装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微量润滑铣削加工装置及工作方法，包括工作台、主轴、主轴与动力系统连接，还包括：刀柄：刀柄一端与主轴固定连接，另一端固定有刀具，刀柄和/或刀具内设置有流道；滑环：沿主轴周向滑动套在主轴外周，滑环与动力系统的外壳固定，滑环通过切削液接入口与切削液供给机构连接，滑环通过气体接入口与供气机构连接；流道被配置为能够在刀柄和滑环的相对转动下，其一端能够交替通过与切削液接入口和气体接入口连通，流道另一端用于喷射出气溶胶，本发明的加工装置在保证微量润滑效果的同时，降低了刀具及刀柄的改造成本。

Description

一种微量润滑铣削加工装置及工作方法

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，具体涉及一种微量润滑铣削加工装置及工作方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

微量润滑技术(MQL)在机械加工领域中相比于传统的浇筑式外冷冷却润滑方式，更加适应了绿色制造和可持续发展的理念。它是指将微量的润滑液、水和具有一定压力的气体混合雾化后，喷射到切削区起到冷却润滑作用的一种技术。水和高压气体起到冷却作用，油起到润滑切削区、延长刀具寿命的作用。

微量润滑供给系统大体上可分为单通道式和双通道式两大类。两者的区别是空气和润滑油混合形成气溶胶的位置不同，即根据对微量切削液的传输、雾化的差别而被分成两种形式。其中单通道式的特点为:空气和润滑油在发生设备内已经混合成气溶胶，随后气溶胶通过喷头内部的轨道被输送到加工区域。而双通道式的特点为：空气和润滑油在不同的轨道内被输送到加工轴头附近的混合腔内，形成气溶胶，随后被输送到加工区域。与双通道系统相比，单通道系统虽然更便于制造，但在输送冷却润滑油雾时，特别是在具有强烈离心作用下的旋转主轴中时油雾易被分散，这常常导致加工区油雾分布不均匀，从而影响加工质量。而双通道式的微量润滑系统，因为在气溶胶形成后，被输送到加工区域的距离比较近，其润滑液滴相比单通道式更加细小，润滑效果将更好，所以应用范围更加广泛。微量润滑技术具有较高的切削液利用率，对环境污染较小。

发明人发现，现有的微量润滑装置主要以在主轴一侧悬挂喷头的形式对切削区进行冷却润滑，增大了主轴部分整体的体积，在加工过程中容易出现与工件或工装干涉的问题，对设备造成损坏。如果在刀具或刀柄上加工单通道，加工方便，但是会存在单通道微量润滑的缺陷，如果在刀具或刀柄上加工双通道，双通道一般为Y型通道，则加工复杂，加工成本高。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种微量润滑铣削加工装置，能够兼顾单通道微量润滑和双通道微量润滑的优点，在保证润滑效果的前提下，降低了刀具或刀柄的加工成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种微量润滑铣削加工装置，包括工作台、主轴、主轴与动力系统连接，还包括：

刀柄：刀柄一端与主轴固定连接，另一端固定有刀具，刀柄和/或刀具内设置有流道；

滑环：沿主轴周向滑动套在主轴外周，滑环与动力系统的外壳固定，滑环通过切削液接入口与切削液供给机构连接，滑环通过气体接入口与供气机构连接；

流道被配置为能够在刀柄和滑环的相对转动下，其一端能够交替通过与切削液接入口和气体接入口连通，流道另一端用于喷射出气溶胶。

可选的，所述刀柄的直径大于刀具的直径，相应的，刀柄内设置流道；

进一步的，刀柄内设置多个流道，多个流道沿圆周均匀分布，所述圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

可选的，所述刀柄的直径大于刀具的直径，刀柄及刀具内设置有相连通的流道，流道末端设置有多个分支通道，多个分支通道沿圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

可选的，所述刀柄的直径小于刀具的直径，相应的，所述流道包括开设在刀柄的第一流道部和开设在刀具的第二流道部；

进一步的，所述流道设置多个，多个流道沿圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

可选的，所述切削液供给机构包括储液箱，所述储液箱通过进液管路与切削液接入口连接，所述脉冲泵通过频率发生器与供气机构连接，供气机构能够通过频率发生器带动脉冲泵工作。

可选的，所述供气机构包括空气压缩机，空气压缩机通过气体管路与储气罐的进口连接，储气罐的出口通过气体管路与脉冲泵及气体接入口连接。

可选的，所述滑环内侧面开设有与切削液接入口连通的第一导流槽和与气体接入口连通的第二导流槽。

可选的，还包括密封组件，密封组件包括分别设置在滑环上方和下方且套在主轴外周的上密封盘和下密封盘，上密封盘和下密封盘分别与滑环的上端面和下端面密封配合，上密封盘和下密封盘通过连接件连接，连接件一端与主轴固定，另一端与刀柄连接。

可选的，所述上密封盘与滑环上端面具有设定距离，滑环上端面开设有多个沿圆周均匀分布的螺旋槽，相应的，下密封盘与滑环下端面具有设定距离，滑环下端面开设有多个沿圆周均匀分布的螺旋槽。

第二方面，本发明的实施例公开了一种微量润滑铣削加工装置的工作方法，主轴带动刀柄和刀具转动，对工件进行加工，同时主轴、刀柄与滑环的相对转动使得流道交替与切削液接入口和气体接入口连通，流道内交替注入切削液和气体，切削液和气体在流道内发生混合形成气溶胶，气溶胶从流道内喷射出，对刀具和加工区域进行冷却润滑。

本发明的有益效果：

1.本发明的微量润滑铣削加工装置，流道设置在刀具和/或刀柄内部，无需设置在主轴一侧，避免了加工过程中出现的干涉问题，而且兼具了单通道和双通道微量润滑的优点，通过滑环的设置，利用滑环和刀柄、主轴的相对转动，使得切削液和气体能够交替进入流道，在流道内发生混合，形成气溶胶，然后喷出，避免了单通道微量润滑时油雾易被分散，导致加工区油雾分布不均匀，从而影响加工质量的问题，实现了更好的喷雾效果，而且在刀柄、刀具内无需加工近似Y型的双通道，降低了刀具和刀柄的加工难度，降低了设备改造成本。

2.本发明的微量润滑铣削加工装置，滑环、密封组件安装在主轴上而不是安装在刀柄上，实现了一套装置对所有刀柄供气、液，而不用随着刀柄一起更换，而且避免换刀时出现干涉。

3.本发明的微量润滑铣削加工装置，通过在滑环上设置螺旋槽，实现了干气密封，在滑环与上、下密封盘的间隙内形成气膜对切削液和气体进行密封，密封性好，无机械式摩擦，使用寿命长。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是Y型喷嘴工作原理图；

图2是不同ALR条件下的雾化原理图；

图3是本发明实施例1、2、3气、液流注入流道示意图一；

图4是本发明实施例1、2、3气、液流注入流道示意图二；

图5是本发明实施例1、2、3的整体示意图；

图6是本发明实施例1、2、3滑环的三维图；

图7是本发明实施例1、2、3滑环的正向半剖视图；

图8是本发明实施例1、2、3滑环的俯视图；

图9是本发明实施例1、2、3密封组件的三维图；

图10是本发明实施例1、2、3密封组件的主视图；

图11是本发明实施例1、2、3机床主轴端部的三维简图；

图12是本发明实施例1、2、3机床主轴端部的主视图；

图13是本发明实施例1、2、3连接装置装配的爆炸视图；

图14是本发明实施例1、2、3连接装置的局部剖视图；

图15是本发明实施例1、2、3连接装置的A-A向视图；

图16是本发明实施例1、2、3连接装置的密封原理图一；

图17是本发明实施例1、2、3连接装置的密封原理图二；

图18是本发明实施例1、2、3连接装置的密封原理图三；

图19是本发明实施例1刀柄内流道结构图；

图20是本发明实施例1加工装置微量润滑的工作原理图；

图21是本发明实施例1的雾滴喷射示意图；

图22是本发明实施例1喷雾液滴概率密度分布图；

图23是本发明实施例1、2、3微量润滑供给装置示意图；

图24是本发明实施例2刀柄及刀具流道示意图；

图25是本发明实施例2加工装置的微量润滑的工作原理图；

图26是本发明实施例2刀具内流道的加工工艺说明图；

图27是本发明实施例3刀柄及刀具内流道示意图；

图28是本发明实施例3加工装置的微量润滑的工作原理图；

图29是本发明实施例3微量润滑装置的雾滴喷射示意图；

图30是本发明实施例3雾滴碰撞分析图一；

图31是本发明实施例3雾滴碰撞分析图二；

其中，其中，连接装置Ⅰ、刀具装置Ⅱ、微量润滑供给装置Ⅲ、刀具装置Ⅳ、刀具装置Ⅴ。

滑环Ⅰ-1、上端面Ⅰ-1-1、下端面Ⅰ-1-2、切削液接入口Ⅰ-1-3、气体接入口Ⅰ-1-4、第一导流槽Ⅰ-1-5、第二导流槽Ⅰ-1-6、凸台Ⅰ-1-7、安装孔Ⅰ-1-8、对接孔Ⅰ-1-9、拼接面Ⅰ-1-10、螺旋槽Ⅰ-1-11、封堵槽Ⅰ-1-12、密封堰Ⅰ-1-13、密封坝Ⅰ-1-14。

密封组件Ⅰ-2、上密封盘Ⅰ-2-1、下密封盘Ⅰ-2-2、上密封端面Ⅰ-2-3、下密封端面Ⅰ-2-4、传动键Ⅰ-2-5、连接块Ⅰ-2-6、安装孔Ⅰ-2-7。

主轴组件Ⅰ-3、通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2、键槽Ⅰ-3-3、传动键安装孔Ⅰ-3-4、锥形孔Ⅰ-3-5、端盖Ⅰ-3-6、主轴Ⅰ-3-7、外壳Ⅰ-3-8、滑环安装孔Ⅰ-3-9。

螺钉Ⅰ-4、螺钉Ⅰ-5、螺钉Ⅰ-6、封堵条Ⅰ-7、气膜Ⅰ-9。

刀柄Ⅱ-1、流道Ⅱ-1-1、入口Ⅱ-1-2、出口Ⅱ-1-3、圆锥面Ⅱ-1-4、底部端面Ⅱ-1-5、键槽Ⅱ-1-6。

立铣刀Ⅱ-2、紧定螺钉Ⅱ-3、喷头Ⅱ-4。

空气压缩机1、过滤器2、储气罐3、压力表4、调压阀5、节流阀6、溢流阀7、压缩空气回收箱8、二位四通电磁阀9、频率发生器10、脉冲泵11、储液箱12。

刀柄Ⅳ-1、流道Ⅳ-1-1、入口Ⅳ-1-2、圆锥面Ⅳ-1-3、内端面Ⅳ-1-4、内圆面Ⅳ-1-5。

立铣刀Ⅳ-2、流道Ⅳ-2-1、分支流道Ⅳ-2-2、喷孔Ⅳ-2-3、横向通道Ⅳ-2-4、纵向通道Ⅳ-2-5、出口Ⅳ-2-6、出口Ⅳ-2-7。

刀柄Ⅴ-1、流道Ⅴ-1-1、入口Ⅴ-1-2、圆锥面Ⅴ-1-3、底部端面Ⅴ-1-4。

端铣刀Ⅴ-2、延长通道Ⅴ-2-1、出口Ⅴ-2-2、底面Ⅴ-2-3。

喷头Ⅴ-3、螺钉Ⅴ-4。

具体实施方式

在微量润滑技术等领域，两相流喷嘴自出现以来便得到了广泛的应用，两相流喷嘴按照其工质和雾化介质作用位置不同可以分为外混式喷嘴和内混式喷嘴。外混式喷嘴的工作原理是将工质以射流或液膜的形式喷出喷嘴，再与高速运动的雾化介质相作用，从而达到使工质碎裂成液滴的目的；而内混式喷嘴的工作原理则是工质和雾化介质在喷嘴内部接触并相互作用之后同时由喷孔喷出喷嘴。气泡雾化喷嘴、Y型喷嘴、内部混合空气助力喷嘴等都属于内混式空气雾化喷嘴。以Y型喷嘴为例，如图1示，高压气体和切削液分别从两处的输入口输入，经过通道进入与喷孔相连的腔室内，切削液在高速气流的空气动力作用下，以多种形式裂化成小液滴。

具体的，内混式雾化过程还与喷嘴内部两相流流型有关，不同的流型其雾化机理是不同的，随着气液质量流量比(ALR)的变化，喷孔内部两相流流动经历从泡状流、过度流到环状流的过程，不同的孔内流型会对应不同的液体碎裂形式，从而得到不同的雾化效果。当孔内流型为泡状流时，液体碎裂成周向运动的液片和液线，而当孔内流型为环状流时，液体会碎裂成轴向运动的液线和液滴。过度流是泡状流和环状流交替出现的结果，其雾化效果也是介于泡状流和环状流之间。

如图2示，在较低ALR条件下，喷孔内为泡状流，气体分散于液体中，此时喷孔内当地声速低，气体在喷孔中膨胀，压强减小，而当气体到达喷口处时，压强高于环境压强，因而会在喷嘴出口处实现压力的突降，高压气体会在喷嘴出口处膨胀甚至发生炸裂，增加了喷口处液体的表面能，增大了喷雾锥角，这使得即使在较低的流率和喷射压力下，两相流喷嘴都可以得到较好的雾化效果。在较高ALR条件下，喷孔内为环状流，此时气相占据喷孔中部形成气柱，而液相绕喷孔内壁一周，形成环状液膜，气相速度较大，而孔内当地声速低，气相减压增速，到喷口处压强高于环境压强，进一步膨胀增速，气液两相之间产生较高的相对速度。在相对速度作用下，剪切作用增强，液体碎裂成更小的片状或带状液体；相对速度增大，液膜表面的扰动振幅增大，片状液体会碎裂形成更细小的液滴；气相的介入可以帮助分散液体和减少液滴的聚合效果，使液体加速碎裂形成更细小的液滴。喷嘴内部有用于气液混合的混合腔，在混合腔里，气液在被喷出之前，其混合过程中伴随着剧烈的相互作用，这一过程增大了液体的表面能；当气液两相运动到喷孔处时，液体和气体同时占据喷孔，气液两相之间的相对运动增加了交界面流动不稳定性，加速了液片和液线的形成。

工业中常用雾化基本在大ALR工况下，孔内流型为环状流。在大ALR条件下，喷孔内部会形成环状流，此时在喷孔内会形成环状液膜。环状液膜的厚度对雾化过程有很大影响。对孔内环状液膜建立数学模型。

理想气体动量方程为

可压缩空气在喷嘴内部的流动可以看作是等熵流动，带入等熵理想气体状态方程并积分得

界面滑移率方程采用

根据气液两相质量守恒得

求解液膜厚度表达式为δ＝r₀-r_a

上述各方程中为ρ_a气体密度，ρ_l为液体密度，m_l为液体质量流量，v_a为气相速度，k为比热比，sr为界面滑移率，α为空隙率，r₀为喷孔半径，r_a为喷口处气体出口半径，δ为液膜厚度，C为实验参数，取75，D为气体等熵过程的状态方程中的常数。

在两相流喷嘴环状液膜的碎裂过程中，小ALR下，气相占比小，速度小，对液体流动过程影响小，此时液体碎裂过程以长波碎裂为主，碎裂后会形成大块的实心液体；随着ALR增大，气相速度增大，对液体作用增强，环膜表面扰动增强，液体碎裂主要依赖环膜上扰动波的增长，当增大到最不稳定波时，液膜会在波峰处碎裂形成垂直于轴线方向的环状液线，液膜碎裂方式为短波碎裂；随着气相速度的进一步增大，此时液膜表面会交织存在周向波和轴向波，即垂直于轴线方向和轴线方向上的波，液膜会在这两种波的作用下形成网状结构，进而碎裂；当气相速度再次增大，此时环膜上轴向波占主导，液膜碎裂形成轴线方向上的液线，液线会进一步碎裂形成液滴。

在气液相对速度作用下，液膜碎裂成液线，然而此时气液相对速度对液线作用已经不是最主要的，液体表面张力作为液线碎裂成液滴的主要作用力。根据韦伯的粘性柱状液柱碎裂模型可以得到波数和液线直径之间的关系式：

一个波长的液线碎裂形成一个液滴，液滴直径为

联立解得d_D＝1.88d_l(1+3Oh)^1/6

其中Oh＝μ_l/(ρ_lαd_l)^1/2

据此，如图3-图4所示，在刀柄内设置高压气体和切削液共用的单通道结构，向通道内分时通入气、液体，先进入通道的切削液流速慢，后进入通道的气体流速快，且气、液体注入通道的时间间隔很短，使得切削液和高压气体在喷出喷孔前相遇并在通道内混合雾化，最终从喷孔喷出。周期性的反复向通道内通入气、液体，便可以近似实现从喷孔喷出连续性的冷却喷雾，另外通过控制气体和液体的流入时间(或流速)来控制气液质量流量比的变化，以适应不同加工情况。

根据上述原理，本申请实施例1提供了一种微量润滑铣削加工装置，如图5所示，包括工作台，工作台用于放置待加工的工件，所述工作台上方设置有主轴，主轴与动力系统连接，动力系统能够带动主轴转动，所述动力系统安装在床身上，上述结构采用现有的铣削加工机床的结构即可。

所述加工装置还包括连接装置Ⅰ，刀具装置Ⅱ以及微量润滑供给装置Ⅲ，刀具Ⅱ通过刀柄安装在机床的主轴上。安装在机床床身一侧的微量润滑供给装置Ⅲ通过管路与安装在机床主轴端部的连接装置Ⅰ相连，微量润滑供给装置Ⅲ首先将切削液和高压气体泵入连接装置Ⅰ，进而传输到随着刀柄一起高速旋转的刀具装置Ⅱ中。刀具装置Ⅱ将微量的切削液和具有一定压力的气体混合雾化后，喷射到切削区域进行冷却润滑。所述机床的主轴与机床的动力系统连接，刀柄与刀具固定，所述机床工作台、机床的主轴及动力系统均采用现有结构，在此不进行详细叙述。

在加工过程中需要更换不同的刀具，不同的刀具影响到刀柄内流道的布置走向。根据刀具的尺寸规格，将刀具归为两类，一类为刀具切削刃直径小于刀柄直径，另一类为刀具切削刃直径大于等于刀柄直径。对此，在不同类型刀柄内设置不同的流道结构。所述刀柄均在现有刀柄结构基础上进行改造设计。本实施例针对的是刀刃直径小于刀柄直径的工况进行的改造设计。

如图6-图23所示，所述刀具装置Ⅱ包括刀柄和刀具，并在机床主轴端部位置设置连接装置Ⅰ，由微量润滑供给装置Ⅲ将切削液和高压气体泵入连接装置Ⅰ，再由连接装置Ⅰ分时输入刀具装置Ⅱ。

所述连接装置包括滑环Ⅰ-1，所述滑环套在主轴组件Ⅰ-3端部的外周，并且与转轴组件相对于周向滑动连接，即滑环与转轴组件之间能够产生相对转动。微量润滑供给装置通过管路与滑环连接，经过主轴组件的端部的通孔分时注入到刀柄Ⅱ-1中，在加工时，主轴高速旋转，滑环保持固定，气体和切削液输入刀柄的过程中，由套在转轴外周的密封组件Ⅰ-2和滑环之间形成的气膜进行密封。

如图6-8所示，所示滑环为圆环状结构，具有上端面Ⅰ-1-1、下端面Ⅰ-1-2及圆周面，其上端面和下端面为密封端面，并在密封端面上设置多个沿圆周均匀分布的螺旋槽Ⅰ-1-11起密封作用，相邻两个螺旋槽之间的区域为密封堰Ⅰ-1-13，靠近滑环内圆面的环形区域为密封坝Ⅰ-1-14，为了使滑环方便安装，所述滑环由形状相同的第一滑环部和第二滑环部拼接构成，第一滑环部和第二滑环部的两个端面为拼接面Ⅰ-1-10，第一滑环部和第二滑环部通过其端部设置的对接孔Ⅰ-1-9连接为一个整体，第一滑环部和第二滑环部采用螺栓Ⅰ-5连接。

所述第一滑环部的内侧面设置有第一导流槽Ⅰ-1-5，所述第二滑环部的内侧面设置有第二导流槽Ⅰ-1-6，第一导流槽和第二导流槽的尺寸大小相同，所述第一滑环部设置有切削液接入口Ⅰ-1-3，所述切削液接入口与第一导流槽相连通，所述第二滑环部设置有气体接入口Ⅰ-1-4，所述气体接入口与第二导流槽相连通。切削液接入口和气体接入口的孔径相同，且所述切削液接入口和气体接入口的位置和尺寸与主轴上开设的通孔相匹配。且切削液接入口和气体接入口位于滑环所在圆周直径线的两个端部位置。

所述第一滑环部和第二滑环部上均设置有凸台Ⅰ-1-7，优选的，第一滑环部的凸台设置在切削液接入口上方，第二滑环部的凸台设置在气体接入口的上方，所述凸台上设置有安装孔Ⅰ-1-8，滑环能够通过凸台和安装孔与主轴端部的动力系统的外部壳体固定连接，进而能够实现滑环不会随主轴转动，使主轴与滑环之间能够产生相对转动。

本实施例中，为了防止第一导流槽和第二导流槽内的气体和切削液混合，第一导流槽的两侧设有半圆柱状的封堵槽Ⅰ-1-12，第二导流槽的两侧设有半圆柱状的封堵槽Ⅰ-1-12，封堵槽开设在滑环的内侧面上，封堵槽内安装有封堵条Ⅰ-7，封堵条与主轴的轴面接触，进而实现第一导流槽和第二导流槽的密封隔离，防止切削液和气体混合。

图9-图10为密封组件结构示意图，如图9-图10所示，所示密封组件包括分别设置在滑环上方和下方的上密封盘Ⅰ-2-1和下密封盘Ⅰ-2-2，上密封盘的下端面为上密封端面Ⅰ-2-3，下密封盘的上端面为上密封端面Ⅰ-2-4，上密封端面与滑环的上端面具有设定距离，下密封端面与滑环下端面具有设定距离。上密封盘和下密封盘套在主轴的外周。

机床的主轴端部空间有限，为了避免零部件干涉，将密封组件和主轴与刀柄之间的传递扭矩的传动键设置为一体式结构。上密封盘和下密封盘通过设置在其内圆面的连接件连接为一个整体，本实施例中，连接件设置两个，且相对于上密封盘和下密封盘的中心对称设置，所述连接件包括连接块Ⅰ-2-6，所述连接块与上密封盘和下密封盘的内圆面固定连接，所述连接块的底面固定有传动键Ⅰ-2-5，用于传递机床主轴到刀柄的转矩，所述连接块上设置有安装孔Ⅰ-2-7，连接块通过安装孔和螺钉Ⅰ-4及开设在主轴上的键槽Ⅰ-3-3与主轴固定连接。

对机床的主轴、滑环及密封组件的装配进行整体说明：如图11-图12所示，主轴Ⅰ-3-7安装在动力系统的外壳Ⅰ-3-8内，并通过端盖Ⅰ-3-6进行定位，主轴能够通过动力系统驱动其转动，所示主轴能够相对外壳转动，在主轴上开设有通孔Ⅰ-3-1和通孔Ⅰ-3-2，通孔的孔径及位置分别与切削液接入口和气体接入口的孔径及位置相匹配，滑环和主轴产生相对转动时，通孔能够和切削液接入口和气体接入口连通。

所述端盖两侧设有滑环安装孔Ⅰ-3-9，滑环的凸台能够通过滑环安装孔及螺钉Ⅰ-6与端盖固定连接。

主轴上开设有两个与连接块相匹配的键槽，键槽的底部槽面开始有传动键安装孔Ⅰ-3-4，连接块插入所述键槽中并通过螺钉Ⅰ-4与主轴固定连接，所述主轴的中心位置开设有锥形孔Ⅰ-3-5，用于插入刀柄。

如图13-15所示，密封组件嵌套在主轴端部的外周，连接件安装在键槽中，并通过螺钉与主轴固定，实现了密封组件与主轴固定，密封组件可随主轴统统转动，滑环的第一滑环部和第二滑环部安装在上密封盘和下密封盘之间，滑环通过滑环安装孔及螺钉与端盖固定，主轴可以相对于滑环转动，转动过程中，主轴的两个通孔分布于滑环开设的第一导流槽和第二导流槽周期性贯通，滑环的四个封堵槽内安装的由橡胶材质制成的圆柱形的封堵条将第一导流槽和第二导流槽内的切削液和气体隔开，防止其通过滑环和主轴之间的空隙接触混合。

在连接装置Ⅰ中，主轴Ⅰ-3-7需要相对于滑环Ⅰ-1转动，且切削液和高压气体通过滑环Ⅰ-1注入刀具装置Ⅱ，采用干气密封的方式对其进行密封，即在两端面之间形成具有一定压力的气膜将两端面分离而成为非接触端面密封，其密封面之间的摩擦只有流体间的内摩擦，极大地延长了端面密封的寿命。如图16-图18所示，密封组件的上密封端面Ⅰ-2-3和滑环Ⅰ-1的上端面Ⅰ-1-1之间、密封组件的下密封端面Ⅰ-2-4和滑环Ⅰ-1的下端面Ⅰ-1-2之间分别留有间隙，主轴Ⅰ-3-7带动密封组件相对于滑环Ⅰ-1转动时，滑环Ⅰ-1两端面上的螺旋槽Ⅰ-1-11会向旋转中心泵入气体，在间隙内形成气膜Ⅰ-9，气膜Ⅰ-9具有一定的压力，此压力阻碍第一导流槽Ⅰ-1-5和第二导流槽Ⅰ-1-6内的流体溢出从而起到密封作用。气膜Ⅰ-9的密封性与螺旋槽Ⅰ-1-11的数量、几何关系以及主轴的转速有关。图中ri、ro和rg分别为端面的内半径、外半径和槽底半径，β为螺旋角，θl和θg分别为一个周期中螺旋槽Ⅰ-1-11和对应密封堰Ⅰ-1-13在外径处的周向夹角，h0为非开槽区气膜厚度即密封法兰Ⅰ-2的上密封端面Ⅰ-2-3和滑环Ⅰ-1的上端面Ⅰ-1-1之间(或密封法兰Ⅰ-2的下密封端面Ⅰ-2-4和滑环Ⅰ-1的下端面Ⅰ-1-2之间)间隙大小，hg为螺旋槽Ⅰ-1-11的槽深。螺旋槽Ⅰ-1-11的基本几何参数包括槽长比α、槽宽比δ、螺旋角β、槽深比H和槽数Ng，其中槽长比α和槽宽比δ分别用于表征螺旋槽径向和周向的开槽宽度比例。槽长比α、槽宽比δ和槽深比H可分别表示为

假设密封端面间为层流、等温、等黏度气体，则计算端面气膜压力的雷诺方程为

式中的各参数分别定义为

其中，p为端面间的气膜压力，pi为内径处压力，h为端面任意点处的气膜厚度，Λ为密封压缩数，μ为气体黏度，ω为角速度。求解方程式的强制性压力边界条件为

周期性压力边界条件为

P(θ+2π/N_g,R)＝P(θ,R)

求解方程可得密封端面受到的轴向力Fo和轴向气膜刚度kz

足够大的轴向气膜刚度是干气密封抵抗外界扰动、保证装置长周期稳定运行的关键。以可以对切削液和高压气体形成有效密封的临界气膜刚度作为最低优选目标，并结合滑环Ⅰ-1的结构设置螺旋槽Ⅰ-1-11的几何关系。

所述刀具装置Ⅱ包括刀柄Ⅱ-1、刀具、本实施例中，所刀具采用立铣刀Ⅱ-2，立铣刀的直径小于刀柄的直径、紧定螺钉Ⅱ-3和喷头Ⅱ-4。

在本实施例中，刀具直径小于刀柄直径，并以棒铣刀和夹持棒铣刀的侧固式刀柄为例，如图19所示，立铣刀Ⅱ-2安装在刀柄Ⅱ-1上，通过紧定螺钉Ⅱ-3固定。在刀柄Ⅱ-1内设置竖直的流道Ⅱ-1-1，流道Ⅱ-1-1的入口Ⅱ-1-2设置在刀柄Ⅱ-1的圆锥面Ⅱ-1-4上，出口Ⅱ-1-3设置在刀柄Ⅱ-1底部端面Ⅱ-1-5处，在每个出口Ⅱ-1-3内设置螺纹，通过螺纹连接有喷头Ⅱ-4，喷头Ⅱ-4的喷孔与水平表面的夹角为δ。且朝向刀具设置，流道Ⅱ-1-1与入口Ⅱ-1-2之间为圆角平滑过渡，以减小流体的局部压力损失。

本实施例中，为了保证润滑均匀，润滑效果好，在刀柄内设置多条沿圆周均匀分布的流道，圆周的圆心位于刀柄及道具的轴线上，本实施例中，设置两条流道，且两条流道相对于刀具及刀柄的轴线对称设置。

刀柄Ⅱ-1安装在转轴Ⅰ-3-7端部的锥形孔Ⅰ-3-5内，刀柄Ⅱ-1内流道的两处入口Ⅱ-1-2分别与主轴Ⅰ-3-7端部的通孔Ⅰ-3-1和通孔Ⅰ-3-2贯通，传动键Ⅰ-2-5卡在刀柄Ⅱ-1的键槽Ⅱ-1-6内，保证入口Ⅱ-1-2与通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2不会发生错位。

考虑到沿程压力损失

刀柄Ⅱ-1上的流道Ⅱ-1-1直径调整范围有限，考虑将通道截面形状设置成非圆形(如槽口形状)。由于截面上的流速变化主要集中在临近管壁的区域，由摩擦产生的机械能损失也将集中在这里，因而可以认为损失是沿边界壁面分布的。设想有两个管道，长度均为l，一个圆形截面管道1，一个非圆形截面管道2。两管道除截面形状、面积不同外，其他几何参数和流体物理参数都相同。对于圆形管道1，管道壁面单位面积引起的能量损失为

类似地，非圆形管道2管道壁面单位面积引起的能量损失为

Δh₂Avρg/lC

若两管道壁面单位面积引起的能量损失相同，则两管近似的有相同的沿程损失因子，因而

A为非圆管道的截面积；C为非圆管道的截面周长；V为流体在管道内的流速度；Δh为管道的单位长度。

若

即Δh₁＝Δh₂，则圆管1便成为非圆管2的当量管，

便为非圆管的当量直径。

可通过当量直径和刀柄Ⅱ-1的结构设定非圆管道截面的形状和尺寸，当量直径不宜设置过大，否则会导致管道截面积过大。当流体从外部导管流入刀柄时会因路径突然扩大，流体部分速度消耗在形成涡流、流体的搅动和发热等方面而产生很大额外局部压力损失。可将当量直径设置成与机床主轴Ⅰ-3端部的通孔Ⅰ-3-1孔径同等大小，减小流体进入刀柄Ⅱ-1时的速度变化，此时可近似看做流速恒定。

图20为本实施例加工装置微量润滑的工作原理图。如图所示，外部气源与气体接入口Ⅰ-1-3相连，切削液源与切削液接入口Ⅰ-1-4相连，滑环Ⅰ-1与机床主轴Ⅰ-3端部的端盖Ⅰ-3-6连接保持固定，机床主轴Ⅰ-3的转轴Ⅰ-3-7相对滑环Ⅰ-1转动，第一导流槽Ⅰ-1-5和第二导流槽Ⅰ-1-6位于同一平面内且相互独立，在主轴Ⅰ-3-7转动过程中，使通孔Ⅰ-3-1、通孔Ⅰ-3-2分别与第一导流槽Ⅰ-1-5和第二导流槽Ⅰ-1-6周期性贯通，高压气体和切削液经过通孔Ⅰ-3-1分时进入刀柄Ⅱ-1内的两条流体通道Ⅱ-1-1，在流体通道Ⅱ-1-1内发生雾化，从刀柄Ⅱ-1的底部经由喷头Ⅱ-4喷出至切削区域。

喷雾冷却介质从喷嘴喷出直至切削区域，会在切削区域表面发生碰撞。用Weber准则数及Laplace准则数，来表征液滴与切削表面碰撞后的结果：

式中：ρ_f为喷雾冷却介质的密度；v3为液滴与在垂直于热源表面上的速度分量；σ为最小切屑厚度对应的第一变形区的流动应力；μ喷雾介质动力粘度；D喷雾液滴粒径。如图21所示假设喷嘴到工件的水平距离为X，喷嘴与水平表面的夹角为δ，根据能量守恒：

v1为喷嘴出口处的气液两相流的速度，v2为液滴滴落在工件表面的速度

通过速度分析，在液滴落在工件表面上的垂直速度v3为

伴随着入射液滴We数的逐步提高，反弹、铺展、飞溅3种行为会依次发生。初始液滴能量较低时，液滴发生反弹；液滴以高能量撞击热源表面时，会形成冠状的液滴飞溅，液滴从冠状的边缘飞离出去，破碎成许多小液滴。两种情况下的液滴都不能有效参与换热，只有液滴发生铺展，即液滴撞击热源表面后沿热源表面铺展成液膜时才能对热源表面进行有效换热。发生铺展的液滴，其临界We数：

2.0×10⁴×La^-0.2≤We≤2.0×10⁴×La^-1.4

由上式可计算得到发生铺展，即能有效换热的液滴粒径D的范围以及相应的夹角δ的范围。

微量润滑供给装置Ⅲ包括切削液供给机构及供气机构。

所述供气机构包括空气压缩机1，所述空气压缩机通过气体管路与储气罐3的进气口连接，且空气压缩机与储气罐之间设置有过滤器，用于对气体进行过滤，所述储气罐的出口通过气体管路与电磁阀一侧的两个接口连接，所述电磁阀采用二位四通电磁阀，储气罐与电磁阀之间的气体管路上设置有调压阀5和节流阀6，调节阀和节流阀之间的气体管路上设置有溢流管路，溢流管路与压缩空气回收箱8连通，溢流管路上设置有溢流阀7。

电磁阀另一侧的两个接口中的其中一个接口通过管路与气体接入口连接，另一个接口通过管路与脉冲泵连接，且电磁阀与脉冲泵之间的管路上设置有频率发生器，所述脉冲泵的进口与储液箱通过液体管路连接，储液箱用于盛放切削液，与脉冲泵及频率发生器共同构成切削液供给机构。

所述脉冲泵的出口通过液体管路与切削液接入口连接。

电磁阀流出的气体能够驱动脉冲泵工作，脉冲泵能够将切削液泵入切削液接入口，并通过频率发生器控制其工作频率。

电磁阀9的控制线接入机床控制中心，由加工程序进行控制。主轴转动之后，电磁阀得电打到右相位，压缩气体分成两路，一路进入微量润滑装置，一路进入频率发生器10，在气压驱动下，频率发生器10带动脉冲泵11将储液罐12中的切削液泵入微量润滑装置，在微量润滑装置内气液混合雾化。脉冲泵11在频率发生器10作用下可以实现切削液的微量供给。

实施例2

在实施例1中，刀具装置Ⅱ的喷头Ⅱ-4相对刀柄Ⅱ-1的角度固定无法自动调节，若是考虑到主轴转速等因素，当主轴转速过大时，在离心力作用下，喷雾会偏离切削区而无法进行有效冷却润滑，为此在实施例1的基础上设计了刀具装置Ⅳ。本实施例中的连接装置Ⅰ、微量润滑供给装置Ⅲ及装配关系和实施例1相同。下面结合图24-图26对实施例2进行描述：

图24是刀柄及刀具内部流体通道结构图，如图所示，立铣刀Ⅳ-2安装在刀柄Ⅳ-1的刀具安装孔内。在刀柄Ⅳ-1内部设置竖直的流道Ⅳ-1-1，并在刀柄Ⅳ-1的圆锥面Ⅳ-1-3上设置通道入口Ⅳ-1-2，入口Ⅳ-1-2与流体通道Ⅳ-1-1贯通。在立铣刀Ⅳ-2内设置流道Ⅳ-2-1并于刀柄内的流道Ⅳ-1-1贯通，在流道Ⅳ-2-1底部设置与其贯通的多条分支流道Ⅳ-2-2，分支流道Ⅳ-2-2延伸至刀具的切削刃位置，其出口即喷孔Ⅳ-2-3，喷孔Ⅳ-2-3的轴线与立铣刀Ⅳ-2的轴线平行。分支流道Ⅳ-2-2的数量视刀具尺寸情况而定，分支流道沿圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀具及刀柄的轴线上，分支流道优选的设置4条。

刀柄Ⅳ-1安装在机床主轴上之后，刀柄Ⅳ-1内流体通道Ⅳ-1-1的入口Ⅳ-1-2与转轴Ⅰ-3-7端部的通孔Ⅰ-3-1(或通孔Ⅰ-3-2)贯通，其工作原理如图25所示。微量的切削液和高压气体由连接装置Ⅱ输入刀柄Ⅳ-1之后，依次流经流道Ⅳ-1-1和流道Ⅳ-2-1，在流道Ⅳ-2-1底部分流进入分支流道Ⅳ-2-2最终从喷孔Ⅳ-2-3喷出。喷孔Ⅳ-2-3轴线与刀具轴线平行，此外喷孔Ⅳ-2-3处的流速快，使局部压力降低，周围大气压大于局部压力，喷雾从喷孔Ⅳ-2-3喷出后会在自身惯性力和气流的作用下沿着切削刃向下流动，并且包覆刀具表面。

本实施例中，需要在立铣刀Ⅳ-2内设置流体通道，结合图26对立铣刀Ⅳ-2内分支流道Ⅳ-2-2的加工方法进行说明。如图所示，在立铣刀Ⅳ-2内分别加工互相交汇的横向通道Ⅳ-2-4和纵向通道Ⅳ-2-5，将立铣刀Ⅳ-2安装在刀柄Ⅳ-1的刀具安装孔内，利用刀具安装孔的内端面Ⅳ-1-4和内圆面Ⅳ-1-5分别对横向通道Ⅳ-2-4在刀具圆周面上的出口Ⅳ-2-6和纵向通道Ⅳ-2-5在刀具上端面的出口Ⅳ-2-7进行封堵，切削液和高压气体进入刀具后，便会沿着图示路线流动。

实施例2与实施例1相比，将切削液和高压气体引至刀具内部混合雾化，并从刀具切削刃位置处喷出，喷雾喷出后受主轴转速影响小，实现了更好的冷却润滑效果。

实施例3：

本实施例在实施例1、2的基础上根据刀具规格的不同设计了微量润滑装置Ⅴ。本实施例中的连接装置Ⅰ、微量润滑供给装置Ⅲ及装配关系和实施例1、2相同。下面结合图27-图31对实施例3进行描述：

所述微量润滑装置Ⅴ包括刀柄Ⅴ-1、端铣刀Ⅴ-2、喷头Ⅴ-3和螺钉Ⅴ-4。

在本实施例中，刀具直径大于等于刀柄直径，以端铣刀及端铣刀刀柄为例，刀柄及刀具结构如图27所示。在刀柄Ⅴ-1内设置竖直的流道Ⅴ-1-1，并贯通至刀柄Ⅴ-1的底部端面Ⅴ-1-4，流道Ⅴ-1-1的入口Ⅴ-1-2设置在刀柄Ⅴ-1的圆锥面Ⅴ-1-3上。流道Ⅴ-1-1与入口Ⅴ-1-2之间为圆角平滑过渡，以减小流体的局部压力损失，流道Ⅴ-1-1优选的设置2-4条，且圆圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀具和刀柄的轴线上，由于具刀直径大于刀柄直径，在端铣刀Ⅴ-2上设置与刀柄Ⅴ-1内流体通道Ⅴ-1-1相贯通的延长通道Ⅴ-2-1，将通道出口Ⅴ-2-2延伸至刀具底面Ⅴ-2-4，因此，本实施例中的流道分隔为第一流道部和第二流道部，第一流道部即为流道Ⅴ-1-1，第二流道部即为延长通道Ⅴ-2-1，出口Ⅴ-2-2沿端铣刀Ⅴ-2径向向外偏离，朝向刀具切削刃的方向。出口Ⅴ-2-2内设有螺纹，喷头Ⅴ-3通过螺纹安装在出口Ⅴ-2-2内。端铣刀Ⅴ-2内的延长通道Ⅴ-2-1和刀柄Ⅴ-1内的流道Ⅴ-1-1数量一致，使喷雾喷出时可以呈圆周状抛出至切削区域。端铣刀Ⅴ-2和刀柄Ⅴ-2通过螺钉Ⅴ-4固定连接在一起，端铣刀Ⅴ-2和刀柄Ⅴ-1装配完成之后，刀柄Ⅴ-1内的流道Ⅴ-1-1和端铣刀Ⅴ-2内延长通道Ⅴ-2-1相互贯通。

刀柄Ⅴ-1安装在机床主轴上之后，刀柄Ⅴ-1内两条流道Ⅴ-1-1的入口Ⅴ-1-2分别与主轴Ⅰ-3-7端部的通孔Ⅰ-3-1和通孔Ⅰ-3-2贯通，其工作原理如图28所示。微量的切削液和高压气体从连接装置Ⅱ通孔Ⅴ-3-1、通孔Ⅰ-3-2分时进入刀柄Ⅴ-1的流体通道通孔Ⅴ-1-1内，然后进入端铣刀Ⅴ-2内的延长通道Ⅴ-2-1，在贯通的通道内发生混合雾化，经过喷头Ⅴ-3喷出至切削区域。

在端铣刀和工件表面之间的狭小区域内，同时由于处在喷嘴近端，大量液滴无法迅速分散，在空气动力作用下，液滴运动速度和轨迹都不确定，则液滴之间碰撞概率增加。因此除了要考虑喷雾喷射出之后与工件表面的碰撞关系之外还要考虑液滴之间的相互碰撞。根据相互碰撞的两液滴之间大小、速度、方向的不同，其碰撞后的结果也不同，其中一种是两液滴相互碰撞之后，液滴大小和温度不变，只改变了运动轨迹，就像两个刚性球体发生碰撞后的结果；另一种则是两液滴相互碰撞之后，聚合在一起，由两个小液滴聚合成为大液滴，其中相互碰撞的液滴在碰撞前后总质量守恒。液滴碰撞之后的结果与韦伯数和无量纲碰撞偏心距有关，这些参数由下列定义式得到：

其中，r1为小液滴半径，u1为小液滴运动速度，r2为大液滴半径，u2为大液滴运动速度，u为相对速度，b为两液滴连心线的距离，在u的法向平面上作连心线b的投影，将这条投影线段的长度定义为液滴碰撞偏心距θ，即液滴连心线b与u的夹角。

液滴的碰撞聚合是同时发生的，当碰撞的液滴间相对速度很低时，随着液滴相互靠近，其间气体被全部挤出，形成负压，在周围气体压力作用下，液滴碰撞后容易聚合；当碰撞两液滴间相对速度较高时，液滴互相靠近直至接触时的时间很短，气体无法被快速挤出，与此同时，由于间隙减小，则间隙中的空气压力会增加，从而成为气膜，这些因素会使液滴在发生碰撞时难以聚合。

实施例4：

本实施例公开了一种微量润滑铣削加工装置的工作方法，主轴带动刀柄和刀具转动，对工件进行加工，同时主轴、刀柄与滑环的相对转动使得流道交替与切削液接入口和气体接入口连通，切削液供给机构和供气机构向流道内交替注入切削液和气体，切削液和气体在流道内发生混合形成气溶胶，气溶胶从流道内喷射出，对刀具和加工区域进行冷却润滑。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微量润滑铣削加工装置，包括工作台、主轴、主轴与动力系统连接，其特征在于，还包括：

刀柄：刀柄一端与主轴固定连接，另一端固定有刀具，刀柄和/或刀具内设置有流道；

滑环：沿主轴周向滑动套在主轴外周，滑环与动力系统的外壳固定，滑环通过切削液接入口与切削液供给机构连接，滑环通过气体接入口与供气机构连接；

流道被配置为能够在刀柄和滑环的相对转动下，其一端能够交替通过与切削液接入口和气体接入口连通，流道另一端用于喷射出气溶胶。

2.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述刀柄的直径大于刀具的直径，相应的，刀柄内设置流道；

进一步的，刀柄内设置多个流道，多个流道沿圆周均匀分布，所述圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

3.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述刀柄的直径大于刀具的直径，刀柄及刀具内设置有相连通的流道，流道末端设置有多个分支通道，多个分支通道沿圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

4.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述刀柄的直径小于刀具的直径，相应的，所述流道包括开设在刀柄的第一流道部和开设在刀具的第二流道部；

进一步的，所述流道设置多个，多个流道沿圆周均匀分布，圆周的圆心位于刀柄及刀具的轴线上。

5.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述切削液供给机构包括储液箱和脉冲泵，所述储液箱通过进液管路与切削液接入口连接，脉冲泵能够将切削液泵入切削液接入口，所述脉冲泵通过频率发生器与供气机构连接，供气机构能够通过频率发生器带动脉冲泵工作。

6.如权利要求5所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述供气机构包括空气压缩机，空气压缩机通过气体管路与储气罐的进口连接，储气罐的出口通过气体管路与脉冲泵及气体接入口连接。

7.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述滑环内侧面开设有与切削液接入口连通的第一导流槽和与气体接入口连通的第二导流槽。

8.如权利要求1所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，还包括密封组件，密封组件包括分别设置在滑环上方和下方且套在主轴外周的上密封盘和下密封盘，上密封盘和下密封盘分别与滑环的上端面和下端面密封配合，上密封盘和下密封盘通过连接件连接，连接件一端与主轴固定，另一端与刀柄连接。

9.如权利要求8所述的一种微量润滑铣削加工装置，其特征在于，所述上密封盘与滑环上端面具有设定距离，滑环上端面开设有多个沿圆周均匀分布的螺旋槽，相应的，下密封盘与滑环下端面具有设定距离，滑环下端面开设有多个沿圆周均匀分布的螺旋槽。

10.一种权利要求1-9任一项所述的微量润滑铣削加工装置的工作方法，其特征在于，主轴带动刀柄和刀具转动，对工件进行加工，同时主轴、刀柄与滑环的相对转动使得流道交替与切削液接入口和气体接入口连通，流道内交替注入切削液和气体，切削液和气体在流道内发生混合形成气溶胶，气溶胶从流道内喷射出，对刀具和加工区域进行冷却润滑。

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