CN113478393B - 纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，包括：工作台、压缩空气气路、纳米流体液路、刀具、待加工工件、射流雾化喷嘴；刀具、待加工工件设置于工作台上，并进行相向或相背离运动；射流雾化喷嘴设置于刀具一侧，射流雾化喷嘴的第二端朝向刀具与待加工工件接触的切削区域设置；射流雾化喷嘴的第二端以近音速喷射三相泡状流至切削区域。通过设置射流雾化喷嘴能利用压缩空气实现对纳米流体的高速雾化，以使其在喷出后形成大量微小液滴，均匀附着于切削区域的切削面上，从而有效解决现有纳米流体直接用于切削时存在的技术问题。

Description

纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统

技术领域

本申请涉及超精密切削技术领域，特别是一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统。

背景技术

超精密切削由于切削对象大都是难加工材料如各向异性复合材料、红外光学硬脆材料等，在切削加工中，会产生大量的热量，由于被切削的材料层比较薄，大部分热量被传入工件内部，只有少部分热量被切屑带走，这些传入工件内部的热力会对超精密切削过程带来不利影响，导致加工表面产生麻点、凹坑、裂纹以及表层/亚表层损伤等表面缺陷，降低零件的使用寿命和工作可靠性，同时还会加剧刀具的磨损，影响刀具的使用寿命。

超精密切削加工大量使用切削液，也称作浇注式切削，实际生产中通过优化工艺参数，增大供（切削）液压力和流量来降低切削区温度，这些方法虽然在一定程度上减少了切削过程中的热力损伤，但是切削液的大量使用也造成了很多负面影响，不仅造成空气污染，还给生态环境和人体健康带来潜在危害。为满足环保的要求，切削液的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，将近切削液成本的50%。这导致切削液的成本通常是刀具成本的好几倍。据调查，由切削液使用带来的相关费用占据工件加工总成本的7.17%。相比于刀具的成本占加工总成本的2-4%来说，使用切削液的成本相当高。

为降低切削区的温度，人们采用了许多方法，近年来出现了微量润滑冷却加工技术及各种增效技术，如低温冷风微量润滑技术、低温液氮冷却微量润滑技术和纳米流体微量润滑冷却技术等。微量润滑加工技术将压缩空气与极少量的润滑剂混合汽化，形成毫、微米级汽雾，喷向切削区，对“刀具与切屑”和“刀具与工件”的接触界面进行冷却和润滑。作为一种典型的绿色润滑冷却方式，微量润滑技术具有切削液用量小、切削力低、防止黏结、延长刀具寿命、提高工件表面质量等优点。这些润滑冷却技术已证实具有较好的加工效果。

与干切削加工相比，微量润滑加工过程中油雾混合物大大改善了切削过程中润滑和冷却效应，显著减小刀具、工件和切屑之间的磨损，有助于降低切削力、切削温度和刀具磨损，同时有助于提高加工表面质量。

相比于传统大流量润滑加工，微量润滑不仅降低了切削液的使用量及其使用成本减少环境污染，而且加工所得工件质量能够达到甚至超过传统大流量润滑的加工质量。

另外，微量润滑装置成本低，操作简单。因此，微量润滑加工与干切削和传统大流量润滑加工相比，具有明显的竞争优势。但在特定工况下，微量润滑技术也存在以下问题：

① 冷却性能不足的问题，尤其是应用微量润滑技术加工难加工材料时，切削过程产热量过高，切削区可能出现冷却不充分的现象；

②冷却不充分时，会出现润滑油膜破裂和润滑失效的问题；

③最佳润滑剂用量难以确定，很容易出现润滑不充分的现象。

纳米颗粒通过提高切削液基液的润湿性、减小刀具-切屑和刀具-工件接触界面摩擦系数来改善润滑状态，同时纳米颗粒可以填充工作表面的微坑和损伤部位，起到修复作用，超精密切削过程中纳米流体以高速雾粒的形式喷射到切削区，纳米流体中的纳米颗粒对加工表面起到一种抛光作用。含纳米粒子流体以射流喷雾形式微量润滑切削可以改善换热能力、降低工件表面粗糙度并减小切削力。通过在纳米流体中加入纳米颗粒，提高了流体的导热系数，从而提高切削液的冷却效果。

现有技术中所用纳米流体基液为可降解的润滑油、润滑脂或植物油等，纳米粒子是粒径小于100nm的金属氧化物、碳纳米管、石墨颗粒等。现有技术中所用纳米流体制备方法是在纳米粒子和可降解的切削介质的混合液内添加表面活性剂、分散剂后，再采用超声波高频振动得到稳定的悬浮液。

但能实现利用纳米流体作为润滑剂，进行微量润滑和雾化冷却的超精密切削介质供给系统还未见报道。

发明内容

本申请提供了一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，能用于解决现有技术中存在的微量润滑装置冷却效果差，无法有效降低切削区温度；冷却效果不均匀，导致润滑油膜破裂和润滑失效；最佳润滑剂用量难以确定导致润滑不充分的技术问题。

本申请提供了一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，包括：工作台、压缩空气气路、纳米流体液路、刀具、待加工工件、射流雾化喷嘴；刀具、待加工工件设置于工作台上，并进行相向或相背离运动；

所述射流雾化喷嘴设置于刀具一侧，射流雾化喷嘴的第二端朝向刀具与待加工工件接触的切削区域设置；

所述压缩空气气路、纳米流体液路分别与射流雾化喷嘴的第一端相连通进料；

所述射流雾化喷嘴的第二端以近音速喷射三相泡状流至切削区域；

所述射流雾化喷嘴包括：主壳体、进液管、进气孔板、微孔板、喷头；进液管、进气孔板、微孔板、喷头从主壳体的第一端向第二端依序设置于主壳体内；

所述主壳体第一端内设置进气腔，进气腔的第一端与压缩空气气路相连通，进气腔的第二端与混合腔相连通；进气孔板、微孔板围成混合腔；

所述进液管容纳设置于进气腔内；进液管的第一端与纳米流体液路相连通；进液管的第二端与混合腔相连通；微孔板、喷头围成加速段；

在混合腔25内，纳米流体与压缩空气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。

优选的，所述射流雾化喷嘴中心轴延长线与待加工工件的加工端面的夹角为β，β的取值范围为20°~35°；

优选的，所述射流雾化喷嘴的喷射端面与刀具切削尖端与待加工工件接触点的距离为喷射距离d，喷射距离d的取值范围3~5cm；

优选的，所述射流雾化喷嘴的喷射流量为5~8ml/min；

优选的，通入所述射流雾化喷嘴内的压缩空气压力为5~10bar。

优选的，所述射流雾化喷嘴喷射端面在切削区域的投影占所述射流雾化喷嘴喷射端面的一半；所述射流雾化喷嘴喷射端面的另一半投影在刀具的切削刀尖上。

优选的，所述进液腔的第二端上设置第一锥形区；

优选的，所述进气孔板上环绕装配孔在进气孔板上均布设置5~7个进气孔；

优选的，所述微孔板表面均布多个贯通微孔板的微孔；

优选的，所述加速段的第二端上设置第二锥形结构；

优选的，喷嘴出口的进料端口径小于出料端口径。

优选的，包括：定位套筒、端盖和多个密封垫圈；端盖上贯通端盖开设通孔，压缩空气气路与进气腔通过端盖通孔相连通；端盖罩设于进气腔的的第一端面上，端盖与进气腔第一端面上夹设密封垫圈；

所述进液管与进气孔板的安装端面间夹设密封垫圈；

所述主壳体的内侧壁上设置安装凸台，进气孔板的底面与安装凸台顶面间夹设密封垫圈；

所述定位套筒夹设于微孔板与喷头之间；定位套筒的第二端与喷头第一端之间夹设密封垫圈；

优选的，主壳体第一端外侧壁上设置外螺纹，并与端盖螺纹连接；主壳体的第二端内壁上设置内螺纹，并与喷头螺纹连接。

优选的，所述压缩空气气路包括：空气压缩机、过滤器、液压泵、第二调压阀、第二节流阀、第二涡轮流量计；空气压缩机的出气口与进气腔通过主管管路连通；过滤器、液压泵、第二调压阀、第二节流阀、第二涡轮流量计按从空气压缩机至进气腔的顺序，依序设置于主管上；

优选的，包括：第三压力表；第三压力表设置于液压泵侧壁上；

优选的，包括：第二压力表；第二压力表设置于第二涡轮流量计与进气腔相连通的管路上；

优选的，包括：保护回路；保护回路与主管相连通；保护回路包括：压缩空气回收箱、第二溢流阀；压缩空气回收箱与主管通过支管相连通；第二溢流阀设置于支管上。

优选的，所述纳米流体液路包括：纳米流体罐、液压泵(41、第一调压阀、第一节流阀、第一涡轮流量计、第一压力表；纳米流体罐与进液腔通过主管管路连通，液压泵(41、第一调压阀、第一节流阀、第一涡轮流量计、第一压力表按从纳米流体罐至进液腔的顺序，依序设置于主管上；

优选的，所述纳米流体液路包括：保护回路；所述保护回路包括：第一溢流阀和纳米流体回收箱；纳米流体回收箱通过支管与纳米流体罐、进液腔的连通管相连通；第一溢流阀设置于所述支管上。

优选的，包括：磁力固定吸盘和刀架；刀具固定设置于刀架上；磁力固定吸盘设置于工作台顶面上，并与工作台滑动连接；刀架设置于磁力固定吸盘的顶面上；优选的，包括：工件夹具，待加工工件被夹持于工件夹具上。

优选的，所述夹角c为喷嘴出口22内侧壁与喷嘴出口22进料口径延长线的夹角，夹角c的取值范围为10~30°。

优选的，所述进液腔横截面包括：锥形段和矩形段；矩形段的长度a与锥体段长度b的比值为1~3:1;

优选的，端盖上环绕进液口开设3~5个进气口。

本申请能产生的有益效果包括：

1）本申请所提供的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，通过设置射流雾化喷嘴能利用压缩空气实现对纳米流体的高速雾化，以使其在喷出后形成大量接近音速移动的微小液滴，从而快速带走切削区域的热量，避免产热过高，无法全部导出的问题，微小液滴均匀附着于切削区域的切削面上后，能有效避免出现润滑油膜破裂和润滑失效的问题，采用该系统，在降低纳米流体使用量的同时，无需测量最佳使用量，即可达到较好的润滑导热效果，且用量较小。

2）本申请所提供的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，采用该系统对工件进行超精密切削时，使用含纳米粒子流体以射流喷雾的方式，在切削区形成润滑膜，改善润滑状态。在切削过程中，由于纳米粒子对切削液导热性能的增强，提高了换热能力，最大限度的减少了切削过程热损伤，提高被加工工件的加工精度和表面完整性。它具有微量润滑技术的所有优点、并具有更强的换热性、渗透性和减磨抗磨性能。能够在少用或不同切削液的情况下，有效减小切削力和切削热损伤，提高刀具寿命和工件表面质量。实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。

3）本申请所提供的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，通过在纳米流体和压缩空气供给能力不变的工况下，尽可能加强射流喷嘴的雾化效果，有效减少雾滴尺寸，提高了纳米流体的润滑冷却效果；通过提供一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，在保持高性能的润滑冷却效果的前提下，降低了切削液的使用成本和清理成本，达到了节能的效果，同时，由于切削过程中切削液使用量的大幅度减小，对加工环境和人体健康的危害都大大减小，达到了绿色加工的效果。能实现低毒、低污染,且具有良好的冷却性能和润滑性能，含纳米粒子流体以射流喷雾的形式连续浇注在切削区,形成局部低温区,达到少用或不用切削液的同时实现超精密加工。

4）本申请所提供的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，结构简单，性能高效，射流雾化喷嘴为可拆卸式喷嘴，可根据具体需求进行拆卸和更换不同型号零件。具有工作性能优异、结构简单，安装维修方便，运营成本低，节能环保等优点。

附图说明

图1为本申请提供系统的总体装配立体结构示意图；

图2为本申请提供的纳米流体微量润滑和雾化冷却气路和液路系统连接结果示意图；

图3为本申请提供的射流雾化喷嘴主视剖视总装结构示意图；

图4为本申请提供各实施例中所用喷头局部剖视放大结构示意图；a）为实施例2中所用喷头结构示意图；b）为实施例3中所用喷头结构示意图；c）为实施例4中所用喷头结构示意图；d）为实施例5中所用喷头结构示意图；

图5为本申请提供的各实施例中端盖右视结构示意图；a）为实施例2中所用端盖侧视结构示意图；b）为实施例3中所用端盖侧视结构示意图；c）为实施例4中所用端盖侧视结构示意图；

图6为本申请提供的各实施例中所用进液管主视剖视局部放大结构示意图；a）为实施例2中所用进液管主视结构示意图；b）为实施例3中所用进液管主视结构示意图；c）为实施例4中所用进液管主视结构示意图；

图7为本申请提供的实施例中所用进气孔板右侧视结构示意图；a）为实施例2中所用进气孔板侧视结构示意图；b）为实施例3中所用进气孔板侧视结构示意图；c）为实施例4中所用进气孔板侧视结构示意图；

图8为本申请提供系统的切割状态下，喷嘴、刀具、工件相对位置结构示意图；

附图标记：

1、工作台；2、磁力固定吸盘；3、刀架；4、刀具；5、工件；6、工件夹具；7、射流雾化喷嘴；8、纳米流体液路；9、压缩空气气路；10、第二调压阀；11、端盖；12、第一密封垫圈；13、主壳体；14、进液管；15、第二密封垫圈；16、进气孔板；17、第三密封垫圈；18、微孔板；19、定位套筒；20、第四密封垫圈；21、喷头；22、喷嘴出口； 23、加速段；24、微孔；25、混合腔；26、进液腔；27、进气腔；28、第一调压阀；29、第一节流阀；30、第一涡轮流量计；31、第一压力表；32、第二压力表；33、第二涡轮流量计；34、第二节流阀；35、第三压力表；36、第二溢流阀；37、压缩空气回收箱；38、空气压缩机；39、过滤器；40、储气罐；41、液压泵；42、纳米流体罐；43、纳米流体回收箱；44、第一溢流阀；141、出液口；161、进气孔；162、装配孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本申请作进一步说明。

参见图1，该实施例中有一套射流雾化喷嘴组合单元。该单元设置在车床刀架3侧面，并与工作台1上的工件5相配合以便更好的对切削区进行润滑冷却，进行超精密切削时，射流雾化喷嘴7通常一半对准切削区，一半对准刀具4刀尖。具体可参见图8所示。射流雾化喷嘴7与纳米流体液路8和压缩空气气路9连接，当对切削区域润滑冷却时，纳米流体罐42中的纳米流体在液压泵41的作用下，依次流经第一调压阀 28、第一节流阀 29、第一涡轮流量计 31、进入射流雾化喷嘴7的进液腔26；压缩空气从储气罐40中流出后依次流经第二调压阀 10、第二节流阀 34、第二涡轮流量计 33、进入射流雾化喷嘴7的进气腔27；纳米流体和压缩空气在射流雾化喷嘴7中混合并且雾化成液滴，从喷头21喷射至切削区的工件5和刀具4。

图2是纳米流体微量润滑和雾化冷却的气路和液路的系统简图，如图所示：纳米流体罐42中的纳米流体在液压泵41的作用下，依次流经第一调压阀 28、第一节流阀29、第一涡轮流量计31、进入射流雾化喷嘴7的进液腔26；同时第一溢流阀 44和纳米流体回收箱43形成保护回路。空气压缩机38产生压缩空气，通过过滤器39后储存在储气罐40中,并由第三压力表 35检测储气罐40中的压力，压缩空气从储气罐40中流出后依次流经第二调压阀10、第二节流阀 34、第二涡轮流量计 33、进入射流雾化喷嘴7的进气腔27；第二溢流阀 36和压缩空气回收箱37构成保护回路。第一压力表 31、第二压力表 32 和第三压力表 35分别用来监测纳米流体通路、压缩气体通路和储气罐40中的压力，第一涡轮流量计 30和第二涡轮流量计 33分别用来监测纳米流体通路和压缩气体通路的流量。

图3是射流雾化喷嘴的总装剖视图，从图中可见，射流雾化喷嘴7由端盖11、第一密封垫圈 12、主壳体13、进液管14、第二密封垫圈 15、进气孔板16、第三密封垫圈 17、微孔板18、定位套筒19、第四密封垫圈 20、喷头21组成，其装配如图3所示。从图中可见，射流雾化喷嘴7还包括进液腔26、进气腔27、混合腔25、微孔24、加速段23、喷嘴出口22。纳米流体和压缩空气从端盖11分别进入进液腔26和进气腔27，然后进入混合腔25进行混合。进液管14右端开有一V形槽，导致所述进液腔26设置第一锥形区域，可以使得所述纳米流体在此处流动速度加快。进气孔板16上阵列排布5-7个通气孔，出口轴线与主壳体13中轴线相交，具体交点区域根据实际情况确定，压缩气体经通气孔后射入混合腔25，被进液腔26高速射入的纳米流体切割成气泡，并与纳米流体混合形成雾化液滴。压缩空气与纳米流体在混合腔25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。混合腔25设置有若干个微孔24的微孔板18，泡沫流通过微孔板18时，气泡进一步被切割成尺寸更小且分布更均匀的微泡。泡状流进入到加速段23后，由于加速段23的第二端上设置第二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喷嘴出口22以近音速喷出,加大了射流速度，在压力突然降到环境压力气泡急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，周围气泡会受到冲击波而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小。

如图3所示射流雾化喷嘴的总装剖视图，该射流雾化喷嘴7为可拆卸式结构，具有良好的互换性。射流雾化喷嘴7的主壳体13一端安装端盖11，另一端安装喷头21；主壳体13左端有外螺纹，端盖11通过内螺纹和第一密封垫圈 12与主壳体13装配在一起，主壳体13右端有内螺纹，喷头21通过外螺纹、第四密封垫圈20和定位套筒19与主壳体13装配在一起。射流雾化喷嘴7内部的进液管14、进气孔板16、微孔板18均可以拆卸、清洗或更换，并且进液管14、进气孔板16、微孔板18可以具有不同的结构型式，如进液管14可以改变内部锥形结构的长度和角度；进气孔板16可以改变进气孔的直径、数目、排布方式；微孔板18可以根据实际需要确定具体数目，定位套筒19的长度和数目根据微孔板的布置情况来决定，同时微孔板18还可以改变内部微孔的直径、数目、排布方式。射流雾化喷嘴内设置有第一密封垫圈 12、第二密封垫圈 15、第三密封垫圈 17、第四密封垫圈 20分别来保障进液腔26、进气腔27跟外部的密封、进液腔26、进气腔27跟混合腔25的密封、混合腔25跟外部的密封。

本申请所用喷头21前半段锥形结构为加速段23，加速段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。喷头21后半段为喷嘴出口22，喷嘴出口同样为一锥形结构，锥形轴线与射流雾化喷嘴7轴线重合且和加速段23连接形成狭长喷口。这种喷头21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。同时喷头21也具有良好的互换性，可以更改加速段23和喷嘴出口22对应锥形结构特征和尺寸。如可以将加速段23壁面锥形结构改为为半椭球或半球面结构，可以在保持加速段和喷嘴相贯的前提下，改变加速段23和喷嘴出口22锥形结构锥角和长度。

端盖11与主壳体13通过螺纹连接，端盖11具有良好的可更换性，端盖11上布置有进液口和进气口。进液口布置在端盖中心，在进液口周围按照环形阵列方式均匀布置若干个进气口；进液口和所述进气口轴线分别与主壳体13的轴线平行。进气口的数目和直径均可根据实际情况调整。如图5（a）、（b）、（c）分别为不同进气口数目的端盖右视图。

进液管14可以改变内部锥形结构的长度和角度等；以便产生不同压力和流速的纳米流体射流。图6（a）、（b）、（c）分别为不同锥角的进液管剖视图。

图7为进气孔板16右视图，进气孔板16可以根据实际情况改变进气孔的直径、数目、排布方式。图7（a）、（b）、（c）分别为不同进气孔数目的进气孔板的右视图。

图8为喷嘴和切削区域的相对位置图。射流雾化喷嘴7到工件5的喷射距离为d，一般取值约为3~5cm。射流雾化喷嘴7和工件5的喷射角度为β，一般取值为20°-35°，喷射流量为5-8ml/min，压缩空气的压力为5-10bar。

本方案具体的工作过程如下：

纳米流体在液压泵41的作用下，依次流经第一调压阀 28、第一节流阀 29、第一涡轮流量计 31、进入射流雾化喷嘴7的进液腔26；压缩空气从储气罐40中流出后依次流经第二调压阀 10、第二节流阀 34、第二涡轮流量计 33、进入射流雾化喷嘴7的进气腔27。纳米流体和压缩空气在射流雾化喷嘴内进行混合并且实现两次雾化成为三相泡沫流。当三相泡状流经过加速后在喷嘴出口22以近音速喷出,加大了射流速度，在压力突然降到环境压力气泡急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，周围气泡会受到冲击波而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小。实现了对纳米流体的第三次雾化。三次雾化后的液滴尺寸及其微小，容易渗透到切削区域，更好的起到对切削区域润滑、冷却的效果。

图4为各实施例的喷头21剖视图所示，不同结构的喷头21均可用于不同的实施例中；以下实施例2~5可根据以下描述，在实施例1的基础上替换对应部件，得到具体实施例中对应的系统结构。现结合图4仅对喷嘴21的多种结构进行描述。

实施例

以下实施例为本申请技术方案的具体说明。

实施例1

本申请提供了一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，包括：工作台1、压缩空气气路9、纳米流体液路8、刀具4、待加工工件5、射流雾化喷嘴7；刀具4、待加工工件5设置于工作台1上，并进行相向或相背离运动；射流雾化喷嘴7设置于刀具4一侧，射流雾化喷嘴7的第二端朝向刀具4与待加工工件5接触的切削区域设置；本申请及本实施例中所用工作台1均可以为现有常用的工作台。具体结构不累述。

压缩空气气路9、纳米流体液路8分别与射流雾化喷嘴7的第一端相连通进料；

射流雾化喷嘴7的第二端以近音速喷射三相泡状流至切削区域；

射流雾化喷嘴7包括：主壳体13、进液管14、进气孔板16、微孔板18、喷头21；进液管14、进气孔板16、微孔板18、喷头21从主壳体13的第一端向第二端依序设置于主壳体13内；

主壳体13第一端内设置进气腔27，进气腔27的第一端与压缩空气气路9相连通，进气腔27的第二端与混合腔25相连通；进气孔板16、微孔板18围成混合腔25；

进液管14容纳设置于进气腔27内；进液管14的第一端与纳米流体液路8相连通；进液管14的第二端与混合腔25相连通；微孔板18、喷头21围成加速段23；

在混合腔25内，纳米流体与压缩空气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。

射流雾化喷嘴7中心轴延长线与待加工工件5的加工端面的夹角为β，β的为20°；

射流雾化喷嘴7的喷射端面与刀具4切削尖端与待加工工件5接触点的距离为喷射距离d，喷射距离d为3cm；

射流雾化喷嘴7的喷射流量为5ml/min；

通入射流雾化喷嘴7内的压缩空气压力为5~10bar。

射流雾化喷嘴7喷射端面在切削区域的投影占射流雾化喷嘴7喷射端面的一半；射流雾化喷嘴7喷射端面的另一半投影在刀具4的切削刀尖上。

进液腔26的第二端上设置第一锥形区；

进气孔板16上环绕装配孔162在进气孔板16上均布设置5个进气孔161；

微孔板18表面均布多个贯通微孔板18的微孔24；

加速段23的第二端上设置第二锥形结构；

喷嘴出口22的进料端口径小于出料端口径。

包括：定位套筒19、端盖11和多个密封垫圈；端盖11上贯通端盖11开设通孔，压缩空气气路9与进气腔27通过端盖11通孔相连通；端盖11罩设于进气腔27的的第一端面上，端盖11与进气腔27第一端面上夹设密封垫圈；

进液管14与进气孔板16的安装端面间夹设密封垫圈；

主壳体13的内侧壁上设置安装凸台，进气孔板16的底面与安装凸台顶面间夹设密封垫圈；

定位套筒19夹设于微孔板18与喷头21之间；定位套筒19的第二端与喷头21第一端之间夹设密封垫圈；

主壳体13第一端外侧壁上设置外螺纹，并与端盖11螺纹连接；主壳体13的第二端内壁上设置内螺纹，并与喷头21螺纹连接。

压缩空气气路9包括：空气压缩机38、过滤器39、液压泵41、第二调压阀10、第二节流阀34、第二涡轮流量计33；空气压缩机38的出气口与进气腔27通过主管管路连通；过滤器39、液压泵41、第二调压阀10、第二节流阀34、第二涡轮流量计33按从空气压缩机38至进气腔27的顺序，依序设置于主管上；

包括：第三压力表35；第三压力表35设置于液压泵41侧壁上；

包括：第二压力表32；第二压力表32设置于第二涡轮流量计33与进气腔27相连通的管路上；

包括：保护回路；保护回路与主管相连通；保护回路包括：压缩空气回收箱37、第二溢流阀36；压缩空气回收箱37与主管通过支管相连通；第二溢流阀36设置于支管上。

纳米流体液路8包括：纳米流体罐42、液压泵41、第一调压阀28、第一节流阀29、第一涡轮流量计30、第一压力表31；纳米流体罐42与进液腔26通过主管管路连通，液压泵41、第一调压阀28、第一节流阀29、第一涡轮流量计30、第一压力表31按从纳米流体罐42至进液腔26的顺序，依序设置于主管上；

纳米流体液路8包括：保护回路；保护回路包括：第一溢流阀44和纳米流体回收箱43；纳米流体回收箱43通过支管与纳米流体罐42、进液腔26的连通管相连通；第一溢流阀44设置于支管上。

包括：磁力固定吸盘2和刀架3；刀具4固定设置于刀架3上；磁力固定吸盘2设置于工作台1顶面上，并与工作台1滑动连接；刀架3设置于磁力固定吸盘2的顶面上；包括：工件夹具6，待加工工件5被夹持于工件夹具6上。

实施例2

本实施例中所用喷头21与实施例1的区别：如图4中a所示，其中图a中所示夹角c为喷嘴出口22内侧壁与进料口径延长线的夹角，其余实施例中夹角c定义相同；本实施例中所用加速段23横截面为梯形；喷嘴出口22横截面中的夹角c为10~15°该范围值由加工精度决定，在该范围内的夹角c均可。

本实施例与实施例1的其他区别：射流雾化喷嘴7中心轴延长线与待加工工件5的加工端面的夹角为β，β的为35°；射流雾化喷嘴7的喷射端面与刀具4切削尖端与待加工工件5接触点的距离d为5cm；射流雾化喷嘴7的喷射流量为8 ml/min。

实施例3

本实施例中所用喷头21与实施例1的区别：如图4中b所示，加速段23横截面为梯形且梯形的底面上设置横截面为矩形的连接结构；夹角c为15~30°。

实施例4

本实施例中所用喷头21与实施例1的区别：如图4中c所示，加速段23横截面为半圆型；夹角c为10~15°。

实施例5

本实施例中所用喷头21与实施例1的区别：如图4中d所示，加速段23横截面为椭圆形的一半；夹角c为10~15°。

如图5a~c）为各实施例中所提供的端盖11的右视示意图。

实施例2

本实施例中所用端盖11与实施例1的区别在于：端盖11上设置3个进气口，进气口环绕进液口等间距设置于端盖11上。结构如图5中a）图所示。

实施例3

本实施例中所用端盖11与实施例1的区别在于：端盖11上设置4个进气口，进气口环绕进液口等间距设置于端盖11上。结构如图5中b）图所示。

实施例4

本实施例中所用端盖11与实施例1的区别在于：端盖11上设置5个进气口，进气口环绕进液口等间距设置于端盖11上。结构如图5中c）图所示。

图6a~c）为各实施例中所用进液管14的剖视图。

实施例2

本实施例中所用进液管14与实施例1的区别在于：进液腔26横截面包括：锥形段和矩形段；矩形段的长度a与锥体段的长度b的比值为3:1。进液管14的锥形段一端设置出液口141。结构如图6中a）图所示。

实施例3

本实施例中所用进液管14与实施例1的区别在于：进液腔26横截面包括：锥形段和矩形段；矩形段的长度a与锥体段的长度b的比值为2.5:1。进液管14的锥形段一端设置出液口141。结构如图6中b）图所示。

实施例4

本实施例中所用进液管14与实施例1的区别在于：进液腔26横截面包括：锥形段和矩形段；矩形段的长度a与锥体段的长度b的比值为1:1。进液管14的锥形段一端设置出液口141。结构如图6中c）图所示。

图7a~c）为各实施例中所用进气孔板16的剖视图。

实施例2

本实施例中所用进气孔板16与实施例1的区别在于：进气孔板16上设置5个进气孔161，进气孔板16中心处开设装配孔162，进气孔161环绕装配孔162等间距设置于端盖11上。结构如图7中a）图所示。

实施例3

本实施例中所用进气孔板16与实施例1的区别在于：进气孔板16上设置6个进气孔161，进气孔板16中心处开设装配孔162，进气孔161环绕装配孔162等间距设置于端盖11上。结构如图7中b）图所示。

实施例4

本实施例中所用进气孔板16与实施例1的区别在于：进气孔板16上设置7个进气孔161，进气孔板16中心处开设装配孔162，进气孔161环绕装配孔162等间距设置于端盖11上。结构如图7中c）图所示。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：工作台（1）、压缩空气气路（9）、纳米流体液路（8）、刀具（4）、待加工工件（5）、射流雾化喷嘴（7）；刀具（4）、待加工工件（5）设置于工作台（1）上，并进行相向或相背离运动；

所述射流雾化喷嘴（7）设置于刀具（4）一侧，射流雾化喷嘴（7）的第二端朝向刀具（4）与待加工工件（5）接触的切削区域设置；

所述压缩空气气路（9）、纳米流体液路（8）分别与射流雾化喷嘴（7）的第一端相连通进料；

所述射流雾化喷嘴（7）的第二端以近音速喷射三相泡状流至切削区域；

所述射流雾化喷嘴（7）包括：主壳体（13）、进液管（14）、进气孔板（16）、微孔板（18）、喷头（21）；进液管（14）、进气孔板（16）、微孔板（18）、喷头（21）从主壳体（13）的第一端向第二端依序设置于主壳体（13）内；

所述主壳体（13）第一端内设置进气腔（27），进气腔（27）的第一端与压缩空气气路（9）相连通，进气腔（27）的第二端与混合腔（25）相连通；进气孔板（16）、微孔板（18）围成混合腔（25）；

所述进液管（14）容纳设置于进气腔（27）内；进液管（14）的第一端与纳米流体液路（8）相连通；进液管（14）的第二端与混合腔（25）相连通；微孔板（18）、喷头（21）围成加速段（23）；

在混合腔（25）内，纳米流体与压缩空气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。

2.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述射流雾化喷嘴（7）中心轴延长线与待加工工件（5）的加工端面的夹角为β，β的取值范围为20°~35°。

3.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述射流雾化喷嘴（7）的喷射端面与刀具（4）切削尖端与待加工工件（5）接触点的距离为喷射距离d，喷射距离d的取值范围3~5cm。

4.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述射流雾化喷嘴（7）的喷射流量为5~8ml/min。

5.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，通入所述射流雾化喷嘴（7）内的压缩空气压力为5~10bar。

6.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述射流雾化喷嘴（7）喷射端面在切削区域的投影占所述射流雾化喷嘴（7）喷射端面的一半；所述射流雾化喷嘴（7）喷射端面的另一半投影在刀具（4）的切削刀尖上。

7.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：进液腔（26）；所述进液腔（26）的第二端上设置第一锥形区。

8.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述进气孔板（16）上环绕装配孔（162）在进气孔板（16）上均布设置5~7个进气孔（161）。

9.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述微孔板（18）表面均布多个贯通微孔板（18）的微孔（24）。

10.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述加速段（23）的第二端上设置第二锥形结构。

11.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：喷嘴出口（22），所述喷嘴出口（22）的进料端口径小于出料端口径。

12.根据权利要求7所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：定位套筒（19）、端盖（11）和多个密封垫圈；端盖（11）上贯通端盖（11）开设通孔，压缩空气气路（9）与进气腔（27）通过端盖（11）通孔相连通；端盖（11）罩设于进气腔（27）的的第一端面上，端盖（11）与进气腔（27）第一端面上夹设密封垫圈；

所述进液管（14）与进气孔板（16）的安装端面间夹设密封垫圈；

所述主壳体（13）的内侧壁上设置安装凸台，进气孔板（16）的底面与安装凸台顶面间夹设密封垫圈；

所述定位套筒（19）夹设于微孔板（18）与喷头（21）之间；定位套筒（19）的第二端与喷头（21）第一端之间夹设密封垫圈。

13.根据权利要求12所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，主壳体（13）第一端外侧壁上设置外螺纹，并与端盖（11）螺纹连接；主壳体（13）的第二端内壁上设置内螺纹，并与喷头（21）螺纹连接。

14.根据权利要求12所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述压缩空气气路（9）包括：空气压缩机（38）、过滤器（39）、液压泵（41）、第二调压阀（10）、第二节流阀（34）、第二涡轮流量计（33）；空气压缩机（38）的出气口与进气腔（27）通过主管管路连通；过滤器（39）、液压泵（41）、第二调压阀（10）、第二节流阀（34）、第二涡轮流量计（33）按从空气压缩机（38）至进气腔（27）的顺序，依序设置于主管上。

15.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：第三压力表（35）；第三压力表（35）设置于液压泵（41）侧壁上。

16.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：第二压力表（32）；第二压力表（32）设置于第二涡轮流量计（33）与进气腔（27）相连通的管路上。

17.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：保护回路；保护回路与主管相连通；保护回路包括：压缩空气回收箱（37）、第二溢流阀（36）；压缩空气回收箱（37）与主管通过支管相连通；第二溢流阀（36）设置于支管上。

18.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述纳米流体液路（8）包括：纳米流体罐（42）、液压泵（41）、第一调压阀（28）、第一节流阀（29）、第一涡轮流量计（30）、第一压力表（31）；纳米流体罐（42）与进液腔（26）通过主管管路连通，液压泵（41）、第一调压阀（28）、第一节流阀（29）、第一涡轮流量计（30）、第一压力表（31）按从纳米流体罐（42）至进液腔（26）的顺序，依序设置于主管上。

19.根据权利要求18所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述纳米流体液路（8）包括：保护回路；所述保护回路包括：第一溢流阀（44）和纳米流体回收箱（43）；纳米流体回收箱（43）通过支管与纳米流体罐（42）、进液腔（26）的连通管相连通；第一溢流阀（44）设置于所述支管上。

20.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：磁力固定吸盘（2）和刀架（3）；刀具（4）固定设置于刀架（3）上；磁力固定吸盘（2）设置于工作台（1）顶面上，并与工作台（1）滑动连接；刀架（3）设置于磁力固定吸盘（2）的顶面上。

21.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，包括：工件夹具（6），待加工工件（5）被夹持于工件夹具（6）上。

22.根据权利要求1所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，夹角c为喷嘴出口（22）内侧壁与喷嘴出口（22）进料口径延长线的夹角，夹角c的取值范围为10~30°。

23.根据权利要求7所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述进液腔（26）横截面包括：锥形段和矩形段；矩形段的长度a与锥体段长度b的比值为1~3:1。

24.根据权利要求12所述的纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统，其特征在于，所述端盖（11）上环绕进液口开设3~5个进气口。

Images