CN113664609B - 一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油水气混合式内冷加工装置及内冷加工方法，包括水液供应装置、油液供应装置、气压供应装置、旋转接头及中空管，旋转接头包括固定接入部及与相对固定接入部转动设置的旋转接入部，中空管可拆卸地安装设置在旋转接入部上；水液供应装置以及油液供应装置的输出端共同连接有一油水混合器，油水混合器的输出端连通固定接入部；旋转接入部或中空管装设在外界的加工机床的内冷主轴上，中空管位于内冷主轴内，中空管与内冷主轴之间形成有过气间隙；气压供应装置与过气间隙连通。通过新增气压供应装置接入混合，增强冷却性能和润滑性能，还能够更快地排出切削目标以及切削刀具的碎屑，提高清洁效率。

Description

一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法

技术领域

本发明涉及主轴加工设备技术领域，尤其是涉及一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法。

背景技术

为了在加工期间在工具机中对工具进行冷却和润滑，已知所谓的最小量润滑(MQL)。冷却润滑介质通过工作主轴并且通过工具夹具的夹头输入给工具，它们为此具有一些相应的孔和环形通道。在最小量润滑(MQL)中划分了两种不同的系统，这些系统在工具夹具和机器主轴之间迄今还需要两种不同构造的接口。

润滑油和压缩空气的混合物通过机床主轴内孔和刀具内置的输送管道导入加工区，进行冷却和润滑。润滑油雾可以直接到达加工区域，润滑充分，一般效果会好于外部润滑。但内部润滑系统也有缺点：使机床主轴和工具系统的结构变得复杂，甚至会影响整台机床的工作性能；当主轴转速过高时受离心力作用影响，油雾易粘附在主轴和工具的内孔壁，不易达到切削区，因此内置式供应系统需重点考虑雾粒生成装置，生成雾粒的直径必须足够小，才能避免惯性及重力的影响，使雾粒保持悬浮状态，从而顺利通过内部通道。这需成雾性很好的低粘度油，而水和粘度高的油都无法很好地形成微细油雾。如专利号为：ZL201410463418.6、专利名称为：“用于机械加工的复合喷雾冷却油液自动供应系统”，该专利提供了一种复合喷雾冷却油液自动供应系统，揭示了一种采用油雾和水雾混合的复合喷雾通过气体喷射到加工区的冷却方法，但是，这种复合喷雾冷却油液只能用于外部润滑冷却，而无法用于内冷机床。

因此，有必要研究一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法，提高油液混合程度以及提高油水气混合物的冷却性能和润滑性能，延长主轴工具的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种油水气混合式内冷加工装置，包括水液供应装置、油液供应装置、气压供应装置、旋转接头及中空管，旋转接头包括固定接入部及与相对固定接入部转动设置的旋转接入部，中空管可拆卸地安装设置在旋转接入部上；水液供应装置以及油液供应装置的输出端共同连接有一油水混合器，油水混合器的输出端连通固定接入部；旋转接入部或中空管装设在外界的加工机床的内冷主轴上，中空管位于内冷主轴内，中空管与内冷主轴之间形成有过气间隙；气压供应装置与过气间隙连通；油水混合器将水液供应装置供应的冷却水以及油液供应装置供应的润滑油料混合成油水混合物，油水混合物经由固定接入部、旋转接入部进入中空管，中空管排出的油水混合物与过气间隙排出的气体混合形成油水气混合物并经由安装在内冷主轴上的内冷刀具排出。

在进一步的技术方案中，油水混合器包括内设有混合腔室的机壳、固定于机壳顶部的油水混合驱动电机、分别设于混合腔室内部的旋流组件以及油水增压组件，机壳的左右两侧分别设有一管接油液供应装置的油液外接口以及管接水液供应装置的水液外接口，机壳的底部设有一油水混合接出口，油水混合接出口连接于固定接入部，混合腔室的内部固定有一过滤筒，过滤筒的内部包围形成一旋流空间，旋流组件设于旋流空间内，过滤筒的筒体设有筛孔结构，过滤筒的两侧分别设有油液内接口和水液内接口，油液内接口与油液外接口相接，水液内接口与水液外接口相接；油水增压组件设于油水混合接出口处；旋流组件以及油水增压组件分别传动连接油水混合驱动电机。

在进一步的技术方案中，旋流组件以及油水增压组件呈上下设置，油水增压组件位于过滤筒的外部；油水混合驱动电机具有一输出轴，输出轴上下穿设于过滤筒的中心位置；旋流组件包括一固接输出轴上部的旋流支架以及多个固接于旋流支架的旋流叶片；油水增压组件包括一增压叶轮，增压叶轮固接于输出轴的底端。

在进一步的技术方案中，旋流叶片设有由多个紊流穿孔分布组成的紊流孔结构，紊流穿孔的孔径为0.1㎜-0.5㎜；筛孔结构包括有多个开设于过滤筒的筒体的过滤穿孔，过滤穿孔的孔径小于紊流穿孔的孔径。

在进一步的技术方案中，油液外接口以及水液外接口的径宽分别呈向外逐渐增大设置。

在进一步的技术方案中，中空管的外径小于内冷主轴的内径，中空管的外壁套设有多个固定套，中空管通过固定套与内冷主轴固定在一起；中空管的长度小于内冷主轴的长度，并且内冷主轴以中空管的外端管口为界限形成气液混合空间。

在进一步的技术方案中，气液混合空间的内壁设有紊流结构，紊流结构包括凸起设置的螺纹结构或凹凸壁面结构。

在进一步的技术方案中，凹凸壁面结构包括多个间隔分布于气液混合空间的内壁的紊流阻挡部，紊流阻挡部的最大径宽d符合：0.5mm＜d＜2mm。

在进一步的技术方案中，紊流阻挡部包括紊流槽和/或紊流筋。

一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用油液供应装置自动供应润滑油料；

利用水液供应装置自动供应冷却水；

通过油水混合器将油液供应装置供应的润滑油料和水液供应装置供应的冷却水混合得到油水混合物；

利用气压供应装置供应高压气体至油水混合物，高压气体与油水混合物混合得到油水气混合物；

油水气混合物通过外界的加工机床的内冷主轴输送至内冷刀具，并经由内冷刀具喷射至待加工的加工物件。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：利用油水混合器预先将水液供应装置供应的冷却水与油液供应装置供应的润滑油料混合形成油水混合物，使得润滑油料在冷却水均匀分散，避免润滑油料分别不均喷射在待加工的加工物件上而加工不良；借助高压气体与油水混合物混合呈油水气混合物，当油水气混合物经由加工机床的内冷主轴上的内冷刀具喷出到加工物件上时，借助油水气混合物的高压气体膨胀“爆破”的特性，一方面使得润滑油料喷射在加工物件上，提升润滑效果，另一方面借助高压气体带动润滑油料“爆破”，使得润滑油料趋于“雾化”充分润滑加工物件，同时借助高压气体膨胀将内冷刀具加工的废料从加工物件快速排出；通过在内冷加工装置中设置改进混合结构的油水混合器，使油水混合物在与高压空气混合时混合状态更为均匀，从而使用作冷却和/或润滑介质的油水气混合物的冷却性能和润滑性能更加稳定，提高主轴加工设备的工作稳定性，并减少切削刀具的耗损；通过设于气液混合空间的紊流结构，使空气与油水混合物在相交加速过程中产生紊流，使油水气混合物的混合程度更高，冷却性能和润滑性能更加稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的油水混合器的结构示意图；

图3是本发明中的主轴工具的结构示意图。

具体实施方式

以下仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

图1至图3所示，本发明提供了一种油水气混合式内冷加工装置，包括水液供应装置1、油液供应装置2、气压供应装置3、旋转接头51及中空管52，旋转接头51包括固定接入部及与相对固定接入部转动设置的旋转接入部，中空管52可拆卸地安装设置在旋转接入部上，本实施例中，旋转接入部可以设置螺纹孔，中空管52设置螺接在螺纹孔内的螺纹部，即此时中空管52螺接安装在旋转接入部上。当然，根据实际需要，中空管52还可以通过螺钉等安装固定在旋转接入部上。

水液供应装置1以及油液供应装置2的输出端共同连接有一油水混合器4，油水混合器4的输出端连通固定接入部；旋转接入部或中空管52装设在外界的加工机床的内冷主轴53上，中空管52位于内冷主轴53内，中空管52与内冷主轴53之间形成有过气间隙；气压供应装置3与过气间隙连通；油水混合器4将水液供应装置1供应的冷却水以及油液供应装置2供应的润滑油料混合成油水混合物，油水混合物经由固定接入部、旋转接入部进入中空管52，中空管52排出的油水混合物与过气间隙排出的气体混合形成油水气混合物并经由安装在内冷主轴53上的内冷刀具排出。通过在快装接入内冷主轴53的中空管52及其油液供应装置，实现作冷却和/或润滑介质的油水气混合物在内冷主轴53内部混合，在内冷主轴53的旋转作用下均匀混合，并且能够快速接入不同成分的冷却和/或润滑介质，使用方便；通过在内冷加工装置中新增气压供应装置，能够更快地排出切削目标以及切削刀具的碎屑，提高清洁效率，且改进内冷加工装置的冷却性能和润滑性能。

利用油水混合器4预先将水液供应装置1供应的冷却水与油液供应装置2供应的润滑油料混合形成油水混合物，使得润滑油料在冷却水均匀分散，避免润滑油料分别不均喷射在待加工的加工物件上而加工不良。借助高压气体与油水混合物混合呈油水气混合物，当油水气混合物经由加工机床的内冷主轴53上的内冷刀具喷出到加工物件上时，借助油水气混合物的高压气体膨胀“爆破”的特性，一方面使得润滑油料喷射在加工物件上，提升润滑效果，另一方面借助高压气体带动润滑油料“爆破”，使得润滑油料趋于“雾化”充分润滑加工物件，同时借助高压气体膨胀将内冷刀具加工的废料从加工物件快速排出。

此外，本发明的油水气混合式内冷加工装置结构简单，使用方便，无需改变现有加工机床的内冷主轴，仅需把中空管52装入内冷主轴内，然后将中空管52或旋转接头51的固定接入部固定安装在内冷主轴上，使得中空管52与内冷主轴一起转动。

具体地，水液供应装置1以及油液供应装置2分别设有精密计量泵。通过预设输出压力，使油水混合物的输出压力小于输入气压，使整体系统顺利运行。

具体地，油水混合器4包括内设有混合腔室420的机壳42、固定于机壳42顶部的油水混合驱动电机41、分别设于混合腔室420内部的旋流组件以及油水增压组件，机壳42的左右两侧分别设有一管接油液供应装置2的油液外接口421以及管接水液供应装置1的水液外接口422，机壳42的底部设有一油水混合接出口423，油水混合接出口423连接于主轴工具，混合腔室420的内部固定有一过滤筒44，过滤筒44的内部包围形成一旋流空间440，旋流组件设于旋流空间440内，过滤筒44的筒体设有筛孔结构，过滤筒44的两侧分别设有油液内接口441和水液内接口442，油液内接口441与油液外接口421相接，水液内接口442与水液外接口422相接；油水增压组件设于油水混合接出口423处；旋流组件以及油水增压组件分别传动连接油水混合驱动电机41。一种油水气混合式内冷加工装置及內冷加工方法，通过在内冷加工装置中新增高压气体接入混合，使其形成油水气混合物，改进内冷加工装置的冷却性能和润滑性能；通过在内冷加工装置中设置改进混合结构的油水混合器，是油水混合物在与高压空气混合时混合状态更为均匀，从而使用作冷却和/或润滑介质的油水气混合物的冷却性能和润滑性能更加稳定，提高主轴加工设备的工作稳定性，并减少切削刀具的耗损。

具体地，油液外接口421与油液供应装置2之间通过供油管21相接，并且油水混合器4与油液供应装置2之间设置有油液回流管路；水液外接口422与水液供应装置1之间通过供水管11相接，并且油水混合器4与水液供应装置1之间设置有水液回流管路。

具体地，供油管21设有单向阀。

具体地，气压供应装置3与主轴工具之间通过供气管31相接。

具体地，旋流组件以及油水增压组件呈上下设置，油水增压组件位于过滤筒44的外部；油水混合驱动电机41具有一输出轴411，输出轴411上下穿设于过滤筒44的中心位置；旋流组件包括一固接输出轴411上部的旋流支架43以及多个固接于旋流支架43的旋流叶片45；油水增压组件包括一增压叶轮46，增压叶轮46固接于输出轴411的底端。

具体地，旋流叶片45设有由多个紊流穿孔分布组成的紊流孔结构，紊流穿孔的孔径为0.1㎜-0.5㎜。经多次试验得知，紊流穿孔的孔径为0.1㎜-0.5㎜时，油水混合效率最高，油水混合效果最好。

具体地，筛孔结构包括有多个开设于过滤筒44的筒体的过滤穿孔，过滤穿孔的孔径小于紊流穿孔的孔径。

具体地，油液外接口421以及水液外接口422的径宽分别呈向外逐渐增大设置。

具体地，主轴工具包括一旋转接头51以及气液混合复合管，旋转接头51设有固定接入部以及旋转接入部，固定接入部连接油水混合接出口423，旋转接入部连接气压供应装置3，气液混合复合管包括同心设置的内冷主轴53以及中空管52，中空管52的外径小于内冷主轴53的内径，中空管52的外壁与内冷主轴53的内壁之间间隔形成气体流通间隙；中空管52与固定接入部相接，气体流通间隙与旋转接入部相接；中空管52的长度小于内冷主轴53的长度，并且内冷主轴53以中空管52的外端管口为界限形成气液混合空间55。

具体地，中空管52的外径小于内冷主轴53的内径，中空管52的外壁套设有多个固定套54，中空管52通过固定套54与内冷主轴53同心转动配合。

优选地，固定套54包括本体及设置在本体外侧上的多个固定齿，多个固定齿环绕本体的中心轴线设置，本体套设固定在中空管52的外侧上。固定齿位于中空管52与内冷主轴的过气间隙内，相邻两个固定齿之间形成与过气间隙连通的透气孔。当然，根据实际需要，固定齿上可以设置贯穿固定齿的透气孔。

实际使用时，固定齿可以采用弹性材料制成，例如，固定齿采用硅胶制成，当固定套54装入内冷主轴内之后，固定套54的固定齿的自由端抵触在内冷主轴的内侧面上，借助固定齿的弹性变形使得中空管52稳固固定在内冷主轴内。优选地，固定齿的自由端设有平行的多个摩擦肋，摩擦肋抵触在内冷主轴的内孔侧面上。

优选地，中空管52的端部的外缘成型有锥形部521，(根据柯恩达效应：流体(水流或气流)有偏离原本流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体就会顺着该物体表面流动。)气流通过气体流通间隙与中空管52内部的油水混合物相遇时，气流在锥形部521偏转作用下与油水混合物交叉相撞，使气流和油水混合物更亲密接触混合更充分而形成更为细小的气雾。

具体地，中空管52的端口处的管壁厚度不大于0.1毫米。

具体地，气液混合空间55的内壁设有紊流结构551，紊流结构551包括凸起设置的螺纹结构或凹凸壁面结构。通过设于气液混合空间的紊流结构，使空气与油水混合物在相交加速过程中产生紊流，使油水气混合物的混合程度更高，冷却性能和润滑性能更加稳定。

具体地，凹凸壁面结构包括多个间隔分布于气液混合空间55的内壁的紊流阻挡部，紊流阻挡部的最大径宽d符合：0.5mm＜d＜2mm。由于内冷主轴53的内径多采用1mm-3mm的大小规格，紊流阻挡部的内壁结构用作于在气液混合输送过程中受避免的凹凸结构的阻挡而产生紊流，从而提高气液混效率，保证气液混合物的混合质量。经多次试验紊流阻挡部的最大径宽d符合：0.5mm＜d＜2mm时，气液混效率最优。

具体地，紊流阻挡部包括紊流槽和/或紊流筋。

具体地，紊流阻挡部的投影形状呈不规则形状设置。

一种内冷加工方法，通过上述的一种油水气混合式内冷加工装置实现内冷加工，包括以下步骤：

利用油液供应装置2自动供应润滑油料；

利用水液供应装置1自动供应冷却水；

通过油水混合器4将油液供应装置2供应的润滑油料和水液供应装置1供应的冷却水混合得到油水混合物；

利用气压供应装置3供应高压气体至油水混合物，高压气体与油水混合物混合得到油水气混合物；

油水气混合物通过外界的加工机床的内冷主轴输送至内冷刀具，并经由内冷刀具喷射至待加工的加工物件。

在内冷加工装置中新增高压气接入混合，使油水气混合物接入到切削刀具时具有更高的压强，能够更快地排出切削目标以及切削刀具的碎屑，提高清洁效率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于，包括利用一种油水气混合式内冷加工装置操作以下步骤：

其中，油水气混合式内冷加工装置，包括水液供应装置（1）、油液供应装置（2）、气压供应装置（3）、旋转接头（51）及中空管（52），旋转接头（51）包括固定接入部及与相对固定接入部转动设置的旋转接入部，中空管（52）可拆卸地安装设置在旋转接入部上；

水液供应装置（1）以及油液供应装置（2）的输出端共同连接有一油水混合器（4），油水混合器（4）的输出端连通所述固定接入部；

旋转接入部装设在外界的加工机床的内冷主轴（53）上，中空管（52）位于内冷主轴（53）内，中空管（52）与内冷主轴（53）之间形成有过气间隙；

气压供应装置（3）与过气间隙连通；

油水混合器（4）将水液供应装置（1）供应的冷却水以及油液供应装置（2）供应的润滑油料混合成油水混合物，油水混合物经由固定接入部、旋转接入部进入中空管（52），中空管（52）排出的油水混合物与过气间隙排出的气体混合形成油水气混合物并经由安装在内冷主轴（53）上的内冷刀具排出，

所述油水混合器（4）包括内设有混合腔室（420）的机壳（42）、固定于机壳（42）顶部的油水混合驱动电机（41）、分别设于混合腔室（420）内部的旋流组件以及油水增压组件；机壳（42）的左右两侧分别设有一管接所述油液供应装置（2）的油液外接口（421）以及管接所述水液供应装置（1）的水液外接口（422），机壳（42）的底部设有一油水混合接出口（423），油水混合接出口（423）连接于所述固定接入部；混合腔室（420）的内部固定有一过滤筒（44），过滤筒（44）的内部包围形成一旋流空间（440），所述旋流组件设于旋流空间（440）内，过滤筒（44）的筒体设有筛孔结构，过滤筒（44）的两侧分别设有油液内接口（441）和水液内接口（442），油液内接口（441）与油液外接口（421）相接，水液内接口（442）与水液外接口（422）相接；油水增压组件设于油水混合接出口（423）处；旋流组件以及油水增压组件分别传动连接所述油水混合驱动电机（41）；

利用油液供应装置（2）自动供应润滑油料；

利用水液供应装置（1）自动供应冷却水；

通过油水混合器（4）将油液供应装置（2）供应的润滑油料和水液供应装置（1）供应的冷却水混合得到油水混合物；

利用气压供应装置（3）供应高压气体至油水混合物，高压气体与油水混合物混合得到油水气混合物；

油水气混合物通过外界的加工机床的内冷主轴输送至内冷刀具，并经由内冷刀具喷射至待加工的加工物件。

2.根据权利要求1所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述旋流组件以及所述油水增压组件呈上下设置，油水增压组件位于所述过滤筒（44）的外部；所述油水混合驱动电机（41）具有一输出轴（411），输出轴（411）上下穿设于所述过滤筒（44）的中心位置；旋流组件包括一固接输出轴（411）上部的旋流支架（43）以及多个固接于旋流支架（43）的旋流叶片（45）；油水增压组件包括一增压叶轮（46），增压叶轮（46）固接于输出轴（411）的底端。

3.根据权利要求2所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述旋流叶片（45）设有由多个紊流穿孔分布组成的紊流孔结构，紊流穿孔的孔径为0.1㎜-0.5㎜；所述筛孔结构包括有多个开设于所述过滤筒（44）的筒体的过滤穿孔，过滤穿孔的孔径小于所述紊流穿孔的孔径。

4.根据权利要求3所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述油液外接口（421）以及所述水液外接口（422）的径宽分别呈向外逐渐增大设置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述中空管（52）的外径小于所述内冷主轴（53）的内径，中空管（52）的外壁套设有多个固定套（54），中空管（52）通过固定套（54）与所述内冷主轴（53）固定在一起；中空管（52）的长度小于内冷主轴（53）的长度，并且内冷主轴（53）以中空管（52）的外端管口为界限形成气液混合空间（55）。

6.根据权利要求5所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述气液混合空间（55）的内壁设有紊流结构（551），紊流结构（551）包括凸起设置的螺纹结构或凹凸壁面结构。

7.根据权利要求6所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述凹凸壁面结构包括多个间隔分布于所述气液混合空间（55）的内壁的紊流阻挡部，紊流阻挡部的最大径宽d符合：0.5mm＜d＜2mm。

8.根据权利要求7所述的一种油水气混合式内冷加工方法，其特征在于：所述紊流阻挡部包括紊流槽和/或紊流筋。

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