CN116394058A - 一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置及运行工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置及运行工艺，该装置分为同轴布置的三段结构，相邻段的外壳通过螺纹连接。其中，第一段喷嘴的压电陶瓷换能器连接第二段喷嘴的变幅杆，网孔螺母连接在变幅杆的前端，导流片布置在第二三段喷嘴之间、网孔螺母的外侧；第三段喷嘴包括阶梯内腔和锥形外腔，两者之间形成环形缝隙，用于引导压力气体。接入超声信号后，压电换能器产生机械振动，变幅杆将振动放大并传递到网孔螺母上；切削液流至变幅杆前端，在网孔螺母前形成均匀的雾化液滴。在导流片、环形缝隙的引导、增压作用下，高压气体带着细小雾化液滴均匀、高效、高速喷出，有效得到达切削加工区域。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术和冷却技术领域，涉及一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置。
背景技术
在金属材料，尤其是各种难加工材料的切削加工过程中，对切削区施加良好的冷却润滑，能有效降低切削区温度、改善刀具与工件的摩擦接触状态，以此来提高刀具耐用度，提升加工质量与加工效率。因此，金属切削加工过程中往往辅以合适的冷却润滑技术。但在较高的切削速度下，切削液往往难以渗透到切削区内部。对于超声雾化来说，常规的郎之万超声雾化器，雾化颗粒直径大、雾化效率低、流量小、液滴流速低，已经无法满足当前切削加工中日益提高的对于冷却润滑的要求。
超声雾化是指：超声电源产生的正弦激励信号，超声换能器将电信号转变为机械振动，液体在超声振动的作用下产生空化效应，气液界面处出现不稳定的表面张力波，从而使得液体在气相中分散而形成微细雾滴。喷雾冷却是指：把微量液体混入压缩气流中，形成雾状的气液两相流体，通过喷雾形成射流并喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷却和润滑。作为一种新型冷却润滑技术，超声喷雾则是两者的结合体，切削液雾化由超声振动实现，雾化液滴在压力气体的携带下变成初速度高、渗透能力强的喷雾，达到更好的冷却润滑效果。
发明专利（公开号：CN103056061A）公开了一种超声振动雾化器，该雾化器利用压电换能器产生的纵向超声振动，驱动变幅杆前端的网孔振动板进行弯曲振动，依靠网孔振动板上的微孔和超声振动的联合作用形成细小、均匀的雾化液滴，但这种雾化器由于微孔的限制，雾滴初速度低，较难突破加工区域的“气障”而准确到达加工区域，且该雾化器的送液管道贯穿整个装置，加工难度大、成本高。
发明内容
为了解决现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置及运行工艺，结构简单，雾化效果好，喷雾速度快且可控、方向稳定。
本发明的技术方案是：
一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，该喷嘴装置主要分为三段，并通过螺纹连接三段喷嘴外壳。
第一段喷嘴由外壳和压电陶瓷换能器组成；第二段喷嘴主要由外壳、变幅杆、网孔螺母和导流片组成，网孔螺母通过螺纹连接在变幅杆的前端，导流片夹在第二、三段喷嘴外壳之间，位于网孔螺母外侧；第三段喷嘴主要由外壳、阶梯内腔和锥形外腔组成，其中阶梯内腔和锥形外腔分别通过螺纹与外壳连接。
所述三段喷嘴外壳都近似为圆柱，第一段喷嘴外壳后端有一个圆形孔，压电陶瓷换能器通过圆形孔接入超声电源的电信号；第二段喷嘴外壳侧面有两个对称布置的进气孔用来进气，另有一个进液孔用来进液；第三段喷嘴外壳有两个对称布置的进气孔用来进气，内部有两处内螺纹，分别用来与阶梯内腔和锥形外腔相连；三段喷嘴外壳相连接处分布有内、外螺纹以供连接。
所述变幅杆后端有一个螺纹孔用来与压电陶瓷换能器相连；变幅杆前半段有一个“L”型的进液管道，进液管道从变幅杆侧面通至变幅杆前端，供液装置的软管穿过第二段喷嘴外壳的小圆形孔，再与该进液管道相连送液；变幅杆前端中心有一个浅圆孔用来扩散雾滴，外侧为螺纹用来与网孔螺母相连。
所述网孔螺母，在前端振幅较大处分布着数个直径20-50μm的阵列微网孔，网孔螺母内部为螺纹，通过螺纹与变幅杆相连接。
所述导流片中间为圆形通孔，在通孔四周分布着斜通孔。
所述阶梯内腔与锥形外腔通过外侧的螺纹与第三段喷嘴外壳相连。
超声电源将电信号接入压电陶瓷换能器后，换能器产生纵向机械振动，变幅杆将振动放大并传递到网孔螺母上，网孔螺母随之发生弯曲振动或扭转振动。同时，供液装置将切削液输入送液管道，当切削液流至变幅杆前端时，网孔螺母的振动变形使得与微孔接触的液体在惯性、表面张力和流体动力作用下从微孔挤出，即形成微喷，进而在网孔螺母前方形成较为均匀的雾化液滴。同时，供气装置将第一级增压气体注入第二段喷嘴，经过导流片的引导约束，压力气体的流向与流量变得较为稳定，能使得雾化液滴分散均匀并进行风速筛选，适合的雾滴会被加速向前进入第三段喷嘴；第二级高压气体注入第三段喷嘴，由于第三段喷嘴内部的内、外腔之间的环形缝隙结构，高压气体呈一定角度从喷嘴前端喷出，利用压强差，携带着雾化液滴形成射流并喷射到切削区。
有益效果
（1）本发明将压电陶瓷换能器产生的纵向振动放大并传递至网孔螺母，螺母前端有阵列排布的微网孔，利用振动网孔的微喷效应形成细小、均匀的雾化液滴。
（2）本发明通过第二、三段喷嘴，对常温常压气体进行两次增压，所产生的两级压力气体携带、筛选雾化液滴，提高并控制雾滴的喷出速度，使其更迅速、有效得到达切削加工区域，提升冷却润滑性能；另外，压力气体及时带走雾化完成的液滴，以及气体通过导流片时方向受到约束，能使得携带的雾滴较少的吸附在喷嘴内壳上，提高了切削液的雾化效率，简化了后期的清洗流程。
（3）现有技术在面对粘度较大的液体介质时，往往需要大幅提高振动频率来提升雾化效果，本发明利用网孔螺母微网孔的超声振动来产生雾化液滴，雾化效果好，，无需提高耗能的振动频率题即可提升雾化效果，适用于多种液体介质的雾化。
附图说明
图1是本发明双极加速的超声振动雾化射流冷却装置的剖视图；
图2是变幅杆的剖视图；
图3是网孔螺母的结构示意图；
图4是导流片的结构剖视图；
图5是第二段喷嘴外壳结构示意图；
图6是第三段喷嘴外壳结构示意图；
图7是本申请与普通雾化射流冷却装置在雾化液滴直径及其分布的对比图；
图8是本申请与普通雾化射流冷却装置在雾化射流效果的对比图。
主要附图标记的说明：
第一段喷嘴外壳-1、换能器螺栓-2、后盖板-3、压电陶瓷片-4、前盖板-5、变幅杆-6第二段喷嘴外壳-7、网孔螺母-8、导流片-9、第三段喷嘴外壳-10、阶梯内腔-11、锥形外腔-12、进液管道-13、切削液扩散区-14、微网孔-15、斜通孔-16、进液孔-17、第一级增压气体进气孔-18、第二级高压气体进气孔-19、阶梯内腔连接螺纹-20、锥形外腔连接螺纹-21。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。
实施例1
在本发明的描述中，为了便于简洁的描述喷嘴结构与表述方便，所述的压电陶瓷换能器为换能器螺栓2、后盖板3、压电陶瓷片4、前盖板5等零件的功能组合，多个压电陶瓷片4借助换能器螺栓2压紧固定；第一级增压气体进气孔18和第二级高压气体进气孔19下分别简称进气孔18和进气孔19，阶梯内腔连接螺纹20和锥形外腔连接螺纹21下分别简称连接螺纹20和连接螺纹21。
图1是本发明一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置的剖视图。如图1所示，该喷嘴装置主要分为依次相连的三段结构，同轴布置，其中相邻的三段喷嘴外壳（第一段喷嘴外壳-1、第二段喷嘴外壳-7、第三段喷嘴外壳-10）之间形成内螺纹与外螺纹的关系，通过螺纹进行连接。第一段喷嘴由第一段喷嘴外壳1和压电陶瓷换能器组成，压电陶瓷换能器通过圆形孔连接超声电源；第二段喷嘴主要由变幅杆6、第二段喷嘴外壳7、网孔螺母8和导流片9组成，网孔螺母8通过螺纹连接在变幅杆6的前端，导流片夹在第二、三段喷嘴外壳之间，位于网孔螺母8外侧；第三段喷嘴主要由第三段喷嘴外壳10、阶梯内腔11和锥形外腔12组成，阶梯内腔11和锥形外腔12分别通过内外腔连接螺纹20、21与第三段喷嘴外壳10连接。
图2是变幅杆6的剖视图，变幅杆整体设置为三个阶梯平台，半径逐级缩小，三段结构主要就是为了扩大振幅，提高雾化效果，使进液口能更好分布在节面上，防止振动对螺纹结构的破坏。其中，变幅杆后端的螺纹孔用来连接压电陶瓷换能器，变幅杆前半段有一个“L”型的进液管道13，进液管道13从变幅杆侧面贯通至变幅杆前端切削液扩散区14，缩短了切削液的输送流程。供液装置的软管穿过第二段喷嘴外壳的小圆形孔即进液孔17，再与该进液管道13相连送液；变幅杆前端中心有一个浅圆孔形的切削液扩散区14用来扩散切削液以便后续雾化，外侧为螺纹用来与网孔螺母8相连。
图3是网孔螺母8的结构示意图，在前端振幅较大处分布数个直径20-50μm的阵列微网孔15，内部为螺纹，通过该内螺纹与变幅杆6相连，微网孔分布在振幅较大处，且孔中心比边缘分布更密。
图4是导流片9的结构剖视图，第二段喷嘴外壳7与第三段喷嘴外壳10通过螺纹连接时将导流片9夹在中间固定；内侧为圆形通孔，圆形通孔四周分布着斜通孔16，通过斜通孔16来约束引导第一级增压气体的方向与流量，斜通孔16呈阵列排布。
图5是第二段喷嘴外壳7结构示意图，外壳7后端有外螺纹用来与第一段喷嘴外壳1相连，前端有内螺纹用来与第三段喷嘴外壳10相连接；外壳7侧面有两个对称布置的进气孔18用来进气，另有一个进液孔17用来进液，进液孔17位于变幅杆6的进液管道13入口的正上方，如图1所示。
图6是第三段喷嘴外壳10结构示意图，外壳10后端有外螺纹，通过外螺纹与第二段喷嘴外壳7相连；两个对称布置的进气孔19用来进气，内部有两处内连接螺纹20、21，分别用来与阶梯内腔11和锥形外腔12相连，阶梯内腔11和锥形外腔12之间形成的环形缝隙引导压力气体。内外腔之间形成的环形缝隙在水平方向的角度小于导流片上斜通孔16与水平线的角度，是为了更好地为第二段喷嘴外壳产生的一级增压气体进行增压，形成二次增压气体。
一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置的运行工艺，步骤如下：
（1）、打开超声波发生器，将电信号接入压电陶瓷换能器，换能器产生纵向机械振动并将振动传递给变幅杆6，变幅杆6将振动放大并传递到网孔螺母8上，网孔螺母8随之发生弯曲振动或扭转振动。
（2）同时，供液装置将切削液输入进液管道13，当切削液经变幅杆内部的通孔流至变幅6杆前端时，网孔螺母8的振动变形使得与微孔接触的液体在惯性、表面张力和流体动力作用下从微孔挤出，即形成微喷，进而在网孔螺母8前方形成均匀的雾化液滴。
（3）、供气装置将第一级增压气体从进气孔18注入第二段喷嘴，因为对称布置的进气孔18和导流片8的阵列斜通孔16的约束给气体增压形成压力气体，该压力气体的流向与流量变得均匀、稳定，能使得网孔螺母8前方的雾化液滴分散均匀并进行风速筛选，风速筛选具体指：若形成的雾化液滴不均匀，在压力气体的作用下，大雾滴速度低会沉降在管壁，适合范围的雾滴速度高并进入第三段喷嘴，此为一级加速；第二级高压气体从进气孔19注入第三段喷嘴，第三段喷嘴外壳10连接着的阶梯内腔11与锥形外腔12之间形成的环形缝隙，使得高压气体呈一定角度从喷嘴前端喷出，利用压强差，携带着雾化液滴形成射流并喷射到切削区，此为二级加速，故称为双极加速。
对比普通和超声雾化射流效果，采用超声雾化可以有效地控制雾化射流的轮廓，超声雾化液滴直径服从正态分布，液滴的平均直径可减小20%，分布更为集中，便于更有效的进入切削区实现冷却与润滑，效果如图7、8所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，该装置为依次连接的三段式结构，同轴布置，相邻段的外壳通过螺纹连接；喷嘴设置在第三段喷嘴的端部，在第一段喷嘴的端部设置开孔，第一段喷嘴包括外壳和压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器经上述开孔连接至外界的超声波发生器；
第二段喷嘴包括：外壳、变幅杆、网孔螺母和导流片，网孔螺母通过螺纹连接在变幅杆的前端，导流片夹在第二、三段喷嘴外壳之间，位于网孔螺母外侧，用来引导压力气体；变幅杆端部连接至上述压电陶瓷换能器；
第三段喷嘴包括：外壳、阶梯内腔和锥形外腔；其中，阶梯内腔和锥形外腔分别通过螺纹与外壳连接，阶梯内腔和锥形外腔之间形成环形缝隙，用于引导压力气体。
2.根据权利要求1所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，变幅杆前段内部设有进液通道，进液通道一端利用进液孔与外部切削液供应装置相连，另一端贯通至变幅杆前端与网孔螺母相连。
3.根据权利要求1或2所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，变幅杆整体设置为三个阶梯平台，半径逐级缩小，三段结构是为了扩大振幅，提高雾化效果，使进液口能更好分布在节面上，防止振动对螺纹结构的破坏。
4.根据权利要求1所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，三段喷嘴的外壳均为圆柱结构；第二段喷嘴外壳侧面有两个对称布置的进气孔用来进气，另有一个进液孔用来进液；第三段喷嘴外壳有两个对称布置的进气孔用来进气，内部有两处内螺纹，分别用来与阶梯内腔和锥形外腔相连；三段喷嘴外壳相连处分布有内、外螺纹以供连接。
5.根据权利要求1所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，所述的导流片内侧为圆形通孔，圆形通孔四周分布着斜通孔（16），通过斜通孔来约束引导第一级增压气体的方向与流量，斜通孔呈阵列排布。
6.根据权利要求5所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，第三段喷嘴的阶梯内腔（11）和锥形外腔（12）之间形成的环形缝隙在水平方向的角度小于导流片上斜通孔与水平线的角度，是为了更好地为第二段喷嘴外壳产生的一级增压气体进行增压，形成二次增压气体。
7.根据权利要求1所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置，其特征在于，网孔螺母上分布一个以上直径20-50μm的阵列微网孔（15），内部为螺纹，通过该内螺纹与变幅杆（6）相连，微网孔分布在振幅较大处，且孔中心比边缘分布更密。
8.根据权利要求1所述的双极加速的超声振动雾化射流冷却装置的运行工艺，其特征在于，步骤如下：
（1）超声电源将电信号接入压电陶瓷换能器后，换能器产生纵向机械振动，并将振动传递给变幅杆（6），变幅杆将振动放大并传递到网孔螺母上，网孔螺母随之发生弯曲振动或扭转振动；
（2）供液装置将切削液输入送液管道，当切削液经变幅杆内部的通孔流至变幅杆前端时，网孔螺母的振动变形促使切削液在网孔螺母前方形成均匀的雾化液滴；
（3）供气装置将第一级增压气体注入第二段喷嘴，经过导流片的引导，使雾化液滴分散均匀并进行风速筛选，被筛选的雾滴会被加速向前进入第三段喷嘴；
（4）第二级高压气体注入第三段喷嘴，阶梯内腔和锥形外腔之间形成的环形缝隙引导压力气体，高压气体从喷嘴前端喷出，利用压强差，携带着雾化液滴形成射流并喷射到切削区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |