[发明专利]纳米流体微量润滑和雾化冷却超精密切削介质供给系统

说明书

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。

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。