微量润滑毕业论文(设计)目录+正文+致谢+参考文献+附录.doc

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1、目 录摘 要1Abstract2第1章 绪论31.1 课题研究的目的和现实意义31.2 准干切削技术的研究现状41.2.1 微量润滑（MQL）切削技术41.2.2 微量油膜附水滴(Oil on Water,OoW)切削技术91.2.3 液氮冷却润滑技术91.2.4 低温冷风切削技术101.2.5 水蒸气冷却技术121.2.6 气体射流冷却润滑技术121.3 本课题研究内容13第2章 经济型模块化微量润滑装置结构研究142.1 雾化机理分析142.2 总体结构方案162.2.1 结构方案I172.2.2结构方案172.2.3结构方案182.2.4 结构方案比较确定192.2.5微量润滑装置研制1

2、92.3本章小结21第3章 微量润滑装置气液流体动力学模型223.1 油雾器油雾产生的气体动力学模型223.2 喷嘴流道内气一液两相动力学模型233.2.1 气液两相流的特性分析233.2.2喷嘴处的空气油雾气液两相流的流动方程253.3本章小结29第4章 微量润滑装置压力损失、压力流量变化、雾化观察实验304.1 压力损失及压力流量变化实验304.1.1 试验条件和设备及方案304.1.2 试验结果及分析304.2 微量润滑装置雾化观察实验314.2.1 试验条件和设备及方案314.2.2 试验结果及分析314.3本章小结33第5章 微量润滑装置冷却效果试验研究345.1 切削加工冷却效果的

3、衡量345.2 切削试验345.2.1 试验设备和仪器及试件345.2.2 试验方案：365.3 试验结果与分析375.3.1 不同喷嘴直径对微量润滑装置冷却润滑效果的影响实验结果与分析375.3.2 不同喷油量的冷却润滑效果的影响实验结果与分析395.3.3 不同油雾器入口压力对冷却润滑效果的影响实验结果与分析405.3.4 不同冷却方式对加工工件表面粗糙度的影响实验结果与分析425.4 本章小结45第6章 结论46致 谢48参考文献49附 录51第1章 绪论1.1 课题研究的目的和现实意义环境、资源、人口是当今社会面临的三大问题。依靠科技进步，实现节资增效，减少废物排放，建立生产、消费与环

4、境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。进入21世纪，在制造业实施绿色制造已势在必行。切削加工作为制造业重要而应用广泛的加工方法正面临新的挑战，在此背景下，绿色切削加工技术应运而生。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害，成为当前治理的重点，但是对切削液所造成危害的治理却使制造成本显著增加。为了解决这一问题，产生了干切削新技术，并随后出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。干切削加工是绿色制造实施的具体体现，目前己成为切削加工领域的研究热点之一。根据是否使用切削液及使用量的多少，干切削可分为完全干切削和准(亚)干切削。完全干切削是在切削区中完全不使用或不

5、直接使用任何切削液的切削加工；准(亚)干切削是采用各种方式将少量切削液直接施于切削区的加工l。准干切削将干切削与湿式加工两者的优点相结合，既可满足加工要求，又可使切削液的费用降至最低。通过技术上的措施，准干切削可达到甚至超过湿切削的效果。理想的准干切削以低温或亚低温气体射流为动力，给予切削区最小润滑(满足基本润滑条件)及最大冷却(有限冷却介质达到沸腾汽化的最大冷却效果)，可以极大地提高切削过程中的冷却润滑效果。Minimal Quantity Lubrication技术（简称MQL）是将压缩气体与微量润滑液混合雾化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。在德国，由于人们对它

6、是否同时具有冷却功能还存在意见上的分歧，而分别称之为微量润滑和微量润滑冷却。MQL可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用，使切削液的使用量达到最少，而不降低已加工表面质量，既提高了工效，又不会对环境造成污染2。虽然，现在很多进口的高速切削机床已经配有微量润滑装置，但是都是国外专业润滑公司生产的专用装置，结构上封闭且在技术上高度保密，国内机床企业难以仿制；并且其价格昂贵，作为外购部件整体购入则会大幅提高机床的成本，不适合国内大多数企业的要求。针对这个问题，研究并实现采用经济的模块化气动元件代替专用装置，实现微量润滑的喷雾

7、冷却润滑效果，对于国产高速加工机床的先进冷却技术配套和提高市场竞争力，具有重要的学术意义和应用前景。1.2 准干切削技术的研究现状完全干切削对机床结构、刀具材料、工艺条件都有相对严格的要求，因而使得它的实施变得困难，应用范围受到限制。在相同工艺条件下，完全干切削会使切削过程产生一些特殊的问题，例如：(1) 使刀具/切屑接触区的摩擦状态和刀具磨损机理发生变化，刀具磨损加快；(2) 由于工件材料本身的热塑性增加，使得切屑的折断、控制和处理困难；(3) 加工表面质量不稳定。所以更多的切削冷却选择应用半干切削技术。由于它使用的切削液的量最少，因而切削液供给系统简单、体积小，容易布局。如美国B72CDD

8、9公司将润滑系统集成在主轴电机中，其流量由CNC程序控制，该单元在6.5s时间内可钻削10个8mm、中心距为20mm的孔，每一小时仅用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少3。因此，处理费用大幅下降。准干切削技术一个重要的问题是最少切削液量是多少，目前正在深入探讨之中。准干切削技术常见的有：微量润滑(Minimal Quantity of LubricatingMQL)切削、微量油膜附水滴切削、液氮冷却润滑技术、低温冷风切削、用水蒸气作冷却润滑剂的切削、射流注射切削等。准干切削技术在日本应用得较多，在1998年第19届东京国际机床展览会上，日本参展的69台机床中有43台具有半干式

9、切削功能4。1.2.1 微量润滑（MQL）切削技术微量润滑（Minimal Quantities Lubricant,MQL）切削是指将压缩空气与极微量的润滑液混合汽化后喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法。它可以大大减少切削液的用量（一般仅为0.031.20 L/h）5，可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，防止粘结，延长刀具寿命，提高加工表面质量。MQL切削使用的润滑液很少，但效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。目前，该技术主要用于铸铁、钢和铝合金等的钻孔、铰孔、攻丝、深孔钻削、铝合金端面铣削等。MQL切削比传统浇注湿切削相比能够大大减少切削液的用量，避免了废液

10、的处理，降低了加工成本（包括切削液的购买费用、储存费用及废液处理费用等），而且在某些条件下能获得相等甚至更好的加工性能。它标志着人们在少无切削液加工实现绿色制造迈出了关键性的一步。但是它也面临着自身固有的挑战，即在人们免除了传统切削液所造成的臭味、细菌和酶菌等损害健康的因素的同时，却造成了加工区油雾微粒浓度迅速增加，同样对环境及健康造成了不利的影响。另外由于较高的油雾微粒生成量，使得采用MQL加工方法的机床上必须具有封闭、抽吸通风以及空气清新设施，给MQL加工带来了附加的成本最小量润滑技术综合了传统切削和干式切削的优点，得到了研究者们及制造厂家的充分认可，在各种加工过程中取得了良好的实验效果。

11、在一些相关研究之外，许多企业致力于开发并生产微量润滑系统，如德国lubrix公司，德国福鸟（VOGEL）公司，意大利科诺润滑（Technosystems）公司等。也有许多企业将MQL系统实际应用于生产线并取得了很好的效果。如福特汽车公司已把微量润滑技术应用于汽车动力系统零件的加工；Grob公司作为设备制造商在缸体和变速箱的加工中使用了1个或2个通道的最小量润滑系统；Guehring公司指出，MQL不仅在经济上比一般的湿式加工有优越性，而且还有助于切屑处理，该公司在整体硬质合金钻头上采用MQL取得了明显的效果。最小润滑技术主要包括气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式2如下图1.1所示。（a） MQ

12、L外部润滑系统（b） MQL内部润滑系统图1.1 气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式气雾外部润滑方式：将切削液送入高压喷射系统并与气体混合雾化，然后通过一个或多头喷嘴将雾滴尺寸达毫、微米级的气雾喷射到加工刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；外部润滑系统一般由空气压缩机、油泵、控制阀、喷嘴及管路附件组成，集成后的系统成本低廉，质量轻，可以方便地安装在机床上。不过，由于喷嘴的方位对润滑效果影响显著，需要确定喷嘴的最佳位置及喷射角度；外部润滑的雾粒很难进入深孔钻削的加工区域，所以对于深孔加工冷却润滑效果不好；外部润滑的雾粒颗粒小，容易四处飞散，对工作环境会有一定影响，所以需要有配套的防护设施。气雾内冷却

13、方式：通过主轴和刀具中的孔道直接将冷却气雾送至切削区域，进行冷却和润滑。内部润滑系统通过主轴和刀具内部通道供给润滑剂，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，切削液易粘附在主轴和工具的内孔壁，不易达到切削区，目前使用内部润滑技术的机床主轴转速一般不超过2000030000 r/min；加工过程中切屑易堵塞喷口，严重影响润滑效果；内部润滑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

14、。根据加工需要，可将两种润滑方式配合使用，以获得最佳冷却润滑效果。本课题只对外部润滑装置研制。王成勇等人采用微量润滑技术钻削多种复合板，试验采用了微量润滑技术，使用涂层刀具并采用退刀排屑和扩孔方式加工，减小刃带宽度，增大进给角和使用阶梯轴，保证了孔的加工质量6。东莞阿莫灵贸易喷雾冷却微量润滑公司对绿色切削技术进行长期的研究实验，研制了“金属加工液雾化冷却系统”、“微量润滑冷却系统”、“干式切削冷却器”、“低温微量润滑冷却系统”等绿色切削辅助装置，并申报了4项专利。如图1.2所示为该公司所研制的微量润滑冷却系统，使用的润滑液很少，一般为550ml/h，而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境

15、造成污染。图1.2 金属加工液雾化冷却系统上海金兆节能科技有限公司主力研发制造的专利产准干切削润滑系统，配合其公司的发明专利微量润滑专用润滑剂，可以大幅度改良润滑效果，减少传统润滑剂的使用量，减少润滑剂对环境的排放污染，起到显著的节能减排的效果。其公司的专利产品MQL微量润滑装置KS2101型图1.3如下所示，其公司生产的金属加工KS准干切削润滑系统如下图1.4所示。图1.3 KS2101型MQL微量润滑装置图1.4 KS准干切削润滑系统但是，微量润滑冷却系统的普及必须解决如何确定加工所需润滑液量的问题，解决除屑排屑问题，解决切削灰尘以及油雾对自动换刀系统的影响问题7。北京航空航天大学机械工程

16、及自动化学院袁松梅教授等人对微量润滑技术(MQL)的冷却性能进行了实验研究，得到了在不同的流量和靶距下，被冷却试件的温度变化过程。实验还对加热金属片进行自然冷却和浇注冷却。并与微量润滑冷却进行了冷却效果对比。研究发现微量润滑具有很好的冷却效果，而且极大地减少了冷却液使用量，降低了资源消耗和环境污染8。下图1.5为试件在自然冷却、MQL以及流体冷却情况下的温度变化曲线；图1.6为北京航空航天大学研制的系统。图1.5 试件在自然冷却、MQL以及流体冷却情况下的温度变化8图1.6 北京航空航天大学研制的微量润滑系统1.2.2 微量油膜附水滴(Oil on Water,OoW)切削技术目前，微量油膜附

17、水滴切削技术研究主要集中在亚洲，特别以日本为代表。自从1999年日本名古屋大学中村隆和松原十三生教授，针对日、美、欧等发达国家机械加工行业大量循环使用传统切削液的状况，提出了油膜附水滴（Oils on Water， OoW）的概念9。使用冷空气、微量可自然降解油剂（植物油和酯油）和少量水，经复合喷雾法形成OoW切削液，作为传统加工液的替代手段之一；并与金属工业株式会社共同研制出绿色机械加工液供液设备，该设备既可为单台机床供液又可为多台机床集中供液，可分别实现冷空气、微量油（1020mL/h）、微量水（12L/h）和微量油膜附水滴冷却润滑加工方法；2000年日本东洋株式会社将冷风发生装置导入加工

18、中心机床以代替传统的冷却系统，实现了干切削冷风加工（可达-60-40）10。中北大学王爱玲教授领导的课题组，在国内首次开展对微量油膜附水滴（OoW）冷却润滑液进行了研究，并首次在物理特性方面进行了研究，同时在机床上进行了大量的试验研究。大量的试验结果证明，用微量油膜附水滴（OoW）冷却润滑液可使：切屑回收利用率达100%；省去传统冷却系统、废液处理设施，节省能耗20%以上；降低生产加工成本15%以上；切削、磨削工具寿命延长2倍以上；加工表面质量及加工效率提高11。试验装置结构原理如图1.7所示。微量油膜附水滴（OoW）冷却润滑液在国内外都是一个全新的课题，尚处于初步的试验研究阶段。工件 刀具

19、压力表 特殊多段式喷嘴 调压阀 空气压缩机 水泵 油泵 流量计 图1.7 微量油膜附水滴发生装置1.2.3 液氮冷却润滑技术液氮冷却润滑是采用液氮使切削区处于低温冷却状态进行切削加工。主要有两种形式：一是用液氮自身瓶装压力喷射到切削区直接润滑冷却刀具，二是用液氮受热蒸发循环，间接使刀具润滑冷却。氮气是大气中含有量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富，由于液氮使用后直接挥发成气体返回大气中，因此不会留下任何污染。美国莱特州立大学S.Y. Hong博士12和印度理工学院S.Paul13分别在车削和磨削加工中采用了液氮作为切削液直接喷射到切削区的工艺进行了理论和试验研究，结果表明，在超

20、低温状态下，刀具材料能够保持优良的切削性能，提高了加工效率和加工质量，并可显著降低磨削区温度，减少磨削烧伤。美国林肯大学的Z.Y.Wang在聚晶CBN刀具上部的方盒内存储液氮，循环冷却刀具，刀具寿命可延长10倍14 。南京航空航天大学用氮气做冷却润滑剂铣削钛合金发现，与干切相比铣削力有增加的趋势但刀具寿命可提高1倍以上15。王连鹏等人采用液氮喷淋的方法在数控机床上低温切削加工45淬硬钢，试验结果表明，采用液氮喷淋式低温加工45淬硬钢可以提高刀具耐用度，改善工件表面质量16。液氮冷却润滑技术相对易于实现，但必需有配套的液氮冷却循环系统，此系统结构较复杂，故应用起来困难较大，不具备广泛应用性。1.

21、2.4 低温冷风切削技术目前，冷风切削的主要研究队伍集中在亚洲，以日本为代表。自1996年横川技术研究所横川和彦教授提出用低温冷风代替切削液的方案以来，许多学者对此进行了探讨研究17。横川和彦和横川宗彦在对SCM435的轻切削的试验中，分别采用15常温空气、-20冷风和切削液几种试验工况对比，图1.8是以50m/min的速度铣削中碳钢时铣刀后刀面的磨损曲线。在相同的切削用量条件下，低温风冷却时铣刀耐用度分别是常温风和切削液冷却时的1.52.0倍。在重切削试验中采用-40的冷风。通过与其它工况的对比，认为冷风切削的效果是明显的，但不如在低温冷风中供给微量植物性切削油的方案。1231水基切削液 2

22、常温风 3低温风图1.8 不同冷却条件下铣刀磨损曲线的比较17陈德成博士18利用压缩空气将bluebe切削液混合雾化后供给刀具的前刀面和后刀面,采用涡流式制冷冷却空气到-10-20后供给切削点,对铁素体不锈钢SUS304F(日本牌号)进行了切削实验,供气方位如图1.9所示,并与仅使用水溶性切削液GM15、使用-10冷风但不加bluebe切削液的两种工况进行对比,认为使用水溶性切削液GM15时刀尖处易形成积削瘤,冷风和微量植物性切削油同时使用,可提高加工表面精度同时也延长刀尖寿命,同时微量切削油可防止加工零件生锈。陈德成还研究了微量植物油润滑和冷风切削对高硅铝合金切削性能的改善问题18。高硅铝合

23、金在切削时由于硅结晶粒子析出造成切削性能不好，用常规切削时由于切削温度高,使铝合金共结晶组织发生变形,硅结晶粒子同切屑脱落后在工件表面留下比粒子体积还大的凹陷。冷风切削中降低了切削点的温度，被结晶材料在切削点不易软化,硅晶粒子被切断，不在工具表面留下凹痕，工件表面粗糙度降低。喷雾给油机空气压缩机冷冻机 -30C冷风 刀具油雾 被切削试件图1.9 实验装置示意图日本安田工业公司采用在电机轴/刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使低温冷风直通刀刃，其结构改善了切削条件，有利于低温冷风切削加工工艺的实施。目前，日本用于切削试验的冷风系统,其温度调节范围达-4510,压强为0.20.7 MPa,流量在1.

24、72.23m/min19。国内，有关冷风切削技术的研究起步并不晚，童明伟、张昌义1998年就申报了相关专利，名称是低温空气冷却装置，2002年在国家科技创新基金的资助下，有关冷风切削技术的研究更为活跃，相关产品的商业性开发取得突破，商品化的冷风射流机、低温微量油雾化器、保温管、内冷刀巳用于生产现场，在车削、钻削和铣削加工领域，出现了一些颇为经典的加工范例20，例如：重庆成田公司使用CTL系列冷风射流机生成的-55低温冷风，为航天部某厂完成了特殊薄壁零件的冷风车削。该零件壁厚0.5mm，铝材，表面粗糙度达到Ra0.2m，圆度保持在0.3m的公差范围。哈尔滨某厂将CTL系列冷风射流机用于高温合金、

25、不锈钢的铣削加工，不仅提高生产效率13倍，并且还消除了污染。刘存翔等采用自己研制的QL-8型涡流管冷却切削J-55钢料，认为能有效地减少刀具前、后刀面的磨损，对导热系数小的刀具效果更好，这种方式在中国第一重型机械厂的铣床和齐齐哈尔第二机床厂的钻床进行过实验21。重庆大学的杨颖利用重庆成田公司生产的冷风机对45钢、不锈钢和铝合金三种材料进行冷却切削，并与干切削作对比实验，认为冷风加工能有效减少刀具的磨损,并有效的控制断屑和切屑的流出22。尽管相关研究非常活跃，并出现了一些颇为经典的生产范例，但国内有关冷风切削的基础性研究却相对落后，必须引起重视。1.2.5 水蒸气冷却技术水蒸汽作冷却润滑剂的切削

26、技术是上世纪80年代末前苏联专家波德戈尔柯夫B.B首先提出的23。它的原理是将水进行加热使其处于蒸发状态，通过喷射加工区对其进行冷却。目前，只有俄罗斯学者对水蒸汽作冷却润滑剂进行过初步切削试验研究，结果表明，采用水蒸汽作切削冷却润滑剂可提高硬质合金刀具使用寿命，在车削45钢及不锈钢1Cr18Ni9Ti时可提高11.5倍，在铣削上述材料时可提高13倍24。哈尔滨工业大学韩荣第教授在国内首次对水蒸汽作冷却润滑剂进行了冷却润滑的机理和切削试验研究，试验结果证明，用水蒸汽作冷却润滑剂比干切时的切削力可减小10%左右25。采用水蒸汽作冷却润滑剂尚需对适合生产实际要求的供气系统、不同切削条件时的水蒸汽用量

27、等问题进一步深入研究。1.2.6 气体射流冷却润滑技术气体射流冷却润滑是把冷却介质“强行”送入切削区“集中”使用，希望以较少的冷却介质达到大量浇注的冷却效果，从而减少环境污染程度，是一种集约型冷却方法。日本学者原贡采用高压注液法精加工Ni基高温合金，与浇注冷却相比，切削速度可提高22.5倍，刀具使用寿命延长5倍26。华东船舶工业学院的任家隆教授采用空气为介质27，用射流方式喷射切削区的气体冷却方法，具有较好的冷却效果和绿色功能。土耳其学者Orhan Cakir还研究了以氧气（O2）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）作为冷却润滑介质以射流形式喷进切削区，研究结果表明，氧气（O2）和二氧化碳（CO

28、2）比干切时切削力减小，加工表面质量提高，氮气（N2）的效果并不明显28。新加坡的X.P.Li采用压缩空气射流对金属基复合材料进行了切削试验，研究表明，压缩空气射流冷却在加工金属复合材料时，可明显降低刀具的磨损29。1.3 本课题研究内容本课题的研究目的就是以经济型模块化的气动元件为基础，辅以适当的控制部件，设计以及制作构成能够对油雾及空气混和量进行定量控制的切削加工的微量润滑装置，来研究微量润滑对切削加工工艺的影响。具体研究内容如下：（1）针对现在的国外高速机床上的喷雾冷却装置价格高的问题，提出一种新型的经济型模块化微量润滑的微量润滑装置，用模块化的气动元件代替专用的电控专用装置，用简单的控

29、制方法来实现对空气油雾质量比的控制。（2）为了检验微量润滑装置的冷却效果，需要在经济型模块化的微量润滑装置工作实际情况下进行切削加工。通过切削试验，比较不同的条件下的切削试件的表面质量来检验理论和试验研究成果。第2章 经济型模块化微量润滑装置结构研究2.1 雾化机理分析喷雾冷却是在压缩空气作用下,冷却介质经雾化器形成细雾状的混合体,经小孔式喷嘴以很高的速度喷到切削区。雾化过程一般都是在雾化器里进行的。雾化器按其供液的方式可分为3种类型30：(l)大气压式1、2管 3箱图2.1 大气压式喷雾器如图2.1所示，压缩空气以较高的速度从管1中流过，在管内形成负压，箱3中的冷却液在大气压的作用下，从管2

30、进入管1，在压缩空气的作用下雾化喷出。该种结构因受吸入高度的限制，限制了其应用。(2)供油式用泵将冷却液打入雾化器，在压缩空气作用下雾化、喷出。(3)吸液式根据定律,密封管内的液体流经较粗部分时,压力高、速度低。而流经较细部分时,流速变高,压力降低。所以雾化器设计成收缩式。如图2.2所示,在截面2、3之间产生压力差p ,在p 的作用下,液体经管子5吸入截面3中,在压缩空气的作用下雾化,经喷嘴4 喷出。吸液式雾化器结构原理简单，应用比较广泛。农业用的喷雾器就属于吸液式。雾化可以认为是在内、外力的作用下，液体的碎裂过程。一方面表面张力将促使液滴成为球形，因为球形液滴所需要的表面能是最小的；液体的粘

31、性也会抵抗液滴几何形状的任何变化而使之趋于稳定。另一方面，湍流的径向速度分量和作用于液体表面的空气动力会促使其碎裂。一旦外部作用力超过了表面张力，碎裂就会发生。如果喷射压力不是足够高，连续的圆射流或液膜射流的初级碎裂会形成液片、液线及许多大颗粒的液滴，该过程是不稳定的。若有更进一步的碎裂发生，才会形成大量的细小液滴31。气体流入气液两相流流出液体1. 气孔 2、3. 截面 4. 喷嘴 5. 管子 6. 箱体图2.2 吸液式喷雾器球形液滴碎裂有三种模式：椭球形变形、雪茄形变形和凹凸形变形，图2.3为球形液滴变形的基本类型图。当液滴受平行或旋转气流以及粘性切应力作用时，被压扁成为椭球形；当液滴受双

32、曲气流的作用时，被拉成长圆柱形或扁带状，即为雪茄形变形；当液滴受到不规则流动的气流作用时，表面局部变形，整个液滴呈凹凸不平状，即为凹凸变形。a) 椭球形变形 b)雪茄形变形 c)凹凸形变形图2.3 球形液滴变形的基本类型空气油雾冷却装置的雾化可以看作为油滴在稳定气流中的碎裂，主要变形模式为椭球形变形。位于高速气流中的液滴由球形逐渐压扁为椭球形、杯形及半水泡形。当液滴与高速气流的相对速度大于临界速度时，半水泡形液滴的上部首先爆裂，形成边缘厚度不等的环状，它包含了球形大颗粒液滴的70%的质量，气流吹在环状液滴上使边缘撕裂成片状，中心部位形成大量的小气泡，最终碎裂成各种尺寸的细小液滴或小液泡。2.2

33、 总体结构方案为了满足经济性和模块化的要求，微量润滑装置的控制装置全部采用现在市售的模块化气动元件，采用气动控制的方式。在这一装置中，空气油雾冷却的关键是使用合适的雾化元件使油得到充分雾化。因此，雾化元件是微量润滑装置的重要部件。中国神驰气动SNS公司的油雾器集成了储油容器和调节油流量的节流阀，具有使油充分雾化的特点。本章提出了三种结构方案，选用的雾化器均为中国神驰SNS公司的AL系列油雾器。油雾器是一种特殊的注油装置32。它将润滑油进行雾化并注入空气流中，随压缩空气流入需要润滑的部位，达到润滑的目的。AL系列油雾器作为冷却装置的切削液雾化器，其结构原理图如图2.4所示b孔a孔润滑油压缩空气图

34、2.4 油雾器内部构造图压缩空气从进口流入后，推开舌状活门，从油雾器出口输出。同时经舌状活门前方小孔a，经座阀进入油杯上腔，使杯内的油面受压力作用。当进口流量很小时，舌状活门开度变小，但开口处流速较高，使孔b处压力下降，与杯内油面压力形成一定压力差，能将油杯中油吸上通道喷出雾化，故这种结构在很小流量下便能起雾。当进口流量逐渐增大，舌状活门开度也增大，油杯液面与孔b处的压力差也增大，借助此压差，润滑油经吸油管将单向阀的钢球顶起，再经节流阀流入视油窗内，从滴油器上方小孔滴下。滴下的油被高速气流引射雾化后，随主流从出口流出。节流阀是用来调节滴油量的，顺时针回转，滴油量减少；逆时针回转，滴油量增多。油

35、杯使用透明的聚碳酸酷材料，便于观察油位。2.2.1 结构方案I如图2.5所示为结构方案I试验原理回路图，回路由油雾器支路和空气支路所构成，两支路的气流在喷嘴前端混合，通过喷嘴喷射到切削区，实现冷却润滑功能。在回路中，用PLC来驱动控制直动二通阀3和7分别控制油雾器支路和空气支路的供气通断与供气时间，油雾器内节流阀开口面积不变，手动调节节流阀6和8分别控制油雾器支路和空气支路的流量，实现对空气油雾流量的控制，操作方便，用流量计6和9分别测量油雾器支路与空气支路的流量变化量。1减压阀 2压力表 3直动二通阀 4油雾器 5节流阀 6流量计7直动二通阀 8节流阀 9流量计10喷嘴图2.5 结构方案I试

36、验原理回路2.2.2结构方案 D/A转换 微机1比例流量阀 2油雾器 3喷嘴图2.6 结构方案试验原理回路图结构方案试验原理如图2.6所示，一定压力的空气使得油雾器内的油雾化，并随气流一起从喷嘴3中喷射到切削区，对工件刀具进行冷却润滑。通过计算机监控油雾器进口流量变化，并控制流量型电气比例阀调节空气流量；切削油的流量通过手动调节油雾器上的旋钮控制油雾器内节流阀的开口面积实现的。方案的核心是比例流量阀，计算机发出的控制信号经过D/A转换，控制比例阀开口度，实现对油雾器进口空气流量的控制。其工作原理为：比例阀的阀芯通过比例电磁铁的电磁力驱动，比例电磁铁的电磁力与输入电流大小成比例关系，所以比例阀的

37、阀芯位移与输入电流大小成比例关系，即比例阀开口面积由输入电流大小来调节和确定，从而控制气体流量的大小。因此，比例流量阀对空气流量的控制比较准确。2.2.3结构方案结构方案试验原理如图2.7所示，在油雾器内部，一定流量的切削油经过油雾器被高速的压缩空气气流雾化，经过喷嘴喷射到切削区，实现冷却润滑功能。在冷却装置中，通过二通手动开关1实现整个装置气路的通断；通过节流阀4来调节油雾器进口空气的质量流量，通过手动旋转油雾器7上的旋钮来调节油雾器的质量流量，操作简单；为了获得准确的空气流量和压力值，用流量计5来测量油雾器进口处的空气流量变化量，压力表3和6监测压力变化。1二通手动阀 2减压阀 3压力表4

38、节流阀 5流量计 6压力表 7油雾器 8喷嘴图2.7 结构方案试验原理回路图喷嘴是冷却装置的重要元件，喷嘴的结构对雾化效果有很大的影响。考虑到成本，没有对喷嘴进行设计加工，选择利用现成的雾化喷嘴，采购喷嘴HYCO3831kc不同直径的喷嘴，喷嘴实物图如图2.8所示。实际实验中，选取不同直径喷嘴进行雾化冷却效果实验研究。图2.8 HYCO3831kc喷嘴2.2.4 结构方案比较确定表2.1三种结构方案比较方案元件数量控制方法机床安装成本结构方案I多较简单较准确(PLC+手动控制)不便较高结构方案少复杂准确(比例流量阀控制)不便高结构方案较少简单较准确(手动控制)方便低如表2.1所示为对三种结构方

39、案的比较分析，结合三种结构方案对空气油雾流量的控制方法可以看出：(l)结构方案I控制方法比较简单，油雾器内的油流量不需要调节，可以通过油雾器后的节流阀和空气支路中的节流阀共同调节实现空气油雾定量控制；但是用PLC控制增加了成本，且结构用的元件比较多，给机床安装增加了难度；(2)结构方案所用的元件最少，对空气流量的控制最准确；但是比例流量控制阀是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件，价格比较昂贵，而且需要计算机控制比例阀，既增加了成本，又使得在机床上的安装受到限制，不满足简单、低成本的要求；(3)结构方案全部使用模块化的气动元件，虽然对空气油雾的流量是手动控制，但元件

40、数量少，成本低，对参数的控制简单，安装维修方便，可满足经济性的要求。因此，确定结构方案为空气油雾定盘控制冷却装里的结构。2.2.5微量润滑装置研制根据设计方案，查找有关产品资料，总体设计微量润滑装置各部件，其中各个元器件的相关性能参数指标如表2.2所示。表2.2微量润滑装置元器件列表序号名称规格型号台（套）数技术参数1空气压缩机1功率1.5KW/2HP；使用压力0.4MPa；排气量208 L/min；2压力表Y-402接管口径1/8；量程01 MPa；3手阀SNS BUC-81接口直径8mm；正常使用压力00.9MPa；4减压阀SNS AR2000-021接口管径1/4；额定流量550L/mi

41、n；调压范围0.050.85MPa；带压力表Y40-10-1/8；5流量控制阀SNS ASC200-081接口管径1/4；6玻璃转子流量计LZB15110100L/min；7法兰连接头自制加工2法兰外径95，内径15；接口螺纹直径65（见附图1）8油雾器AL2000-021起雾流量15 L/min；接口管径1/4；9PU管SNS APU-080510M使用压力01MPa；10快速接头SNS SPC8-029接管口径1/4；11快速接头SNS SPB8-023接管口径1/4；12油管SNS OEL-02-O1接管口径1/4；13安全阀SNS BV-02-71卸荷压力0.7MPa；14磁性表座11

42、5喷嘴快拆式宇宙喷嘴HYCO3831kc5喷嘴直径分别为1.5mm；1.8mm；2.0mm；2.2mm；2.4mm；16箱座1根据气动管路大小加工将微量润滑装置中的部分元器件集成在一个铁箱内，其他部件连接后实物图如图2.9所示。图2.9 微量润滑装置实物图2.3本章小结本章对液滴的雾化机理和雾化器的结构进行了分析，并提出了三种结构方案，通过比较分析，选定结构方案作为微量润滑装置的结构，用模块化气动元件代替专用装置，用简单、方便的控制方法来实现对空气油雾质量比的控制，构成了一个经济型模块化微量润滑装置。第3章 微量润滑装置气液流体动力学模型3.1 油雾器油雾产生的气体动力学模型油雾器的关键部分是

43、文氏管，其结构如图3.1所示，是由具有收缩断ab和扩压段bc的两个圆锥管组成，b处管径最小称为喉部，a和c处的管径相等，ab的距离比b小。图3.1 文氏管结构原理图当流体从文氏管通过时，根据伯努利方程式 (3.1)可知，文氏管各过流断面所具有的能量为常数。当文氏管水平放置时，喉部的流速增大，而压力降低，于是在进口和喉道之间产生压差。冷却装置所用的油雾器就是根据这个原理设计的。微量润滑装置最为关键的两个元件为油雾器和喷嘴，忽略管路长度与损耗，冷却回路可简化成如图3.2所示的油雾器喷嘴与回路喷嘴所构成的回路结构。 1 p4 2 h A4 v1 A1 A2 v2 v p3 v4 p1 p2 p v2 ph 2 1 图3.2 油雾器喷嘴与回路喷嘴构成的回路结构简化图33油雾器里空气的流动基本都处于不可压缩流动的范围32，所以文氏管里空气的流动可看成是不可压缩流动。流量连续性方程为