一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置、方法及其应用

摘要

本发明公开了一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置、方法及其应用，该发明采用高压喷雾射流和气粉混合系统，采用的纳米粒子质量比重0.5%‑10%，将纳米粒子通过气粉混合系统将一定质量的纳米粒子与低温气体混合均匀送入气动雾化喷嘴的气流输入端口，并与高压喷雾射流形成系统压出的一定温度切削液在气动雾化喷嘴喷口外部混合，产生气液固三相均匀混合的纳米流体低温喷雾射流。该方法和装置的优势在于大大提高了纳米粉末在冷却润滑中的比重，避免了纳米流体在传统使用方法中因比重较高或因为放置时间长而发生团聚带来的冷却润滑效果不理想的问题，提高了冷却和润滑效率，显著提高刀具耐用度和加工表面质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置、方法及其应用，适用于切削磨削中难加工材料的加工制造，属于加工制造中的冷却润滑技术领域。

背景技术

目前，公知的喷雾射流方法都是采用气液混合方法，但是该方法在难加工材料加工过程中面临着冷却和润滑效率不足的问题；随着技术的发展，人们发现在冷却液中加入纳米颗粒能显著提高其冷却及润滑效果，但是纳米流体在制成的过程中往往都是将纳米颗粒与液体直接进行混合，往往导致纳米颗粒在液体中混合不均匀和纳米颗粒在纳米流体中的比重严重受限，以及因放置时间长或由于纳米粒子的浓度过高，悬浮液中的纳米粒子在运动过程中发生碰撞和聚集而导致纳米粒子发生团聚问题

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发明内容

为了克服现有纳米流体冷却润滑技术中存在的不足，避免常规纳米流体制备方法在使用中带来的一系列问题，如混合不均匀、凝聚成团等，同时进一步提高气液固三相喷雾射流冷却润滑能力，本发明提供一种将纳米粒子与气体、液体进行均匀混合并形成喷雾射流的装置和方法，通过将一定量的纳米颗粒在喷雾过程中形成气液固三相均匀混合的高压低温喷雾射流，解决了常规纳米流体喷雾射流方法中纳米粒子发生团聚及其纳米颗粒在纳米流体中的比重严重受限带来的冷却、润滑效果不理想的问题，实现纳米流体在难加工材料加工过程中切削刀具、砂轮等精密工具的高效冷却和润滑的良好应用效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明第一方面提供一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置，包括空气压缩机（1），空气压缩机（1）的输出口依次连接气体干燥过滤器（2）、气压调节阀（3）、气体增压器（4），并连接至四通后分为三个支路，分别为固体输送支路、气体输送支路、液体输送支路；

所述固体输送支路经管道连接至气压调节阀（5），气压调节阀（5）的出口连接纳米颗粒螺旋式送粉装置，送粉装置出口连接粉气混合腔（17）的固体入口端；

所述气体输送支路经管道依次连接气压调节阀（6）调节气压，冷却装置、电磁阀（14）后连接粉气混合腔（17）的气体入口端，与固体输送支路出口端汇合于粉气混合腔（17），粉气混合腔（17）出口端再经管道连接气动雾化喷嘴（18）的气固输入端口；

所述液体输送支路经管道依次连接气压调节阀（7）、密封良好的装有切削液的切削液存储容器（8）、液压调节阀（9）后管道连接气动雾化喷嘴（18）的液体入口端。

进一步的，所述纳米颗粒螺旋式送粉装置包括：粉斗（12）、粉腔（16）、螺杆（13）、步进电动机（11），所述粉斗（12）内储存有大量的纳米粉末（15），粉斗（12）的底部出口为粉腔（16），粉腔（16）中具有螺杆（13），螺杆连接步进电动机（11），步进电动机（11）带动螺杆转动，粉腔（16）的出口连接粉气混合腔（17）。

进一步的，所述冷却装置为涡旋管冷却装置（10）。

本发明第二方面提供一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生方法，该方法采用低温气体、一定比例的纳米粉末和切削液在气动雾化喷嘴处混合均匀后，高压喷射形成气液固三相低温喷雾射流。

具体为，气体经空气压缩机后经干燥过滤器后，采用气压调节阀一根据需要调节气体压力，通过气体增压器实现气压的进一步提升，并通过管道联接使气体分为三个支路，其中一个支路的气体经过气压调节阀二进入粉斗，为纳米粉末提供一定的气压使粉斗中的纳米粉末流入送粉腔，步进电动机带动送粉腔中的螺杆转动，将纳米粉末送入粉气混合腔；另一个支路的气体经气压调节阀三调节气压，并通过涡旋管冷却装置冷却，然后通过电磁阀进入粉气混合腔，与进入粉气混合腔的纳米粉末充分混合后，再经管道流入气动雾化喷嘴的气流输入端口；第三条支路的气体经气压调节阀四调节压力后通入密封良好的切削液存储容器内，压出切削液，切削液通过液压调节阀调节液压，通过管道接入气动雾化喷嘴的液体入口端，高压气体粒子流和液体在气动雾化喷嘴喷口外部混合，产生气液固三相低温喷雾射流，使纳米粒子在低温高压气流和液流作用下极大提高了冷却效率。

进一步的，所述气体经过气压调节阀三后，气体压力为0.6~42MPa，再经涡旋装置冷却后，该支路气体温度为-5~-15℃。

进一步的，所述切削液为0-5℃可降解的绿色冷却润滑剂。

进一步优选的，所述切削液为0-5℃低温的水或植物油。

进一步优选的，所述切削液通过液压调节阀调节液压后，液压比气动雾化喷嘴气流入口端气压小10%。

进一步的，所述的纳米粉末为金属纳米粒子、氧化物纳米粒子、碳化物和WS

进一步的，纳米粉末的比重通过送粉速度调节，其在气动雾化喷嘴处与切削液充分均匀混合，其质量比重范围在0.5-10%，这里的比重指的是单位时间内喷出的纳米粉末质量在气动雾化喷嘴的气液固三相低温喷雾射流中所占的质量百分比。

进一步的，进入粉气混合腔中的气体为低温气体，最低温为-20℃。

本发明第三方面提供一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置及方法的应用，将上述装置和方法应用在在刀具与切屑工件加工时，充分发挥纳米流体低温喷雾射流滚珠作用和表面修复作用，改变滑动摩擦形式和刀具磨损机理，通过本发明公开的所述装置和方法产生的纳米流体低温喷雾射流具有较好的冷却和润滑作用，提高了刀具的使用寿命和工件的加工表面质量。

有益效果：相对于现有技术，本发明装置具有以下优点：

1、本发明公开的一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生装置，结构简单，使用方便，稳定性高，通过将纳米粉粒在气流中混合均匀，接着在气动雾化喷嘴喷口处与液体进一步混合，形成均匀的气液固三相高速高压喷雾射流，避免了传统纳米流体混合方式即将纳米粉末加入切削液中形成纳米流体带来的弊端，解决了纳米流体长时间放置容易团聚的问题以及混合不均等使纳米粒子比重受限、带来的润滑和和冷却不理想的问题；

2、本发明公开的一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生方法，通过加入纳米粒子这种固相，形成气液固三相低温喷雾射流，提高了低温喷雾射流的冷却和润滑能力；

3、本发明公开的一种气液固三相均匀混合纳米流体低温喷雾射流产生方法及其应用，采用气体增压器显著提高了喷雾射流的气压和液压，进一步提高了低温喷雾射流冷却润滑能力，实现了在切削区域高效稳定的冷却润滑作用，能够显著提高刀具耐用度和加工表面质量，更好地满足生产需求，具有良好的经济实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中的装置结构示意图；

图中包括：1、空气压缩机，2、气体干燥器过滤器，3、气压调节阀一，4、气体增压器，5、气压调节阀二，6、气压调节阀三，7、气压调节阀四，8、切削液存储容器，9、液压调节阀，10、涡旋管冷却装置，11、步进电动机，12、粉斗，13、螺杆，14、电磁阀，15、纳米粉末，16、送粉腔，17、粉气混合腔，18、气动雾化喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例：

如图1所示为一种制备气液固三相均匀混合的纳米流体喷雾射流的装置，包括高压喷雾射流形成系统和气粉混合系统；

采用所述高压喷雾射流形成系统包括空气压缩机1、气体干燥过滤器2，实现气体的过滤干燥，采用气压调节阀一3根据需要调节气体压力，通过气体增压器4将气压进一步提升至1MPa，再通过管道联接使气体分为三个支路；其中一个支路的气体经过气压调节阀二5进入粉斗12，为纳米粉末15提供一定的气压使粉斗中的纳米粉末流入送粉腔16，步进电动机11带动送粉腔16中的螺杆13转动，将纳米粉末15送入粉气混合腔17；另一个支路的气体经气压调节阀三6调节气压，并通过涡旋管冷却装置10冷却后成为-10℃低温气体，然后通过电磁阀14进入粉气混合腔17，与进入粉气混合腔的纳米粉末15充分混合后，再经管道流入气动雾化喷嘴18的气流输入端口；第三条支路的气体经气压调节阀四7调节压力后通入密封良好的切削液存储容器8内，压出切削液，切削液通过液压调节阀9调节液压，液压略小于气压，通过管道接入气动雾化喷嘴18的液体入口端，高压气体粉粒流和液体在气动雾化喷嘴喷口外部混合，产生气液固三相低温喷雾射流。

气粉混合装置包括将纳米粉末置于粉斗中，用一定压力的气体将粉斗中的纳米粉末流入送粉腔，接着，步进电动机驱动螺杆旋转，使处于螺杆中的纳米粉末进入粉-气混合腔，然后与通过电磁阀输入的低温气体混合，形成粉粒流，再经管道流入气动雾化喷嘴的气流输入端口；

测试例1：本测试例中，采用30nm的MoS2纳米粒子，纳米粒子质量分数为喷雾射流质量分数的5%，切削液为0℃的水（冰水混合物状态），刀具为硬质合金铣刀，加工材料为GH4169镍基高温合金，铣削参数为：切削速度80m/min，轴向切深3mm,径向切宽1mm，每齿进给量0.1mm。与采用将同样质量比的纳米粒子与水混合后进行的传统纳米流体低温喷雾射流进行铣削试验对比，测量结果表明：本实施方法切削力下降了16%，切削温度下降了12%，刀具耐用度提高30%，加工表面质量得到明显提高。

测试例2：本测试例中，采用30nm的AL

以上所述仅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。