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一种超声振动雾化旋转射流冷却装置及其运行工艺

花匠小妙招
2025-01-14 10:57

1.本发明属于机械加工技术和冷却技术领域，涉及一种超声振动雾化旋转射流冷却装置。

背景技术：

2.金属材料切削加工过程中刀具切削刃总是承受较高的机械载荷和热载荷。机械载荷使刀具前刀面和后刀面承受较大的摩擦力，使得刀具逐渐磨损变钝，直至丧失切削能力；热载荷使刀具的主要力学性能指标明显下降，会加剧刀具磨损。因此，如何在切削过程中提供良好的冷却润滑条件以降低刀具的摩擦力和切削温度成为提高刀具耐用度、提升加工质量的关键所在。目前，面对各种新型难加工材料加工效率、质量、经济性和环保要求日益提高的发展趋势，急需解决传统切削液浇注冷却污染环境的弊端，以及mql方法(minimum quantity lubrication的缩写)的冷却不充分、液氮和干冰低温冷却方法的过度冷却工件、高压射流技术的冷却液流量过大等问题，旨在及时疏导积聚在加工区的大量切削热，提高刀具寿命和加工表面质量。除此之外，上述冷却方式在进一步提高切削加工效率方面效果欠佳。因此，急需开发新型绿色冷却技术。
3.喷雾冷却就是把微量液体混入压力气流中，形成雾状的气液两相流体，通过喷雾产生射流，喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷却和润滑。气液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做功，消耗了内能，可使温度降低10℃左右。喷雾冷却中两相流体有较高的速度，能够及时将切屑冲走，并带走大量的热量，进一步增强了降温效果。因此，喷雾冷却实际上综合了气液两种流体的降温效果和优点。而超声喷雾技术是改变冷却液雾化方式的新型技术，它通过超声高频振动对冷却液进行有效雾化，在高频振动下雾化颗粒会变得更小更均匀，同时由于高压风的作用，雾化颗粒变成初速度高、动能大、渗透能力较强的喷雾，能够突破加工区域的气障阻隔，准确的到达被加工区域，达到良好的冷却效果。
4.发明专利(公开号：cn101966661a)公开了一种超声聚焦汽雾冷却器，该装置通过将冷却液喷附在汽雾罩上，超声振动带动汽雾罩振动使冷却液雾化喷射到磨削区以达到降低磨削温度的效果，但是这种装置对其聚焦汽雾罩的制造要求很高，常常因为汽雾罩聚焦效果不佳导致喷雾很难集中成一束水雾，导致雾化液喷射方向发散，无法准确附着在加工区域。发明专利(公开号：cn109571157b) 公开了一种带雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统，该系统通过对磨削液的储液箱施加振动使磨削液雾化，然后通过定量泵将雾化后的液体吸入雾炮桶内，在雾炮桶内施加高压风将雾化液喷射到磨削区域以达到降低磨削温度的效果。此系统的雾化和喷射装置太过于分离，导致雾化后的颗粒再度相聚增大了液滴直径，降低了冷却效果。

技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的不足之处，本发明提供了一种结构简单，雾化效果好，喷雾射流速度快、方向稳定的超声振动雾化旋转射流装置及其运行工艺。
6.一种超声振动雾化旋转射流冷却装置，包括超声雾化系统、汽雾混合储存箱、高压进气单元、喷嘴单元。
7.所述压电陶瓷换能器通过双头螺柱与纵向振动变幅杆的前端连接；纵向振动变幅杆节点位置处的法兰盘通过螺栓与汽雾混合储存箱的左壁相连接；传振杆前端与纵向振动变幅杆末端通过螺纹连接，传振杆末端固定于汽雾混合储存箱右壁；
8.所述汽雾混合储存箱包括主箱体和盖板，盖板上有螺纹孔，通过螺栓与主箱体上端连接；
9.所述高压进气单元包括进气管道和锥形罩，进气管道通过螺纹与锥形罩连接；高压进气单元通过锥形罩上的法兰盘与汽雾混合储存箱体的后壁连接；
10.所述喷嘴单元包括喷嘴和锥形罩，喷嘴通过螺纹与锥形罩连接；喷嘴单元通过锥形罩上的法兰盘与汽雾混合箱体的前壁连接。
11.所述纵向振动变幅杆的法兰盘圆周面到圆心有一沿径向的圆孔，从法兰盘圆心到纵向振动变幅杆末端中心有一沿轴向圆孔；同时，纵向振动变幅杆末端开设有与圆孔同心的螺纹孔。
12.所述传振杆是两端直径小中间直径大的三段阶梯轴结构，其总长度满足 1.25倍波长，前部、中部和后部三段轴向长度分别为0.5倍波长、0.5倍波长和 0.25倍波长，在前部与中部，中部和后部过渡处均设有台阶，台阶设有螺纹，并存在径向通孔，从传振杆的前端至末端有沿轴心长度为1倍波长的孔。
13.所述弯曲振动雾化圆板的半径满足多阶振动波长，中心有轴向螺纹通孔；螺纹孔通过的内表面开设有一条环形凹槽；其内部沿径向方向开设有数条均列的贯穿孔道；孔道在外侧圆周面一端有螺纹；沿径向方向的波腹处均开设有与孔道垂直贯通的小孔。
14.所述喷嘴单元的喷嘴内壁有数条螺旋槽，槽的形状可为矩形、梯形或者三角形。
15.一种超声雾化旋转射流冷却装置的运行工艺，步骤如下：
16.(1)、开启超声波电源输出高频振荡电信号，压电陶瓷换能器5接收电信号并转换成机械振动，同时将该机械振动传递给与之相连接的纵向振动变幅杆；
17.(2)、纵向振动变幅杆将机械振动放大，并通过传振杆将机械振动传递到套接在传振杆0.5倍波长、1.5倍波长处的两个的弯曲振动雾化圆板上，同时冷却液从变幅杆入口输入，经过进液管道16、送液通道22后，将冷却液输送至弯曲振动雾化圆板波腹处的出液小孔29，在弯曲振动作用下形成雾化液滴；
18.(3)、高压进气单元经过主箱体10后壁上开设的均匀进气孔31向主箱体 10内吹入高压气体带动雾化液滴从喷嘴单元的喷嘴内的旋转凹槽，以旋转射流的方式喷向切削加工区域。
19.有益效果：
20.(1)本发明将纵向振动变幅杆放大的振动通过传振杆传递到弯曲振动雾化圆板，使得弯曲振动圆板产生多个波腹的弯曲振动，进而使冷却液高效高质的雾化，同时在雾化后往汽雾混合储存箱体内通入高压气体带动雾化液向加工区域喷射，在经过喷嘴螺旋槽的作用下，喷雾方向会更加稳定。本发明提供的装置中，弯曲振动雾化圆盘固定在传振杆不同波长处，传振杆将纵向振动转化为弯曲振动使得冷却液雾化。同时由进气口吹入高压风带动雾化液以旋转射流的方式向加工区域喷射。超声雾化利用高频振动可使冷却液雾化后颗
粒更细小，弯曲振动雾化圆盘多个波腹结构的可有效增大雾化量，同时在高压气体的带动下，雾化液的喷射速度更大，能够有效降低加工区的温度。
21.(2)本发明提供的装置中，设有两个弯曲振动雾化圆盘，能够增大雾化量，增强冷却效果。喷嘴单元由锥形罩和喷嘴组成喷嘴内壁设有螺旋槽，可提升汽雾混合体的旋转速度，减少其发散。
22.(3)高压进气单元包括进风管道和锥形罩，可为雾化液滴提供速度并形成汽雾混合体，汽雾混合箱体内，弯曲振动雾化圆盘喷出的雾化冷却液，与进气口吹入的高压风混合，气液两相冷却体，不仅提高了冷却效果而且避免了冷却液的浪费。
附图说明
23.图1是本发明超声雾化旋转射流冷却装置的剖视图；
24.图2是超声雾化系统的结构示意图；
25.图3是汽液混合箱体的结构示意图；
26.图4是高压进气单元的结构示意图；
27.图5是喷嘴单元的结构示意图；
28.图6是图2中纵向振动变幅杆的剖视图；
29.图7是图2中传振杆的剖视图；
30.图8是图2中弯曲振动雾化圆板的剖视图；
31.图9是图3中主箱体的结构示意图；
32.图10是图3和图4中锥形罩的结构示意图；
33.图11是图5中喷嘴的结构示意图；
34.图12是弯曲振动雾化圆板的振动效果图。
35.主要附图标记的说明：
36.超声雾化系统-1、汽雾混合箱体-2、高压进气单元-3、喷嘴单元-4、压电陶瓷换能器-5、纵向振动变幅杆-6、弯曲振动雾化圆板-7、传振杆-8、盖板-9、主箱体-10、锥形罩-11、高压进气管道-12、锥形罩-13、喷嘴-14、螺纹孔-15、进液管道-16、螺纹孔-17、法兰盘-18、前端螺纹-19、波腹螺纹-20、末端螺纹
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21、送液通道-22、径向通孔-23、传振杆台阶轴-24、螺纹通孔-25、进液凹槽
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26、径向贯穿孔-27、径向孔道螺纹线-28、出液小孔-29、变幅杆固定圆孔-30、均匀进气孔-31、汽雾混合箱体上端螺纹-32、螺纹孔-33、射流孔-34、法兰盘
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35、内螺纹-36。
具体实施方式
37.以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。
38.实施例1
39.图1是本发明一种超声雾化旋转射流装置的剖视图。参照图1所示，超声雾化旋转射流装置包括超声雾化系统1、汽雾混合箱体2、高压进气单元3、喷嘴单元4。其中，超声雾化系统1中部经法兰盘固定在汽雾混合箱体2一侧的固定圆孔、端部穿过混合箱体2内部后固定在混合箱体2另一侧的螺纹孔33。超声雾化系统1位于汽雾混合箱体2的部分设有弯曲振动雾化圆板，在混合箱体2 另两侧、弯曲振动雾化圆板的位置相对地布置了高压进气单元3
和喷嘴单元4。所述弯曲振动雾化圆板的数量是两个(该数量可以根据实际需要调整)，同等大小，并列设置。超声雾化系统1、弯曲振动雾化圆板内设有冷却液输送通道，开口设置在弯曲振动雾化圆板的表面的波腹处。
40.图2是超声雾化系统示意图，超声雾化系统1从左到右包括依次连接的压电陶瓷换能器5、纵向振动变幅杆6、弯曲振动雾化圆板7、传振杆8。弯曲振动雾化圆板7套接在传振杆8上，且借助螺纹固定。传振杆8的自由端固定在混合箱体2内侧壁。
41.图3是汽雾混合箱体示意图，包括端盖9和主箱体10。主箱体10的侧面均设有通孔，分别用于固定超声雾化系统1的纵向振动变幅杆6、传振杆8，以及高压进气单元3和喷嘴单元4，并且相对侧的孔是同轴心设置。
42.图4是高压进气单元结构示意图，包括锥形罩11和高压进气管道12，其中锥形罩11固定在主箱体10一侧，借助贯通孔联通。
43.图5是喷嘴单元结构示意图，包括锥形罩13和喷嘴14，锥形罩13相对于锥形罩11固定在主箱体10另一侧，借助贯通孔联通。
44.图6是图2中纵向振动变幅杆6的剖视图，内部设有进液管道16，与外部冷却液连接。其前端开设有螺纹孔15，通过双头螺柱与压电陶瓷换能器连接；末端开设有螺纹孔17，用于与传振杆连接，其法兰盘18位于波腹处，四周均布螺纹孔，用于与主箱体左壁圆孔27连接。进液管道16位于法兰盘一端，沿着纵向振动变幅杆6径向到达轴心后，弯折至传振杆的方向。
45.图7是图2中传振杆8的剖视图，传振杆长度为1.25倍波长，其前部、中部和后部三段，轴向长度分别为0.5倍波长、0.5倍波长和0.25倍波长；传振杆两端各有一段螺纹，前端螺纹19与变幅杆末端螺纹孔17连接，末端螺纹21与主箱体壁螺纹孔33连接；从传振杆的前端至末端有沿轴心长度为1倍波长的送液通道22，该送液通道22与上述的进液管道16连通。传振杆前中后三段的直径各不相同，中部直径大于两端部的直径，因此，造成在前部与中部，中部和后部过渡处形成台阶轴24，台阶轴24两端设有波腹螺纹20，用于和弯曲振动雾化圆板7连接；台阶上还存在径向通孔23用于冷却液向弯曲振动雾化圆板。
46.图8是弯曲振动雾化圆板7的剖视图，弯曲振动雾化圆板的半径满足多阶振动波长，其中心开设螺纹通孔25，便于与传振杆螺纹19连接，在螺纹孔25 上开设有进液凹槽26，用于与传振杆上径向通孔23相通，使得冷却液进入弯曲振动雾化圆板内的孔道；在弯曲振动雾化圆板的圆周面上沿径向均布的开设六个径向贯穿孔道27。在六个贯穿孔道的外侧开设径向孔道螺纹线28，用于和螺钉配合以密封弯曲振动雾化圆板内的冷却液；在弯曲振动雾化圆板沿径向方向的波腹处均开设有与贯穿孔道27垂直贯通的出液小孔29使得冷却液流至弯曲振动雾化圆板表面。
47.图9是图3中主箱体10的结构示意图，在箱体的前后左右顶部均设有通孔，具体来说，在箱体的左壁上开设变幅杆固定圆孔30及均布的螺纹孔，用于与变幅杆的法兰盘18配合；在箱体的右壁上开设一个与变幅杆固定圆孔30同轴心的螺纹孔33用于与传振杆末端连接。
48.在箱体的后壁上开设有一个以上均匀进气孔31，用于高压气体经过高压进气单元3均匀吹入，同时在后壁上开设螺纹孔用于与高压进气单元的锥形罩11 连接。在箱体顶部的四个角分别开设螺纹孔32，用于与端盖密封。在箱体的前壁开设射流孔34用于雾化液的
射流喷出，同时前壁上还开设螺纹孔用于与喷嘴单元的锥形罩13连接。
49.图10是高压进气单元3或喷嘴单元4中锥形罩11、13的结构示意图，其中锥形罩的大端有法兰盘35，并在法兰盘上均布螺纹孔，用于与主箱体前后壁相连接，小端口有内螺纹36用于与进气管或喷嘴连接。
50.图11是喷嘴单元4中喷嘴14的结构示意图，其一端有螺纹，用于与锥形罩13连接，其内部开设有数条旋转凹槽，该凹槽的形状可为矩形、梯形或者三角形，用于雾化液通过时增加雾化液的旋转速度，使得喷射方向更准确。
51.一种超声雾化旋转射流冷却装置的运行工艺，步骤如下：
52.(1)、开启超声波电源输出高频振荡电信号，压电陶瓷换能器5接收电信号并转换成机械振动，同时将该机械振动传递给与之相连接的纵向振动变幅杆；
53.(2)、纵向振动变幅杆将机械振动放大，并通过传振杆将机械振动传递到套接在传振杆0.5倍波长、1.5倍波长处的两个的弯曲振动雾化圆板上，同时冷却液从变幅杆入口输入，经过进液管道16、送液通道22后，将冷却液输送至弯曲振动雾化圆板波腹处的出液小孔29，在弯曲振动作用下形成雾化液滴；
54.(3)、高压进气单元经过主箱体10后壁上开设的均匀进气孔31向主箱体 10内吹入高压气体带动雾化液滴从喷嘴单元的喷嘴内的旋转凹槽，以旋转射流的方式喷向切削加工区域。
55.超声喷雾效果见图12，可见超声雾化利用高频振动可使冷却液雾化后颗粒更细小，弯曲振动雾化圆盘多个波腹结构可有效增大雾化量，同时在高压气体的带动下，雾化液的喷射速度更大，能够有效降低加工区的温度。
56.本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。