納米流體靜電霧化與電卡熱管集成的微量潤滑磨削裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磨削加工工藝與裝置，具體為納米流體靜電霧化與電卡熱管集成 的微量潤滑磨削裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削加工是精加工的重要加工工藝，其加工過程是使用砂輪與工件相互作用，由 于砂輪表面磨粒通常為負前角切削，因此磨削加工過程中產(chǎn)生的熱量遠大于其他加工形 式。磨粒在磨削工件材料時消耗大量的機械能而轉(zhuǎn)化成熱量，磨削界面的熱量極少一部分 通過磨肩帶走，90%以上的熱量傳遞到砂輪和工件基體上，對砂輪使用壽命和工件使用性 能產(chǎn)生嚴重影響。磨削高溫使砂輪表面磨粒表層弱化，磨損加劇，造成磨粒脫離等現(xiàn)象，縮 短了砂輪的使用壽命。大量磨削熱傳遞到工件上時，在表面層極易產(chǎn)生殘余應力，甚至在表 面產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象，對工件的尺寸精度和形狀精度產(chǎn)生影響，當溫度到某一極限時，使工件 表面發(fā)生磨削燒傷，更有可能使工件表層金相組織發(fā)生改變，嚴重影響工件的抗疲勞、抗磨 損性能，降低了工件的使用性和可靠性。磨削界面的熱量如果不能得到及時散熱，則極易導 致熱損傷。
[0003] 微量潤滑磨削加工是一種綠色加工技術(shù)，它是指將極其微量的潤滑液和具有一定 壓力的氣體混合霧化后，噴射到磨削區(qū)起到冷卻潤滑作用的一種磨削加工技術(shù)，冷卻和排 肩作用主要依靠高壓氣體來實現(xiàn)。微量潤滑磨削單位砂輪寬度采用的磨削液為30-100ml， 而澆注式磨削采用的磨削液為60L/h ;但微量潤滑達到甚至超過了澆注式的潤滑效果，同 時磨削液的用量顯著下降。納米粒子射流微量潤滑是在微量潤滑的基礎上，將一定量的納 米級固體顆粒加入到可降解的微量潤滑油中形成納米流體，通過高壓空氣將納米流體進行 霧化，并以射流的方式送入磨削區(qū)。由強化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠大于液體和氣 體。常溫下固體材料的導熱系數(shù)要比流體材料大幾個數(shù)量級，懸浮有金屬、非金屬或聚合物 固體粒子的液體的導熱系數(shù)要比純液體大得多。如果在微量潤滑介質(zhì)中添加固體粒子，可 以顯著增加流體介質(zhì)的導熱系數(shù)，提高對流熱傳遞的能力，極大彌補微量潤滑冷卻能力不 足的缺陷。此外，納米粒子（是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（I-IOOnm) 的超細微小固體顆粒）在潤滑與摩擦學方面還具有特殊的抗磨減摩和高承載能力等摩擦 學特性。將納米級固體粒子加入微量潤滑流體介質(zhì)中制成納米流體，即納米粒子、潤滑液 (油、或油水混合物）與高壓氣體混合霧化后以射流形式噴入磨削區(qū)。納米粒子射流微量潤 滑磨削就是提供一種具有微量潤滑技術(shù)的優(yōu)點、并具有更強的冷卻性能和優(yōu)異摩擦學特性 的創(chuàng)新磨削工藝以及實現(xiàn)該工藝的專用設備，能夠有效解決磨削燒傷，提高工件表面完整 性，實現(xiàn)高效、低耗、環(huán)境友好、資源節(jié)約的低碳綠色清潔生產(chǎn)。
[0004] 電卡效應也稱熱電效應，是極性材料在外加電場的作用下使其極化狀態(tài)發(fā)生改 變，從而產(chǎn)生絕熱溫變或者等溫上變。電卡效應的基本思路是在外加電場的作用下材料的 極化狀態(tài)發(fā)生改變，導致熵的變化，進而使材料產(chǎn)生溫變。因此，利用外加電場改變材料的 極化狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的調(diào)控，從而實現(xiàn)制冷。電卡效應制冷的基本原理為對極性材料施 加電場，材料中的電偶極子從無序變?yōu)橛行?，材料的熵減小，在絕熱條件下，多余的熵產(chǎn)生 溫度的上升。移去電場，材料中的電偶極子從有序變?yōu)闊o序，材料的熵增加，在等溫條件 下，材料從外界吸收熱量使能量守恒?；蛟诮^熱條件下，不足的熵導致材料溫度的下降，其 整個過程類似一個卡諾循環(huán)。對于一個理想的制冷循環(huán)，電場移去時電卡材料能從接觸的 負載吸收熱量（等溫熵變）。然后電卡材料與負載分開，此時若對電卡材料施加電場，材料 的溫度將會升高（絕熱溫變）。將電卡材料與散熱片接觸，多余的熱量將要釋放出去，使得 電卡材料的溫度與室溫一致。然后，電卡材料與散熱片斷開，并與負載相接觸。移去電場， 電卡材料的溫度降低，并從負載處吸收熱量。重復整個過程，負載的溫度會不斷降低。這 就是電卡制冷機的基本原理。目前，電卡制冷在微機電系統(tǒng)（MEMS)中的應用較多，其優(yōu)點 在于：結(jié)構(gòu)簡單、無機械運動部件；體積小，特別適合局部降溫；啟動速度快、控制靈活；無 機械壓縮，制冷效率高，成本低；無壓縮氣體和制冷劑，對環(huán)境無危害，是一種極具發(fā)展前景 的新型制冷技術(shù)。
[0005] 在眾多傳熱元件中，熱管是目前人們所知道的最為有效的傳熱元件之一，它可以 依靠自身內(nèi)部工作液體的相變實現(xiàn)將大量熱量通過很小的截面積遠距離的傳輸而無需外 加動力。所謂熱管砂輪是指通過采用適當?shù)姆椒ㄔ谏拜喕w中形成熱管結(jié)構(gòu)和功能，從而 將砂輪自身的導熱能力較傳統(tǒng)普通砂輪顯著提高，使得磨削弧區(qū)的熱量還能夠直接導入熱 管蒸發(fā)端并經(jīng)由熱管傳熱作用迅速疏導出去，以達到減少磨削弧區(qū)熱量積累，降低磨削溫 度的目的，從而避免工件材料在進行高效磨削加工時出現(xiàn)的工件燒傷。
[0006] 中國專利CN 201310634991. 4公開了一種磁增強電場下納米粒子射流可控輸運 微量潤滑磨削裝備，通過在電暈區(qū)周圍增加磁場，提高液滴的荷電量；其外部設有高壓直流 靜電發(fā)生器和磁場形成裝置的噴嘴；噴嘴與納米粒子供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)連接；高壓直流 靜電發(fā)生器與可調(diào)高壓直流電源的負極連接，可調(diào)高壓直流電源的正極則與用于附著在工 件不加工表面的工件加電裝置連接，從而形成負電暈放電的形式；在靜電放電的電暈區(qū)周 圍是磁場形成裝置；納米流體在磨削液從噴嘴的噴頭噴出霧化成液滴的同時在高壓直流靜 電發(fā)生器及磁場形成裝置的作用下對液滴荷電并被送入磨削區(qū)。該設備采用的靜電霧化噴 嘴為一體化噴嘴，加工制作相對繁瑣，而且無法與其他設備進行組合，因此還需進一步的改 進優(yōu)化。
[0007] 中國專利CN 200410009666. X公開了一種微制冷器及其制冷方法，特別涉及鐵電 堆陣列微小制冷器及其制冷方法。它以弛豫鐵電材料我制冷工質(zhì)，采用η層鐵電堆，mX 1鐵 電堆陣列，共nXmX 1個單元制冷片構(gòu)成微制冷器；每個制冷片采用快速加電場和慢速去 電場的電場誘導相變制冷的方法；在不同行列中，同一層制冷片或隔層制冷片以同樣的方 式工作，各層制冷片加（去）電場工作具有特定的時序和循環(huán)；鐵電堆陣列之間交替工作。
[0008] 中國專利CN 201320028572. 1公開了一種微型制冷器，它包括在電場作用下吸收 或釋放熱量的制冷介質(zhì)層；制冷介質(zhì)層具有熱量吸收端和熱量釋放端；用于釋放熱量的散 熱器與制冷介質(zhì)層的熱量吸收端連接，供由某一需制冷設備對制冷介質(zhì)層進行單向熱量傳 遞的第一熱開關(guān)；位于制冷介質(zhì)層的熱量釋放端和散熱器之間，供由制冷介質(zhì)層對散熱器 進行單向熱量傳遞的第二開關(guān)；熱隔離層覆蓋于制冷介質(zhì)層、第一熱開關(guān)和第二熱開關(guān)周 側(cè)外表面。該制冷器只適用于微機電設備的局部制冷，而對于像磨削加工之類的大型設備 還未涉及到利用電卡效應制冷降低加工區(qū)溫度的制冷器。
[0009] 中國專利CN 201310059826. 0公開了一種難加工材料干磨削用熱管砂輪極其制 作方法，其中熱管砂輪包括基體以及設置在基體上的磨粒，基體包括底座與端蓋；磨粒設置 在端蓋上，并且磨粒上涂敷有固體潤滑劑；端蓋與底座之間還形成一熱管管腔，底座上設置 有一抽氣孔，該抽氣孔與熱管管腔連通；在抽氣孔的外部設置一堵頭孔，在該堵頭孔內(nèi)設置 有同軸設置的內(nèi)堵頭和外堵頭；熱管管腔內(nèi)設置有工作介質(zhì)；端蓋位于熱管管腔冷凝段的 外表面間隔設置有冷凝槽。該發(fā)明能夠有效疏導磨削弧區(qū)熱量，能解決冷卻液難以進入磨 削弧區(qū)進行有效換熱的瓶頸問題。
[0010] 中國專利CN 201410707834. 6公開了一種成型磨削用熱管砂輪，砂輪內(nèi)部設有熱 管管腔，熱管管腔內(nèi)填充工作介質(zhì)，蒸發(fā)端內(nèi)壁面靠近砂輪磨削面，冷凝端原理砂輪磨削 面；砂輪端面上設置有獨立的抽真空接口和封尾接口，抽真空接口用于外接抽真空及注液 裝置，封尾接口包括三個通道，一路連通外界大氣，一路通過位于砂輪內(nèi)部的抽氣槽連通抽 真空接口，一路通過抽氣孔連通熱管管腔，封尾接口匹配封尾模塊，安裝封尾模塊后，封尾 接口與外界大氣隔絕，封尾模塊進行深程度控制抽氣槽與抽氣孔的通斷。目前的熱管砂輪 對于降低磨削區(qū)溫度具有良好的效果，然而考慮到與砂輪配合使用降低磨削區(qū)溫度設備的 換熱問題，熱管砂輪的結(jié)構(gòu)可做進一步的改進。

【發(fā)明內(nèi)容】