納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，它可提高霧滴譜的均勻性、沉積效率和液體有效利用率，有效控制霧滴運動規(guī)律，降低環(huán)境污染。它包括可調(diào)式納米流體供給回路和可調(diào)式氣體供給回路，兩回路均與噴嘴連接，氣體與磨削液在噴嘴內(nèi)混合完成后并一同噴出磨削液霧滴噴在工件上的磨削區(qū)；采用兩個共聚焦顯微鏡對磨削液霧滴進行掃描，一個共聚焦顯微鏡位于與工件表面垂直的方向并進行xy向運動，另一個位于與工件表面平行的方向并進行xz向移動，分別采集落在工件表面上同一單顆液滴的側(cè)面視圖和俯視圖，并將掃描后圖像送入計算機處理，得到單顆液滴的分布規(guī)律并模擬出霧滴的輪廓形態(tài)，從而確定出單顆磨削液霧滴的粒徑大小。
【專利說明】納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種機械加工中磨削液噴射到工件上霧滴測量方法和裝置，具體為一種納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]納米射流微量潤滑是基于強化換熱理論建立的，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(dǎo)熱系數(shù)要比流體材料大幾個數(shù)量級。在微量潤滑介質(zhì)中添加固體粒子，可顯著增加流體介質(zhì)的導(dǎo)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(指尺寸為1-1OOnm的超細微小固體顆粒)在潤滑與摩擦學(xué)方面還具有特殊的抗磨減摩和高承載能力等摩擦學(xué)特性。納米射流微量潤滑就是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、潤滑劑(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)。
[0003]目前，微量潤滑磨削中微量潤滑劑在高壓氣體的攜帶作用下注入磨削區(qū)，即砂輪/工件界面的楔形區(qū)域。為了降低加工成本及冷卻液對環(huán)境和工人健康的危害，學(xué)者們提出了干式切削技術(shù)。但干式切削技術(shù)由于加工冷卻潤滑能力不足，極大降低了刀具的使用壽命和工件表面質(zhì)量，嚴重時甚至發(fā)生工件表面燒傷，特別在磨削加工時，由于去除材料消耗的比能較大，磨削區(qū)溫度常常較高。為了解決這一難題，學(xué)者們提出了微量潤滑(MQL)技術(shù)，這項技術(shù)在保證了潤滑性能的同時，大大降低了切削液的使用量，但冷卻性能并不理想。根據(jù)強化換熱理論，學(xué)者們又提出了納米射流微量潤滑技術(shù)。納米射流微量潤滑技術(shù)，是將微量潤滑液、固態(tài)納米粒子及壓縮空氣混合，通過霧化噴嘴形成三相流，以霧狀的形態(tài)噴入到切削區(qū)。BINSHEN等人針對納米射流微量潤滑的冷卻性能進行了實驗分析，同時指出雖然納米粒子有良好的換熱特性，但它的對流換熱及沸騰換熱特性在納米粒子射流微量潤滑磨削中起到更為主要的作用。三相流以霧狀的形態(tài)噴入切削區(qū)，根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)的不同在噴射過程中產(chǎn)生的微粒粒徑也有所不同。
[0004]但公開的技術(shù)方案中都沒有涉及微量潤滑磨削潤滑劑噴射到工件上霧滴粒徑大小測量方法和裝置，如何測量納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑分布規(guī)律及表面形態(tài)對保證磨削性能至關(guān)重要。
[0005]當切削液噴向切削區(qū)時，會與高速旋轉(zhuǎn)的工件或刀具發(fā)生激烈碰撞，或在到達切削區(qū)后由于高溫發(fā)生蒸發(fā)，這就導(dǎo)致了最終懸浮微粒的形成非常復(fù)雜，機械、物理及化學(xué)等因素相互交織，共同作用。在傳統(tǒng)澆注式潤滑中，形成懸浮微粒的機理有兩種。一種是由于切削區(qū)的高溫使切削液氣化，飄散到空氣中冷凝形成懸浮微粒。另一種是由于切削液與高速旋轉(zhuǎn)的刀具或工件發(fā)生激烈碰撞，直接破碎霧化成更小的懸浮微粒。Chen等人給出了澆注式潤滑加工時懸浮微粒的形成模型，旋轉(zhuǎn)圓盤圓周霧化模型。在這個模型中液滴形成分為三個階段，液膜形成階段、液帶形成階段以及液滴形成階段。并且還給出了霧化后微粒粒徑的計算公式。然而干式磨削中由于缺少切削液的存在，金屬材料在加工時會產(chǎn)生大量的固體粉塵，這些粉塵飄散到空氣中形成了懸浮微粒。在納米射流微量潤滑加工過程中最終懸浮微粒的形成，主要由霧化、蒸發(fā)以及飄散三種作用機理決定。霧化作用機理是將機械能轉(zhuǎn)化為液滴表面能的過程，主要是由于噴射的三相流與高速旋轉(zhuǎn)的砂輪激烈碰撞，使三相流中的液滴進一步破碎成粒徑更小的霧滴。蒸發(fā)的作用機理是，由于在磨削區(qū)會產(chǎn)生大量的熱，進入到磨削區(qū)的磨削液在高溫的作用下蒸發(fā)到周圍空氣中，在空氣中又冷凝為粒徑細小的液滴。飄散的作用機理是，由于霧化噴嘴噴射的油霧液滴直徑較小，且有納米粒子存在，在壓縮空氣作用下，一些微粒就會吹散到空氣中形成懸浮微粒。在這三種機理作用下產(chǎn)生的微粒粒徑十分小，導(dǎo)致了微粒易于飄散到空氣中，并長期滯留在空氣中。這些細小的粒子懸浮在空氣中，形成危害極大的氣溶膠，對工人健康產(chǎn)生的危害是極大的。從懸浮微粒形成的作用機理可以看出，使用納米射流微量潤滑時與傳統(tǒng)澆注式潤滑不同的是，會產(chǎn)生一部分漂散的懸浮微粒。
[0006]總之，在使用微量潤滑進行金屬切削時懸浮微粒的產(chǎn)生主要有三種途徑:
[0007]I)霧化噴嘴噴射時產(chǎn)生的油霧及細小的納米粒子，發(fā)生飄散懸浮于空氣中形成的懸浮微粒。
[0008]2)因噴射的三相流與高速旋轉(zhuǎn)的刀具或工件發(fā)生激烈碰撞，使切削液進一步霧化產(chǎn)生粒徑更小的微粒，這些微粒飄散并滯留在空氣中形成的懸浮微粒。
[0009]3)由于切削區(qū)的產(chǎn)生的熱(特別是磨削區(qū))，導(dǎo)致的蒸發(fā)或灼燒產(chǎn)生的煙霧，氣化或飄散到空氣中形成懸浮微粒。這些懸浮微粒長期滯留在空氣中，使空氣中懸浮微粒含量明顯超標，這對于工人的健康是極其有害的，特別是納米粒子形成的懸浮微粒，由于它的特性一旦被吸入人體就會嚴重危害人體健康。
[0010]液體被霧化后的液滴群一般由大小不等的液滴顆粒組成，為了描述和評定液滴群的霧化質(zhì)量和表示其霧化特性，需要一個既可以表示顆粒直徑大小又可以表示不同直徑顆粒的數(shù)量或質(zhì)量的方式，即所謂的液滴尺寸分布表達式?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的液滴分布表達式都是經(jīng)驗公式，至今還沒有從理論上得到能夠詳細描述液體顆粒分布的表達式。在噴嘴霧化特性諸參數(shù)中，最為難測量的是霧化后的液滴尺寸和尺寸分布，而這兩個參數(shù)又是衡量噴嘴霧化特性優(yōu)劣的不可缺少的指標。因此，噴嘴霧化特性的實驗研究實際上主要是圍繞發(fā)展和提高液滴尺寸及其分布的測量技術(shù)而展開。近年來，激光測霧技術(shù)的發(fā)展主要在以下幾個方面:①利用粒子散射、衍射原理發(fā)展的激光散射、衍射測量技術(shù)；②利用激光全息原理發(fā)展的全息照相測霧技術(shù)；③利用激光干涉多普勒測速原理的相位多普勒測速、測霧技術(shù)；④三維激光相位多普勒方法。所有這些技術(shù)目前都隨著測量元件和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展而日益完善，可滿足對霧化特性試驗研究和工程測量的需要。
[0011]當激光照射到相對運動的物體上時，被物體散射(或反射)的光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為光的多普勒效應(yīng)。相應(yīng)地，將散射(或反射)的光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。如同聲波的多普勒效應(yīng)一樣，光源與物體相對運動時也具有多普勒效應(yīng)。但是在激光器出現(xiàn)以前，要得到頻譜窄、能量集中的光源是不容易的。激光作為一種新型光源的出現(xiàn)為利用光波的多普勒效應(yīng)創(chuàng)造了條件。在激光多普勒測速儀中，依靠運動微粒散射光與照射光之間光波的頻差(或稱頻移)來獲得速度信息。這里存在著光波從(靜止的)光源，(運動的)微粒，(靜止的)光檢測器三者之間的傳播關(guān)系。當一束具有單一頻率的激光照射到一個運動微粒上時，微粒接收到的光波頻率與光源頻率會有差異，其增減的大小與微粒運動速度以及照射光與速度方向之間的交角有關(guān)。如果用一個靜止的光檢測器(如光電倍增管)來接收運動微粒的散射光，那么觀察到的光波頻率就經(jīng)歷了兩次多普勒效應(yīng)。
實用新型內(nèi)容
[0012]本實用新型的目的就是為解決目前微量潤滑磨削潤滑劑噴射到工件上霧滴粒徑大小不易測量的問題，提供一種納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，它結(jié)合顯微技術(shù)測量納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴在工件表面分布的粒徑大小，使霧滴在工件表面的分布清晰可見，掃描得到單顆霧滴的形態(tài)輪廓，從而可以計算出霧滴的粒徑大小，有助于研究射流微量潤滑磨削霧滴的分布規(guī)律，提高納米粒子微量潤滑磨削液的有效利用率，提高磨削性能，降低對環(huán)境的污染，為工作人員提供了更好的健康保障。
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0014]一種納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑測量裝置，它包括可調(diào)式納米流體供給回路和可調(diào)式氣體供給回路，所述兩回路均與噴嘴連接，氣體與磨削液在噴嘴內(nèi)混合完成后并一同噴出磨削液霧滴；磨削液霧滴噴在工件上的磨削區(qū)；采用兩個基于多普勒效應(yīng)的共聚焦顯微鏡對磨削液霧滴進行多方位的掃描，一個共聚焦顯微鏡位于與工件表面垂直的方向并進行xy向運動，另一個位于與工件表面平行的方向并進行Xz向移動，所述兩聚焦顯微鏡分別采集落在工件表面上同一單顆液滴的側(cè)面視圖和俯視圖，并將掃描后圖像送入計算機處理，得到單顆液滴的分布規(guī)律并模擬出霧滴的輪廓形態(tài)，從而確定出單顆磨削液霧滴的粒徑大小。
[0015]所述各共聚焦顯微鏡均包括:光源、顯微光學(xué)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)，光源為顯微光學(xué)系統(tǒng)提供探測光，顯微光學(xué)系統(tǒng)是一套共焦系統(tǒng)，對磨削液霧滴進行掃描；檢測系統(tǒng)接收掃描圖像送入計算機進行處理；整個共聚焦顯微鏡安裝在絲杠導(dǎo)軌上移動。
[0016]所述顯微光學(xué)系統(tǒng)包括一個置于光源前方的擴光器，擴光器后方是第一凸透鏡，第一凸透鏡后方是一個半反半透鏡，探測光由半反半透鏡反射到掃描鏡，掃描鏡前方為第二凸透鏡，第二凸透鏡將探測管聚焦到被測磨削霧滴；磨削霧滴的反射光經(jīng)第二凸透鏡、掃描鏡、半反半透鏡后會聚到第三凸透鏡，在第三凸透鏡前方是帶有針孔的擋板，針孔對應(yīng)處是檢測系統(tǒng)的探測器，探測器與計算機連接。
[0017]所述可調(diào)式納米流體供給回路中，基液經(jīng)流量計送入儲液罐，同時納米粒子也送入儲液罐，儲液罐與基液充分混合；儲液罐經(jīng)液壓泵與輸送管道連接，輸送管道與噴嘴連接；在輸送管道上設(shè)有流量計II以及壓力傳感器、溢流閥，溢流閥通過管道與儲液罐連接，當管道中磨削液的壓力高于上限壓力時，磨削液經(jīng)溢流閥降壓，溢出的磨削液回流到儲液罐中；輸送管道上還并聯(lián)過濾器I和堵塞探測器，過濾器I堵塞時磨削液就改變流動方向流向堵塞探測器，堵塞探測器立即給予報警提醒更換過濾器或停止工作。
[0018]所述儲液罐置于超聲波振動器的超聲場中，使基液與納米粒子達到完全混合均勻的狀態(tài)。
[0019]所述可調(diào)式氣體供給回路中，氣缸通過過濾器II與氣壓泵連接，氣壓泵通過氣體管道與噴嘴連接，在氣體管道上設(shè)有流量計II1、降壓閥和節(jié)流閥，氣體流經(jīng)節(jié)流閥時節(jié)流閥通過改變閥口通流面積限制流過的氣體流量。
[0020]一種采用納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑測量裝置的測量方法，它的過程為:
[0021]I)納米流體經(jīng)噴嘴形成磨削霧滴并送入工件的磨削區(qū)；
[0022]2)利用與工件表面垂直的共聚焦顯微鏡獲得視野內(nèi)全部單顆霧粒圖；
[0023]3)利用兩個共聚焦顯微鏡同時獲取同一單顆霧粒的側(cè)視圖和俯視圖；
[0024]4)將步驟3)中該單顆霧粒的側(cè)視圖根據(jù)其與工件表面的接觸角Θ I和Θ 2以及高度h，據(jù)此將磨削霧滴圖解析為兩個橢圓合成，并得到相應(yīng)的橢圓方程；將該單顆霧粒的俯視圖解析為兩個相切的橢圓合成，并得到相應(yīng)的橢圓方程；
[0025]5)將步驟4)的信息送入計算機，得到磨削霧滴形態(tài)輪廓的三維方程式；
[0026]6)計算機根據(jù)共聚焦顯微鏡的顯示得到單顆霧滴的坐標，形成一個數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過數(shù)據(jù)重組后可以模擬出霧滴的形態(tài)，計算出霧滴的粒徑大小。
[0027]所述步驟4)中，根據(jù)接觸角01和Θ 2，高h，解析為由橢圓E1。和橢圓E2。合成的，以橢圓E2e的圓心O2建立直角坐標系，兩個橢圓在y軸的B點相切，橢圓E1。水平方向到y(tǒng)軸的距離AD=I1，橢圓E2。水平方向到y(tǒng)軸的距離⑶=I2，橢圓Eic的圓心O1和橢圓E2c圓心O2間距離O1O2=L,假設(shè)此平面為XOY面，則橢圓Eie和橢圓E2e的解析方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，它包括可調(diào)式納米流體供給回路和可調(diào)式氣體供給回路，所述兩回路均與噴嘴連接，氣體與磨削液在噴嘴內(nèi)混合完成后并一同噴出磨削液霧滴；磨削液霧滴噴在工件上的磨削區(qū)；采用兩個基于多普勒效應(yīng)的共聚焦顯微鏡對磨削液霧滴進行多方位的掃描，一個共聚焦顯微鏡位于與工件表面垂直的方向并進行Xy向運動，另一個位于與工件表面平行的方向并進行XZ向移動，所述兩聚焦顯微鏡分別采集落在工件表面上同一單顆液滴的側(cè)面視圖和俯視圖，并將掃描后圖像送入計算機處理，得到單顆液滴的分布規(guī)律并模擬出霧滴的輪廓形態(tài)，從而確定出單顆磨削液霧滴的粒徑大小。
2.如權(quán)利要求1所述的納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，所述各共聚焦顯微鏡均包括:光源、顯微光學(xué)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)，光源為顯微光學(xué)系統(tǒng)提供探測光，顯微光學(xué)系統(tǒng)是一套共焦系統(tǒng)，對磨削液霧滴進行掃描；檢測系統(tǒng)接收掃描圖像送入計算機進行處理；整個共聚焦顯微鏡安裝在絲杠導(dǎo)軌上移動。
3.如權(quán)利要求2所述的納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，所述顯微光學(xué)系統(tǒng)包括一個置于光源前方的擴光器，擴光器后方是第一凸透鏡，第一凸透鏡后方是一個半反半透鏡，探測光由半反半透鏡反射到掃描鏡，掃描鏡前方為第二凸透鏡，第二凸透鏡將探測管聚焦到被測磨削霧滴；磨削霧滴的反射光經(jīng)第二凸透鏡、掃描鏡、半反半透鏡后會聚到第三凸透鏡，在第三凸透鏡前方是帶有針孔的擋板，針孔對應(yīng)處是檢測系統(tǒng)的探測器，探測器與計算機連接。
4.如權(quán)利要求1所述的納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，所述可調(diào)式納米流體供給回路中，基液經(jīng)流量計送入儲液罐，同時納米粒子也送入儲液罐，儲液罐與基液充分混合；儲液罐經(jīng)液壓泵與輸送管道連接，輸送管道與噴嘴連接；在輸送管道上設(shè)有流量計II以及壓力傳感器、溢流閥，溢流閥通過管道與儲液罐連接，當管道中磨削液的壓力高于上限壓力時，磨削液經(jīng)溢流閥降壓，溢出的磨削液回流到儲液罐中；輸送管道上還并聯(lián)過濾器I和堵塞探測器，過濾器I堵塞時磨削液就改變流動方向流向堵塞探測器，堵塞探測器立即給予報警提醒更換過濾器或停止工作。
5.如權(quán)利要求4所述的納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，所述儲液罐置于超聲波振動器的超聲場中，使基液與納米粒子達到完全混合均勻的狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1所述的納米粒子射流微量潤滑磨削霧滴粒徑的測量裝置，其特征是，所述可調(diào)式氣體供給回路中，氣缸通過過濾器II與氣壓泵連接，氣壓泵通過氣體管道與噴嘴連接，在氣體管道上設(shè)有流量計II1、降壓閥和節(jié)流閥，氣體流經(jīng)節(jié)流閥時節(jié)流閥通過改變閥口通流面積限制流過的氣體流量。
【文檔編號】G01N15/02GK203432882SQ201320582631
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】張東坤, 李長河 申請人:青島理工大學(xué)