一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统的制作方法

本发明属于精密磨削技术领域，涉及一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统。

背景技术：

缓进给磨削砂轮与工件接触弧长，同时工作磨粒多，每一个磨粒又都是一个切削刃，磨削接触弧长，磨屑成丝状，突出的优点为生产效率高，磨削后表面不易产生裂纹、振纹等缺陷，而相应的金属在撕裂变形过程中产生很大的热量，甚至可以将磨屑熔化形成焊珠并使零件表面烧伤。因此缓进给磨削应配强冷却。

缓进给磨削弧区的沸腾换热机理：沸腾有四个阶段，自然对流区，核态沸腾区，过渡沸腾区，膜态沸腾区，发生在弧区的换热机理由于涉及到沸腾与汽液两相流动过程而显得极为复杂，以往将磨削弧区的热疏导简单理解为只需将足量的磨削液引入到弧区便可确保换热效果；在磨削热流密度接近但不超过临界热流密度，磨削液处于泡核核沸腾时，磨削液可以直接从工件表面吸收大量汽化散热，不仅换热效率最高，而且工件表面温度亦可稳定维持在磨削液发生成膜沸腾的临界温度。但磨削热流密度是随着砂轮钝化增长的，上述理想换热状态是无法稳定维持的；在超过临界值的高磨削热流密度下，即使再多的磨削液进入弧区也无济于事，因为磨削液既已处于成膜沸腾状态，工件表面受到覆盖的汽膜层阻挡。

微量润滑是指润滑剂用量非常少的润滑工况。其在切削，高速旋转机构如高速离心机等中采用此种润滑方式。在切削中也叫做最小量润滑，即使用最小量的切削液达到最佳切削效果，是一种金属加工的润滑方式，即半干式切削。通常指将压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油混合汽化后形成含有微米级的液滴油雾，通过喷嘴高速喷射到切削区域或运动副，从而对切削区域或运动副进行有效的冷却和润滑。这种润滑方式叫微量润滑或油气混合润滑。但是现有技术中在切削过程有所应用，在磨削过程中的还没有推广，现有技术中的微量润滑存在雾化粒径和喷射压力正相关的特点，无法将两者剥离开来进行分别控制。

现有技术中，通常采用流体浸润的方式使用磨削液降温，随着磨削技术的发展，又出现了纳米流体润滑技术、喷射供液法、穿流供液法、喷雾冷却法等，在先进制造技术中，研究热点为缓进给磨削方式，此磨削方式的不足在于散热差，容易在磨削弧区造成烧伤，普通的流体浸润磨削液方式降温不理想，缓进给磨削方式的难点在于磨削弧区较长，不仅磨削热产热量高，而且在磨削弧区入口处，由于存在莱顿弗罗斯特效应，汽膜阻挡其他磨削液进入磨削弧区，当前研究人员一般采用增大喷射力度的方式强行冲开汽膜。中国专利cn201711278067.1公开了超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置，相对于同类超声辅助磨削装置，改进了可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，但是仅从超声波的形式上进行了改装，本质上仍然属于超声振动加载到磨削区域的范畴，仍然没有对磨削液的沸腾汽化方式做出改进和研究。

技术实现要素：

本发明提供一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统，可增强双圆磨削过程中的降温效果，提高磨削表面质量。

本发明提供一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统，包括磨削砂轮及与其外切的轧辊，所述磨削系统还包括：砂轮驱动机构、驱动所述磨削砂轮和砂轮驱动机构沿磨削砂轮径向进给的砂轮进给机构、雾炮喷射机构和对所述砂轮驱动机构和雾炮喷射机构进行控制的控制机构；

所述雾炮喷射机构包括：雾炮筒和机箱，所述机箱顶部设有双杆支架，双杆支架的顶端通过转轴与雾炮筒连接；所述机箱内设有储液箱，储液箱内预装有磨削液并在底部安装超声波震荡板，储液箱的顶部为封闭式其一端连通有设于机箱顶部的收集盒，收集盒的顶端连接有供雾管；机箱内固定有定量泵，定量泵的一端与伸入储液箱底部的吸液管连接，定量泵的另一端连接供液管，所述控制机构控制超声波震荡板使储液箱内的磨削液在高频超声波的作用下雾化；

所述雾炮筒内由后至前依次设有轮毂及风叶总成、射流环状管网和雾化环状管网，所述控制机构控制轮毂及风叶总成吸入空气，射流环状管网与供液管相连接，雾化环状管网与供雾管相连接，射流环状管网设有多个喷头，雾化环状管网固定在射流环状管网的前端并设有多个豁口；

所述机箱设置在砂轮一侧，所述雾炮筒的轴线延长线与磨削砂轮和轧辊的接触区相交。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述雾炮筒的后端固定有风机罩，雾炮筒的前端直径小于后端直径，所述射流环状管网和雾化环状管网固定在雾炮筒内壁上，射流环状管网的内圈均匀分布有四组及以上的喷头，喷头朝向雾炮筒轴心设置，雾化环状管网内圈均匀开设有四组及以上豁口。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述雾炮筒的轴线与水平方向的夹角为30度到60度。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述砂轮驱动机构包括：主轴、砂轮架和支撑架；所述主轴一端与磨削砂轮连接，另一端通过皮带轮套接有驱动皮带，主轴与砂轮架的内壁转动连接；砂轮架的中部设有支撑架并通过支撑架与砂轮进给机构相连接，支撑架的侧面安装有轴向超声波振子，砂轮架靠近支撑架的一侧安装有切向超声波振子。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述主轴为空心圆柱结构，砂轮架远离磨削砂轮的一端通过螺栓安装有电机支架，电机支架设为三面结构，电机支架的底面空置，电机支架的端面固定有伺服电机，伺服电机的输出轴穿设于主轴内并通过联轴器紧固连接有安装在磨削砂轮中部的动平衡头。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述砂轮进给机构包括：支撑台、进给机构和支撑机构；所述支撑架一端固定在砂轮架的中部，另一端侧壁通过螺栓连接到支撑台，支撑架的两端均为圆弧结构，底边水平设置且顶边倾斜设置，支撑架整体呈现为大圆角三角形结构，支撑台的一侧设有与砂轮架平行的进给机构，支撑台的底部设有支撑机构，进给机构采用液压动力单元用于驱动支撑台沿磨削砂轮径向运动。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，所述磨削砂轮的轴线与轧辊的轴线在同一水平面上，供液管和供雾管均为螺旋可调管道，供液管为高压胶管，供雾管为橡胶软管，供雾管的直径至少为2厘米。

在本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统中，控制机构包括：电控箱、设置于电控箱内的砂轮动平衡仪、a超声波线路板、b超声波线路板、c超声波线路板、控制卡、驱动器、开关电源以及设置于电控箱上的操作面板；

砂轮动平衡仪、a超声波线路板、b超声波线路板、c超声波线路板、控制卡分别连接到操作面板上；开关电源的一端连接工业用电电缆，另一端分别连接a超声波线路板、b超声波线路板、c超声波线路板、控制卡、伺服电机、定量泵为其供电；

所述砂轮动平衡仪与伺服电机电连接，驱动动平衡头调节磨削砂轮的动平衡；超声波线路板控制超声波震荡板发射超声波，使储液箱内的磨削液在高频超声波的作用下雾化；b超声波线路板控制轴向超声波振子为砂轮提供轴向超声振动；c超声波线路板控制切向超声波振子为砂轮提供切向超声振动；控制卡依次与驱动器、轮毂及风叶总成电连接，启动轮毂及风叶总成从雾炮筒后端吸入空气；控制卡与定量泵电连接。

本发明的一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统至少具有以下有益效果：

1、雾炮筒前端喷出的空气、雾化磨削液混合物会呈柱形喷出，沿着雾炮筒的轴线方向喷射到磨削砂轮和轧辊的接触区，雾化磨削液以核沸腾形式持续汽化散热，提高了散热效率；

2、雾炮筒的轴线与水平方向的夹角为30度到60度设计，既能将混合物喷射到磨削接触区，又不会阻挡汽化后的磨削液向上发散，同时避免阻挡向上升腾的热气流；

3、高速流动的空气一方面可以降低一小部分磨削区域的温度，另一方面可以促进雾化磨削液蒸发汽化大量吸热，高速流动的射流环状管网上喷头喷出的雾化磨削液粒径较大，带来更大的冲击力，辅助抑制汽膜层的生成，高速流动的雾化环状管网上豁口喷出的雾化磨削液粒径较小，达到微米级，在接触磨削区后直接汽化散热，避免大量磨削液在磨削区生成汽膜层；

4、根据磨削温度变化情况，可以自主调节空气、射流环状管网喷出的雾化磨削液、雾化环状管网喷出的雾化磨削液的速度和比例，在降低磨削区温度的前提下，提高磨削液和能源的利用率，减少对环境的影响，响应绿色制造和智慧制造的指导思想；

5、单独使用雾炮筒和雾化环状管网时，采用微量润滑的方式实现绿色制造，提高磨削过程的环保性能，融合了干式磨削与传统湿式磨削两者的优点，雾化粒径和喷射压力分别单独控制，解决了现有技术中雾化粒径和喷射压力之间依赖性的问题。

6、轴向超声振动和切向超声振动形式辅助磨削过程，提高了磨削表面质量，辅助破坏汽膜层的生成，方便了磨削区散热；

7、由于轧辊表面的损伤程度和损伤形式的差异，在损伤较大的方向上，需要的超声波振动幅度较大，为了提高磨削效果，对超声振动辅助磨削的方向性具有一定的要求，还可以分别调节轴向超声波振子的功率和切向超声波振子的功率，以适应多种轧辊表面损伤形式。

附图说明

图1为本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统的左侧视图；

图2为本发明的带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统的右侧视图；

图3为雾炮筒的结构示意图；

图4为机箱的结构示意图；

图5为控制机构的框图。

图中：1、磨削砂轮；2、轧辊；3、主轴；4、砂轮架；5、机箱；6、角铁支架；7、双杆支架；8、雾炮筒；9、射流环状管网；10、雾化环状管网；11、供液管；12、定量泵；13、供雾管；14、电控箱；15、储液箱；16、超声波震荡板；17、收集盒；18、吸液管；19、支撑架；20、轴向超声波振子；21、切向超声波振子；22、电机支架；23、伺服电机；24、动平衡头；25、驱动皮带；26、风机罩；27、轮毂及风叶总成；28、喷头；29、豁口；30、支撑台；31、进给机构；32、支撑机构；33、砂轮动平衡仪；34、a超声波线路板；35、b超声波线路板；36、c超声波线路板；37、控制卡；38、驱动器；39、开关电源；40、操作面板。

具体实施方式

如图1至5所示本发明的一种带改进雾炮的超声辅助汽化降温双圆磨削系统，包括：磨削砂轮1、轧辊2、砂轮驱动机构、砂轮进给机构、雾炮喷射机构和对砂轮驱动机构和雾炮喷射机构进行控制的控制机构。磨削砂轮1与轧辊2外切设置，砂轮进给机构用于驱动磨削砂轮1和砂轮驱动机构沿磨削砂轮1径向做进给运动。

所述雾炮喷射机构包括：雾炮筒8和机箱5，所述机箱5顶部设有双杆支架7，双杆支架7的顶端通过转轴与雾炮筒8连接，雾炮筒8的一侧设有与转轴螺纹连接的锁紧螺母以将雾炮筒8固定在特定角度。所述机箱5内设有储液箱15，储液箱15内预装有磨削液并在底部安装超声波震荡板16，储液箱15的顶部为封闭式其一端连通有设于机箱5顶部的收集盒17，收集盒17的顶端连接有供雾管13。定量泵12固定在机箱5内壁上，定量泵12的一端与伸入储液箱15底部的吸液管18连接，定量泵12的另一端连接供液管11。控制机构控制超声波震荡板16使储液箱15内的磨削液在高频超声波的作用下雾化。

所述雾炮筒8内由后至前依次设有轮毂及风叶总成27、射流环状管网9和雾化环状管网10。所述控制机构控制轮毂及风叶总成27吸入空气，射流环状管网9与供液管11相连接，雾化环状管网10与供雾管13相连接，射流环状管网9设有多个喷头28。雾化环状管网10固定在射流环状管网9的前端并设有多个豁口29。

所述机箱5通过角铁支架6水平焊接在磨削砂轮1一侧，所述雾炮筒8的轴线延长线与磨削砂轮1和轧辊2的接触区相交。所述雾炮筒8的轴线与水平方向的夹角为30度到60度。所述磨削砂轮1的轴线与轧辊2的轴线在同一水平面上。

所述雾炮筒8的后端固定有风机罩26，雾炮筒8的前端直径小于后端直径，所述射流环状管网9和雾化环状管网10固定在雾炮筒8内壁上，射流环状管网9的内圈均匀分布有四组及以上的喷头28，喷头28朝向雾炮筒8轴心设置，雾化环状管网10内圈均匀开设有四组及以上豁口29。

所述砂轮驱动机构包括：主轴3、砂轮架4和支撑架19。所述主轴3一端与磨削砂轮1连接，另一端通过皮带轮套接有驱动皮带25，主轴3与砂轮架4的内壁转动连接。砂轮架4的中部设有支撑架19并通过支撑架19与砂轮进给机构相连接。支撑架19的侧面安装有轴向超声波振子20，砂轮架4靠近支撑架19的一侧安装有切向超声波振子21。所述主轴3为空心圆柱结构，砂轮架4远离磨削砂轮1的一端通过螺栓安装有电机支架22，电机支架22设为三面结构，电机支架22的底面空置供驱动皮带25导入，电机支架22的端面固定有伺服电机23，伺服电机23的输出轴穿设于主轴内并通过联轴器紧固连接有安装在磨削砂轮1中部的动平衡头24。

所述砂轮进给机构包括：支撑台30、进给机构31和支撑机构32。所述支撑架19一端固定在砂轮架4的中部，另一端侧壁通过螺栓连接到支撑台30，支撑架19的两端均为圆弧结构，底边水平设置且顶边倾斜设置，支撑架19整体呈现为大圆角三角形结构，支撑台30的一侧设有与砂轮架4平行的进给机构31，支撑台30的底部设有支撑机构32，进给机构31采用液压动力单元用于驱动支撑台30沿砂轮径向运动。

具体实施时，供液管11和供雾管13均为螺旋可调管道，供液管11为高压胶管，供雾管13为橡胶软管，供雾管13的直径至少为2厘米。

控制机构包括：电控箱14、设置于电控箱14内的py2700-g型砂轮动平衡仪33、a超声波线路板34、b超声波线路板35、c超声波线路板36、控制卡37、驱动器38、开关电源39以及设置于电控箱14上的操作面板40。砂轮动平衡仪33、a超声波线路板34、b超声波线路板35、c超声波线路板36、控制卡37分别连接到操作面板40上。开关电源39的一端连接工业用电电缆，另一端分别连接a超声波线路板34、b超声波线路板35、c超声波线路板36、控制卡37、伺服电机23、定量泵12为其供电。

所述砂轮动平衡仪33与伺服电机23电连接，驱动动平衡头24调节磨削砂轮1的动平衡。a超声波线路板34控制超声波震荡板16发射超声波，使储液箱15内的磨削液在高频超声波的作用下雾化。b超声波线路板35控制轴向超声波振子20为砂轮提供轴向超声振动；c超声波线路板36控制切向超声波振子21为砂轮提供切向超声振动。控制卡37依次与驱动器38、轮毂及风叶总成27电连接，启动轮毂及风叶总成从雾炮筒8后端吸入空气；控制卡37与定量泵12电连接。

具体实施时，磨削砂轮1的外表面和与其接触的轧辊2的外表面之间进行磨削过程，雾炮筒8作为雾柱的喷射机构，在储液箱15内预装搅拌均匀的磨削液，启动电控箱14，通过a超声波线路板34控制超声波震荡板16发射超声波，将超声波震荡板16上的磨削液在高频超声波的作用下雾化，超声波的频率可以调节到28khz或42khz，超声波雾化后的磨削液通过收集盒17沿着供雾管13向上流动到雾炮筒8前端的雾化环装管网10上，雾化环装管网上均匀分布的豁口29用于超声波雾化后的磨削液均匀分布在雾炮筒8前端，通过电控箱14调节定量泵12的速度，使磨削液以一定的速度输送到雾炮筒8前端的射流环状管网9，通过射流环状管网9上的喷头28雾化喷射到雾炮筒8前端，启动轮毂及风叶总成27，从雾炮筒8后端吸入空气，经过雾炮筒8之后从雾炮筒8前端喷出，由于雾炮筒8前端直径小于雾炮筒8后端直径，空气会进一步增压，空气从雾炮筒8前端喷出时带出分别通过射流环状管网9、雾化环状管网10流出的雾化后的磨削液，根据普通雾炮结构的原理，雾炮筒8前端喷出的空气、雾化磨削液混合物会呈柱形喷出，沿着雾炮筒8的轴线方向喷射到磨削砂轮1和轧辊2的接触区，同时雾炮筒8的轴线与水平方向的夹角为30度到60度设计，既能将混合物喷射到磨削接触区，又不会阻挡汽化后的磨削液向上发散，同时避免阻挡向上升腾的热气流。混合物中高速流动的空气一方面可以降低一小部分磨削区域的温度，另一方面可以促进雾化磨削液蒸发汽化大量吸热，混合物中高速流动的射流环状管网9上喷头28喷出的雾化磨削液粒径较大，带来更大的冲击力，辅助抑制汽膜层的生成；混合物中高速流动的雾化环状管网10上豁口29喷出的雾化磨削液粒径较小，达到微米级，在接触磨削区后直接汽化散热，避免大量磨削液在磨削区生成汽膜层，由于存在莱顿弗罗斯特效应，出现汽膜层阻挡其他磨削液进入磨削弧区是引起烧伤的重要原因，汽膜层将磨削液的散热形式从核沸腾状态转移到膜沸腾状态，两种汽化散热状态的散热效率差距在十倍以上。根据磨削温度变化情况，可以自主调节空气、射流环状管网9喷出的雾化磨削液、雾化环状管网10喷出的雾化磨削液的速度和比例，调节原则为低温区空气含量高，高温区雾化环状管网10喷出的雾化磨削液含量高且混合物流速大，在降低磨削区温度的前提下，提高磨削液和能源的利用率，减少对环境的影响，响应绿色制造和智慧制造的指导思想。通过b超声波线路板35控制轴向超声波振子20为砂轮提供轴向超声振动，通过c超声波线路板36控制切向超声波振子21为砂轮提供切向超声振动，轴向超声振动和切向超声振动形式辅助磨削过程，提高了磨削表面质量，辅助破坏汽膜层的生成，方便了磨削区散热；由于轧辊2表面的损伤程度和损伤形式的差异，在损伤较大的方向上，需要的超声波振动幅度较大，为了提高磨削效果，对超声振动辅助磨削的方向性具有一定的要求，还可以分别调节轴向超声波振子20的功率和切向超声波振子21的功率，以适应多种轧辊2表面损伤形式。

磨削过程中砂轮的磨损会造成动不平衡，电机支架22上的伺服电机23驱动动平衡头24调节磨削砂轮1的动平衡，减少由于动不平衡造成的自激振动，避免给轧辊2带来振纹等振动类缺陷，降低振动类损伤给磨削降温造成的困扰。主轴3靠近电机支架22的一端通过皮带轮套接有驱动皮带25，通过皮带传动能减少外界振动量对磨削砂轮1的影响，雾炮筒8后端固定的风机罩26能过滤一部分硬质杂物，避免工业厂房内的硬质杂物对雾炮系统造成损伤，支撑架19的大圆角三角形结构设计以适宜的刚度提高了磨削过程的稳定性，砂轮架4的上表面设有三轴振动传感器，三轴振动传感器通过电路与py2700-g型砂轮动平衡仪33连接，py2700-g型砂轮动平衡仪33用于根据振动情况调节伺服电机23的转动量，实现砂轮动平衡。

本发明通过a超声波线路板34控制雾化粒径，频率越高雾化粒径越小，通过轮毂及风叶总成27控制喷射压力，雾化粒径和喷射压力分别单独控制，解决了现有技术中雾化粒径和喷射压力之间依赖性的问题。采用微量润滑的方式实现绿色制造，提高磨削过程的环保性能，融合了干式磨削与传统湿式磨削两者的优点：一方面，将磨削液的用量降低到微量的程度，不仅显著降低磨削液的使用成本，大幅度地降低了磨削液对环境和人体的危害；另一方面，与干式磨削相比，由于引入了冷却润滑介质，使得磨削过程的冷却润滑条件大大改善，刀具、工件和切屑之间的磨损显著减小，有助于降低磨削力、磨削温度和刀具的磨损，提高了加工质量。雾化粒径和喷射压力分别单独控制，解决了现有技术中雾化粒径和喷射压力之间依赖性的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。