纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磨削加工工艺与装置，具体为纳米流体静电雾化与电卡热管集成 的微量润滑磨削装置。
【背景技术】
[0002] 磨削加工是精加工的重要加工工艺，其加工过程是使用砂轮与工件相互作用，由 于砂轮表面磨粒通常为负前角切削，因此磨削加工过程中产生的热量远大于其他加工形 式。磨粒在磨削工件材料时消耗大量的机械能而转化成热量，磨削界面的热量极少一部分 通过磨肩带走，90%以上的热量传递到砂轮和工件基体上，对砂轮使用寿命和工件使用性 能产生严重影响。磨削高温使砂轮表面磨粒表层弱化，磨损加剧，造成磨粒脱离等现象，缩 短了砂轮的使用寿命。大量磨削热传递到工件上时，在表面层极易产生残余应力，甚至在表 面产生裂纹等现象，对工件的尺寸精度和形状精度产生影响，当温度到某一极限时，使工件 表面发生磨削烧伤，更有可能使工件表层金相组织发生改变，严重影响工件的抗疲劳、抗磨 损性能，降低了工件的使用性和可靠性。磨削界面的热量如果不能得到及时散热，则极易导 致热损伤。
[0003] 微量润滑磨削加工是一种绿色加工技术，它是指将极其微量的润滑液和具有一定 压力的气体混合雾化后，喷射到磨削区起到冷却润滑作用的一种磨削加工技术，冷却和排 肩作用主要依靠高压气体来实现。微量润滑磨削单位砂轮宽度采用的磨削液为30-100ml， 而浇注式磨削采用的磨削液为60L/h ;但微量润滑达到甚至超过了浇注式的润滑效果，同 时磨削液的用量显著下降。纳米粒子射流微量润滑是在微量润滑的基础上，将一定量的纳 米级固体颗粒加入到可降解的微量润滑油中形成纳米流体，通过高压空气将纳米流体进行 雾化，并以射流的方式送入磨削区。由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于液体和气 体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级，悬浮有金属、非金属或聚合物 固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得多。如果在微量润滑介质中添加固体粒子，可 以显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力，极大弥补微量润滑冷却能力不 足的缺陷。此外，纳米粒子（是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（I-IOOnm) 的超细微小固体颗粒）在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减摩和高承载能力等摩擦 学特性。将纳米级固体粒子加入微量润滑流体介质中制成纳米流体，即纳米粒子、润滑液 (油、或油水混合物）与高压气体混合雾化后以射流形式喷入磨削区。纳米粒子射流微量润 滑磨削就是提供一种具有微量润滑技术的优点、并具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性 的创新磨削工艺以及实现该工艺的专用设备，能够有效解决磨削烧伤，提高工件表面完整 性，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产。
[0004] 电卡效应也称热电效应，是极性材料在外加电场的作用下使其极化状态发生改 变，从而产生绝热温变或者等温上变。电卡效应的基本思路是在外加电场的作用下材料的 极化状态发生改变，导致熵的变化，进而使材料产生温变。因此，利用外加电场改变材料的 极化状态能够实现温度的调控，从而实现制冷。电卡效应制冷的基本原理为对极性材料施 加电场，材料中的电偶极子从无序变为有序，材料的熵减小，在绝热条件下，多余的熵产生 温度的上升。移去电场，材料中的电偶极子从有序变为无序，材料的熵增加，在等温条件 下，材料从外界吸收热量使能量守恒。或在绝热条件下，不足的熵导致材料温度的下降，其 整个过程类似一个卡诺循环。对于一个理想的制冷循环，电场移去时电卡材料能从接触的 负载吸收热量（等温熵变）。然后电卡材料与负载分开，此时若对电卡材料施加电场，材料 的温度将会升高（绝热温变）。将电卡材料与散热片接触，多余的热量将要释放出去，使得 电卡材料的温度与室温一致。然后，电卡材料与散热片断开，并与负载相接触。移去电场， 电卡材料的温度降低，并从负载处吸收热量。重复整个过程，负载的温度会不断降低。这 就是电卡制冷机的基本原理。目前，电卡制冷在微机电系统（MEMS)中的应用较多，其优点 在于：结构简单、无机械运动部件；体积小，特别适合局部降温；启动速度快、控制灵活；无 机械压缩，制冷效率高，成本低；无压缩气体和制冷剂，对环境无危害，是一种极具发展前景 的新型制冷技术。
[0005] 在众多传热元件中，热管是目前人们所知道的最为有效的传热元件之一，它可以 依靠自身内部工作液体的相变实现将大量热量通过很小的截面积远距离的传输而无需外 加动力。所谓热管砂轮是指通过采用适当的方法在砂轮基体中形成热管结构和功能，从而 将砂轮自身的导热能力较传统普通砂轮显著提高，使得磨削弧区的热量还能够直接导入热 管蒸发端并经由热管传热作用迅速疏导出去，以达到减少磨削弧区热量积累，降低磨削温 度的目的，从而避免工件材料在进行高效磨削加工时出现的工件烧伤。
[0006] 中国专利CN 201310634991. 4公开了一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运 微量润滑磨削装备，通过在电晕区周围增加磁场，提高液滴的荷电量；其外部设有高压直流 静电发生器和磁场形成装置的喷嘴；喷嘴与纳米粒子供液系统、供气系统连接；高压直流 静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工 件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；在静电放电的电晕区周 围是磁场形成装置；纳米流体在磨削液从喷嘴的喷头喷出雾化成液滴的同时在高压直流静 电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。该设备采用的静电雾化喷 嘴为一体化喷嘴，加工制作相对繁琐，而且无法与其他设备进行组合，因此还需进一步的改 进优化。
[0007] 中国专利CN 200410009666. X公开了一种微制冷器及其制冷方法，特别涉及铁电 堆阵列微小制冷器及其制冷方法。它以弛豫铁电材料我制冷工质，采用η层铁电堆，mX 1铁 电堆阵列，共nXmX 1个单元制冷片构成微制冷器；每个制冷片采用快速加电场和慢速去 电场的电场诱导相变制冷的方法；在不同行列中，同一层制冷片或隔层制冷片以同样的方 式工作，各层制冷片加（去）电场工作具有特定的时序和循环；铁电堆阵列之间交替工作。
[0008] 中国专利CN 201320028572. 1公开了一种微型制冷器，它包括在电场作用下吸收 或释放热量的制冷介质层；制冷介质层具有热量吸收端和热量释放端；用于释放热量的散 热器与制冷介质层的热量吸收端连接，供由某一需制冷设备对制冷介质层进行单向热量传 递的第一热开关；位于制冷介质层的热量释放端和散热器之间，供由制冷介质层对散热器 进行单向热量传递的第二开关；热隔离层覆盖于制冷介质层、第一热开关和第二热开关周 侧外表面。该制冷器只适用于微机电设备的局部制冷，而对于像磨削加工之类的大型设备 还未涉及到利用电卡效应制冷降低加工区温度的制冷器。
[0009] 中国专利CN 201310059826. 0公开了一种难加工材料干磨削用热管砂轮极其制 作方法，其中热管砂轮包括基体以及设置在基体上的磨粒，基体包括底座与端盖；磨粒设置 在端盖上，并且磨粒上涂敷有固体润滑剂；端盖与底座之间还形成一热管管腔，底座上设置 有一抽气孔，该抽气孔与热管管腔连通；在抽气孔的外部设置一堵头孔，在该堵头孔内设置 有同轴设置的内堵头和外堵头；热管管腔内设置有工作介质；端盖位于热管管腔冷凝段的 外表面间隔设置有冷凝槽。该发明能够有效疏导磨削弧区热量，能解决冷却液难以进入磨 削弧区进行有效换热的瓶颈问题。
[0010] 中国专利CN 201410707834. 6公开了一种成型磨削用热管砂轮，砂轮内部设有热 管管腔，热管管腔内填充工作介质，蒸发端内壁面靠近砂轮磨削面，冷凝端原理砂轮磨削 面；砂轮端面上设置有独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 装置，封尾接口包括三个通道，一路连通外界大气，一路通过位于砂轮内部的抽气槽连通抽 真空接口，一路通过抽气孔连通热管管腔，封尾接口匹配封尾模块，安装封尾模块后，封尾 接口与外界大气隔绝，封尾模块进行深程度控制抽气槽与抽气孔的通断。目前的热管砂轮 对于降低磨削区温度具有良好的效果，然而考虑到与砂轮配合使用降低磨削区温度设备的 换热问题，热管砂轮的结构可做进一步的改进。
【发明内容】