电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磨削加工领域，具体为电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法。
【背景技术】
[0002]磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。磨削过程中对于去除单位体积金属具有极高的能量输入，几乎所有的能量转化都集中在磨削区。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。同时磨削区产生的高温可以引起各种形式的工件热损伤，如:烧伤、金相转变、可能产生二次淬火表层的软化(退火)、不利的表层拉应力、裂纹以及疲劳强度的降低等，另外磨削中的热膨胀可造成工件的变形。磨削生产率通常由于磨削温度的负面影响而受到限制。
[0003]为了获得较高的工件加工质量和表面精度，必须降低磨削区的温度。鉴于干式磨削的润滑效果太差，因此研究人员提出了准干式磨削技术，微量润滑技术，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。经过大量的研究发现微量润滑技术也没有在磨削区起到强化换热显著降低磨削区温度的效果，然而纳米技术的出现为解决这一难题提供了很好的思路。众所周知，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，因此纳米粒子射流微量润滑磨削技术应运而生，纳米粒子射流微量润滑磨削不仅具有微量润滑技术的优点，而且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]所谓电卡致冷就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，达到制冷的效果。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，实现致冷。电卡效应致冷工作原理类似卡诺循环，其中包括两个等熵过程和两个等场过程。在绝热状态下，对极性材料施加电场，电场的作用使材料内部有序度升高，导致材料熵值的降低，进而使温度升高;在去除绝热状态下，由于材料与环境的热交换，材料的温度下降至环境温度，而材料的有序度不变，所以材料的熵值不变;在绝热并撤去外电场的状态下，材料内部有序度降低，导致材料的熵值增加，从而使材料温度降低；降温后的材料从所接触的待致冷器件上吸收热量，使待致冷件的温度降低，从而达到致冷的效果。
[0005]经检索，专利号为ZL201310634991.4公开的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。虽然采用静电雾化方式可以使磨削液均匀到达磨削区，然而所采用的高压电源仅仅用于液滴荷电，造成一定程度的电能浪费，不符合节能的环保要求。
[0006]经检索，专利号为201510312119.7公开了一种纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，包括:在两侧表面均覆盖有电卡薄膜材料的热管砂轮，在电卡薄膜材料外部施加外加电场;及外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴;静电雾化组合喷嘴分别与纳米粒子供液系统、供气系统连接;纳米流体通过在静电雾化组合喷嘴进行静电雾化喷射到磨削区，吸收磨削区热量;电卡薄膜材料利用电卡效应在磨削区吸收热量，离开磨削区后通过热管砂轮将吸收的热量散去，形成一个卡诺循环。将纳米流体静电雾化以及电卡制冷和热管制冷技术进行了集成，达到磨削区后可以吸收更多的磨削热量，降低磨削温度，磨削区的制冷效果显著提高。该装置利用电卡效应与热管砂轮结合集成一套冷却系统，虽然对磨削区有较好的冷却效果，然而将电卡薄膜覆盖在砂轮表面堵塞了砂轮气孔，在一定程度上影响了砂轮磨削时的整体性會K。
[0007]经检索专利号为201510603700.4公开了一种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞检测清洗装置及方法，首先通过声发射技术在线定性监测砂轮堵塞状况，通过磨削测力仪测量磨削力来反映检测砂轮堵塞状况，然后根据尖端放电原理去除堵塞物的静电，由静电中和喷嘴对附着在砂轮表面或气孔内的堵塞物进行清洗。砂轮磨削过程中产生的声发射信号，经过信号采集和分析过滤，建立声发射信号的均方根值(RMS)和快速傅里叶变换(FFT)的峰值与砂轮堵塞程度的对应关系，实现对砂轮堵塞的定性测量。磨削测力仪测量磨削力也反映检测砂轮堵塞情况。然后通过喷射压力与声发射信号间设定的阈值来实现在线实时对砂轮堵塞物的洗清，实现喷嘴喷射压力与砂轮堵塞量之间的闭环控制。该装置利用静电中和原理对磨削砂轮表面进行堵塞物的清洗，实现了砂轮的在线修锐，然而砂轮高速旋转，需要施加非常高的电压才能有效地中和堵塞物的静电，在一定程度上造成了电能的利用效率较低，浪费了能源。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法，该设备将能产生电卡效应的材料制成纳米或者微米级的粉末添加到砂轮结合剂中形成电卡砂轮，同时配合使用静电雾化、磁增强静电中和清洗和静电沉积，集成为一套砂轮内冷却与静电技术耦合的磨削设备，不仅显著降低了磨削区的温度，而且对砂轮磨削表面进行清洗，避免砂轮堵塞，还能明显降低磨削工程中周围环境的油雾量，本设备显著提高加工效率，达到环保的要求。
[0009]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米粒子射流微量润滑磨削设备，包括工作台，工作台的上方设有用于固定工件的夹具，在夹具的底部设有检测磨削力的压力传感器，在工作台上设有用于固定电卡砂轮的电卡砂轮座，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料与电卡砂轮结合剂结合制成，电卡砂轮与能产生电场的装置连接，在电卡砂轮的圆周设有至少一处将纳米流体雾化的用于润滑和冷却工件磨削区的静电雾化喷嘴，电卡砂轮圆周的一侧设有带有电荷的喷射纳米流体的磁增强静电中和清洗喷嘴，以冷却电卡砂轮;压力传感器、磁增强静电中和清洗喷嘴、静电雾化喷嘴和电刷分别单独与磨削力控制系统连接，通过磨削力控制系统对部分结构的控制，实现根据磨削的具体情况，控制各个机构的动作;静电雾化喷嘴是在电卡砂轮磨削工件时开始工作，在纳米流体喷出喷嘴时将雾化的液滴进行荷电，通过静电场的作用使荷电的液滴定向的喷射到磨削区，起到冷却润滑的作用。
[0011]进一步地，所述能产生电场的装置为设于电卡砂轮两侧表面各覆有至少一圈导电片，一侧的导电片与向电卡砂轮施加外电场的电刷的正极连接，另一侧的导电片与电刷的负极连接，以提高电卡砂轮的冷却能力。
[0012]进一步地，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料被磨成纳米或微米级粉末与电卡砂轮结合剂结合制成，产生电卡效应的材料粉末体积分数范围为1%_60%，目的是既不影响砂轮的整体组织及结构，又能够使电卡砂轮具有良好的制冷量，以维持电卡砂轮在磨削过程中的整体性能，能产生电卡效应的材料包括铁电材料、反铁电材料以及弛豫铁电材料，而且此电卡材料的居里温度发生在室温附近，具有相对较大的电卡效应。
[0013]进一步地，在电卡砂轮的侧面设有用于收集油雾的油雾沉积罩，采用静电沉积原理对油雾进行沉积回收，为保证油雾能够充分得到荷电，油雾沉积装置可以采用一个或者多个。
[0014]进一步地，所述电刷的工作端部设有隆起部，电刷为带有Sn/Ag电极的电刷，导电片为导电铂片。
[0015]进一步地，所述工作台为磁性工作台，所述油雾沉积罩的一侧通过连杆与固定在磁性工作台的磁性固定杆连接，连杆为可水平转动和竖直移动的多连杆结构，另一侧设有与磁性工作台连通的开口，开口的上方由