磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置的制作方法

专利名称：磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置。
背景技术：
微量润滑技术又称MQL (Minimal Quantity Lubrication)技术,他是将极微量的润滑液与具有一定压力的压缩空气混合并雾化，喷射至磨削区，对砂轮与磨屑、砂轮与工件的接触面进行有效润滑。这一技术在保证有效润滑和冷却效果的前提下，使用最小限度的磨削液(约为传统浇注式润滑方式用量的千分之几)，以降低成本和对环境的污染以及对人体的伤害。纳米射流微量润滑是基于强化换热理论建立的，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。在微量润滑介质中添加固体粒子，可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(指尺寸为1-1OOnm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。纳米射流微量润滑就是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、润滑剂(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。发明人对微量润滑磨削供给系统进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请了相关的专利，由发明设计人申请的发明专利，纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统(专利号为:201210153801.2)公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统，它将纳米级固体粒子加入可降解的磨削液中制成微量润滑磨削的润滑剂，由微量供给装置将润滑剂变为具有固定压力、脉冲频率可变、液滴直径不变的脉冲液滴，在高压气体产生的空气隔离层作用下以射流形式喷入磨削区。它具有微量润滑技术的所有优点、并具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，提高了工件表面质量，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。发明专利:纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测方法和装置(专利号为201210490401.0)公开了一种在纳米粒子射流微量润滑条件下的磨削表面粗糙度预测方法和装置。它包括一个传感器杠杆，所述传感器杠杆左端设有触针，触针与砂轮表面接触，传感器杠杆右端与电感式位移传感器连接，传感器杠杆的支点处与测量装置机体铰接；电感式位移传感器与交流电源连接；电感式位移传感器数据输出端则与滤波放大器连接，滤波放大器分别与计算器和示波器连接，计算器还与存储器连接。它用矩阵表征砂轮形貌，再根据磨削加工工件表面形貌创成机理，预测模型精度高，不仅测量方便，设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，对实际更有指导意义。发明专利:纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统(专利号为201110221543.2)公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统，其特点是:将纳米流体经液路输送至喷嘴处，同时高压气体经气路进入喷嘴，高压气体与纳米流体在喷嘴混合室中充分混合雾化，经加速室加速后进入涡流室，同时压缩气体经涡流室通气孔进入，使三相流进一步旋转混合并加速，然后三相流以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。但公开的技术方案中都不是磁性纳米粒子和磁性工作台的耦合作用下改变纳米流体的粘度和纳米粒子和工件表面的附着力，从而可更大限度的发挥纳米粒子参与强化换热和在砂轮/工件界面形成润滑减摩油膜，且有效减少纳米流体雾滴的飘移散失，实现低碳洁净高效微量润滑磨削。虽然很多学者已经对纳米微量润滑进行了理论分析与实验研究，并做了大量的论证和实验，但他们并没有将磁性纳米粒子射流微量润滑与磨床磁性工作台有机的联系起来，没有建立润滑油膜的形成与磁性纳米粒子、磁力工作台之间的内在关系，也没有建立磁性纳米粒子、磁力工作台工件表面的油膜形成机理，无法发挥磁性纳米粒子射流对微量磨削砂轮/工件界面的润滑与散热优势。

发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置，它利用磨削加工领域中的磁性纳米粒子射流微量润滑与磁力工作台耦合作用下，将磁性纳米粒子流体输送到喷嘴，磁性纳米粒子流体在压缩空气作用下以较高速度喷射到磨削区，在有磁性工作台的工件表面上形成润滑油膜，实现对磨削加工区域最大限度的冷却与润滑。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，包括一个磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米 流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾:压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。所述磁力工作台为电磁工作台，它包括下部的吸盘体和上部的盖板；在吸盘体内设有心体，心体上缠绕线圈，线圈与电源控制电路连接；盖板上设有若干绝磁层，将盖板分割为多个小块，而形成N极与S极相间的分布形态，绝磁层使绝大部分磁力线都通过工件回到吸盘体，而不致通过盖板回去，以构成完整的磁路。所述绝磁层由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c取2.0-4.5mm。所述N极块和S极块总数量为奇数，各N极块、S极块等宽，并且N极端头板宽度
V N极块宽度h3和S极块宽度h2之间存在如下关系，A2 =h' =^A10所述电源控制电路包括单片计算机管理单元，单片计算机管理单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接，光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与整流滤波单元连接，整流滤波单元与过载自动保护单元连接，过载自动保护单元与无电弧电压机型切控单元连接，无电弧电压机型切控单元输出工作电压到线圈；光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与交流电源变压器连接，交流电源变压器与工频电源输入端连接；单片计算机管理单元还与连续可调电压输入控制单元连接，连续可调电压输入控制单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接；单片计算机管理单元与无电弧电压机型切控单元连接，作为退磁回路。所述喷嘴与工件距离d为10_25cm，喷嘴与工件的夹角α为15° -45°。一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置的成膜工艺，它的步骤为:步骤一，磁力工作台将工件吸附在其表面固定，砂轮处于工件上方的加工位置；步骤二，在开始磨削时，喷嘴将磁性纳米流体和压缩空气形成的三相流喷雾喷射到工件和砂轮之间的磨削区；步骤三，工件表面的磁场使得磁性纳米粒子将沿磁力线运动，磁性纳米粒子对工件表面的吸附能力增强；在砂轮和加工表面进行摩擦时，形成坚韧的物理吸附油膜； 步骤四，待加工完成后，进行磁力工作台的退磁。所述喷嘴喷射流量为2.5-5.5ml/min,压缩空气的压力为4.0_10bar。所述磁性纳米流体中纳米粒子粒径< IOOnm,其体积含量1% — 30vol%。本发明的有益效果为:它利用磁场对磁性纳米粒子的吸附作用，将喷射的磁性纳米流体吸附在工件表面，一方面减少了喷雾时细小颗粒的飘散对环境与人身的危害，另一方面强化了纳米粒子在工件表面的吸附力，从而更容易形成油膜，起到润滑与散热的作用。它具有微量润滑技术的所有优点、磁性纳米粒子吸附在磁性工作台之上的工件表面具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，提高了工件表面质量，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。


:图1是这种实施例的总装轴测图；图2是这种实施例的液路和气路的系统简图；图3是这种实施例的磁力工作台工作原理示意图；图4是这种实施例的盘体结构图；图5是这种实施例的盖板结构图；图5a是图5的A-A剖视图；图5b是图5的B-B剖视图；图5c是图5的C-C剖视图；图5d是图5的D-D剖视图；图6是该实施例的电源控制原理框图；图7是这种实施例的喷嘴与工件相对位置示意图；图8是这种实施例中一般纳米粒子润滑所形成油膜示意图；图9是这种实施例中外加磁场下磁性纳米粒子润滑所形成油膜示意图；图10是这种实施例实验中不同润滑条件和摩擦系数的关系图；图11是这种实施例实验中不同润滑条件和磨斑直径大小的关系图；图12是这种实施例实验中不同润滑条件和磨削区峰值温度的关系图；其中，1-磁力工作台，2-工件，3-砂轮罩，4-砂轮，5-磁性纳米流体输送管，6_压缩空气输送管，7-磁力固定吸盘，8-喷嘴，9-盖板，10-吸盘体，11-心体，12-线圈，13-绝磁层，14-空气压缩机，15-磁性纳米流体储液罐，16-过滤器I，17-过滤器II，18-液压泵，19-储气罐，20-压力表III，21-调压阀II，22-调压阀I，23-节流阀I，24-节流阀II，25-涡轮流量计I，26-涡轮流量计II，27-压力表II，28-压力表I，29-溢流阀，30-磁性纳米流体回收箱，31-N极极块，32-S极极块，33-N极端头板，34-N极横条，35-工频电源输入端，36-交流电源变压器，37-直流电源，38-工作状体指示灯，39-退磁开关，40-单片计算机管理单元，41-光电耦合可控硅过零控制交流开关单元，42-整流滤波单元，43-过载自动保护单元，44-无电弧电压极性切控单元，45-直流工作电压输出端，46-连续可调电压输入控制单元。
具体实施方式
:下面结合附图对本发明做一下说明:如图1这种实施例的总装轴测图所示，该实施例所描述的是磨床加工中的工艺。从图中可以看出，磁力工作台I上没有安装夹具，工件2是通过电磁吸力固定在磁力工作台I上的。润滑系统采用的是磁性纳米流体微量润滑系统，磁性纳米流体和压缩空气分别通过磁性纳米流体输送管5和压缩空气输送管6进入到喷嘴8中，并在喷嘴8中经混合加速后形成三相流喷雾(压缩空气，固体磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾)。喷嘴8中喷射出的三相流喷雾，会进入到工件2和砂轮4之间的磨削区。其中磁性纳米流体输送管5和压缩空气输送管6是用磁力固定吸盘7固定在砂轮罩3上的。图2展示了这种实施例的供液和供气系统。从图中可以看出，气路由空气压缩机14，过滤器I 16，储气罐19，调压阀I 22，节流阀I 23和涡轮流量计I 25依次连接而成，并最终与喷嘴8相连。其中用压力表III 20监测储气罐19的压力，用压力表I 28监测气路出口压力，以保证所需空气压力。液路由主液路和保护回路组成，其中主液路由磁性纳米流体储液罐15，过滤器II 17，液压泵18，调压阀II 21，节流阀II 24和涡轮流量计II 26依次连接而成，并最终与喷嘴8相连。其中压力表II 27用以监测液路出口压力。保护回路由溢流阀29和磁性纳米流体回收箱30组成。图3展示了磁力工作台的工作原理，它是根据电的磁效应原理制成的。在由硅钢片叠成的心体11上缠绕线圈12，当线圈12通电后，由于电磁感应原理，将会形成带有磁性的电磁铁，在盖板9表面形成相间的磁极分布。磁力线经过心体11经过盖板9上N极磁块、工件2，再经由盖板9上S极磁块、吸盘体10、心体11而闭合，工件2被吸住。绝磁层13由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c 一般取2.0-4.5mm,绝磁层13将盖板9隔成一些小块,从而形成N极与S极相间的分布形态。绝磁层13使绝大部分磁力线都能通过工件2回到吸盘体10，而不致通过盖板9回去，以构成完整的磁路。当增大线圈的电流时磁场强度就会增大，而且可以看出磁力线是通过工件闭合的，所以工件上是带有磁性的。图4是该实施例的盘体结构图，从图中可以看出该工作台为单线圈电磁工作台，并可以从中看出线圈的位置,其中心体11的尺寸为Cl1Xb1, Cl1为心体长度，bi为心体宽度；结合图3可以知道，线圈浇完浸漆后，落在线圈槽内，线圈槽的尺寸为d2Xb2，(12为线槽长度，b2为线槽宽度；周围空隙距离如图3中a和b所示应有3-8cm的空隙，以备浇灌浙青，且线圈12与心体11之间也存在微小间隙。吸盘体的尺寸为d3Xb3，d3为吸盘体长度，b3为吸盘体宽度。线圈槽的大小可根据所设计线圈的匝数和导线直径来确定。其与盖板9连接的内螺纹分布如图所示。图5是该实施例的盖板结构图，从图中可以看出N极极块31与S极极块32相间分布，且中间由绝磁层13隔断。图B-B是N极极块31的剖视图，图A-A是S极极块32的剖视图，D-D是N极端头板33的剖视图，图中全填充剖面为浇铅处理。从各剖视图可以看出N极极块31只与吸盘体10相连，S极极块32只与心体11相连，且中间由绝磁层13隔断，将N极端头板33、N极极块31、S极极块32和绝磁板材依次焊接在N极横条34上，从而盖板呈现出N极S极相间的磁极分布。N极极块31和S极极块32的宽度在设计机床时可根据机床尺寸算得，N极极块31和S极极块32总数量为奇数，各N极极块31、S极极块32等宽，并且N极端头板33宽度hp N极极块31宽度h3和S极极块32宽度h2。之间存在如下关系，
权利要求
1.一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，包括一个磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾:压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。
2.如权利要求1所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述磁力工作台为电磁工作台，它包括下部的吸盘体和上部的盖板；在吸盘体内设有心体，心体上缠绕线圈，线圈与电源控制电路连接；盖板上设有若干绝磁层，将盖板分割为多个小块，而形成N极与S极相间的分布形态，绝磁层使绝大部分磁力线都通过工件回到吸盘体，而不致通过盖板回去，以构成完整的磁路。
3.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述绝磁层由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c取2.0-4.5_。
4.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述N极块和S极块总数量 为奇数，各N极块、S极块等宽，并且N极端头板宽度hpN极块宽度h3和S极块宽度h2之间存在如下关系，A2 = Λ, =^hl ο
5.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述电源控制电路包括单片计算机管理单元，单片计算机管理单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接，光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与整流滤波单元连接，整流滤波单元与过载自动保护单元连接，过载自动保护单元与无电弧电压极性切控单元连接，无电弧电压极性切控单元输出工作电压到线圈；光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与交流电源变压器连接，交流电源变压器与工频电源输入端连接；单片计算机管理单元还与连续可调电压输入控制单元连接，连续可调电压输入控制单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接；单片计算机管理单元与无电弧电压极性切控单元连接，作为退磁回路。
6.如权利要求1所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述喷嘴与工件距离d为10-25cm，喷嘴与工件的夹角α为15° -45°。
7.—种权利要求1-6任一所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置的成膜工艺，其特征是，它的步骤为: 步骤一，磁力工作台将工件吸附在其表面固定，砂轮处于工件上方的加工位置； 步骤二，在开始磨削时，喷嘴将磁性纳米流体和压缩空气形成的三相流喷雾喷射到工件和砂轮之间的磨削区； 步骤三,工件表面的磁场使得磁性纳米粒子将沿磁力线运动，磁性纳米粒子对工件表面的吸附能力增强；在砂轮和加工表面进行摩擦时，形成坚韧的物理吸附油膜； 步骤四，待加工完成后，进行磁力工作台的退磁。
8.如权利要求7所述的成膜工艺，其特征是，所述喷嘴喷射流量为2.5-5.5ml/min，压缩空气的压力为4.0-10bar。
9.如权利要求7所述的成膜工艺，其特征是，所述磁性纳米流体中纳米粒子粒径(lOOnm，其体 积含量 1% — 30vol%。
全文摘要
本发明涉及一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置,包括磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。它将磁性纳米粒子流体输送到喷嘴，在有磁性工作台的工件表面上形成润滑油膜，实现对磨削加工区域最大限度的冷却与润滑。
文档编号B24B55/03GK103192323SQ201310113419
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者李长河, 贾东洲, 王胜, 张强 申请人:青岛理工大学