一种热电制冷砂轮及其自冷凝微量水润滑精密磨削系统的制作方法

本发明属于精密磨削领域，涉及一种利用热电制冷片进行内部制冷的砂轮以及包括该砂轮的自冷凝微量水润滑精密磨削系统。

背景技术：

在砂轮磨削过程中，砂轮表面的磨粒与结合剂在磨削区对工件材料的划擦和耕犁作用产生大量的磨削热，磨削热会改变被加工材料的表面质量与力学性质，甚至造成材料表面的烧伤；加速砂轮磨损，影响砂轮的寿命；使砂轮和工件产生热变形，影响平面或各种曲面精密零件的几寸精度或形状精度，因此需要对磨削区进行降温。目前最常用的降温方法是利用磨削液直接喷射到磨削区附近，利用磨削液带走热量已到达为砂轮和工件降温的目的。然而这种由于砂轮高速旋转时地气流场对磨削液的阻碍作用，磨削液并不能有效地对磨削区冷却，难以精密地控制砂轮磨削时的温度，流体动压作用还会影响砂轮的半径切深。随着社会的不断进步和人类对环境保护的意识逐渐提高，磨削液对环境的污染也逐渐引起了人们的注意。绿色磨削是一种综合考虑资源优化利用和环境影响最小的磨削加工方式，目前存在的绿色磨削方式有全干式磨削技术、微量润滑磨削技术、液氮冷却磨削技术、气体射流冷却技术和固体润滑技术。其中，全干式磨削技术由于不使用磨削液，所以可以完全消除磨削液带来的负面影响，但是磨削过程中的冷却、润滑和排屑问题难以解决。微量润滑磨削技术能够对砂轮与磨屑和砂轮与工件的接触面进行有效的润滑，以减少摩擦和防止磨屑粘到砂轮上，有利于提高砂轮的磨削能力，延长使用寿命，改善磨削表面质量，但是目前微量润滑主要采用各种无机冷却润滑油，弥散在空气中对操作者的健康不利。液氮冷却磨削技术采用液氮作为磨削液直接喷射到加工区，有利于提高砂轮的加工性能,并且可以显著降低磨削区温度,但是需配套的液氮冷却循环系统，系统结构较复杂。气体射流冷却技术具有干磨削的优点，但是气体压力大切屑难以收集，并且气体射流噪音难以解决。固体润滑技术能有效减小磨削表面的摩擦系数,减少磨粒与工件的粘附磨损,进而减少磨削热的产生,抑制表面烧伤，但是其温度降温能力有限。磨削液在使用过后难以重新利用，在设备上积累会产生污渍，废旧磨削液会对环境造成危害，且无害化处理成本比较高。此外，磨削液中易挥发的化学物质会产生刺激性气体，例如磨削液中常用的防锈剂三乙醇胺会刺激眼睛、六次甲基四胺等接触皮肤时会引起皮炎和湿疹，这些都会严重地威胁到设备操作人员的身心健康。另外，在一些材料的磨削加工中，如树脂基碳纤维复合材料，因常用的磨削液会造成材料力学性能下降，所以加工过程中不能使用常用磨削液。

技术实现要素：

为了实现磨削过程中磨削区温度的有效控制，并解决磨削液对环境污染的问题，本发明提出一种热电制冷砂轮及包括该砂轮的自冷凝微量水润滑精密磨削系统，本发明是一种利用热电制冷原理对砂轮进行内部冷却，并通过热传导实现对磨削区冷却的系统。本发明采用的技术方案如下：

一种热电制冷砂轮，包括环形砂轮磨削层、制冷装置和循环散热装置；所述的环形砂轮磨削层固定到安装了制冷装置的轮毂上；所述的制冷装置采用热电制冷片，所述的热电制冷片的冷面与环形砂轮磨削层接触，磨削区的热量以热传导的方式首先传递到砂轮磨削层内环上，再传递到热电制冷片的冷面上，热电制冷片的热面与循环散热装置的冷却液接触，通过冷却液的流动将热量带走。

进一步的，所述的循环散热装置包括位于热电制冷环的冷面和热面的测温热点偶、温度控制系统和电液组合滑环。

所述的热电制冷环通过导线与电液组合滑环的转子导线出线端相连，电液组合滑环的定子导线出线端与电源相连，主要是为热电制冷环的热电制冷片和热电偶供电，并传输热点偶的信号；电液组合滑环的转子固定在砂轮轮毂上，随砂轮旋转，定子固定在砂轮罩上保持静止。

进一步的，所述的热电制冷片包括多个，多个热电制冷片串接在一起形成一个环形的热电制冷环，所述的热电制冷环的外环表面为冷面，内环表面为热面；热电制冷环的外环表面与砂轮磨削装置的内环接触对砂轮磨削部分进行降温，冷面的温度可达-75℃。

进一步的，所述的测温热点偶，可对温度进行实时监测。然后，根据计算可以得知砂轮冷面和热面导致其热膨胀或收缩后的外径，通过控制制冷功率和循环水的温度来精密控制砂轮在半径方向的伸缩量，进而精密控制砂轮半径切深。

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进一步的，所述的环形砂轮磨削层为环状结构，磨削层中的结合剂采用导热系数较高的金属结合剂或陶瓷结合剂；环形磨削层通过结合剂与金属基体外圈粘结，金属基体用螺栓连接固定在轮毂上，磨削过程中环形磨削层外表面与工件表面接触，其环内表面与热电制冷环的冷面接触。

进一步的，所述的热电制冷环内环安装在轮毂内，热电制冷环轮毂具有空腔结构，具有冷却水循环流道，热电制冷片的冷面面向环形砂轮磨削层，热面面向冷却水循环流道。

进一步的，所述的砂轮轮毂由主体和密封盖组成，所述的密封盖分别安装在轮毂的两侧，与轮毂之间密封连接，在所述的密封盖上设有冷却液进水口和冷却液出水口。

密封盖的设计便于热电制冷系统、温度控制系统和冷却液循环流道的维修维护，为防水防尘使用密封圈对连接处进行密封。

进一步的，所述的冷却液进水口和冷却液出水口分别与电液组合滑环转子端两通路液体导管相连，电液组合滑环定子端两通路液体导管分别与冷却水供给装置和冷却水箱体连接，实现冷却水的供给及排出；

冷却水从冷却水供给装置通过冷却水管道流出，由冷却水进水口流入密封盖轮与毂形成的空腔内；然后从冷却水出水口流出进入冷却水管道流入冷却水体箱。进一步的，利用砂轮卡盘对砂轮主体进行装夹，利用连接螺母将电液组合滑环转子与精密磨床砂轮主轴连接。

进一步的，将发明的砂轮安装在磨床主轴上，设定制冷功率和循环水温度，主轴旋转开始后打开热电制冷系统和恒温冷却水循环系统，砂轮表面温度稳定后，以低于室温达100度的低温对工件进行磨削。

进一步的，本发明的砂轮按磨床设定的砂轮转速、进给速度和砂轮半径切深等磨削参数对工件进行磨削。

本发明提供的一种磨削系统，包括前面所述的热电制冷砂轮，所述的热电制冷砂轮安装到精密磨床的主轴上，电液组合滑环的转子与砂轮同步旋转，电液组合滑环定子固定在砂轮罩上，保持静止。

进一步的，采用小型加湿装置和湿度传感器主动控制砂轮周围的局部空气的相对湿度，利用砂轮表面的低温，使空气中的水蒸气快速凝结到砂轮表面形成冰霜或小水滴，并通过砂轮旋转运动将微量水带入磨削区，起到微量润滑作用，实现自冷凝微量水润滑磨削。

本发明中砂轮的磨削层在工作时直接与工件接触，进行磨削产生热量；本发明制冷部分采用热电制冷片，热电制冷片将磨削时产生的热量转移到热面，热面上聚集的热量通过循环散热系统带走。

本发明循环散热部分采用电液组合滑环对砂轮内部空腔进行冷却水供给及排出。砂轮前端面的进水口和出水口分别与电液组合滑环转子端两通路液体导管相连，电液组合滑环定子端两通路液体导管分别与冷却水供给装置和冷却水箱体连接，实现冷却水的供给及排出。

本发明的有益效果如下：

本发明设计的砂轮利用热电制冷片对其本体进行内部降温，可显著地提高磨削加工过程中的降温效果，改善因磨削区温度过高导致的工件表面质量问题，增加砂轮使用寿命，对于接触弧长较大的磨削方式相比传统浇注式冷却效果更为显著。

本发明提出的砂轮可以通过控制制冷功率和冷却水温度使砂轮冷热膨胀得以精密控制，从而保证精密的砂轮半径切深，降低因砂轮局部热变形对加工精度的影响，对保证平面和各种曲面精密磨削的尺寸精度和形状精度具有重要意义。

本发明采用的内部制冷方法仅对砂轮进行冷却，避免了低温液氮或冷气浇注式冷却方式对整个加工加工温度的影响，有利于降低因温度变化导致机床变形而影响加工精度。

本发明利用砂轮表面的低温，采用小型加湿装置主动控制砂轮周围的局部空气湿度，使空气中的水蒸气快速凝结到低温砂轮表面形成冰霜，并通过砂轮旋转运动将微量水带入磨削区，起到微量润滑作用，不使用无极冷却润滑油，实现自冷凝微量水润滑磨削，可降低磨削力和砂轮磨损，改善表面质量。

本发明设计的精密磨削砂轮在磨削过程中，不需要使用磨削液，避免了磨削液对环境的污染和对人体的危害，节省了磨削液的成本。其中磨削液对人体的危害包括磨削液内挥发性有害物质对人体呼吸系统和皮肤的危害，磨削液在操作过程中溅到皮肤和眼睛中的危害。

本砂轮和磨削系统可安装应用于包括平面磨床、外圆磨床和曲面磨床等在内各种类型的磨床。

本发明在工作时，使用的冷却水可在冷水机中长时间循环使用，运行和加工成本低。

本发明设计的砂轮的环形磨料层，其金属基体通过螺栓与轮毂部分连接，磨料层可根据需要更换，使用便利，成本低。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2为热电制冷磨削加工系统与工具安装示意图；

图3、图4为热电制冷砂轮系统示意图；

图5、图6为热电制冷砂轮主体部分；

图7为电液组合滑环各通路示意图；

图8、图9为热电制冷砂轮内部结构；

图10为环形热电制冷芯结构；

图11为环形砂轮磨削层与金属环粘结示意图；

图12为砂轮内部装配关系示意图；

图13为循环散热部分示意图；

图14为热电制冷片对磨削砂轮进行内部制冷和自冷凝微量水润滑磨削原理图；

其中，1、砂轮罩；1-a固定架；2、连接螺母；3、砂轮卡盘前端；4、电液组合滑环；4-a、定子端第一通路；4-b、转子端第一通路；4-c、转子端第二通路；4-d、定子端第二通路；4-e、转子端导线；4-f、定子端导线；5、前端盖；5-a、冷却液进水口；5-b、冷却液出水口；6、螺栓；7、前密封挡圈；8、环形砂轮磨削层；9、后密封挡圈；10、后端盖；11、砂轮卡盘后端；12、磨床主轴；13、热电制冷环；13-a、热电制冷片；13-b、热偶电阻；14、砂轮轮毂支撑件；15、冷却水体泵；16、冷却水体箱；17、冷却水管道；18、磨削砂轮；19、磨削加工工件；20、热电制冷片冷面；21、热电制冷片热面；22、循环冷却水；23凝结的冰霜或小水滴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中最常用砂轮降温的方法是利用磨削液直接喷射到砂轮表面，利用磨削液带走热量已到达为砂轮降温的目的，然而随着社会的不断进步和人类对环境保护的意识逐渐提高，磨削液对环境的污染也逐渐受到了人们的重视。

磨削液在使用过后难以重新利用，在设备上积累会产生污渍，废旧磨削液会对环境造成危害，且无害化处理成本比较高。此外，磨削液中易挥发的化学物质会产生刺激刺激性气体，例如磨削液中常用的防锈剂三乙醇胺会刺激眼睛、六次甲基四胺等接触皮肤时会引起皮炎和湿疹，这都会严重地威胁到设备操作人员的身心健康。另外，在一些材料的磨削加工中，如树脂基碳纤维复合材料，因常用的磨削液会造成材料力学性能下降，所以不能使用磨削液，必须采用干磨削方法。目前尚无利用热电制冷片对精密磨削用砂轮进行制冷的砂轮与精密磨削系统。

在磨削加工过程中，利用热电制冷片对磨削砂轮进行内部制冷可避免磨削液的使用，且降温效果显著，利用空气中的水蒸气在砂轮表面快速凝结对磨削过程形成微量水润滑作用，符合绿色制造的理念。目前尚无利用热电制冷片对精密磨削用砂轮进行制冷的砂轮与精密磨削系统以及利用该系统实现自冷凝微量水润滑磨削的方法。

本发明是一种利用热电制冷片对砂轮进行内部冷却，并通过热传导的方式使磨削所产生的热量传导到热电制冷片的冷面上，利用冷却水循环系统对热电制冷片热面进行降温，从而使砂轮磨削过程中所产生的热量通过水循环系统传递出去，使砂轮磨削层保持低温，有效降低磨削区温度。热电制冷片是一种热泵，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，其中吸收热量的一端称作冷面，放出热量的一端称作热面，从而可以实现制冷的目的。砂轮磨削部分所产生的热量通过热泵原理传递到热电制冷片的冷面上，利用冷却水循环系统对热电制冷片热面进行降温，从而使砂轮磨削过程中所产生的热量通过水循环系统传递出去，使砂轮磨削层保持低温，有效降低磨削区温度。同时，利用砂轮表面的低温，采用小型加湿装置主动控制砂轮周围的局部空气湿度，使空气中的水蒸气快速凝结到砂轮表面形成冰霜，并通过砂轮旋转运动将微量水带入磨削区，起到微量润滑作用，实现自冷凝微量水润滑磨削，降低磨削力和砂轮磨损，改善表面质量。通过控制制冷功率和循环水的温度精密地控制砂轮在半径方向的伸缩量，实现作为重要磨削参数的砂轮半径切深的精密控制，保证磨削精度，对平面和各种曲面的精密磨削加工具有重要意义；具体的，包括磨削加工工件、磨削砂轮、热电制冷片、循环冷却系统；

原理如图14为所示；磨削砂轮18对磨削加工工件19进行加工，热电制冷片在磨削砂轮的内部。

磨削砂轮18对工件19加工时，砂轮表面的磨粒与结合剂在磨削区对工件材料的划擦和耕犁作用产生大量的磨削热，使磨削砂轮温度升高，热电制冷片在磨削砂轮内部，磨削产生的热量通过热传导的方式传递到热电制冷片冷面20上，降低磨削砂轮的温度。

电热制冷片冷面20与砂轮磨削层18接触，砂轮表面温度稳定后，以-75℃的低温对工件进行磨削，然后采用小型加湿装置主动控制砂轮周围的局部空气湿度，使空气中的水蒸气快速凝结到低温砂轮表面形成冰霜或者小水滴23，并通过砂轮旋转运动将微量水带入磨削区，起到微量润滑作用。

热电制冷片热面21温度升高，热电制冷片热面21与冷却水22接触，冷却水22流动带走热量，降低温度，如图14所示。

根据上述原理，本发明设计的一套无需磨削液的砂轮及其精密磨削系统，该设计是利用热电制冷片对砂轮进行内部制冷，具体设计方案如下：

如图1-图11所示，本发明设计的热电制冷砂轮由三部分组成，分别为环形砂轮磨削层、制冷装置和循环散热与温度控制部分。

本发明环形砂轮磨削层工作时直接与工件接触，进行磨削产生热量。

本发明制冷部分采用热电制冷片，热电制冷片将磨削时产生的热量转移到热面，热面上聚集的热量通过循环散热系统带走。

本发明循环散热部分采用电液组合滑环对砂轮内部空腔进行冷却水供给及排出。砂轮前端面的进水口和出水口分别与电液组合滑环转子端两通路液体导管相连，电液组合滑环定子端两通路液体导管分别与冷却液供给装置和冷却液箱体连接，实现冷却水的供给及排出。

本发明设计的砂轮在磨削过程中，不需要使用磨削液，避免了磨削液对环境的污染和磨削液对人体的危害，其中磨削液对人体的危害包括磨削液内挥发性有害物质对人体呼吸和皮肤的危害，磨削液在操作过程中溅到皮肤和眼睛中的危害。

本发明的砂轮的磨削层8为环状结构，磨削层中的结合剂采用导热系数较高的金属结合剂或陶瓷结合剂，环形磨削层通过结合剂与金属基体外圈粘结，金属基体用螺栓连接固定在轮毂上，磨削过程中其外环表面与工件表面接触，其环内表面与热电制冷环13的冷面接触，实现降温，如图8和图9所示。

本发明采用小型加湿装置和湿度传感器主动控制环形砂轮磨削层8外环表面局部空气的相对湿度，利用砂轮表面的低温，使空气中的水蒸气快速凝结到砂轮表面形成冰霜或小液滴，并通过砂轮旋转运动将微量水带入磨削区，起到微量润滑作用，实现自冷凝微量水润滑磨削。

如图11所示，环形磨削层8的金属基体部分为金属材质的前密封挡圈7，环形磨削层8通过结合剂与金属材质的前密封挡圈7粘结，前密封挡圈7可通过螺栓连接固定在轮毂上。

如图10所示，热电制冷环13是环形阵列的热电制冷片13-a，热电制冷环13的外环表面为冷面，内环表面为热面。

热电制冷环13外环表面与环形砂轮磨削层8的内环接触对环形砂轮磨削层进行降温。热电制冷环13的冷面和热面装有13-b热偶电阻，可对温度进行实时监测。然后，根据计算可以得知砂轮冷面和热面导致其热膨胀或收缩后的外径，通过控制制冷功率和循环水的温度来精密控制砂轮在半径方向的伸缩量，进而精密控制砂轮半径切深。

热电制冷环13内环装有砂轮轮毂支撑件14，热电制冷环热面与砂轮轮毂支撑件14接触，砂轮轮毂支撑件14具有空腔结构，砂轮轮毂支撑件14两侧装有前端盖5和后端盖10。

前密封挡圈7和后密封挡圈9通过螺栓6对砂轮主体进行密封。

循环散热部分的前端盖5上有冷却水进水口5-a和冷却水出水口5-b，冷却水进水口5-a与电液组合滑环转子端第一通路4-b连接，冷却水出水口5-b与电液组合滑环转子端第二通路4-c连接，电液组合滑环定子通过1-a固定架固定在砂轮罩上，定子端第一通路4-a和定子端第二通路4-d分别与冷却水供给装置和冷却水箱体连接，实现冷却液的供给及排出。

电液组合滑环4的转子端导线4-e为热电制冷片13-a和热电偶13-b供电，并传输热点偶的信号，电液组合滑环4的定子端导线4-f连接外部电源。

电液组合滑环4的转子通过连接螺母2连接到砂轮主轴上，电液组合滑环4的定子通过固定架1-a固定在砂轮罩1上。

砂轮旋转时，电液组合滑环4的转子随砂轮旋转，电液组合滑环4的定子保持静止。

砂轮卡盘后端11和砂轮卡盘前端3对砂轮主体进行装夹，并安装到精密磨床主轴12上。

本发明提供的一种砂轮系统，包括前面所述的热电制冷砂轮，热电制冷砂轮安装到精密磨床上，通过磨床主轴12进行旋转，电液组合滑环4的转子与砂轮同步旋转，电液组合滑环4的定子保持静止。

冷却水通过冷却液体泵15从冷却水体箱16流出，流经冷却水管道17然后通过电液组合滑环4的前端盖5上的冷却水进水口5-a，进入砂轮轮毂支撑件14内空腔，带走砂轮内部的热量，并从前端盖5上的冷却水出水口5-b流出，通过电液组合滑环4的第二通路进入冷却水管道17流回冷却水体箱16。

本发明中公开的上述制冷方法还适用于别的加工工具，包括车刀、铣刀、钻头等加工工具。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。