纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置，它可提高雾滴谱的均匀性、沉积效率和液体有效利用率，有效控制雾滴运动规律，降低环境污染。它包括可调式纳米流体供给回路和可调式气体供给回路，两回路均与喷嘴连接，气体与磨削液在喷嘴内混合完成后并一同喷出磨削液雾滴喷在工件上的磨削区；采用两个共聚焦显微镜对磨削液雾滴进行扫描，一个共聚焦显微镜位于与工件表面垂直的方向并进行xy向运动，另一个位于与工件表面平行的方向并进行xz向移动，分别采集落在工件表面上同一单颗液滴的侧面视图和俯视图，并将扫描后图像送入计算机处理，得到单颗液滴的分布规律并模拟出雾滴的轮廓形态，从而确定出单颗磨削液雾滴的粒径大小。
【专利说明】纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械加工中磨削液喷射到工件上雾滴测量方法和装置，具体为一种纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]目前，微量润滑磨削中微量润滑剂在高压气体的携带作用下注入磨削区，即砂轮/工件界面的楔形区域。为了降低加工成本及冷却液对环境和工人健康的危害，学者们提出了干式切削技术。但干式切削技术由于加工冷却润滑能力不足，极大降低了刀具的使用寿命和工件表面质量，严重时甚至发生工件表面烧伤，特别在磨削加工时，由于去除材料消耗的比能较大，磨削区温度常常较高。为了解决这一难题，学者们提出了微量润滑(MQL)技术，这项技术在保证了润滑性能的同时，大大降低了切削液的使用量，但冷却性能并不理想。根据强化换热理论，学者们又提出了纳米射流微量润滑技术。纳米射流微量润滑技术，是将微量润滑液、固态纳米粒子及压缩空气混合，通过雾化喷嘴形成三相流，以雾状的形态喷入到切削区。BINSHEN等人针对纳米射流微量润滑的冷却性能进行了实验分析，同时指出虽然纳米粒子有良好的换热特性，但它的对流换热及沸腾换热特性在纳米粒子射流微量润滑磨削中起到更为主要的作用。三相流以雾状的形态喷入切削区，根据喷嘴结构的不同在喷射过程中产生的微粒粒径也有所不同。
[0004]但公开的技术方案中都没有涉及微量润滑磨削润滑剂喷射到工件上雾滴粒径大小测量方法和装置，如何测量纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径分布规律及表面形态对保证磨削性能至关重要。
[0005]当切削液喷向切削区时，会与高速旋转的工件或刀具发生激烈碰撞，或在到达切削区后由于高温发生蒸发，这就导致了最终悬浮微粒的形成非常复杂，机械、物理及化学等因素相互交织，共同作用。在传统浇注式润滑中，形成悬浮微粒的机理有两种。一种是由于切削区的高温使切削液气化，飘散到空气中冷凝形成悬浮微粒。另一种是由于切削液与高速旋转的刀具或工件发生激烈碰撞，直接破碎雾化成更小的悬浮微粒。Chen等人给出了浇注式润滑加工时悬浮微粒的形成模型，旋转圆盘圆周雾化模型。在这个模型中液滴形成分为三个阶段，液膜形成阶段、液带形成阶段以及液滴形成阶段。并且还给出了雾化后微粒粒径的计算公式。然而干式磨削中由于缺少切削液的存在，金属材料在加工时会产生大量的固体粉尘，这些粉尘飘散到空气中形成了悬浮微粒。在纳米射流微量润滑加工过程中最终悬浮微粒的形成，主要由雾化、蒸发以及飘散三种作用机理决定。雾化作用机理是将机械能转化为液滴表面能的过程，主要是由于喷射的三相流与高速旋转的砂轮激烈碰撞，使三相流中的液滴进一步破碎成粒径更小的雾滴。蒸发的作用机理是，由于在磨削区会产生大量的热，进入到磨削区的磨削液在高温的作用下蒸发到周围空气中，在空气中又冷凝为粒径细小的液滴。飘散的作用机理是，由于雾化喷嘴喷射的油雾液滴直径较小，且有纳米粒子存在，在压缩空气作用下，一些微粒就会吹散到空气中形成悬浮微粒。在这三种机理作用下产生的微粒粒径十分小，导致了微粒易于飘散到空气中，并长期滞留在空气中。这些细小的粒子悬浮在空气中，形成危害极大的气溶胶，对工人健康产生的危害是极大的。从悬浮微粒形成的作用机理可以看出，使用纳米射流微量润滑时与传统浇注式润滑不同的是，会产生一部分漂散的悬浮微粒。
[0006]总之，在使用微量润滑进行金属切削时悬浮微粒的产生主要有三种途径:
[0007]I)雾化喷嘴喷射时产生的油雾及细小的纳米粒子，发生飘散悬浮于空气中形成的悬浮微粒。
[0008]2)因喷射的三相流与高速旋转的刀具或工件发生激烈碰撞，使切削液进一步雾化产生粒径更小的微粒，这些微粒飘散并滞留在空气中形成的悬浮微粒。
[0009]3)由于切削区的产生的热(特别是磨削区)，导致的蒸发或灼烧产生的烟雾，气化或飘散到空气中形成悬浮微粒。这些悬浮微粒长期滞留在空气中，使空气中悬浮微粒含量明显超标，这对于工人的健康是极其有害的，特别是纳米粒子形成的悬浮微粒，由于它的特性一旦被吸入人体就会严重危害人体健康。
[0010]液体被雾化后的液滴群一般由大小不等的液滴颗粒组成，为了描述和评定液滴群的雾化质量和表示其雾化特性，需要一个既可以表示颗粒直径大小又可以表示不同直径颗粒的数量或质量的方式，即所谓的液滴尺寸分布表达式。现在普遍应用的液滴分布表达式都是经验公式，至今还没有从理论上得到能够详细描述液体颗粒分布的表达式。在喷嘴雾化特性诸参数中，最为难测量的是雾化后的液滴尺寸和尺寸分布，而这两个参数又是衡量喷嘴雾化特性优劣的不可缺少的指标。因此，喷嘴雾化特性的实验研究实际上主要是围绕发展和提高液滴尺寸及其分布的测量技术而展开。近年来，激光测雾技术的发展主要在以下几个方面:①利用粒子散射、衍射原理发展的激光散射、衍射测量技术；②利用激光全息原理发展的全息照相测雾技术；③利用激光干涉多普勒测速原理的相位多普勒测速、测雾技术；④三维激光相位多普勒方法。所有这些技术目前都随着测量元件和计算机技术的迅速发展而日益完善，可满足对雾化特性试验研究和工程测量的需要。
[0011]当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射(或反射)的光的频率将发生改变，这种现象称为光的多普勒效应。相应地，将散射(或反射)的光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效应。但是在激光器出现以前，要得到频谱窄、能量集中的光源是不容易的。激光作为一种新型光源的出现为利用光波的多普勒效应创造了条件。在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差(或称频移)来获得速度信息。这里存在着光波从(静止的)光源，(运动的)微粒，(静止的)光检测器三者之间的传播关系。当一束具有单一频率的激光照射到一个运动微粒上时，微粒接收到的光波频率与光源频率会有差异，其增减的大小与微粒运动速度以及照射光与速度方向之间的交角有关。如果用一个静止的光检测器(如光电倍增管)来接收运动微粒的散射光，那么观察到的光波频率就经历了两次多普勒效应。
【发明内容】
[0012]本发明的目的就是为解决目前微量润滑磨削润滑剂喷射到工件上雾滴粒径大小不易测量的问题，提供一种纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置，它结合显微技术测量纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴在工件表面分布的粒径大小，使雾滴在工件表面的分布清晰可见，扫描得到单颗雾滴的形态轮廓，从而可以计算出雾滴的粒径大小，有助于研究射流微量润滑磨削雾滴的分布规律，提高纳米粒子微量润滑磨削液的有效利用率，提高磨削性能，降低对环境的污染，为工作人员提供了更好的健康保障。
[0013]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0014]一种纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，它包括可调式纳米流体供给回路和可调式气体供给回路，所述两回路均与喷嘴连接，气体与磨削液在喷嘴内混合完成后并一同喷出磨削液雾滴；磨削液雾滴喷在工件上的磨削区；采用两个基于多普勒效应的共聚焦显微镜对磨削液雾滴进行多方位的扫描，一个共聚焦显微镜位于与工件表面垂直的方向并进行xy向运动，另一个位于与工件表面平行的方向并进行Xz向移动，所述两聚焦显微镜分别采集落在工件表面上同一单颗液滴的侧面视图和俯视图，并将扫描后图像送入计算机处理，得到单颗液滴的分布规律并模拟出雾滴的轮廓形态，从而确定出单颗磨削液雾滴的粒径大小。
[0015]所述各共聚焦显微镜均包括:光源、显微光学系统、检测系统，光源为显微光学系统提供探测光，显微光学系统是一套共焦系统，对磨削液雾滴进行扫描；检测系统接收扫描图像送入计算机进行处理；整个共聚焦显微镜安装在丝杠导轨上移动。
[0016]所述显微光学系统包括一个置于光源前方的扩光器，扩光器后方是第一凸透镜，第一凸透镜后方是一个半反半透镜，探测光由半反半透镜反射到扫描镜，扫描镜前方为第二凸透镜，第二凸透镜将探测管聚焦到被测磨削雾滴；磨削雾滴的反射光经第二凸透镜、扫描镜、半反半透镜后会聚到第三凸透镜，在第三凸透镜前方是带有针孔的挡板，针孔对应处是检测系统的探测器，探测器与计算机连接。
[0017]所述可调式纳米流体供给回路中，基液经流量计送入储液罐，同时纳米粒子也送入储液罐，储液罐与基液充分混合；储液罐经液压泵与输送管道连接，输送管道与喷嘴连接；在输送管道上设有流量计II以及压力传感器、溢流阀，溢流阀通过管道与储液罐连接，当管道中磨削液的压力高于上限压力时，磨削液经溢流阀降压，溢出的磨削液回流到储液罐中；输送管道上还并联过滤器I和堵塞探测器，过滤器I堵塞时磨削液就改变流动方向流向堵塞探测器，堵塞探测器立即给予报警提醒更换过滤器或停止工作。
[0018]所述储液罐置于超声波振动器的超声场中，使基液与纳米粒子达到完全混合均匀的状态。
[0019]所述可调式气体供给回路中，气缸通过过滤器II与气压泵连接，气压泵通过气体管道与喷嘴连接，在气体管道上设有流量计II1、降压阀和节流阀，气体流经节流阀时节流阀通过改变阀口通流面积限制流过的气体流量。
[0020]一种采用纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置的测量方法，它的过程为:
[0021]I)纳米流体经喷嘴形成磨削雾滴并送入工件的磨削区；
[0022]2)利用与工件表面垂直的共聚焦显微镜获得视野内全部单颗雾粒图；
[0023]3)利用两个共聚焦显微镜同时获取同一单颗雾粒的侧视图和俯视图；
[0024]4)将步骤3)中该单颗雾粒的侧视图根据其与工件表面的接触角Θ I和Θ 2以及高度h，据此将磨削雾滴图解析为两个椭圆合成，并得到相应的椭圆方程；将该单颗雾粒的俯视图解析为两个相切的椭圆合成，并得到相应的椭圆方程；
[0025]5)将步骤4)的信息送入计算机，得到磨削雾滴形态轮廓的三维方程式；
[0026]6)计算机根据共聚焦显微镜的显示得到单颗雾滴的坐标，形成一个数据矩阵，经过数据重组后可以模拟出雾滴的形态，计算出雾滴的粒径大小。
[0027]所述步骤4)中，根据接触角Θ1和Θ 2，高h，解析为由椭圆ElC和椭圆E2C合成的，以椭圆E2e的圆心O2建立直角坐标系，两个椭圆在y轴的B点相切，椭圆E1。水平方向到Y轴的距离AD=I1，椭圆E2c水平方向到y轴的距离⑶=I2，椭圆Eic的圆心O1和椭圆E2c圆心O2间距离O1O2=W假设此平面为XOY面，则椭圆Eie和椭圆E2e的解析方程为:
【权利要求】
1.一种纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，它包括可调式纳米流体供给回路和可调式气体供给回路，所述两回路均与喷嘴连接，气体与磨削液在喷嘴内混合完成后并一同喷出磨削液雾滴；磨削液雾滴喷在工件上的磨削区；采用两个基于多普勒效应的共聚焦显微镜对磨削液雾滴进行多方位的扫描，一个共聚焦显微镜位于与工件表面垂直的方向并进行Xy向运动，另一个位于与工件表面平行的方向并进行XZ向移动，所述两聚焦显微镜分别采集落在工件表面上同一单颗液滴的侧面视图和俯视图，并将扫描后图像送入计算机处理，得到单颗液滴的分布规律并模拟出雾滴的轮廓形态，从而确定出单颗磨削液雾滴的粒径大小。
2.如权利要求1所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，所述各共聚焦显微镜均包括:光源、显微光学系统、检测系统，光源为显微光学系统提供探测光，显微光学系统是一套共焦系统，对磨削液雾滴进行扫描；检测系统接收扫描图像送入计算机进行处理；整个共聚焦显微镜安装在丝杠导轨上移动。
3.如权利要求2所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，所述显微光学系统包括一个置于光源前方的扩光器，扩光器后方是第一凸透镜，第一凸透镜后方是一个半反半透镜，探测光由半反半透镜反射到扫描镜，扫描镜前方为第二凸透镜，第二凸透镜将探测管聚焦到被测磨削雾滴；磨削雾滴的反射光经第二凸透镜、扫描镜、半反半透镜后会聚到第三凸透镜，在第三凸透镜前方是带有针孔的挡板，针孔对应处是检测系统的探测器，探测器与计算机连接。
4.如权利要求1所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，所述可调式纳米流体供给回路中，基液经流量计送入储液罐，同时纳米粒子也送入储液罐，储液罐与基液充分混合；储液罐经液压泵与输送管道连接，输送管道与喷嘴连接；在输送管道上设有流量计II以及压力传感器、溢流阀，溢流阀通过管道与储液罐连接，当管道中磨削液的压力高于上限压力时，磨削液经溢流阀降压，溢出的磨削液回流到储液罐中；输送管道上还并联过滤器I和堵塞探测器，过滤器I堵塞时磨削液就改变流动方向流向堵塞探测器，堵塞探测器立即给予报警提醒更换过滤器或停止工作。
5.如权利要求4所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，所述储液罐置于超声波振动器 的超生场中，使基液与纳米粒子达到完全混合均匀的状态。
6.如权利要求1所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置，其特征是，所述可调式气体供给回路中，气缸通过过滤器II与气压泵连接，气压泵通过气体管道与喷嘴连接，在气体管道上设有流量计II1、降压阀和节流阀，气体流经节流阀时节流阀通过改变阀口通流面积限制流过的气体流量。
7.一种采用权利要求1所述的纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径测量装置的测量方法，其特征是，它的过程为: O纳米流体经喷嘴形成磨削雾滴并送入工件的磨削区； 2)利用与工件表面垂直的共聚焦显微镜获得视野内全部单颗雾粒图； 3)利用两个共聚焦显微镜同时获取同一单颗雾粒的侧视图和俯视图； 4)将步骤3)中该单颗雾粒的侧视图根据其与工件表面的接触角Θi和Θ 2以及高度h，据此将磨削雾滴图解析为两个椭圆合成，并得到相应的椭圆方程；将该单颗雾粒的俯视图解析为两个相切的椭圆合成，并得到相应的椭圆方程；5)将步骤4)的信息送入计算机，得到磨削雾滴形态轮廓的三维方程式； 6)计算机根据共聚焦显微镜的显示得到单颗雾滴的坐标，形成一个数据矩阵，经过数据重组后可以模拟出雾滴的形态，计算出雾滴的粒径大小。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征是，所述步骤4)中，根据接触角01和θ2，高h，解析为由椭圆Eie和椭圆E2e合成的，以椭圆E2e的圆心O2建立直角坐标系，两个椭圆在I轴的B点相切，椭圆Eie水平方向到y轴的距离AD=I1，椭圆E2e水平方向到y轴的距离CD=I2,椭圆Eic的圆心O1和椭圆E2c圆心O2间距离OiOpyc假设此平面为XOY面，则椭圆Eic和椭圆E2e的解析方程为:
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征是，所述步骤5)中，单颗雾滴的三维形态轮廓中三维结构分为两部分E1 (AMBNA)和E2 (CMBNC)
【文档编号】G01N15/02GK103454190SQ201310430277
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】李长河, 张东坤, 贾东洲, 王胜, 张强 申请人:青岛理工大学