纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统的制作方法
本发明涉及纳米流体切削液热物理性质参数测量系统，具体是一种纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统。
背景技术：
在机械加工中，传统浇注式冷却由于使用大量切削液，对环境造成了严重的污染，已不适用于当前绿色生产的时代要求；干式切削和微量润滑满足环保的要求但冷却润滑效果较差，难以获得较好的工件表面质量；在微量润滑基油中添加一定比例的纳米粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在切削区的润滑效果的纳米粒子射流微量润滑(nano-particlejetminimumquantitylubrication，简称nano-mql)进入了人们的视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于100nm的超细微小固体颗粒。纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向切削液中添加纳米级固体粒子，将纳米粒子、切削液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入切削区进行冷却润滑。根据固体强化换热理论，基于固体粒子导热系数远大于液体和气体的事实，在相同粒子体积含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与切削液混合后形成纳米流体切削液的导热能力将大幅度增加。表1列出了常用的纳米粒子的导热系数。纳米流体质量分数一般为2％-8％，将一定比例的纳米粒子添加到基液中，形成纳米粒子悬浮液，再根据基液的种类和理化属性，添加相应的表面分散剂并辅以超声波振动，便可以获得悬浮稳定的纳米流体切削液。
表1常用纳米粒子的导热系数
纳米粒子射流微量润滑优异的润滑冷却效果已得到大量研究者的证实。在机械加工中，用导热系数(k)、对流换热系数(h)及纳米流体/工件能量比例系数(r)衡量纳米流体切削液在切削区的换热性能。导热系数是纳米流体切削液的固有性质，一旦纳米流体配置完成，其导热系数就确定了。
经检索，青岛理工大学李长河等发明了一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置(专利号：zl201110221334.8)，在同一台设备上既能完成纳米流体导热系数的测量，又能完成对流换热系数的测量，而且用液压泵模拟磨削加工的磨削液供液系统，用镍铬合金电阻丝给纳米流体加热来获得和磨削工况相同的热流边界条件，不仅设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，解决了目前纳米流体导热系数和对流换热系数分别用不同设备测量的难题。
经检索，温州大学张宽等(专利号：zl201320422680.7)公开了一种纳米流体导热系数测量装置，放置纳米流体的容器为可导热容器，两侧分别设置有供热装置和吸热装置，容器将供热装置提供的热量完全传递至吸热装置，吸热装置上设置有吸热量测量装置。通过对容器外侧进行加热来测量纳米流体导热系数，避免了对容器内侧进行加热测量时液体中的颗粒有可能分布部不均匀导致测量数值不准确的情况，通过吸热装置和吸热量测量装置对经容器及纳米流体传导后的热量进行测量，最终通过计算公式得出纳米流体的导热系数。
经检索，郑化安等发明了一种纳米流体传热传质监测装置及方法(专利号：zl201610333181.9)，通过记录测量点处非牛顿流体为基液的纳米流体超声衰减幅值和测量探头与反射板之间的距离，重复调节探头与测量点的位置关系，通过计算机数据处理系统将声波频率信号获得纳米流体的导热系数增量和纳米流体扩散系数，可对流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数进行实时高精度监量。
经检索，华北电力大学孙伟娜等提供了一种au-h2o纳米流体导热系数计算方法(专利号：zl201610783769.4)，获取纳米流体纳米颗粒的体积分数和纳米颗粒形状因子，计算au-h2o纳米流体静态导热系数，计算au-h2o纳米流体动态导热系数，计算与基液导热系数相比，au-h2o纳米流体有效导热系数的增长占比。通过计算au-h2o纳米流体有效导热系数，揭示极低体积分数au-h2o纳米流体的导热机理。
对流换热系数是纳米流体切削液体积分数、导热系数、比热容及密度的综合影响参数，对流换热系数的大小直接决定了纳米流体在切削区对流换热的强弱。影响对流换热系数的主要因素有：(1)对流运动成因和流动状态；(2)流体的热物理性质；(3)传热表面的形状、尺寸和相对位置；(4)流体有无相变。
经检索，上海第二工业大学吴子华等发明了同步测试纳米流体传热系数及其对热电发电系统发电效率影响规律的系统和方法(专利号：zl201610505891.5)，测量纳米流体进入冷水浴的进口端、距进口端20-30cm处以及冷水浴中的温度t1、t2、tw，按等温边界条件计算纳米流体的强化对流传热性能。依据热沉上面从上到下布置热电偶估算被纳米流体所带走的热量，结合热电器件转换功率，求得不同纳米流体工况下的热电转换效率。实现了不同工况下的纳米流体强化传热系数以及不同工况下纳米流体强化传热特性对热电器件冷端冷却效果影响及其热电转换效率的影响规律同步测试，减小了测量误差，提高了测试的准确性。然而，现有技术对对流换热系数的测量及计算均采用管内对流换热，并不符合实际纳米粒子射流微量润滑切削中纳米粒子射流气、液、固三相流三维速度场和压力场的相关理论。
流体/工件能量比例系数指纳米流体带走热流密度及流入工件热流密度的比例，直接决定了切削工件的最高温度。然而，目前并没有一种装置或方法能对流体/工件能量比例系数进行有效测量，也没有一种纳米流体切削液对流换热系数测量装置或方法能模拟实际切削加工喷嘴气流场，更没有一种装置或方法能实现纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数同时在线测量。
技术实现要素：
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明提供一种纳米流体切削液热物理性质参数测量系统，具体的是一种纳米流体切削液导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统，对纳米流体导热系数进行有效测量的同时还能模拟纳米粒子射流微量润滑喷嘴出口的气流场，对纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数进行精确测量。
纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，由空气压缩机、液压泵、纳米流体导热系数测量装置、微量润滑装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置或者纳米粒子射流微量润滑铣削力及铣削温度测量装置组成；其中，所述的纳米流体导热系数测量装置处于集成测量系统的液路中，其采用瞬态双热线法，长、短铂丝由铂丝支架分别固定在两玻璃管中，两玻璃管通过连接口由胶皮管相连，两铂丝既作为加热线源又作为测温元件。打开单向阀，纳米流体只能流入导热系数测量装置而不能流出。恒温容器由恒温循环水保持恒温，待系统稳定后，利用惠斯通电桥对导热系数进行精确测量。测量结束后后打开单向阀，纳米流体由纳米流体出口流出。与现有纳米流体导热系数测量装置比较，能更好的避免纳米流体自然对流引起的误差，且不用反复拆装，测量方便。
纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置处于集成测量系统的终端。绝热装置由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成，其中碳纳米管垂直于热量传递的方向排布，可确保热源产生的热量仅能沿竖直方向向工件表面传递，且可避免热量在传递过程中透过绝热侧壁散发到绝热容器外面，从而提高测量装置的绝热性能，使得热量只能向预定方向传递，提高最终测量精度。设置喷嘴角度及高度并将绝热装置端盖固定在绝热装置上，接通加热板电源，使加热板以恒定热流密度工作。待系统稳定后，打开微量润滑装置，使纳米流体液滴以一定角度、速度及高度喷射在工件表面。由于绝热装置中工件只有上表面与外界有热量的交换，其余三个界面绝热。根据传热学的基本理论，采用流体动力学及傅立叶传热定律，基于精确解的数学模型，从工件导热微分方程的解析解出发，利用反演原理及热电偶测得的工件表面温度精确反演出纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数。
纳米粒子射流微量润滑磨削力及磨削温度测量装置，采用热电偶精确测量纳米粒子射流微量润滑条件下工件表面温度，采用磨削测力仪测量磨削力。磨削测力仪平台由一块整体构件与两个压电石英晶体三维力传感器构成，可将磨削过程中工件受到的磨削力分解为空间相互正交的三个分力。测量结束后可得到纳米流体的导热系数、磨削加工条件下纳米流体切削液对流换热系数及磨削加工条件下流体/工件能量比例系数。
纳米粒子射流微量润滑铣削力及铣削温度测量装置，由于莫氏主轴、压电测力晶组、电极引线、导线连接块、滚轮、主轴下端及圆锥滚子轴承内圈随着机床主轴一起旋转，而固定外套、端盖、圆锥滚子轴承外圈及高压电转换装置固定在机床上保持静止，从而实现旋转刀具上的铣削力测量。测量结束后可得到纳米流体的导热系数、铣削加工条件下纳米流体切削液对流换热系数及铣削加工条件下流体/工件能量比例系数。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统，由气路系统、液路系统、纳米流体导热系数测量装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置或铣削力及铣削温度测量装置组成；
所述的纳米流体导热系数测量装置位于所述的液路系统中，包括相连通的玻璃管i、玻璃管ii，在玻璃管i中安装长铂丝，玻璃管ii中安装短铂丝，长铂丝、短铂丝既作为加热线源又作为测温元件；且安装长铂丝的玻璃管设有纳米流体入口和纳米流体出口，且纳米流体入口和纳米流体出口各自通过一个单向阀与液路系统相连；
所述的气路系统为液路系统中的纳米流体提供压力，且液路系统引出两个喷嘴，喷嘴i喷出的纳米流体气雾喷到工件i表面，组成纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置；喷嘴ii喷出的纳米流体气雾喷到工件ii表面，组成磨削力及磨削温度测量装置。
进一步的，所述的气路系统包括依次连接的空气压缩机、过滤器、储气罐、调压阀ii、节流阀ii、涡轮流量计ii。
进一步的，所述的液路系统包括依次连接的纳米流体储液罐、液压泵、调压阀i、节流阀i、涡轮流量计i、单向阀i、单向阀ii组成液路；所述的单向阀i与纳米流体导热系数测量装置的纳米流体入口相连，所述的单向阀ii与纳米流体导热系数测量装置的纳米流体出口相连。
进一步的，所述的纳米流体导热系数测量装置中的长铂丝和短铂丝的温度差，采用惠斯通电桥精确测量。
进一步的，所述的玻璃管i与玻璃管ii通过连接口i和连接口ii由胶皮管连接；打开单向阀i，纳米流体由单向阀i流出后由纳米流体入口进入玻璃管ii，再经连接口ii、胶皮管、连接口i进入玻璃管i。此时单向阀ii关闭，纳米流体只能流入导热系数测量装置而不能流出；测量温度差之后打开单向阀ii，纳米流体由纳米流体出口流出。
进一步的，所述纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置包括绝热装置、加热板和两热电偶，所述的加热板水平放置在所述的绝热装置中，在加热板上设有工件i，将两热电偶固定在工件i的通孔中并放在加热板上表面，两热电偶通过加热板的边缘后分别引入绝热装置底壁的两通孔中。
进一步的，所述绝热装置为一个长方体，其侧壁、底壁及绝热装置端盖均由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成；该复合材料以氧化铝陶瓷为基体，碳纳米管为填充物经等离子体烧结而成。其中碳纳米管垂直于热量传递的方向排布，即碳纳米管垂直于绝热侧壁、底壁及绝热装置端盖的厚度方向而排列。
进一步的，所述的喷嘴i、喷嘴ii结构相同，均由定位卡，中间套，喷嘴体组成，定位卡下端球形半径、中间套上端球形孔及下端球形半径及喷嘴体的上端球形孔半径相等；定位卡下端球形可装在中间套上端球形孔中，中间套下端球形可装在喷嘴体的上端球形孔中。
进一步的，所述喷嘴体的注液通道接头是纳米流体入口，纳米流体经液路管进入到喷嘴体的注液通道接头，高压气体经气路管进入到喷嘴体的注气通道接头。高压气体经通气孔壁中分布的通气孔进入混合室，与来自注液通道接头中的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，使高压气体和纳米流体进一步混合并加速，以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至切削区。
进一步的，所述磨削力及磨削温度测量装置，包括热电偶ⅲ、热电偶ⅳ和磨削测力仪；采用热电偶精确测量纳米粒子射流微量润滑条件下工件表面温度，采用磨削测力仪测量磨削力；磨削测力仪平台由一块整体构件与两个压电石英晶体三维力传感器构成，可将磨削过程中工件受到的磨削力分解为空间相互正交的三个分力。测量结束后可得到纳米流体的导热系数、磨削加工条件下纳米流体切削液对流换热系数及磨削加工条件下流体/工件能量比例系数。
进一步的，所述的铣削力及铣削温度测量装置，其包括压电测力晶组、电极引线、导线连接块、高压电转换装置；所述的压电测力晶组安装在莫氏主轴下端随着主轴以及刀具一起旋转；电极引线通过所述的导线连接块固定后与高压电转换装置相连，高压电转换装置固定不动，从而实现了旋转刀具上的切削力测量。
本发明的有益效果是：
(1)在同一系统中实现纳米流体导热系数、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数在线测量，不仅设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，解决了目前流体/工件能量比例系数不可测量及纳米流体热物理性质参数分别用不同设备测量的难题；
(2)纳米流体导热系数测量装置，具体的是一种纳米流体可流通导热系数测量装置，纳米流体从纳米流体入口流入后依次进入两相连的玻璃管，测量结束后从纳米流体出口流出。与现有纳米流体导热系数测量装置比较，能更好的避免纳米流体自然对流引起的误差，且不用反复拆装，测量方便；
(3)纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置，具体的是一种高压高速射流条件下纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置，模拟实际纳米粒子射流微量润滑气流场，且工件所处的绝热装置由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成，可确保热源产生的热量仅能沿竖直方向向工件表面传递，从工件热量平衡导热微分方程的解析解出发，利用反演原理及热电偶测得的工件表面温度精确反演出纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数；
(4)实施例铣削力测量装置中，莫氏主轴、压电测力晶组、电极引线、导线连接块、滚轮、主轴下端及圆锥滚子轴承内圈随着机床主轴一起旋转，而固定外套、端盖、圆锥滚子轴承外圈及高压电转换装置固定在机床上保持静止，从而实现旋转刀具上的切削力测量。
附图说明
构成本申请的一部分的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为纳米流体切削液导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成测量系统图；
图2为纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量系统的液路和气路系统图；
图3为导热系数测量装置剖视图；
图4为导热系数测量装置的玻璃管连接图；
图5为导热系数瞬态热线测量系统图；
图6为纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置剖视图；
图7为绝热装置及加热板安装图；
图8为绝热装置碳纳米管排布方向图；
图9为喷嘴结构剖视图；
图10为定位卡安装图；
图11为中间套剖视图；
图12为喷嘴体结构剖视图；
图13为纳米流体椭圆形喷雾边界；
图14为工件内部热传导示意图；
图15为热电偶测得及模拟得到的温度曲线图；
图16为第一种实施例磨削力及磨削温度测量装置；
图17为工件在磨削测力仪上的装夹方式图；
图18为磨削测力仪平台；
图19为第二种实施例铣削测力仪结构剖视图；
图20为压电测力晶组安装图。
其中，1-纳米流体导热系数测量装置，2-空气压缩机，3-液压泵，4-微量润滑装置，5-纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置，6-磨削力及磨削温度测量装置，7-回收箱，8-溢流阀，9-纳米流体储液罐，10-调压阀i，11-节流阀i，12-涡轮流量计i，13-单向阀i，14-单向阀ii，15-过滤器，16-储气罐，17-压力表，18-调压阀ii，19-节流阀ii，20-涡轮流量计ii，21-喷嘴i，22-喷嘴ii，23-工件i，24-工件ii，25-液路管，26-气路管；
21-1-定位卡，21-2-中间套，21-3-喷嘴体；
21-3-1-混合室，21-3-2-通气孔，21-3-3-通气孔壁，21-3-4-加速室，21-3-5-涡流室，21-3-6-注液通道接头，21-3-7-注气通道接头；
101-橡胶塞i，102-恒温容器盖，103-铂丝支架i，104-铂丝支架ii，105-短铂丝，106-恒温容器，107-玻璃管i，108-连接口i，109-胶皮管，1010-恒温水入口，1011-纳米流体出口，1012-纳米流体入口，1013-玻璃管ii，1014-铂丝支架ⅳ，1015-连接口ii，1016-长铂丝，1017-铂丝支架ⅲ，1018-恒温水出口，1019-橡胶塞ii，1020-连接铜线ⅳ，1021-连接铜线ⅲ，1022-连接铜线ii，1023-连接铜线i，1024-连接铜线v；
501-螺钉i，502-垫片i，503-绝热装置端盖，504-垫片ii，505-绝热装置，506-加热板，507-工件底槽，508-热电偶i，509-热电偶ii；
601-砂轮，602-热电偶ⅲ，603-热电偶ⅳ，604-磨削测力仪；
604-1-螺钉ⅱ，604-2-挡块，604-3-环形块，604-4-螺钉ⅲ，604-5-螺钉ⅳ，604-6-测力仪底座，604-7-螺钉ⅴ，604-8-数据采集器，604-9-信号传输线，604-10-平板i，604-11-压板，604-12-螺钉ⅵ，604-13-螺母，604-14-垫片ⅲ，604-15-螺钉ⅶ，604-16-平板ⅱ；
6ˊ01-莫氏主轴，6ˊ02-螺钉ⅷ，6ˊ03-垫片ⅳ，6ˊ04-密封圈ⅰ，6ˊ05-圆锥滚子轴承ⅰ，6ˊ06-套筒，6ˊ07-套筒，6ˊ08-圆锥滚子轴承ⅱ，6ˊ09-密封圈ⅱ，6ˊ010-压电测力晶组，6ˊ011-键，6ˊ012-电极引线，6ˊ013-高压电转换装置，6ˊ014-滚轮，6ˊ015-导线连接块，6ˊ016-主轴下端，6ˊ017-夹头，6ˊ018-锁紧螺母，6ˊ019-刀具，6ˊ020-垫片ⅴ，6ˊ021-预紧螺钉，6ˊ022-固定外套，6ˊ023-垫片ⅵ，6ˊ024-端盖，6ˊ025-定位轴，6ˊ026-螺钉ⅸ，6ˊ027-外部导线，6ˊ028-垫片ⅶ，6ˊ029-垫片ⅷ，6ˊ030-螺钉ⅹ。
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。
下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：
图1所示为纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量系统，包括纳米流体导热系数测量装置1，空气压缩机2，液压泵3，微量润滑装置4，纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置5以及磨削力及磨削温度测量装置6或者如图19所示的纳米粒子射流微量润滑铣削力及铣削温度测量装置。
图2所示为这种测量系统的液路和气路系统简图，如图所示，由依次串联的空气压缩机2、过滤器15、储气罐16、调压阀ii18、节流阀ii19、涡轮流量计ii20组成气路；依次串联的纳米流体储液罐9、液压泵3、调压阀i10、节流阀i11、涡轮流量计i12、单向阀i13、导热系数测量装置1、单向阀ii14组成液路。
工作时，启动液压泵3，储存在储液罐9中的纳米流体经流体调压阀i10、流体节流阀i11、涡轮流量计i12、单向阀i13、导热系数测量装置1和单向阀ii14进入微量润滑装置4的纳米流体入口。溢流阀8和纳米流体回收箱7形成保护回路，溢流阀8起到安全阀的作用，当液路中的压力超过调定压力时，溢流阀8打开，使纳米流体经溢流阀8流回到回收箱7中。启动液压泵3的同时，启动空气压缩机2，高压气体经过滤器15、储气罐16、气体调压阀ii18、气体节流阀ii19和涡轮流量计ii20进入微量润滑装置4的压缩气体入口，压力表17用来监测储气罐16的气压。其中，喷嘴i21喷出的纳米流体气雾喷到工件i23表面，组成纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置5；喷嘴ii22喷出的纳米流体气雾喷到工件ii24表面，组成磨削力及磨削温度测量装置6。
纳米流体导热系数测量装置1处于集成测量系统的液路中，其采用瞬态双热线法，长、短铂丝由铂丝支架分别固定在两玻璃管中，两玻璃管通过连接口由胶皮管相连，两铂丝既作为加热线源又作为测温元件。打开单向阀，纳米流体只能流入导热系数测量装置而不能流出。恒温容器由恒温循环水保持恒温，待系统稳定后，利用惠斯通电桥对导热系数进行精确测量。测量结束后后打开单向阀，纳米流体由纳米流体出口流出。与现有纳米流体导热系数测量装置比较，能更好的避免纳米流体自然对流引起的误差，且不用反复拆装，测量方便；具体的结构如下：
如图3所示，采用瞬态双热线法，长铂丝1016、短铂丝105的直径为20μm，长度分别为为150mm、50mm，玻璃管i107、玻璃管ii1013的直径为30mm。两玻璃管通过连接口i108和连接口ii1015由胶皮管109连接(图4)。恒温容器106由恒温循环水保持恒温，循环水由恒温水入口1010进入，由恒温水出口1018流出。橡胶塞i101、橡胶塞ii1019固定在恒温容器盖102上，铂丝支架i103、铂丝支架ii104通过橡胶塞i101通入玻璃管i107，铂丝支架ⅲ1017、铂丝支架ⅳ1014通过橡胶塞ii1019通入玻璃管ii1013。铂丝支架i103、ii104、ⅲ1017、ⅳ1014分别与连接铜线i1023、ii1022、ⅲ1021、ⅳ1020连接，由连接铜线v1024与电源连接。打开单向阀i13，纳米流体由单向阀i13流出后由纳米流体入口1012进入玻璃管ii1013，再经连接口ii1015、胶皮管109、连接口i108进入玻璃管i107。此时单向阀ii14关闭，纳米流体只能流入导热系数测量装置1而不能流出。待系统稳定后，测量纳米流体的导热系数。其测量原理为：
两根热丝仅长度不同，同时给两根热丝加相同的电流时，两根热丝产生同样的端部散热效应。这样，两根铂丝的温度差就等同于一根无限长热线的有限部分的温升，可以消除热丝端部散热影响，提高实验数据的测量精度。因为铂丝的电阻值随温度发生变化，插入纳米流体中的表面绝缘的铂丝既作为加热线源又作为测温元件。图5给出了瞬态热线测量系统图，两根热丝的电阻差(即两根热丝的温度差)采用惠斯通电桥精确测量。图中rr为1ω的精密电阻，其两端的电压降即为恒流源输出的电流i。r2和r4为阻值为100ω的精密电阻，r1′和r3′为电阻温度系数极低的锰铜可调电阻，r1和rs分别表示长短铂丝的电阻。测试前，先输出5ma的小电流至桥路，调节r1′和r3′使电桥处于平衡状态，此时电桥输出为零(ubd＝0)，即
(r1′+rl)r4＝(r3′+rs)r2(1)
测量开始时，恒流源输出一恒定的电流i至桥路，长、短热丝的温度将升高，电阻值分别升高drl和drs。则电桥输出电压dubd与两热丝电阻变化量dr之间的关系为
dubd＝i(r1′+rl+drl)/2-i(r3′+rs+drs)/2＝i(drl-drs)/2＝idr/2(2)
在较小的温度范围内，铂丝电阻与温度的关系可用下式表示：
r(t)＝r(0)[1+a(t-273.15)](3)
式中：a为铂丝电阻温度系数，可预先标定，r(0)为0℃时长度为l(l是两根热丝长度之差)的铂丝的电阻。对式(3)微分得
dr＝r(0)adt(4)
又已知瞬态热线法测量流体导热系数的基本方程式：
将式(4)和式(2)代入式(5)，可得导热系数的实验表达式：
将导热系数数据采集系统测得的相关数据带入式即可计算得到纳米流体的导热系数。为了抑制流体自然对流对流体导热系数测量的影响，一次实验测量时间控制在5s范围内。测量完毕后打开单向阀ii14，纳米流体由纳米流体出口1011流出。与现有纳米流体导热系数测量装置比较，本发明的纳米流体导热系数测量装置能更好的避免纳米流体自然对流引起的误差，且不用反复拆装，测量方便。
图6为纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置。如图所示，在工件i23底部加工槽507，并在槽内加工两通孔。分别将热电偶i508、热电偶ii509从工件i23的底部通入两通孔内，且使两热电偶的节点与工件i23表面位于同一平面上。将工件i23放入绝热装置505内，工件i23底部有加热板506(图7)。令加热板506以恒定热流密度qt工作，则热量只能从工件i23底部传递到工件i23上表面。当系统达到热稳定状态时，纳米流体从喷嘴i21喷出后以射流的形式喷到工件i23表面，两热电偶将采集到的温度信号传递给数据处理器，通过计算机的反演处理程序完成纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数的测量。
绝热装置505外观为长方体，将加热板506装入绝热装置505，将两热电偶固定在工件i23的通孔中并放在加热板506上表面，两热电偶通过加热板的边缘(图7)后分别引入绝热装置505底壁的两通孔中，绝热装置505内部空间长度、加热板长度及工件长度都为l。将喷嘴i21固定在绝热装置端盖503中并调整好喷嘴i21的高度及角度后，通过螺钉i501及垫片i502将绝热装置端盖503固定在绝热装置505上，垫片ii504可以调整绝热装置端盖503与绝热装置505之间的间隙及游隙。绝热装置505的侧壁、底壁及绝热装置端盖503均由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成，该复合材料以氧化铝陶瓷为基体，碳纳米管为填充物经等离子体烧结而成。其中碳纳米管垂直于热量传递的方向排布(图8)，即碳纳米管垂直于绝热侧壁、底壁及绝热装置端盖的厚度方向而排列。碳纳米管是一种由石墨层碳原子卷曲而成的管状材料，其直径为几纳米到几十纳米，可为连续排列，也可为不连续排列。碳纳米管具有独特的导热性能，其轴向导热性极优异，但径向不导热，因此，当热量垂直碳纳米管传递时，不会沿其径向传递，碳纳米管将热量反射回去。因此，该绝热装置具有优良的绝热性能，较传统的氧化铝陶瓷具有更高绝热效果，可确保热源产生的热量仅能沿竖直方向向工件表面传递，且可避免热量在传递过程中透过绝热侧壁散发到绝热容器外面，从而提高测量装置的绝热性能，使得热量只能向预定方向传递，提高最终测量精度。
本发明中喷嘴i、喷嘴ii结构相同，以喷嘴i为例，如图9所示为喷嘴i21结构剖视图，如图所示，25为整个系统的液路管，26为整个系统的气路管，21-1为喷嘴i21的定位卡，21-2为中间套，21-3为喷嘴体。如图10所示，定位卡21-1为树脂材料，图10中实线图形为其原形状，受力后可变为虚线图形，定位卡21-1受力变形后装入绝热装置端盖503中。定位卡21-1下端球形半径、中间套21-2(图11)上端球形孔及下端球形半径及喷嘴体21-3的上端球形孔半径都为r，因此，定位卡21-1下端球形可装在中间套21-2上端球形孔中，中间套21-2下端球形可装在喷嘴体21-3的上端球形孔中。
图12为喷嘴体21-3剖视图。工作时，纳米流体经液路管25进入到喷嘴体的注液通道接头21-3-6，高压气体经气路管26进入到喷嘴体的注气通道接头21-3-7。高压气体经通气孔壁21-3-3中分布的通气孔21-3-2进入混合室21-3-1，与来自注液通道接头21-3-6中的纳米流体在喷嘴混合室21-3-1中充分混合雾化，经加速室21-3-4加速后进入涡流室21-3-5，使高压气体和纳米流体进一步混合并加速，以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。
所述喷嘴i21角度及高度经调整后将绝热装置端盖503固定在绝热装置505上，接通加热板506电源，使加热板506以恒定热流密度qt工作。待系统稳定后(即两热电偶测得的温度不再变化时)，打开微量润滑装置4，使纳米流体液滴以一定角度、速度及高度喷射在工件i23表面。纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量原理为：
如图13所示，喷嘴喷雾倾角为β，喷雾锥角为α，喷嘴高度为h，假设喷嘴始终保持其在热源表面形成的冲击区域与热源相切。倾斜喷嘴的喷雾边界为封闭椭圆或抛物线，为使更多的液滴喷入加工区域，应使喷雾边界为椭圆，即应使0<π/2-β<π/2-α/2。设椭圆长轴为2a，短轴为2b，引入中间变量c，令c＝2cos(α+β/2)cos(α-β/2)。则椭圆的边界方程：
式中：
在温度场模型中，热源连续输入热量与工件基体内热传导、工件表面对流换热遵循热力学第一定律和傅立叶传热定律。假设在热源带的两侧不发生热量的交换，则可将磨削温度场简化为二维传热分析。在瞬态温度场中场变量t(x,z,t)满足热量平衡导热微分方程：
式中：kx、kz为材料沿x、z方向的导热系数。将工件假定为一矩形平面，并将其离散化分解为平面网格结构。如图14所示，取等长的空间步长δx＝δz＝δl，作两组等间隔的平行线，对矩形工件进行剖分，平行线方程：
式中：xi，zj分别为构成差分网格的第i条横线在x方向上的坐标值和第j条竖线在z方向上的坐标值，a和b分别为工件的长度和高度，m和n分别为自然数。经过剖分，得到了差分计算的网格区域，如图14所示。以二阶差商为基础建立差分方程组，即：
可得到内部网格各节点的差分方程为：
图6绝热装置中工件只有上表面与外界有热量的交换，其余三个界面绝热。根据牛顿冷却定律，工件边界层与冷却换热介质之间的温度对流换热表示为：
qw＝h(t|s-ta)(12)
式中：qw是工件热流加载面与换热介质对流热流量，t|s是热流加载面的温度，ta是冷却换热介质的温度。在第三类边界上的微分方程可表示为：
假设室温为t0，即初始条件：
t|t＝0＝t0(14)
反演程序：
热流密度取值范围为q1～q2，以步长lq进行搜索，则热流密度共有
对流换热系数的定义式：
qw-f＝h·(tw-tf)(15)
式中：qw-f为纳米流体与工件表面之间对流传热的热流密度，tw、tf分别为工件表面和流体的温度。由反演处理得到的热流密度q即为qw-f，已知加热板506以恒定热流密度qt工作，则由纳米流体带走的热流密度：
qf＝qt-qw-f(16)
已知纳米流体带走的热量与传入工件的热量，则可得纳米流体/工件能量比例系数：
与现有技术相比，本发明的纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置及方法模拟实际纳米粒子射流微量润滑喷嘴出口的气流场，且工件所处的绝热装置由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成，可确保热源产生的热量仅能沿竖直方向向工件表面传递，基于精确解的数学模型，从工件热量平衡导热微分方程的解析解出发，利用反演原理精确反演出纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数。
图16所示实施例为磨削力及磨削温度测量装置，砂轮601圆周速度为vs，工件ⅱ24进给速度为vw，磨削深度为ap，纳米流体雾滴由喷嘴ⅱ22喷射到工件ⅱ24表面，热电偶ⅲ602及热电偶ⅳ603测量工件ⅱ24表面温度，采用磨削测力仪604测量磨削力。
工件ⅱ24在磨削测力仪604上的装夹方式如图17所示，前后两个测力仪底座604-6固定测力仪并用螺钉ⅳ604-5和螺钉ⅴ604-7夹紧，两底座604-6的材料属性为可导磁性金属。开启平面磨床工作台，工作台充磁可使测力仪的底座604-6吸附在工作台上。环形块604-3固定在测力仪的工作台上，将工件ⅱ24放在测力仪的工作台上，工件ⅱ24的六个自由度通过环形块604-3和测力仪的工作台便可实现完全定位。工件ⅱ24的y轴方向使用两个螺钉ⅱ604-1进行夹紧，在工件的x方向，使用两个螺钉ⅲ604-4对工件ⅱ24进行夹紧。挡块604-2一面与工件ⅱ24侧面接触，一面与两个螺钉ⅱ604-1接触，拧紧螺钉ⅱ604-1使挡块604-2在工件ⅱ24的y方向上夹紧。工件ⅱ24在z方向上采用三个压板604-11夹紧，三个压板604-11借助平板i604-10、平板ⅱ604-16、垫片ⅲ604-14和螺钉ⅵ604-12、螺母604-13构成自调节压板，平板ⅱ604-16由螺钉ⅶ604-15固定在挡块604-2上。当工件ⅱ24长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个螺钉ⅲ604-4、两个螺钉ⅱ604-1和三个平板i604-10实现装备可调，满足工件ⅱ24的尺寸变化要求。挡块604-2用螺钉ⅶ604-15和螺钉ⅱ604-1进行夹紧。工件ⅱ24受到磨削力时，测量信号经测力仪信号传输线604-9传递给数据采集器604-8并传递到控制系统。
图18所示为磨削测力仪平台，其是由一块整体构件与二个压电石英晶体三维力传感器构成。传感器有三对不同切型的石英晶片装入壳体内构成。其中一对采用具有纵向压电效应的切片，只能测量垂直平台的z向力；而另外两对晶片由于采用具有切向效应的切型，且相互灵敏度方向成90°放置，因此可测x，y向的分力。这样空间任何方向的力作用在传感器上时，传感器便能自动将力分解为空间相互正交的三个分力。
磨削过程中所消耗的磨削能，除了极少部分消耗于新生面形成所需要的表面能、残留于磨削表层的应变能和磨屑飞出的动能外，绝大部分都在接触区内转化为热能，这些热能以热传导、热对流的形式传入到工件、砂轮、磨屑和磨削液中。因此，磨削区产生的总热流密度qtotal包括流入工件的热流密度qw，流到磨屑的热流密度qch，进入磨削液的热流密度qf，以及流向砂轮的热流密度qs，即：
qtotal＝qw+qch+qf+qs(18)
其中，总热流密度：
式中：ft为测得的磨削切向力，lc为工件/砂轮接触弧长，b为砂轮宽度。
图19所示实施例为铣削测力仪结构剖视图。如图所示，将定位轴6ˊ025固定在机床上，由于定位轴6ˊ025与固定外套6ˊ022是一体的，固定外套6ˊ022也是固定不动的。莫氏主轴6ˊ01与机床主轴连接并随机床主轴旋转。刀具6ˊ019在切削过程中，受到工件的反作用切削力，由于刀具6ˊ019通过锁紧螺母6ˊ018与夹头6ˊ017固定在主轴下端6ˊ016上，切削力从刀具6ˊ019通过夹头6ˊ017传递到主轴下端6ˊ016。主轴下端6ˊ016与莫氏主轴6ˊ01通过预紧螺钉6ˊ021与垫片ⅴ6ˊ020将压电测力晶组6ˊ010夹紧在二者之间，切削力通过主轴下端6ˊ016直接作用在压电测力晶组6ˊ010上。由于铣削过程中莫氏主轴6ˊ01要承受轴向和径向两个方向的力，因此本装置采用圆锥滚子轴承ⅰ6ˊ05和圆锥滚子轴承ⅱ6ˊ08。圆锥滚子轴承ⅰ6ˊ05由端盖6ˊ024和套筒6ˊ06定位，圆锥滚子轴承ⅱ6ˊ08由固定外套6ˊ022和套筒6ˊ07定位。轴承两端采用密封圈ⅰ6ˊ04和密封圈ⅱ6ˊ09密封以防止润滑油漏油。端盖6ˊ024由螺钉ⅷ6ˊ02和垫片ⅳ6ˊ03固定在固定外套6ˊ022上，垫片ⅵ6ˊ023可以调整轴承间隙、游隙以及轴的轴向位置。
如图20所示，压电晶组6ˊ010受力产生电荷，电信号通过电极引线6ˊ012传输到导线连接块6ˊ015，由导线连接块6ˊ015传递给滚轮6ˊ014，再由滚轮6ˊ014传输到高压电转换装置6ˊ013，进而通过外部导线6ˊ027进入电荷放大器进行信号放大处理，最后通过数据采集器进入计算机完成数据处理。高压电转换装置6ˊ013由螺钉ⅸ6ˊ026和垫片ⅶ6ˊ028固定在固定外套6ˊ022上，导线连接块6ˊ015由垫片ⅷ6ˊ029和螺钉ⅹ6ˊ030固定在主轴下端6ˊ016上。纳米流体雾滴由喷嘴ⅱ22喷射到工件ⅱ24表面，整个过程中，莫氏主轴6ˊ01、压电测力晶组6ˊ010、电极引线6ˊ012、导线连接块6ˊ015、滚轮6ˊ014、主轴下端6ˊ016及圆锥滚子轴承内圈随着机床主轴一起旋转，而固定外套6ˊ022、端盖6ˊ024、圆锥滚子轴承外圈及高压电转换装置6ˊ013固定在机床上保持静止，从而实现了旋转刀具上的切削力测量。安装时先将导线连接块6ˊ015固定在主轴下端6ˊ016上，将高压电转换装置6ˊ013固定在固定外套6ˊ022上，将压电测力晶组6ˊ010、主轴下端6ˊ016及键6ˊ011依次装入莫氏主轴6ˊ01下端并用垫片ⅴ6ˊ020及预紧螺钉6ˊ021拧紧，将刀具6ˊ019装入主轴下端6ˊ016下端的孔中，再装上夹头6ˊ017，最后通过主轴下端6ˊ016与锁紧螺母6ˊ018的螺纹将锁紧螺母6ˊ018拧紧。
铣削过程中热流密度：
式中：fc为刀具进给方向切削力，ff为垂直于刀具进给方向的切削力，fc与ff均通过测力仪测得；ac为切削厚度，ach为切屑厚度，lf为刀-屑接触长度，γ0为刀具前角，aw为切削宽度，vc为切削速度。
本方案具体工作过程如下：
纳米流体热物理性质参数集成在线测量系统，具体是一种纳米流体导热系数、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统，由空气压缩机2、液压泵3、纳米流体导热系数测量装置1、微量润滑装置4、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置5、磨削力及磨削温度测量装置6组成。
当使用该系统对纳米流体切削液热物性参数进行测量时，启动液压泵3，储存在储液罐9中的纳米流体经流体调压阀i10、流体节流阀i11、涡轮流量计i12、单向阀i13，由单向阀i13流出后由纳米流体入口1012进入玻璃管ii1013，再经连接口ii1015、胶皮管109、连接口i108进入玻璃管i107，使两玻璃管充满纳米流体。系统稳定后接通连接铜线v1024电源，采用惠斯通电桥对纳米流体的导热系数进行测量。为了抑制流体自然对流对流体导热系数测量的影响，一次实验测量时间控制在5s范围内。测量完毕后打开单向阀ii14，纳米流体由纳米流体出口1011流出经单向阀ii14进入微量润滑装置4的纳米流体入口。
启动液压泵3的同时启动空气压缩机2，高压气体经过滤器15、储气罐16、气体调压阀ii18、气体节流阀ii19和涡轮流量计ii20进入微量润滑装置4的压缩气体入口。喷嘴i21喷出的纳米流体气雾喷到工件i23表面，组成纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置5。在工件i23底部加工槽507，并在槽内加工两通孔。分别将热电偶i508、热电偶ii509从工件i23的底部通入两通孔内，且使两热电偶的节点与工件i23表面位于同一平面上。将工件i23放入绝热装置505内，工件i23底部有加热板506。令加热板506以恒定热流密度qt工作，则热量只能从工件i23底部传递到工件i23上表面。当系统达到热稳定状态时，纳米流体从喷嘴i21喷出后以射流的形式喷到工件i23表面，两热电偶将采集到的温度信号传递给数据处理器，通过计算机的反演处理程序完成纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数的精确测量。
本发明第一种实施例为纳米粒子射流微量润滑条件下磨削力及磨削温度测量装置，开启平面磨床工作台，工作台充磁可使测力仪的底座604-6吸附在工作台上。环形块604-3固定在测力仪的工作台上，将工件ⅱ24放在测力仪的工作台上。工件ⅱ24的六个自由度通过环形块604-3和测力仪的工作台便可实现完全定位。工件ⅱ24的y轴方向使用两个螺钉ⅱ604-1进行夹紧，在工件的x方向，使用两个螺钉ⅲ604-4对工件ⅱ24进行夹紧。挡块604-2一面与工件ⅱ24侧面接触，一面与两个螺钉ⅱ604-1接触，拧紧螺钉ⅱ604-1使挡块604-2在工件ⅱ24的y方向上夹紧。工件ⅱ24在z方向上采用三个压板604-11夹紧。工件ⅱ24受到磨削力时，测量信号经测力仪信号传输线604-9传递给数据采集器604-8并传递到控制系统。
本发明第二种实施例为纳米粒子射流微量润滑条件下铣削力及铣削温度测量装置，将导线连接块6ˊ015固定在主轴下端6ˊ016上，将高压电转换装置6ˊ013固定在固定外套6ˊ022上，将压电测力晶组6ˊ010、主轴下端6ˊ016及键6ˊ011依次装入莫氏主轴6ˊ01下端并用垫片ⅴ6ˊ020及预紧螺钉6ˊ021拧紧，将刀具6ˊ019装入主轴下端6ˊ016下端的孔中，再装上夹头6ˊ017，最后通过主轴下端6ˊ016与锁紧螺母6ˊ018的螺纹将锁紧螺母6ˊ018拧紧。纳米流体雾滴由喷嘴ⅱ22喷射到工件ⅱ24表面，整个过程中，莫氏主轴6ˊ01、压电测力晶组6ˊ010、电极引线6ˊ012、导线连接块6ˊ015、滚轮6ˊ014、主轴下端6ˊ016及圆锥滚子轴承内圈随着机床主轴一起旋转，而固定外套6ˊ022、端盖6ˊ024、圆锥滚子轴承外圈及高压电转换装置6ˊ013固定在机床上保持静止，从而实现了旋转刀具上的切削力测量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
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