一种纳米流体磨削工艺及设备 【技术领域】
本发明属于机械磨削的方法和装置，具体的说是一种纳米流体磨削工艺及设备。
背景技术
机械磨削包括使用磨料的自由磨粒加工和使用砂轮的固结磨粒加工两种工艺。一般来说，自由磨粒加工是采用游离磨粒通过划擦去除工件表层的光整加工工艺，固结磨粒加工是采用尖锐磨粒的砂轮磨除工件多余部分的精加工工艺。磨削技术是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广的基本工艺技术。资料表明磨削加工量约占机械加工总量的30％-40％。磨削加工的特点决定了它去除相同体积的材料所消耗的能量远远大于其它加工方式，并且在金属加工中所做的功几乎全部转化为热能，这些热量传散在切屑、刀具和工件上。由于被切削的金属层比较薄，大约60-95％的热量被传入工件，只有不到10％的热量被切屑带走，这样就会在工件的表面聚集大量的热能形成局部高温，对工件的表面质量影响很大。因此，在机械磨削过程中要通过磨削介质进行冷却和润滑。目前的冷却润滑方式可分为三种：一种是大量使用磨削液的湿加工，第二种是完全不使用磨削液的干加工，第三种是介于前两种之间的微量润滑。
第一种方式属于传统的机械加工模式，整个生产过程中使用大量的磨削液为介质。磨削液的主要作用有：冷却、润滑、排屑、清洗和防锈。根据有关资料显示：磨削液的供给量越大，加工工件的质量越好。所以，前几年，在磨削加工领域积极推广加压供给磨削液的“高压冷却”模式。但是，随着磨削液用量的增大，磨削液的成本及后处理的费用在整个生产加工中所占的比重越来越大，而且磨削过程中磨削液形成的油雾严重影响工人的身体健康，操作工人的工作环境进一步恶化。
第二种方式即干加工技术。干加工就是在生产过程中不使用磨削液，采用空气冷却或其它冷却方式。这样可以使加工过程简单化，加工环境也得到很大的改善。但是这种加工方式具有以下几点缺陷：(1)砂轮与工件间的摩擦系数增大，使得摩擦力增大，砂轮磨损严重。(2)产生热量多，工件受热变形大、容易烧伤加工表面。所以干加工只适用于少数特定的加工场合。
第三种方式是微量润滑技术，其磨削介质主要是在高压空气中混入微量的水和润滑油，形成油包水雾状磨削液，靠高压气流进入高温磨削区域。水受热迅速汽化，带走一部分热量。高压气流起到冷却、排屑的作用。润滑油黏附在工件的加工表面，形成一层保护膜，起到微量润滑的作用。该技术综合了湿加工和干加工的优点，润滑效果与传统的湿加工几乎没有区别。其磨削液中的润滑油一般采用植物油作为基础油的烷基酯，具有极好的生物降解性能、润滑性能以及粘度指数高、挥发性低、可再生、生产周期短、环境扩散少等特点，磨削液的使用量只有传统加工方式的万分之几，大大改善了工作环境，是一种高效绿色加工技术。可是，研究表明：高压气流和微量水滴的冷却效力仍很有限，往往满足不了加工的需要，工件的加工效果比传统加工模式差，说明微量润滑技术还需要进一步改进。
【发明内容】
本发明的目的是：提供一种具有微量润滑技术的所有优点、并具有更强的冷却性能的磨削工艺以及实现该工艺的专用设备。
上述目地是由以下技术方案实现的：提供一种纳米流体磨削工艺，其特点是：在磨削过程中向磨削区提供纳米级固体粉末流体作为冷却润滑介质。
所说的纳米级固体粉末是和水、润滑油、高压空气混合形成纳米流体进入磨削区。
所说的纳米固体粉末即可以是金属粉末，例如铜，铝，锌等，也可以是氧化物粉末，例如氧化铝，氧化锌，氧化锆等，其粒度在1-100nm之间，输送量的体积百分数含量为1-10vol％；高压空气进气量为10-100L/Min；水的供给量200-800ml/h；润滑油为10-50ml/h。
所说的纳米固体粉末的粒度为40nm，输送量为4vol％，高压空气进气量为60L/Min，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h。
一种使用纳米流体润滑冷却磨削介质的设备，其特点是：在机架上设有盛装润滑油的储存罐，水储存罐、纳米级粉末储存罐和高压气泵，各储存罐的下面均接有输送管，与高压气泵的高压气管汇合进入一个腔状的雾化室，雾化室接出软管，软管一端装有喷头。工作时，高压空气、润滑油、水、纳米粉末被输送至雾化室，混合雾化后通过软管、喷头输送到磨削加工区。
所说的储存罐的输送管上分别装有流量控制阀和输送泵。
所说的高压气泵下方有空气入口，高压气泵启动，高压空气经过流量控制阀，空气滤清器后，进入装置内部，分为两路，其一通过高压气管直接进入雾化室，其二通过分流气管控制阀后，先与纳米粉末输送管汇合，吹送纳米粉末进入雾化室。
本发明的有益效果是：由于纳米粉末导热系数高，纳米流体通过高温区域时，会带走大量的磨削热，从而增强了磨削介质的冷却性能，弥补了微量润滑的不足。同时由于纳米粉末的质量很小，保持了微量润滑的性质和优势，且增加了磨削液的润滑面积，有效减小了砂轮与工件、砂轮与切屑之间的摩擦，延长砂轮的寿命，获得了加工质量高、成本低、无污染的积极效果，可望成为继湿加工、干加工和微量润滑之后的第四代磨削润滑冷却技术。
【附图说明】
图1是这种设备的主视图；
图2是这种设备的雾化室放大示意图。
图中可见：机架1，润滑油储存罐2，水储存罐3、纳米粉末储存罐4，高压气泵5，空气滤清器6，流量控制阀7，空气入口8，流量控制阀9、10、11，输送泵12、13、14，分流气管控制阀15，高压气管16，雾化室17，控制阀18，软管19，喷头20，高压空气入口21，纳米入口22，润滑油入口23，水入口24，纳米颗粒25，油水混合液滴26。
【具体实施方式】
把纳米材料引入磨削工艺，主要是考虑纳米材料具有极低的物质量和良好的导热性能。其实施过程要作好两个方面的工作：一是要选取合适的材料和工作参数，二是要研制适当的设备。
大量实验表明，所采用纳米材料的范围很广，可以是金属粉末，例如铜，铝，锌等，也可以是氧化物粉末，例如氧化铝，氧化锌，氧化锆等。其工作参数范围也很宽，如纳米材料的粒度在1-100nm之间，输送量的体积百分数含量为1-10vol％；高压空气进气量为10-100L/Min；水的供给量200-800ml/h；润滑油为10-50ml/h，都具有满意的效果。
图1介绍了一种最简单的设备，由图可见，在一个箱式机架1上方设有三个储存罐，分别是润滑油储存罐2，水储存罐3和纳米级粉末储存罐4，在机架1的左侧装有一个高压气泵5，各储存罐的下面均接有输送管，各输送管上分别装有流量控制阀9，10，11和输送泵12，13，14。高压气泵5一侧经流量控制阀7和空气滤清器6与空气入口8相接，另一侧后分为两支管路，其中一支通过高压气管16接雾化室17，另一支通过分流气管控制阀15与纳米粉末输送管汇合后接雾化室17。雾化室17通过控制阀18和软管19相连，软管另一端装有喷头20。
图2表示了一种雾化室17是一个容器状的空间，有一个高压空气入口21，在高压空气入口21里面里有纳米入口22和润滑油入口23和水入口24，其中水的入口24也是设在润滑油的入口23里面。工作时，在高压气体的拉动下，纳米颗粒25和油水混合液滴26混合并雾化后冲入磨削区。
为了证明纳米粉末的作用，我们做了大量的实验。归纳起来，大体上有两类实验。一类是加入纳米材料的磨削介质与其他磨削介质的对比实验，另一类是加入纳米材料的磨削介质自身的优化实验。下面仅提供部分典型实验情况：
第一类实验：不同加工方式对比。
实验用品：斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床，CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，粒度：240#，最大线速度65m/s。三向压电式磨削力测量仪(YDM-III99)，表面形貌仪(Talysurf)，红外热像仪(Thermovision A20M)。采用AL2O3纳米粉末，润滑油选用以植物油为基础油的聚甲基丙烯酸烷基酯。
实验设计：①采用传统的加工模式(湿加工)分别加工陶瓷、45#钢、铸铁。加工工艺参数，砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。在加工过程中保证充分的磨削液供给。陶瓷材料性能硬度(HV)可以达到2100，耐热温度1200℃，韧性较差，采用灰铸铁牌号为HT150，材料性能：硬度(HB)为180。实验过程中测量磨削区温度、切削力，实验结束后，分别测量各工件的表面粗糙度。
②使用干加工方式加工上述材料。加工工艺参数，砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。同样测量磨削区温度、切削力、表面粗糙度。
③采用微量润滑方法加工上述材料。加工工艺参数，砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。微量润滑系统中采用的工艺参数：进气量35L/Min，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h。同样测量磨削区温度、切削力、表面粗糙度。
④采用纳米流体微量润滑方法加工上述材料。加工工艺参数，砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。微量润滑系统中采用的工艺参数：进气量35L/Min，纳米颗粒的输送量为4vol％，纳米固体的粒度为40nm，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h。同样测量磨削区温度、切削力、表面粗糙度。
上述几部分实验所得数据如下表：
不同加工模式性能对比
(Ft：切向磨削力；Fn法向磨削力，单位：N/mm)
由上表可见，在高压气流中加入纳米颗粒的方法，能够进一步提高微量润滑技术的冷却效果。
注：Ft/Fn比值越大，说明冷却润滑效果越好。
综合上述实验可得到四种工艺加工效果的定性评价：
冷却效果 润滑效果 排屑 工作环境 成本 湿加工 优 优 好 差 高 干加工 差 差 差 好 低 微量润滑 中 良 好 较好 低 纳米微量润滑 良 良 好 较好 低
第二类实验：本实验共分为四部分，分别验证纳米颗粒输送量大小；纳米颗粒粒度；润滑油与水的比例；送气量的大小对纳米流体磨削效果的影响。
本实验在斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床进行，砂轮使用CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，粒度：240#。最大线速度可以达到65m/s。工件材料采用表面未经过处理的50mm×100mm×20mm 45#钢，硬度(HB)为230。
1.通过改变纳米流体中纳米粉末的含量，来研究其对磨削加工的影响。
实验设计：设定机床加工工艺参数：砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。纳米流体微量润滑系统中采用的工艺参数：进气量35L/Min，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h，纳米固体的粒度为40nm。纳米固体颗粒的输送量分为5种状态：1vol％，2.5vol％，4vol％，5vol％，8vol％。试验结束后，测量工件表面质量结果如下表
不同AL2O3用量情况下工件的表面质量对比
由上表可知，随着纳米固体粉末输送量的增加，磨削区温度峰值降低，但超过5vol％输送量，工件表面粗糙度数值增加，且在工件表面有轻微划痕，在此工艺条件下，4vol％输送量综合效果最好。
2.通过添加不同大小的纳米固体来观察纳米颗粒的大小对加工效果的影响。
实验设计：设定机床加工工艺参数：砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。纳米流体微量润滑系统中采用的工艺参数：进气量35L/Min，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h，纳米颗粒的输送量为4vol％。纳米颗粒大小为：20nm，30nm，40nm，50nm，60nm，80nm。实验结果见下表。
添加不同粒度的纳米颗粒加工效果对比
由上表可见：添加较大颗粒的纳米固体粉末的微量润滑具有很好的冷却效果，但纳米颗粒大小在50nm以后表面粗糙度数值增大，且工件表面有划痕现象发生，故在此工艺条件下，纳米颗粒大小为40nm可以得到较好的表面质量和综合效果。
3.研究纳米流体磨削液中水和润滑油的配比。
实验设计：设定机床加工工艺参数：总切削深度为50μm，砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。纳米流体微量润滑系统中采用的工艺参数：进气量35L/Min，纳米颗粒的输送量为4vol％，纳米颗粒大小为40nm。水与润滑油成一定比例混合，现定润滑油的供给量为20ml/h，水的供给量分别采用200ml/h，400ml/h，600ml/h，800ml/h，三种状态。即油与水的比例分别为1∶10，1∶20，1∶30，1∶40。
实验结果见下表。
纳米流体磨削液中水和润滑油的不同配比的加工质量对比
(Fn为法向力，N/mm)
由上表可知，在润滑油与水的比例为1∶30时，此装置的润滑效果最好，可以有效减小切削力，得到较好的加工效果。
4.通过改变进气量来研究气流大小对加工的影响。
实验设计：先将工件(45#钢)固定在电磁工作台上，设定机床加工工艺参数：砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：Z字形磨削，横向进给量30mm/s，工作台移动速度：60mm/s，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。纳米流体微量润滑系统中采用的工艺参数：纳米颗粒的输送量为4vol％，纳米颗粒的粒度为40nm，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h，设定进气量分别为20L/Min，40L/Min，60L/Min，80L/Min，100L/Min。
实验结果见下表。
气体输送量对加工的影响
由上表可知，在气流为60L/Min时，加工的工件表面质量最好。
综合上述实验结果，选定以下优化方式：纳米固体粉末的粒度为40nm，输送量为4vol％，高压空气进气量为60L/Min，水的供给量600ml/h，润滑油20ml/h。