[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

说明书

技术领域

本发明涉及磨削加工中工件表面质量的评价方法，特别涉及一种纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测方法和装置。

背景技术

目前，磨削加工大量使用润滑剂，也称作浇注式磨削，对环境和工人健康伤害很大。由于环保要求，润滑剂的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，高达润滑剂成本的54％，使人们不得不对润滑剂作重新评价。德国对汽车制造厂作过调查，得到的结果是：工具费用只占加工成本的2％-4％；但与润滑剂有关的费用，却占成本的7％-17％，是工具费用的3-5倍。机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力只占20％，与冷却润滑有关的能量消耗却占53％。这说明由于“环保和低碳”的要求，润滑剂的廉价优势已不存在，已经变成影响生产发展的障碍。

为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用润滑剂的干式磨削应运而生。干式磨削由于抛弃了润滑剂的使用，其环保方面的优势是不言而喻的。但由于磨削加工去除单位材料体积所消耗的能量远比铣削、车削、钻削等加工方法大得多，在砂轮/工件界面产生如此高的能量密度，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量会聚集在表面层形成局部高温，因此在磨削加工中完全不使用润滑剂，不仅使加工工件表面质量恶化，而且砂轮使用寿命大幅度降低，甚至报废失效。

微量润滑技术是在确保润滑性能和冷却效果的前提下，使用最小限度的润滑剂。微量润滑磨削是在高压气体中混入微量的润滑剂，靠高压气流混合雾化后进入高温磨削区。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。可是，研究表明：高压气流的冷却效果很有限，满足不了高磨削区温度强化换热的需要，工件的加工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低，说明微量润滑技术还需要进一步改进。

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液体、气体等流体材料大几个数量级甚至更高。可是，由于固体物质流动性差，既难于参与磨削过程，又很难带走热量，所以还没有得到重视。

既有固体材料参与润滑剂的强化换热，又使润滑剂中的固体材料有良好的流动性能和稳定性能的纳米粒子射流微量润滑磨削新工艺由发明者提出并申请了相关专利。在相同体积含量下，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，因此将纳米粒子和润滑剂充分混合后制成纳米流体，纳米流体的导热能力将大幅度增加。再加上纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于流体分子，纳米粒子强烈的布朗运动有利于其保持稳定悬浮而不沉淀，具有优异的流动性能、稳定性能和成份均一性能。此外，纳米粒子优良的润滑特性又有助于提高磨削砂轮/工件界面的摩擦学特性，降低磨削力和磨削比能，使磨削区温度进一步降低。研究高磨削区压力条件下纳米粒子的浸润特性及磨粒/工件、磨粒/切屑、切屑/工件之间纳米粒子剪切油膜形成机理、研究磨削区流场与油膜形成内在科学本质、研究纳米颗粒的摩擦、变形、碰撞、挤压和滑滚提高润滑和摩擦学性能机理。而研究纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度与砂轮特性参数以及加工参数的预估模型，建立磨削表面质量评价和预估方法是本新工艺的关键所在。