[发明专利]纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成工艺与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成工艺与装置。

背景技术

金属磨削过程中，砂轮与工件表面间的润滑大多属于边界润滑。在边界润滑条件下，并不是磨削液的使用量越多磨削效果越理想，而是存在一定的适合用量范围。该用量范围与磨削液的性能、砂轮特性、工件材料及表面的微观形貌、表面粗糙度等因素有关，最大量为充满砂轮与工件表面接触区间隙工件表面的峰谷。在传统浇注式磨削加工过程中磨削液使用量约为8400-9500ml/min，然而即使用这么大量的磨削液，但由于砂轮高速旋转时会产生“气障层”阻碍磨削液的有效进入，又由于磨削液流速低、压力小等原因，使得最终进入高温高压磨削区的有效流量率非常有限，传统浇注式磨削中磨削液的利用率较低，仅为喷嘴流量的5%-40%。磨削液的成本不仅仅局限于它的生产和准备的花费，也包括维护、预处理和处理成本，所以大量磨削液的使用急剧增加了生产成本。据调查磨削液费用占总生产成本的16%，对于难加工材料更是高达20%-30%，而刀具的费用仅占总生产成本的2-4%。不但如此，磨削液的使用也会给环境和人体健康带来危害，为了控制磨削液中细菌与真菌的滋生，大多磨削液中添加了杀菌剂，然而杀菌剂是高度致癌物质，并具有很强的腐蚀性能，这对人体健康无疑是极大的威胁。

为保护环境，降低成本而有意识的停止使用磨削液的干式磨削应运而生。在干式磨削中虽然避免了磨削液的使用，但是受到材料的限制，在很多工况下表现并不令人满意。由于干式磨削不使用磨削液，必然会增大磨削区的摩擦力，从而产生大量的热，然而在没有磨削液冷却、润滑的情况下，通过刀具、工件和切屑带出的热量有限，故而会导致磨削区温度过高。磨削区的高温会损伤工件表面形态，影响表面精度，严重时会烧伤工件表面。同时干式磨削会产生大量微小的固体悬浮颗粒，这对于环境和人体健康危害极大。这些悬浮颗粒可能导致肺炎、呼吸道感染、肺肿瘤、哮喘、过敏性皮炎、肺气肿、硅肺病、慢性铍尘病，石棉肺和尘肺等疾病。

为了解决在干式磨削中，磨削区温度过高造成工件表面恶化，甚至烧伤等问题，人们提出了微量润滑。微量润滑磨削加工就是利用压缩空气与微量的磨削液混合，通过喷嘴雾化后喷射到磨削区的冷却润滑方式，其中压缩空气能够起到冷却和排屑的作用，而磨削液会黏附到工件的表面生成摩擦油膜达到润滑的效果。微量润滑加工模式能够最大限度的降低磨削液的使用，从而有效减小磨削液对环境和人体健康的影响，是一种无污染、环境友好型的绿色制造技术。采用微量润滑技术对工件进行磨削加工，工件表面有表面精度不理想甚至烧伤等问题，工件的加工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低。这说明微量润滑技术冷却能力不足。

由固体强化换热理论可知，固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体。纳米粒子（＜100nm）是介于宏观物质与微观原子或分子之间的过度亚稳态物质，具有小尺寸效应、表面效应与宏观量子隧道效应等，从而表现出一系列的特殊性质。由于纳米粒子的比表面积大，比表面能高，表面活性大，吸附作用强等优点。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，表1给出了纳米粒子（以碳纳米管为例）与其他材料的导热系数的对比。

表1是这种实施例中各种材料的换热系数列表

同时纳米粒子具有良好的减磨特性，从而能够很好的解决微量润滑中存在的问题，并进一步提高润滑性能。纳米流体的制备方法是在纳米粒子和可降解的磨削液的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂后，再采用1.6-2万次/分钟高频振动得到稳定的悬浮液。

纳米粒子是粒径小于100nm的石墨颗粒或者氧化物、碳纳米管，金属，非金属，高分子材料；润滑剂中纳米粒子的体积含量为1%－30vol%，磨削液为可降解的润滑油或植物油。