[发明专利]纳米粒子射流微量润滑磨削雾滴粒径的测量方法与装置

说明书

技术领域

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

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1-100nm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。

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。

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。

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。

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：

1）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。

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。

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。