[发明专利]多角度二维超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削装置

说明书

技术领域

本发明涉及磨削加工领域，具体涉及多角度二维超声波振动辅助纳米流体微量润滑磨削装置。

背景技术

随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料以及新型先进材料的需求日益增多，对关键零件的加工效率、加工质量以及加工精度提出了更高的要求，传统的磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热，引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效率的提高。因此，在磨削过程中降低磨削力和磨削热以及提高磨削质量和效率是十分必要的。

纳米流体微量润滑磨削加工继承了微量润滑磨削加工的所有优点，又解决了微量润滑磨削的换热问题，是一种绿色环保、高效低耗的磨削加工技术。基于固体换热能力大于液体，液体换热能力大于气体的强化换热理论，将一定量的纳米级固体颗粒加入到可降解的微量润滑油中生成纳米流体，通过高压空气将纳米流体进行雾化，并以射流的方式送入磨削区。高压空气主要起冷却、除屑和输送流体的作用；微量润滑油主要起润滑作用；纳米粒子增加了磨削区流体的换热能力，起到了冷却作用，同时，纳米粒子具有良好的抗磨减摩性能特性和高的承载能力，因而，进一步提高了磨削区的润滑效果，使工件表面质量和烧伤现象得到显著改善，提高了砂轮的使用寿命，改善了工作环境。

超声波振动是通过超声波发生器将220V或380V的交流电转换成功率为300W和频率为16kHz以上的超声频电振荡信号，在将电信号加到换能器上，使其产生同频率的机械振动，此振动通过调幅器将振幅放大，最终在工具端部产生足够大的机械振动幅值。超声波发生器主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。其中，振荡器是超声频发生器的核心。根据超声波加工的需要，超声波发生器的输出波形可以是正弦波或是非正弦波，但以正弦波最为多见。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件，常用的换能器有磁滞换能器和压电换能器。超声调幅器是超声系统的重要组成部件，它被用来将换能器传来的由电能转换成的机械能传递给被加工工件，是功率超声振幅的机械放大级，用以提高超声加工功效。在磨削加工中，工件材料塑性变形的过程，已加工表面的变形大小以及砂轮的磨损程度等，都与磨削过程中磨粒与工件接触表面相互作用的条件有关，亦即与它们所处的时间和空间条件有关。当给工艺系统加上超声波振动以后，磨粒与工件各接触表面的相互作用条件都与普通磨削有很大区别。小振幅的高频振动虽然对工件表面尺寸和形状不会有什么影响，但却使磨粒摩擦和磨损条件产生很大变化，使磨粒与工件接触表面产生附加的往复运动，从而使磨粒与工件接触表面产生周期性的分离，磨削液可以更好的进入到砂轮与工件界面的摩擦区，减小磨削力及磨削热的产生，也可以减小磨屑流出的阻力，实现高效清洁磨削区磨屑的作用。而且超声波振动促使磨粒产生断续切削作用，而冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生成较多的微观裂纹扩展促使磨削力以及摩擦系数减小。磨削过程中材料的塑性变形主要发生在滑擦和耕犁作用阶段，由于超声波振动磨削是一种脉冲式的断续磨削，促使滑擦和耕犁比例相对减小，从而比磨削能减小，表面热损伤也显著降低。

现有技术中，超声振动磨削工具实现方式包括与数控机床或钻床的刀柄相配合的连接件，连接件用于将超声振动磨削复合加工工具和数控机床或钻床的刀柄连接，可以根据不同的刀柄制作不同的连接件，此结构可以随时拆卸做到一机多用。连接件上安装有主轴，主轴上安装有换能器，换能器与变幅杆相连，刀具安装在变幅杆上，换能器还通过碳刷与超声波发生器相连。超声波振动施加在主轴上，涉及到对机床的改造，实现起来比较困难，且对机床主轴施加超声波振动精度难以保证，对主轴的损耗也较大，还需要进一步的改进优化。

一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合磨削介质供给系统，该系统包括至少一个微量润滑和低温冷却喷嘴组合单元，该单元设置在砂轮的砂轮罩侧面，并与工作台上的工件相配合；所述单元包括微量润滑雾化微量喷嘴和低温冷却喷嘴，微量润滑雾化微量喷嘴与纳米流体管路和压缩空气管路连接，低温冷却喷嘴与低温冷却液管路连接；每个单元的纳米流体管路、压缩空气管路和低温冷却液管路均通过控制阀与纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压缩空气供给系统连接，纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压缩空气供给系统与控制装置连接。该发明将低温冷却与纳米粒子射流微量润滑结合，降低了磨削热，达到了很好的冷却效果，而在磨削力方面没有实现双重的优化效果。