CN103111945B - 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 - Google Patents

Abstract

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,它利用纳米粒子射流微量润滑与工件表面微凸体耦合作用下，将纳米流体在压缩空气作用下以较高速度喷射到磨削区，在有微凸体的工件表面上形成润滑油膜，实现对磨削加工区域最大限度的冷却与润滑。纳米粒子吸附在工件粗糙表面具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，工件表面质量好，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产。它包括纳米流体供液装置和压缩空气供给装置，两者分别通过纳米流体输送管和压缩空气输送管与喷嘴连接，喷嘴与具有微凸体表面的工件间保持设定间距d和夹角α；纳米流体供液装置和压缩空气供给装置与控制装置连接。

Description

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

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。

经检索，发明专利：纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统（专利号为：201210153801.2）公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统,它将纳米级固体粒子加入可降解的磨削液中制成微量润滑磨削的润滑剂，由微量供给装置将润滑剂变为具有固定压力、脉冲频率可变、液滴直径不变的脉冲液滴，在高压气体产生的空气隔离层作用下以射流形式喷入磨削区。它具有微量润滑技术的所有优点、并具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，提高了工件表面质量，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。但该专利没有涉及将纳米微量润滑与工件表面形貌即工件表面微凸体有机的联系起来，没有建立润滑油膜的形成与工件表面形貌之间的内在关系，也没有建立纳米粒子微量润滑磨削在粗糙表面的油膜形成机理。

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（专利号为201210490401.0）公开了一种在纳米粒子射流微量润滑条件下的磨削表面粗糙度预测方法和装置。它包括一个传感器杠杆，所述传感器杠杆左端设有触针，触针与砂轮表面接触，传感器杠杆右端与电感式位移传感器连接，传感器杠杆的支点处与测量装置机体铰接；电感式位移传感器与交流电源连接；电感式位移传感器数据输出端则与滤波放大器连接，滤波放大器分别与计算器和示波器连接，计算器还与存储器连接。它用矩阵表征砂轮形貌，再根据磨削加工工件表面形貌创成机理，预测模型精度高，不仅测量方便，设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，对实际更有指导意义。但该专利根本没有涉及纳米粒子微量润滑磨削在粗糙表面的油膜形成机理。

发明专利：纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统（专利号为201110221543.2）公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统,其特点是:将纳米流体经液路输送至喷嘴处,同时高压气体经气路进入喷嘴,高压气体与纳米流体在喷嘴混合室中充分混合雾化,经加速室加速后进入涡流室,同时压缩气体经涡流室通气孔进入,使三相流进一步旋转混合并加速,然后三相流以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。但该专利也没有涉及纳米粒子微量润滑磨削与工件表面微凸体耦合条件下如何在具有微凸体特征工件表面形成有效油膜的问题。

虽然很多学者已经对纳米微量润滑进行了理论分析与实验研究，并做了大量的论证和实验，但他们并没有将纳米微量润滑与工件表面形貌有机的联系起来，没有建立润滑油膜的形成与工件表面形貌之间的内在关系，也没有建立纳米粒子微量润滑磨削在具有微凸体工件表面的油膜形成机理，无法发挥纳米粒子射流对微量磨削砂轮/工件界面的润滑与散热优势。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题,提供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,它利用磨削加工领域中的纳米粒子射流微量润滑与工件表面微凸体耦合作用下，将纳米流体输送到喷嘴，纳米流体在压缩空气作用下以较高速度喷射到磨削区，在有微凸体的工件表面上形成润滑油膜，实现对磨削加工区域最大限度的冷却与润滑。它具有微量润滑技术的所有优点、并考虑工件表面的形貌特征，在有微凸体的工件表面上形成润滑油膜，纳米粒子吸附在工件粗糙表面具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，提高了工件表面质量，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案：

一种纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，它包括纳米流体供液装置和压缩空气供给装置，两者分别通过纳米流体输送管和压缩空气输送管与喷嘴连接，喷嘴与具有微凸体表面的工件间保持设定间距d和夹角α；纳米流体供液装置和压缩空气供给装置与控制装置连接。

所述纳米流体供液装置包括：纳米流体储液罐，它与液压泵连接，液压泵与调压阀II连接，调压阀II通过节流阀II与涡轮流量计II连接，涡轮流量计II与喷嘴连接，液压泵、涡轮流量计II与控制装置连接。

所述调压阀II还与溢流阀连接，溢流阀与纳米流体回收箱连接。

所述压缩空气供给装置包括：空气压缩机，它与过滤器连接，过滤器与储气罐连接，储气罐与调压阀I，调压阀I与节流阀I连接，节流阀I与涡轮流量计I连接，涡轮流量计I与喷嘴连接；空气压缩机、涡轮流量计I与控制装置连接。

所述间距d为15-25cm，喷嘴角度α定为15°-30°，喷嘴的喷射流量为2.5-3.0ml/min。

所述纳米流体输送管和压缩空气输送管通过磁力固定吸盘吸附固定在砂轮罩上。

所述微凸体用加工表面粗糙度的评定参数：R_a轮廓的算术平均偏差、R_z轮廓的最大高度、R_mr（C）轮廓的支承长度率和RS_m轮廓单元的平均宽度进行表征；微凸体表面的粗糙度参数如下，R_a=0.05-12.5μm、R_z=0.1-25μm、RS_m=0.025-0.8mm和当C取为R_z的60%时R_mr=15%-70%。

一种采用纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置的成膜工艺，

步骤一，砂轮运行开始进行磨削，纳米流体与压缩空气进入喷嘴，在喷嘴内经混合加速后形成三相流：压缩空气、固体纳米粒子和基油粒子的混合流后喷出，喷嘴与工件距离定d为15-25cm，喷嘴角度α定为15°-30°；

步骤二，喷嘴喷出的纳米流体喷雾突破砂轮与工件表面间的气障层，涂覆在具有微凸体的工件表面；

步骤三，在磨削的开始阶段，纳米粒子填充到微凸体的波谷处，当波谷被完全覆盖以后，这些纳米粒子在波谷处堆积，以至最后完全覆盖加工表面，形成油膜；此时纳米粒子起到类滚珠作用，使得砂轮与工件表面间的滑动摩擦转变成了滚动摩擦，降低了摩擦系数；

步骤四，当磨削力加大后，使工件表面上层油膜中的纳米粒子和峰谷中的纳米粒子发生塑性变形被压平，在热作用下融化成膜或者通过表面修饰剂的物理吸附使纳米粒子沉淀于摩擦表面，生成一层有机复合物理膜，将砂轮与工件表面隔开，形成一层致密的边界润滑膜，起到抗磨减摩的作用；这层物理膜降低砂轮与工件间的摩擦力，并且这层物理膜具有良好的强化换热性能。

本发明的有益效果是：当喷嘴向工件喷射纳米流体时，由于工件表面是一定程度粗糙表面的微凸体，纳米粒子填充到粗糙表面的峰谷处形成油膜。当磨削开始的时候纳米粒子出现塑性变形平铺开，形成粘附与加工表面峰谷的一层硬膜，因此具有良好的减磨、抗磨和传热特性。纳米粒子对金属材料吸附能力强，所以含有纳米粒子的纳米流体进入到磨削区后，相比于其它微量润滑方法更易吸附在具有微凸体的粗糙材料表面形成油膜。在磨削的开始阶段纳米粒子起到类滚珠作用，在一定程度上使得砂轮与工件表面间的滑动摩擦转变成了滚动摩擦，从降低了摩擦系数。当磨削力加大，使加工表面上层油膜中的纳米粒子和峰谷中的纳米粒子发生塑性变形被压平，在热作用下融化成膜或者通过表面修饰剂的物理吸附使纳米粒子沉淀于摩擦表面，生成一层有机复合物理膜，将砂轮与工件表面隔开，形成一层致密的边界润滑膜，起到抗磨减摩的作用。这层物理膜可以在很大程度上降低砂轮与工件间的摩擦力，并具有良好的强化换热性能。纳米粒子射流微量润滑与工件表面微凸体耦合作用下，工件表面油膜形成工艺与装置，是一种将纳米流体输送到喷嘴，纳米流体在压缩空气作用下以较高速度喷射到磨削区，在有微凸体的粗糙工件表面上形成润滑油膜，实现对磨削加工区域最大限度的冷却与润滑。它具有微量润滑技术的所有优点、并考虑工件表面的形貌特征，在有微凸体的粗糙工件表面上形成润滑油膜，纳米粒子吸附在工件粗糙表面具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，有效解决了磨削烧伤，提高了工件表面质量，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。

附图说明

图1是这种实施例的总装轴测图

图2是这种实施例的液路和气路系统简图

图3是这种实施例喷嘴与工件相对位置示意图

图4是这种实实例中加工表面二维形貌示意图

图5是这种实施例中加工表面粗糙度参数轮廓的算术平均偏差R_a示意图

图6是这种实施例中加工表面粗糙度参数轮廓的最大高度R_z示意图

图7是这种实施例中加工表面粗糙度参数轮廓单元的平均宽度RS_m示意图

图8是这种实施例中加工表面粗糙度参数轮廓的支承长度率R_mr（C）示意图

图9是这种实施例中纳米粒子和纯油颗粒在微凸体表面的初始分布示意图

图10是这种实施例中纳米粒子和纯油颗粒在微凸体表面的最终分布示意图

图11是这种实施例实验中不同试件粗糙度条件与摩擦系数的关系图

图12是这种实施例实验中不同试件粗糙度条件与磨削比能的关系图

图13是这种实施例实验中不同试件粗糙度条件与G比率的关系图

图14是这种实施例实验中不同试件粗糙度条件与峰值温度的关系图

其中，1-部分工作台，2-砂轮，3-砂轮罩，4-工件，5-喷嘴，6-磁力固定吸盘，7-压缩空气输送管，8-纳米流体输送管，9-空气压缩机，10-纳米流体储液罐，11-过滤器，12-储气罐，13-液压泵，14-纳米流体回收箱，15-压力表，16-调压阀I，17-调压阀II，18-溢流阀，19-节流阀I，20-节流阀II，21-涡轮流量计I，22-涡轮流量计II。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做一下说明：

如图1所示将工件4安装在部分工作台1上，将磁力固定吸盘6吸附在砂轮罩3侧面上，通过磁力固定吸盘6固定压缩空气输送管7和纳米流体输送管8。纳米流体输送管8一端与喷嘴5的纳米流体入口相连，一端与涡轮流量计II22相连。压缩气体输送管7一端与喷嘴5的压缩气体入口相连，一端与涡轮流量计I21相连。

如图2所示，由空气压缩机9、过滤器11、储气罐12、调压阀I16、节流阀I19、涡轮流量计I21组成气路。纳米流体储液罐10、液压泵13、调压阀II17、节流阀II20、涡轮流量计II22组成液路。由空气压缩机9产生的压缩空气经过滤器11进入储气罐12，再经调压阀I16和节流阀I19，流经涡轮流量计I21进入喷嘴5的压缩气体入口；液压泵13将纳米流体储液罐10中的纳米流体抽出，再经调压阀II17和节流阀II20，流经涡轮流量计II22进入喷嘴5的纳米流体入口。其中溢流阀18和纳米流体回收箱14形成保护回路，压力表15用来监测储气罐12的气压。

本方案具体工作过程如下；

纳米流体流经液路进入喷嘴5，同时压缩气体流经气路进入喷嘴5。纳米流体与压缩空气在喷嘴5内经混合加速后形成三相流（压缩空气、固体纳米粒子和基油粒子的混合流）喷出。根据经验喷嘴5与工件4距离定d为15-25cm，喷嘴角度α定为15°-30°，喷嘴5与工件4的相对位置如图4所示。喷嘴5的喷射流量为2.5-3.0ml/min。

在磨削加工中的工件表面时具有一定粗糙度的，将在一定粗糙度范围内的粗糙表面上的峰谷形貌称为微凸体，微凸体是用加工表面粗糙度的评定参数R_a（轮廓的算术平均偏差）、R_z（轮廓的最大高度）、R_mr（C）（轮廓的支承长度率）和RS_m（轮廓单元的平均宽度）进行表征的。其中，R_a和R_z是轮廓的纵向幅度参数，RS_m是轮廓的横向参数，R_mr（C）是轮廓的形状参数。现定义微凸体表面的粗糙度参数如下，R_a（0.05-12.5μm）、R_z（0.1-25μm）、RS_m(0.025-0.8mm)和当C取为R_z的60%时R_mr（15%-70%）。同时我们定义，比微凸体表面光滑的表面为光滑表面，比微凸体表面粗糙的表面为粗糙表面。它们的粗糙度参数范围如下，光滑表面R_a≤0.05μm，R_z≤0.1μm，RS_m≥0.8㎜，当C取R_z的60%时R_mr（C）≥70%，粗糙表面R_a≥12.5μm，R_z≥25μm，RS_m≤0.025㎜，当C取R_z的60%时R_mr（C）≤15%。

图4展示了工件取样长度l_r上的二维轮廓形貌示意图（为了使图表达明确纵坐标进行了放大处理）。图中中线采用轮廓算数平均中线。

图5与图6分别展示了评定该表面粗糙度的两个轮廓纵向幅度参数，轮廓的算术平均偏差R_a与轮廓的最大高度R_z。轮廓的算术平均偏差R_a是在一个取样长度内纵坐标值z（x）绝对值的算术平均值，用公式表示为R_a值越大，表面越粗糙。R_a能客观、全面的反应表面微观几何形状特性。轮廓的最大高度R_z是在一个取样长度内，最大轮廓峰高R_p和最大轮廓谷深R_v之和的高度，用公式表示为R_z＝R_p+R_v。R_z值越大说明表面越粗糙，但反应不够客观全面。

图7展示了评定该表面粗糙度的横向参数，轮廓单元的平均宽度RS_m。轮廓单元是轮廓峰与轮廓谷的组合。轮廓单元的平均宽度是指在一个取样长度内，轮廓单元宽度x_s的平均值，用公式表示为RS_m是评定轮廓的间距参数，它的大小反映了轮廓表面峰谷的疏密程度。

图8展示了轮廓的支承长度率R_mr（C），在给定水平位置C（轮廓水平截距）上的轮廓实体材料长度Ml（C）与评定长度的比率，用公式表示为其中Ml(C)＝Ml₁+Ml₂+...+Ml。在表示此参数时，必须同时给出轮廓水平截距C的值，C值多用R_z的百分数表示。

根据GB/T1031-2009中规定，表面粗糙度的参数首先从高度参数R_a、R_z两项中选取，根据要求，在高度参数不能满足的前提下，可用附加参数RS_m或R_mr（C）。对于有粗糙度要求的表面，应同时给出两项要求—参数值和取样长度l_r。

如上所述即可根据评定表面粗糙度的参数来确定表面的粗糙程度。当喷嘴5向工件4喷射纳米流体喷雾时，由于纳米粒子、被油膜包裹的纳米粒子和纯油微粒易于吸附在金属表面特别是纳米粒子，所以这些粒子就会均匀的分散于工件4表面，由于工件4表面是一定程度粗糙的，所以这些颗粒起初一些就会填充到粗糙表面的波谷处，其效果如图9所示。当金属表面的波谷被完全覆盖以后，这些颗粒就会在峰谷处堆积，以至最后完全覆盖加工表面，形成油膜如图10所示。当磨削开始的时候纳米粒子出现塑性变形平铺开，形成粘附于加工表面峰谷的一层硬膜，它具有良好的减磨、抗磨和传热特性。

纳米粒子对金属材料吸附能力强，所以含有纳米粒子的纳米流体喷雾进入到磨削区后，相比于传统的磨削液更易吸附在材料表面形成油膜。由于纳米粒子的小尺寸效应，其近似于液体分子，纳米粒子自身强烈的布朗运动有利于其在油基溶液中分布均匀，从而使得形成的油膜中纳米粒子分布均匀。这些固体与液体的颗粒在一定程度上减小了加工表面的表面粗糙度。小的表面粗糙度必然会在磨削时降低其摩擦系数，从而降低了磨削力和磨削温度，这对于磨削加工是极为有利的。

在磨削的开始阶段纳米粒子起到类滚珠作用，在一定程度上使得砂轮与工件表面间的滑动摩擦转变成了滚动摩擦，从降低了摩擦系数。当磨削力加大，使加工表面上层油膜中的纳米粒子和峰谷中的纳米粒子发生塑性变形被压平，在热作用下融化成膜或者通过表面修饰剂的物理吸附使纳米粒子沉淀于摩擦表面，生成一层有机复合物理膜，将砂轮与工件表面隔开，形成一层致密的边界润滑膜，起到抗磨减摩的作用。这层物理膜可以在很大程度上降低砂轮2与工件4间的摩擦力，并且这层物理膜具有良好的强化换热性能。然而使用传统的水基磨削液或油基切削液在加工表面形成的油膜是不稳定的，很容易破坏，而且换热能力较差。这会导致磨削区磨削力增大，产生大量的热，会造成表面精度不高甚至会造成表面烧伤。

基于这种成膜方式，可以发现当在传统磨削液中加入纳米粒子，形成的油膜极大的改善了磨削区的润滑性能和热传导性能。这不仅能够降低磨削用力和加工表面温度，同时改善了加工表面的质量。

但工件表面的粗糙度不同，它们的成膜能力和所成油膜的形态也有所不同。成膜的能力和所成油膜形态，直接影响到磨削过程中的摩擦性能和换热性能，其表现为摩擦系数，磨削比能、G比率和磨削区峰值温度的变化。如下所述结合试验进行验证分析。

该实施例的实验验证与结果分析：

实验对球墨铸铁（QT700-2）进行平面磨削，采用的磨削参数为：砂轮转速30m/s，工件进给速度0.06m/s，磨削深度20μm，微量润滑喷嘴流量2.7ml/min，压缩空气压力6bar。实验中使用刚玉砂轮，其磨粒平均粒径为510μm。球墨铸铁（QT700-2）中C、Mn、P、Si和S的质量含量分别为3.5%、0.15%、0.05%、2.25%和0.025%。

实验使用三块球墨铸铁试件，其粗糙度参数分别规定如下，光滑表面试件Ⅰ参数如下，R_a=0.016μm，R_z=0.063μm，RS_m=3.2㎜，当C取R_z的60%时R_mr（C）=80%。微凸体表面试件Ⅱ在参数如下，R_a=8μm，R_z=12.5μm，RS_m=0.2mm，当C取R_z的60%时R_mr（C）=40%。粗糙表面试件Ⅲ参数如下，R_a=32μm，R_z=63μm，RS_m=0.0125㎜，当C取R_z的60%时R_mr（C）=10%。

实验分别采用添加质量分数8%的纳米级粒子的微量润滑，对磨削区进行冷却润滑。微量润滑采用的基油是石蜡油（矿物油），在20℃时它的运动粘度为2.4cst。所用纳米粒子是MoS₂，其粒径为40-70nm。

实验进行100个磨削工步，计算得出在不同表面粗糙度条件下的摩擦系数，比磨削能和G比率，同时测量磨削区峰值温度。摩擦系数为切向磨削力(Ft)和法向磨削力（Fn）的比值，磨削比能即为移除每单位体积材料所需要的能量，G比率为每单位体积砂轮磨损所移除的材料体积。

图11为纳米微量润滑磨削加工中不同粗糙度条件与摩擦系数的关系。从图中可以看出，使用纳米微量润滑对试件Ⅰ、试件Ⅱ和试件Ⅲ进行磨削加工时，所获得的摩擦系数分别为0.37、0.22和0.42。

图12为纳米微量润滑磨削加工中不同粗糙度条件与比磨削能的关系。从图中可以看出，使用纳米微量润滑对试件Ⅰ、试件Ⅱ和试件Ⅲ进行磨削加工时，所获得的磨削比能分别为142J/mm³、101J/mm³和167J/mm³。

图13为纳米微量润滑磨削加工中不同粗糙度条件与G比率的关系。从图中可以看出，使用纳米微量润滑对试件Ⅰ、试件Ⅱ和试件Ⅲ进行磨削加工时，所获得的G比率分别为27、36和23。

图14为纳米微量润滑磨削加工中不同粗糙度条件与磨削区峰值温度的关系。从图中可以看出，使用纳米微量润滑对试件Ⅰ、试件Ⅱ和试件Ⅲ进行磨削加工时，所获得的磨削区峰值温度分别为216℃、160℃和241℃。

实验发现使用纳米微量润滑，对具有不同粗糙度表面的三个试件进行磨削加工时，所获得的摩擦系数、磨削比能、G比率和磨削区峰值温度是不同的。这说明在进行磨削加工时，纳米微量润滑的性能是与工件表面的粗糙度相关的。通过实验可以看出对微凸体表面试件Ⅱ进行磨削加工时，获得了最低的摩擦系数、磨削比能和磨削区峰值温度，同时获得了最高的G比率。对粗糙表面试件Ⅲ进行磨削加工时，获得了最高的摩擦系数、磨削比能和磨削区峰值温度，同时获得了最低的G比率。对光滑表面试件Ⅰ进行磨削加工时，获得的摩擦系数、磨削比能、磨削区峰值温度和G比率都处于中间值，但更接近于粗糙表面试件Ⅲ所得数据。

通过观察分析发现，出现这种情况的原因如下。当被加工表面是光滑表面时，表面粗糙度较低，定体积的油保持力差。此时，微量润滑液喷射到加工表面上形成的油膜相对较薄，因其实际表面积相对较小，故而所含纳米粒子相对较少。当磨削加工开始进行时，砂轮与加工表面间的部分润滑油会被挤掉，形成干摩擦。这对磨削加工是非常不利的，纳米润滑液不能达到预期的润滑目的，这样就会增大磨削用力，从而增大了摩擦系数和磨削比能。差的润滑油膜会导致砂轮较快的磨损，故而获得了较低的G比率。同时磨削力的增大会增加磨削区的温度。磨削区温度的升高和磨削力的增大，对加工表面的质量影响很大。

然而当被加工表面是粗糙表面时，虽然表面的定体积油保持力强。但由于磨削加工速度较快，而纳米微量润滑用量小，同时由于其过于粗糙喷射的磨削液不足以填充整个表面形成均匀油膜。在这粗糙度情况下，虽然表面的含油量较多，但是油膜不均匀。在波峰处的润滑油非常少，只是极薄的一层油膜，极容易破裂分散成多个小的局部油膜，甚至在较高的波峰处不能形成油膜。这对磨削加工是非常不利的，在磨削时砂轮首先与工件表面微凸体的波峰接触，在这种情况下会产生很大的磨削力。由于在加工表面的波峰及以上，不能形成有效的润滑薄膜，这必然会增大摩擦系数、磨削比能和磨削区峰值温度，而且其对砂轮磨损严重，故而G比率较低。

当被加工的表面是微凸体表面时，喷射的磨削液会完整的填充到粗糙表面，并在上方形成一个完整的薄膜。这对磨削加工非常有利，在磨削加工时会形成一层不易破坏的坚韧薄膜，能够有效的对磨削区进行润滑散热。

Claims (7)

1.一种纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，它包括纳米流体供液装置和压缩空气供给装置，两者分别通过纳米流体输送管和压缩空气输送管与喷嘴连接，喷嘴与具有微凸体表面的工件间保持设定间距d和夹角α；所述间距d为15-25cm，喷嘴角度α定为15°-30°，喷嘴的喷射流量为2.5-3.0ml/min；纳米流体供液装置和压缩空气供给装置与控制装置连接。

2.如权利要求1所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，所述纳米流体供液装置包括：纳米流体储液罐，它与液压泵连接，液压泵与调压阀II连接，调压阀II通过节流阀II与涡轮流量计II连接，涡轮流量计II与喷嘴连接，液压泵、涡轮流量计II与控制装置连接。

3.如权利要求2所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，所述调压阀II还与溢流阀连接，溢流阀与纳米流体回收箱连接。

4.如权利要求1所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，所述压缩空气供给装置包括：空气压缩机，它与过滤器连接，过滤器与储气罐连接，储气罐与调压阀I连接，调压阀I与节流阀I连接，节流阀I与涡轮流量计I连接，涡轮流量计I与喷嘴连接；空气压缩机、涡轮流量计I与控制装置连接。

5.如权利要求1所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，所述纳米流体输送管和压缩空气输送管通过磁力固定吸盘吸附固定在砂轮罩上。

6.如权利要求1所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置，其特征是，所述微凸体用加工表面粗糙度的评定参数：Ra轮廓的算术平均偏差、Rz轮廓的最大高度、Rmr(C)轮廓的支承长度率和RSm轮廓单元的平均宽度进行表征；微凸体表面的粗糙度参数如下，Ra＝0.05-12.5μm、Rz＝0.1-25μm、RSm＝0.025-0.8mm和当C取为Rz的60％时Rmr＝15％-70％。

7.一种采用权利要求1-6任一所述的纳米粒子射流条件下工件表面微凸体油膜形成装置的成膜工艺，其特征是，

步骤一，砂轮运行开始进行磨削，纳米流体与压缩空气进入喷嘴，在喷嘴内经混合加速后形成三相流：压缩空气、固体纳米粒子和基油粒子的混合流后喷出，喷嘴与工件距离定d为15-25cm，喷嘴角度α定为15°-30°；

步骤二，喷嘴喷出的纳米流体喷雾突破砂轮与工件表面间的气障层，涂覆在具有微凸体的工件表面；

步骤三，在磨削的开始阶段，纳米粒子填充到微凸体的波谷处，当波谷被完全覆盖以后，这些纳米粒子在波谷处堆积，以至最后完全覆盖加工表面，形成油膜；此时纳米粒子起到类滚珠作用，使得砂轮与工件表面间的滑动摩擦转变成了滚动摩擦，降低了摩擦系数；

步骤四，当磨削力加大后，使工件表面上层油膜中的纳米粒子和峰谷中的纳米粒子发生塑性变形被压平，在热作用下融化成膜或者通过表面修饰剂的物理吸附使纳米粒子沉淀于摩擦表面，生成一层有机复合物理膜，将砂轮与工件表面隔开，形成一层致密的边界润滑膜，起到抗磨减摩的作用；这层物理膜降低砂轮与工件间的摩擦力，并且这层物理膜具有良好的强化换热性能。