CN103192323A - 磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置,包括磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾：压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。它将磁性纳米粒子流体输送到喷嘴，在有磁性工作台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。

Description

磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置

技术领域

本发明涉及一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置。

背景技术

微量润滑技术又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）技术，他是将极微量的润滑液与具有一定压力的压缩空气混合并雾化，喷射至磨削区，对砂轮与磨屑、砂轮与工件的接触面进行有效润滑。这一技术在保证有效润滑和冷却效果的前提下，使用最小限度的磨削液（约为传统浇注式润滑方式用量的千分之几），以降低成本和对环境的污染以及对人体的伤害。

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。

发明人对微量润滑磨削供给系统进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请了相关的专利，由发明设计人申请的发明专利，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。

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。

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。

但公开的技术方案中都不是磁性纳米粒子和磁性工作台的耦合作用下改变纳米流体的粘度和纳米粒子和工件表面的附着力，从而可更大限度的发挥纳米粒子参与强化换热和在砂轮/工件界面形成润滑减摩油膜，且有效减少纳米流体雾滴的飘移散失，实现低碳洁净高效微量润滑磨削。

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，但他们并没有将磁性纳米粒子射流微量润滑与磨床磁性工作台有机的联系起来，没有建立润滑油膜的形成与磁性纳米粒子、磁力工作台之间的内在关系，也没有建立磁性纳米粒子、磁力工作台工件表面的油膜形成机理，无法发挥磁性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,提供一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成工艺与装置,它利用磨削加工领域中的磁性纳米粒子射流微量润滑与磁力工作台耦合作用下，将磁性纳米粒子流体输送到喷嘴，磁性纳米粒子流体在压缩空气作用下以较高速度喷射到磨削区，在有磁性工作台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。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案：

一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，包括一个磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾：压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。

所述磁力工作台为电磁工作台，它包括下部的吸盘体和上部的盖板；在吸盘体内设有心体，心体上缠绕线圈，线圈与电源控制电路连接；盖板上设有若干绝磁层，将盖板分割为多个小块，而形成N极与S极相间的分布形态，绝磁层使绝大部分磁力线都通过工件回到吸盘体，而不致通过盖板回去，以构成完整的磁路。

所述绝磁层由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c取2.0-4.5mm。

所述N极块和S极块总数量为奇数，各N极块、S极块等宽，并且N极端头板宽度h₁、N极块宽度h₃和S极块宽度h₂之间存在如下关系，

所述电源控制电路包括单片计算机管理单元，单片计算机管理单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接，光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与整流滤波单元连接，整流滤波单元与过载自动保护单元连接，过载自动保护单元与无电弧电压机型切控单元连接，无电弧电压机型切控单元输出工作电压到线圈；光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与交流电源变压器连接，交流电源变压器与工频电源输入端连接；单片计算机管理单元还与连续可调电压输入控制单元连接，连续可调电压输入控制单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接；单片计算机管理单元与无电弧电压机型切控单元连接，作为退磁回路。

所述喷嘴与工件距离d为10-25cm，喷嘴与工件的夹角α为15°-45°。

一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置的成膜工艺，它的步骤为：

步骤一，磁力工作台将工件吸附在其表面固定，砂轮处于工件上方的加工位置；

步骤二，在开始磨削时，喷嘴将磁性纳米流体和压缩空气形成的三相流喷雾喷射到工件和砂轮之间的磨削区；

步骤三，工件表面的磁场使得磁性纳米粒子将沿磁力线运动，磁性纳米粒子对工件表面的吸附能力增强；在砂轮和加工表面进行摩擦时，形成坚韧的物理吸附油膜；

步骤四，待加工完成后，进行磁力工作台的退磁。

所述喷嘴喷射流量为2.5-5.5ml/min，压缩空气的压力为4.0-10bar。

所述磁性纳米流体中纳米粒子粒径≤100nm，其体积含量1%－30vol%。

本发明的有益效果为：它利用磁场对磁性纳米粒子的吸附作用，将喷射的磁性纳米流体吸附在工件表面，一方面减少了喷雾时细小颗粒的飘散对环境与人身的危害，另一方面强化了纳米粒子在工件表面的吸附力，从而更容易形成油膜，起到润滑与散热的作用。它具有微量润滑技术的所有优点、磁性纳米粒子吸附在磁性工作台之上的工件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的系统简图；

图3是这种实施例的磁力工作台工作原理示意图；

图4是这种实施例的盘体结构图；

图5是这种实施例的盖板结构图；

图5a是图5的A-A剖视图；

图5b是图5的B-B剖视图；

图5c是图5的C-C剖视图；

图5d是图5的D-D剖视图；

图6是该实施例的电源控制原理框图；

图7是这种实施例的喷嘴与工件相对位置示意图；

图8是这种实施例中一般纳米粒子润滑所形成油膜示意图；

图9是这种实施例中外加磁场下磁性纳米粒子润滑所形成油膜示意图；

图10是这种实施例实验中不同润滑条件和摩擦系数的关系图；

图11是这种实施例实验中不同润滑条件和磨斑直径大小的关系图；

图12是这种实施例实验中不同润滑条件和磨削区峰值温度的关系图；

其中，1-磁力工作台，2-工件，3-砂轮罩，4-砂轮，5-磁性纳米流体输送管，6-压缩空气输送管，7-磁力固定吸盘，8-喷嘴，9-盖板，10-吸盘体，11-心体，12-线圈，13-绝磁层，14-空气压缩机，15-磁性纳米流体储液罐，16-过滤器Ⅰ，17-过滤器II，18-液压泵，19-储气罐，20-压力表Ⅲ，21-调压阀II，22-调压阀Ⅰ，23-节流阀Ⅰ，24-节流阀Ⅱ，25-涡轮流量计Ⅰ，26-涡轮流量计Ⅱ，27-压力表Ⅱ，28-压力表Ⅰ，29-溢流阀，30-磁性纳米流体回收箱，31-N极极块，32-S极极块，33-N极端头板，34-N极横条，35-工频电源输入端，36-交流电源变压器，37-直流电源，38-工作状体指示灯，39-退磁开关，40-单片计算机管理单元，41-光电耦合可控硅过零控制交流开关单元，42-整流滤波单元，43-过载自动保护单元，44-无电弧电压极性切控单元，45-直流工作电压输出端，46-连续可调电压输入控制单元。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做一下说明：

如图1这种实施例的总装轴测图所示，该实施例所描述的是磨床加工中的工艺。从图中可以看出，磁力工作台1上没有安装夹具，工件2是通过电磁吸力固定在磁力工作台1上的。润滑系统采用的是磁性纳米流体微量润滑系统，磁性纳米流体和压缩空气分别通过磁性纳米流体输送管5和压缩空气输送管6进入到喷嘴8中，并在喷嘴8中经混合加速后形成三相流喷雾（压缩空气，固体磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾）。喷嘴8中喷射出的三相流喷雾，会进入到工件2和砂轮4之间的磨削区。其中磁性纳米流体输送管5和压缩空气输送管6是用磁力固定吸盘7固定在砂轮罩3上的。

图2展示了这种实施例的供液和供气系统。从图中可以看出，气路由空气压缩机14，过滤器Ⅰ16，储气罐19，调压阀Ⅰ22，节流阀Ⅰ23和涡轮流量计Ⅰ25依次连接而成，并最终与喷嘴8相连。其中用压力表Ⅲ20监测储气罐19的压力，用压力表Ⅰ28监测气路出口压力，以保证所需空气压力。液路由主液路和保护回路组成，其中主液路由磁性纳米流体储液罐15，过滤器Ⅱ17，液压泵18，调压阀Ⅱ21，节流阀Ⅱ24和涡轮流量计Ⅱ26依次连接而成，并最终与喷嘴8相连。其中压力表Ⅱ27用以监测液路出口压力。保护回路由溢流阀29和磁性纳米流体回收箱30组成。

图3展示了磁力工作台的工作原理，它是根据电的磁效应原理制成的。在由硅钢片叠成的心体11上缠绕线圈12，当线圈12通电后，由于电磁感应原理，将会形成带有磁性的电磁铁，在盖板9表面形成相间的磁极分布。磁力线经过心体11经过盖板9上N极磁块、工件2，再经由盖板9上S极磁块、吸盘体10、心体11而闭合，工件2被吸住。绝磁层13由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c一般取2.0-4.5mm，绝磁层13将盖板9隔成一些小块，从而形成N极与S极相间的分布形态。绝磁层13使绝大部分磁力线都能通过工件2回到吸盘体10，而不致通过盖板9回去，以构成完整的磁路。当增大线圈的电流时磁场强度就会增大，而且可以看出磁力线是通过工件闭合的，所以工件上是带有磁性的。

图4是该实施例的盘体结构图，从图中可以看出该工作台为单线圈电磁工作台，并可以从中看出线圈的位置，其中心体11的尺寸为d₁×b₁，d₁为心体长度，b₁为心体宽度；结合图3可以知道，线圈浇完浸漆后，落在线圈槽内，线圈槽的尺寸为d₂×b₂，d₂为线槽长度，b₂为线槽宽度；周围空隙距离如图3中a和b所示应有3-8cm的空隙，以备浇灌沥青，且线圈12与心体11之间也存在微小间隙。吸盘体的尺寸为d₃×b₃，d₃为吸盘体长度，b₃为吸盘体宽度。线圈槽的大小可根据所设计线圈的匝数和导线直径来确定。其与盖板9连接的内螺纹分布如图所示。

图5是该实施例的盖板结构图，从图中可以看出N极极块31与S极极块32相间分布，且中间由绝磁层13隔断。图B-B是N极极块31的剖视图，图A-A是S极极块32的剖视图，D-D是N极端头板33的剖视图，图中全填充剖面为浇铅处理。从各剖视图可以看出N极极块31只与吸盘体10相连，S极极块32只与心体11相连，且中间由绝磁层13隔断，将N极端头板33、N极极块31、S极极块32和绝磁板材依次焊接在N极横条34上，从而盖板呈现出N极S极相间的磁极分布。N极极块31和S极极块32的宽度在设计机床时可根据机床尺寸算得，N极极块31和S极极块32总数量为奇数，各N极极块31、S极极块32等宽，并且N极端头板33宽度h₁、N极极块31宽度h₃和S极极块32宽度h₂。之间存在如下关系，

图6是该实施例的电源控制原理框图，其特点在于采用单片机进行管理，结合光电耦合，脉宽调制，可控硅交流过零点开关自动短路保护，无电弧火花电压极性切换。

电源控制电路包括单片计算机管理单元40，单片计算机管理单元40与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元41连接，光电耦合可控硅过零控制交流开关单元41与整流滤波单元42连接，整流滤波单元42与过载自动保护单元43连接，过载自动保护单元43与无电弧电压极性切控单元44连接，无电弧电压极性切控单元44输出工作电压到线圈；光电耦合可控硅过零控制交流开关单元41与交流电源变压器36连接，交流电源变压器36与工频电源输入端35连接；单片计算机管理单元40还与连续可调电压输入控制单元连接，连续可调电压输入控制单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元41连接；单片计算机管理单元40与无电弧电压极性切控单元44连接，作为退磁回路。

这种电路加装了连续可调电压输入控制单元模块46，可以实现输出的直流电压连续可调，根据单片计算机管理单元40的模式，可以在单片计算机管理单元40的外接操作面板中输入所需的直流电压值。直流电压的变化，会使电流随之变化，最终导致磁力工作台的磁场强度发生变化，从而影响磁性纳米射流的成膜及冷却特性。加工结束供电停止后，连接退磁开关39,经无电弧火花电压极性切换单元44，可以将整流滤波单元42所转化来的直流电极性对调。从而对工作台进行反向供电，以达到退磁的目的，如下具体过程中所述。

本方案具体工作过程如下：

微量润滑是近些年形成的，并逐渐的被人们认知并使用的润滑技术。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，通过雾化喷嘴雾化后喷射到磨削区的冷却润滑方式。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。但微量润滑常常伴有加工表面质量不理想，甚至烧伤的情况。为此一些学者根据强化换热理论，在磨削液中加入了纳米粒子，这就出现了纳米微量润滑，这种润滑方式虽然很大程度上解决了上述问题。但在磨削加工中，去除单位材料体积所消耗的能量远大于其它切削加工方法，在磨削区产生大量的热。过高的磨削区温度，不但会影响加工表面的质量和砂轮的使用寿命，而且会对润滑液的性能产生影响。

当温度升高时，磨削液的黏度会降低，从而影响了磨削液在加工表面的成形能力，降低了润滑油膜的厚度和承载能力。由于磨削液的黏度降低流动性增强，当砂轮与工件表面接触，就极易造成油膜的破损。油膜破损后，砂轮会与工件表面形成直接接触摩擦，从而使磨削区的温度急剧升高，这对磨削加工是非常不利的，并且会形成高温—磨削液黏度降低—进一步升温—黏度进一步降低的恶性循环。

为了解决纳米微量润滑的上述问题，本发明提出在磨削液中添加磁性纳米粒子（可以导磁，在外加磁场作用下表现出磁性的纳米粒子），形成微观磁流体，并与的磁力工作台进行耦合，在加工表面形成具有良好润滑散热性能的油膜的技术方法。

随着纳米材料的发展，现在用于科研的磁性纳米粒子种类很多，有γ-Fe₂O₃纳米粒子、Fe₃O₄纳米粒子、Fe₃N₄纳米粒子、Fe-Co纳米粒子、Ni-Fe纳米粒子和MnZnFe₂O₄纳米粒子等等。

磁性纳米流体（磁性纳米粒子按一定配比与磨削基液的混合溶液）流经液路进入喷嘴8，同时压缩气体流经气路进入喷嘴8。磁性纳米流体与压缩空气在喷嘴8内经混合加速后喷出。根据经验喷嘴8与工件2距离定d为10-25cm，喷嘴角度α定为15°-45°，喷嘴8与工件2的相对位置如图7所示。喷嘴5的喷射流量为2.5-5.5ml/min，压缩空气的压力为4.0-10bar。纳米粒子粒径≤100nm，其体积含量1%－30vol%。

已知该实施例中磁力工作台的平均吸力F为10公斤/厘米²，最小吸力为7公斤/厘米²且最大吸力为13公斤/厘米²，线圈匝数为2700匝，铜质导线直径为1.56mm，加漆皮后直径为1.67mm。工作台材料为淬火后的Q235钢，绝磁层材料为巴氏合金。且该工作台的磁场强度可通过电压的改变而改变，具体如下。

根据磁路欧姆定律可知：

I_ω=Hl

其中I_ω为磁势（安匝）是电流I与匝数ω的乘积，即I_ω＝I×ω，H为磁场度（安匝/厘米²），l为磁路长度。又有公式B＝μH×10⁸，其中B为磁感应强度（高斯），μ为导磁系数（亨/厘米）。故而可知

即电流I与磁感应强度B成正比。由此可知，改变磁路中电流的大小即可改变磁感应强度的大小，从而能保证所需的磁场强度与磁性纳米粒子耦合。

根据麦克斯韦定律知：

其中F为电磁吸力（焦耳/厘米），B为磁感应强度（韦伯/厘米²），S为磁极表面总面积（厘米²），μ₀空气磁导系数（1.25×10^-8亨/厘米），当F为公斤重力时B单位为高斯，S=1带入则导出 $F={\left(\frac{B}{5000}\right)}^2.$

综上可以导出从该式中可以看出电流与工作台吸力的关系，随着电流的增大工作台吸力增大。

当考虑磁路气隙时则使用修改公式计算：

δ为气隙长度（厘米），a为修整系数（约3-5）假设工件与工作台气隙为δ_上=0.015cm，δ_下=0.015cm，则总气隙长度为

取a=3可计算得

5高0斯0，0根据换算关系可知其等于1717.55640毫特斯拉。此数值为工作台表面的平均磁感应强度。在工作台表面加装工件后，工件表面的磁感应强度急剧下降，以为工件材料和尺寸的多样化，工件表面磁感应强度不易计算，可以用高斯表在表面测量，其范围大致在0.15-140毫特斯拉之间。综上所述，我们可以通过调节供电电压，从而改变电流，进而改变工件表面磁场强度，获得所需的吸附力提高润滑冷却性能。

当喷嘴将三相流喷雾，喷在磨削区工件表面上时，由于工件表面上存在磁场，在磁场作用下磁性纳米粒子将沿磁力线运动，这种运动会使悬浮粒子流动阻力加大，从而表现为黏度的增加，呈现了非牛顿特性。造成这种黏度增大现象的原因是，固相粒子和基液的摩擦。在外加磁场中磁性粒子受到磁力矩和黏度力矩的作用。研究发现外加磁场强度的增大会使磁性润滑膜的黏度增大，当增大磁性纳米粒子的质量分数时磁性润滑膜的黏度也会增大。

磨削液黏度的增加，会在很大程度上影响磨削液的成膜能力、成膜形态、油膜厚度和油膜的承载能力。同时会增加纳米粒子对工件表面的吸附能力，会减少因压缩空气作用而出现的纳米粒子及基油微粒的飘散现象。

在传统的纳米粒子微量润滑中，我们发现当纳米喷雾喷附在工件表面上后，会被压缩气体的吹散形成波纹状表面，分布不够均匀，甚至有一些纳米粒子和基油微粒被吹出加工表面，在周围空气中形成悬浮颗粒，这对于油膜的形成、环境及操作人员的健康都是非常不利的。然而磁性纳米粒子在工件表面磁场的作用下，会明显增强吸附能力，有利于纳米粒子均匀铺展成膜，大大减少了飘散数量，同时提高了油膜性能。

在使用一般的纳米微量润滑，形成的润滑膜中纳米粒子的分布如图8所示，在外加磁场作用下的磁性纳米粒子润滑所形成的油膜如图9所示。从图9和图8的对比中可以发现，在外加磁场作用下的磁性纳米粒子润滑形成的油膜，较一般的纳米微量润滑油膜厚，而且磁性纳米粒子更加容易在加工表面富集（当磁性纳米粒子含量高时可以在工件表面形成磁链），故而吸附在加工表面的纳米粒子数量明显较一般纳米微量润滑中的纳米粒子多。并且这些磁性纳米粒子直接吸附于工件表面，在外加磁场的作用下使得其吸附的十分牢固。从而当砂轮和加工表面进行摩擦时，在外加磁场作用下的磁性纳米粒子润滑更易产生坚韧的物理吸附膜，而且由于在这层吸附膜中纳米粒子含量相对较高，所以具有更高的强度和散热能力。

经上述分析我们可以发现，在外加磁场作用下的磁性纳米粒子微量润滑不但具备一般纳米粒子微量润滑的所有优点，而且在此基础上，进一步增加了油膜的厚度，硬度，和散热能力。除此之外，在外加磁场的作用下磁性磨削液固定到砂轮和加工表面之间，不会在切向力的作用下发生严重的流失，这样就可以避免润滑油在摩擦系统中的流失。同时有效控制了磁性喷雾的飘散，大大降低了工作环境中悬浮微粒的含量，这对于操作人员的健康和环境的保护都是非常有利的。

而且由于磁性纳米粒子粒径非常小，所以没有磁畴壁，具有高饱和磁化强度，本证矫顽力为零，具有超顺磁性。当加工时存在外加磁场时会立即显示磁性，吸附于工件表面形成油膜，被砂轮磨削掉以后会吸附在工作台不会飘散。然而当加工完毕工作台退磁后，其磁性会立即消失，这对于工件和工作的台的清理是非常有利的。

该实施例的实验验证与结果分析：

实验对45号钢进行平面磨削，采用的磨削参数为：砂轮转速30m/s，工件进给速度0.05m/s，磨削深度30μm，微量润滑喷嘴流量2.6ml/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508μm。实验所使用的磨削液基油为大豆油（植物油）。45号钢硬度为HBS10/3000，其中各元素含量如下，含碳(C)量是0.42-0.50%,Si含量为0.17-0.37%,Mn含量0.50-0.80%,Cr含量≤0.25%,Ni含量≤0.30%，Cu含量≤0.25%。

分别在四种润滑条件下进行试验，工况1使用质量分数为3%的碳纳米管微量润滑，工况2使用质量分数为3%的MnZnFe₂O₄纳米粒子微量润滑，工件表面磁感应强度12毫特斯拉，工况3使用质量分数为6%的MnZnFe₂O₄纳米粒子微量润滑，工件表面磁感应强度12毫特斯拉，工况4使用质量分数为6%的MnZnFe₂O₄纳米粒子微量润滑。工件表面磁感应强度26毫特斯拉。在四种不同润滑条件下测量计算摩擦系数、磨斑直径和磨削区峰值温度。

如图10所示，四种工况下的摩擦系数分别为0.41、0.35、0.29和0.24。如图11所示，磨斑直径分别为1.25mm、0.85mm、0.71mm和0.54mm。如图12所示，磨削区峰值温度分别为158℃、139℃、128℃和117℃。

通过工况1和工况2的数据对比发现，正如前文所述在外加磁场作用下的磁性纳米粒子微量润滑，相比于一般的纳米粒子微量润滑，表现出更优秀的抗磨减磨和散热的特性。其原因在于，在磁场力作用下磁性纳米粒子可以更快速的吸附在加工表面，并且非常牢固，数量较多，从而能够形成相对较厚且坚韧的润滑薄膜。

通过工况2和工况3的数据对比发现，在工件表面磁感应强度相同时，质量分数较大的磁性纳米粒子微量润滑效果更好。原因在于，相对数量较多的磁性纳米粒子更能够充分的吸附在加工表面，形成较厚的坚韧的油膜。但是若质量分数继续增加当超过18%时加工表面质量反而下降（一般不易超过10%），其原因在于，过多的磁性纳米粒子，导致粒子间距过小发生团聚。团聚后形成较大的颗粒，在磨削过程中起到了磨粒的作用，破坏了加工表面。

通过工况3与工况4的数据对比发现，当磁性纳米粒子的质量分数相同时，工件表面磁感应强度越高，所形成的油膜越坚韧，且散热性越好。这表明外界磁场的加强有利于磁性纳米粒子更加牢固的吸附在加工表面，从而形成性能优异的油膜。但随着磁场强度的进一步增加（一般超过68mT）时，磁性纳米粒子在磁场力的作用下会发生硬团聚的现象，反而会降低工件表面质量。

Claims (9)

1.一种磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，包括一个磁力工作台，工件被磁力吸附在其上；砂轮设置在工件的加工位置，喷嘴安装在砂轮罩上与工件配合的位置；喷嘴通过磁性纳米流体输送管与磁性纳米流体供液装置连接，通过压缩空气输送管与空气压缩机连接；磁性纳米流体和压缩空气在喷嘴中经混合加速后形成三相流喷雾：压缩空气、磁性纳米粒子和磨削液基油粒子的混合喷雾；三相流喷雾进入到工件和砂轮之间的磨削区，磁力工作台与三相流喷雾进行磁耦合，在工件表面形成油膜。

2.如权利要求1所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述磁力工作台为电磁工作台，它包括下部的吸盘体和上部的盖板；在吸盘体内设有心体，心体上缠绕线圈，线圈与电源控制电路连接；盖板上设有若干绝磁层，将盖板分割为多个小块，而形成N极与S极相间的分布形态，绝磁层使绝大部分磁力线都通过工件回到吸盘体，而不致通过盖板回去，以构成完整的磁路。

3.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述绝磁层由巴氏合金非磁性材料制成，宽度c取2.0-4.5mm。

4.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述N极块和S极块总数量为奇数，各N极块、S极块等宽，并且N极端头板宽度h₁、N极块宽度h₃和S极块宽度h₂之间存在如下关系，

5.如权利要求2所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述电源控制电路包括单片计算机管理单元，单片计算机管理单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接，光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与整流滤波单元连接，整流滤波单元与过载自动保护单元连接，过载自动保护单元与无电弧电压极性切控单元连接，无电弧电压极性切控单元输出工作电压到线圈；光电耦合可控硅过零控制交流开关单元与交流电源变压器连接，交流电源变压器与工频电源输入端连接；单片计算机管理单元还与连续可调电压输入控制单元连接，连续可调电压输入控制单元与光电耦合可控硅过零控制交流开关单元连接；单片计算机管理单元与无电弧电压极性切控单元连接，作为退磁回路。

6.如权利要求1所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置，其特征是，所述喷嘴与工件距离d为10-25cm，喷嘴与工件的夹角α为15°-45°。

7.一种权利要求1-6任一所述的磁性纳米粒子射流与磁力工作台耦合油膜形成装置的成膜工艺，其特征是，它的步骤为：

步骤一，磁力工作台将工件吸附在其表面固定，砂轮处于工件上方的加工位置；

步骤二，在开始磨削时，喷嘴将磁性纳米流体和压缩空气形成的三相流喷雾喷射到工件和砂轮之间的磨削区；

步骤三，工件表面的磁场使得磁性纳米粒子将沿磁力线运动，磁性纳米粒子对工件表面的吸附能力增强；在砂轮和加工表面进行摩擦时，形成坚韧的物理吸附油膜；

步骤四，待加工完成后，进行磁力工作台的退磁。

8.如权利要求7所述的成膜工艺，其特征是，所述喷嘴喷射流量为2.5-5.5ml/min，压缩空气的压力为4.0-10bar。

9.如权利要求7所述的成膜工艺，其特征是，所述磁性纳米流体中纳米粒子粒径≤100nm，其体积含量1%－30vol%。

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