CN104875116B - 纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置 - Google Patents
纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，包括：在两侧表面均覆盖有电卡薄膜材料的热管砂轮，在电卡薄膜材料外部施加外加电场；及外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴；静电雾化组合喷嘴分别与纳米粒子供液系统、供气系统连接；纳米流体通过在静电雾化组合喷嘴进行静电雾化喷射到磨削区，吸收磨削区热量；电卡薄膜材料利用电卡效应在磨削区吸收热量，离开磨削区后通过热管砂轮将吸收的热量散去，形成一个卡诺循环。将纳米流体静电雾化以及电卡制冷和热管制冷技术进行了集成，达到磨削区后可以吸收更多的磨削热量，降低磨削温度，磨削区的制冷效果显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨削加工工艺与装置，具体为纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置。
背景技术
磨削加工是精加工的重要加工工艺，其加工过程是使用砂轮与工件相互作用，由于砂轮表面磨粒通常为负前角切削，因此磨削加工过程中产生的热量远大于其他加工形式。磨粒在磨削工件材料时消耗大量的机械能而转化成热量，磨削界面的热量极少一部分通过磨屑带走，90％以上的热量传递到砂轮和工件基体上，对砂轮使用寿命和工件使用性能产生严重影响。磨削高温使砂轮表面磨粒表层弱化，磨损加剧，造成磨粒脱离等现象，缩短了砂轮的使用寿命。大量磨削热传递到工件上时，在表面层极易产生残余应力，甚至在表面产生裂纹等现象，对工件的尺寸精度和形状精度产生影响，当温度到某一极限时，使工件表面发生磨削烧伤，更有可能使工件表层金相组织发生改变，严重影响工件的抗疲劳、抗磨损性能，降低了工件的使用性和可靠性。磨削界面的热量如果不能得到及时散热，则极易导致热损伤。
微量润滑磨削加工是一种绿色加工技术，它是指将极其微量的润滑液和具有一定压力的气体混合雾化后，喷射到磨削区起到冷却润滑作用的一种磨削加工技术，冷却和排屑作用主要依靠高压气体来实现。微量润滑磨削单位砂轮宽度采用的磨削液为30—100ml，而浇注式磨削采用的磨削液为60L/h；但微量润滑达到甚至超过了浇注式的润滑效果，同时磨削液的用量显著下降。纳米粒子射流微量润滑是在微量润滑的基础上，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形成纳米流体，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。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，悬浮有金属、非金属或聚合物固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大得多。如果在微量润滑介质中添加固体粒子，可以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(是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(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。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、润滑液(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。纳米粒子射流微量润滑磨削就是提供一种具有微量润滑技术的优点、并具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性的创新磨削工艺以及实现该工艺的专用设备，能够有效解决磨削烧伤，提高工件表面完整性，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产。
电卡效应也称热电效应，是极性材料在外加电场的作用下使其极化状态发生改变，从而产生绝热温变或者等温上变。电卡效应的基本思路是在外加电场的作用下材料的极化状态发生改变，导致熵的变化，进而使材料产生温变。因此，利用外加电场改变材料的极化状态能够实现温度的调控，从而实现制冷。电卡效应制冷的基本原理为对极性材料施加电场,材料中的电偶极子从无序变为有序，材料的熵减小，在绝热条件下,多余的熵产生温度的上升。移去电场,材料中的电偶极子从有序变为无序，材料的熵增加,在等温条件下，材料从外界吸收热量使能量守恒。或在绝热条件下，不足的熵导致材料温度的下降，其整个过程类似一个卡诺循环。对于一个理想的制冷循环，电场移去时电卡材料能从接触的负载吸收热量(等温熵变)。然后电卡材料与负载分开，此时若对电卡材料施加电场,材料的温度将会升高(绝热温变)。将电卡材料与散热片接触，多余的热量将要释放出去,使得电卡材料的温度与室温一致。然后，电卡材料与散热片断开，并与负载相接触。移去电场,电卡材料的温度降低,并从负载处吸收热量。重复整个过程，负载的温度会不断降低。这就是电卡制冷机的基本原理。目前，电卡制冷在微机电系统(MEMS)中的应用较多，其优点在于：结构简单、无机械运动部件；体积小，特别适合局部降温；启动速度快、控制灵活；无机械压缩，制冷效率高，成本低；无压缩气体和制冷剂，对环境无危害，是一种极具发展前景的新型制冷技术。
在众多传热元件中，热管是目前人们所知道的最为有效的传热元件之一，它可以依靠自身内部工作液体的相变实现将大量热量通过很小的截面积远距离的传输而无需外加动力。所谓热管砂轮是指通过采用适当的方法在砂轮基体中形成热管结构和功能，从而将砂轮自身的导热能力较传统普通砂轮显著提高，使得磨削弧区的热量还能够直接导入热管蒸发端并经由热管传热作用迅速疏导出去，以达到减少磨削弧区热量积累，降低磨削温度的目的，从而避免工件材料在进行高效磨削加工时出现的工件烧伤。
中国专利CN 201310634991.4公开了一种磁增强电场下纳米粒子射流可控输运微量润滑磨削装备，通过在电晕区周围增加磁场，提高液滴的荷电量；其外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的喷嘴；喷嘴与纳米粒子供液系统、供气系统连接；高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；在静电放电的电晕区周围是磁场形成装置；纳米流体在磨削液从喷嘴的喷头喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送入磨削区。该设备采用的静电雾化喷嘴为一体化喷嘴，加工制作相对繁琐，而且无法与其他设备进行组合，因此还需进一步的改进优化。
中国专利CN 200410009666.X公开了一种微制冷器及其制冷方法，特别涉及铁电堆阵列微小制冷器及其制冷方法。它以弛豫铁电材料我制冷工质，采用n层铁电堆，m×1铁电堆阵列，共n×m×1个单元制冷片构成微制冷器；每个制冷片采用快速加电场和慢速去电场的电场诱导相变制冷的方法；在不同行列中，同一层制冷片或隔层制冷片以同样的方式工作，各层制冷片加(去)电场工作具有特定的时序和循环；铁电堆阵列之间交替工作。
中国专利CN 201320028572.1公开了一种微型制冷器，它包括在电场作用下吸收或释放热量的制冷介质层；制冷介质层具有热量吸收端和热量释放端；用于释放热量的散热器与制冷介质层的热量吸收端连接，供由某一需制冷设备对制冷介质层进行单向热量传递的第一热开关；位于制冷介质层的热量释放端和散热器之间，供由制冷介质层对散热器进行单向热量传递的第二开关；热隔离层覆盖于制冷介质层、第一热开关和第二热开关周侧外表面。该制冷器只适用于微机电设备的局部制冷，而对于像磨削加工之类的大型设备还未涉及到利用电卡效应制冷降低加工区温度的制冷器。
中国专利CN 201310059826.0公开了一种难加工材料干磨削用热管砂轮极其制作方法，其中热管砂轮包括基体以及设置在基体上的磨粒，基体包括底座与端盖；磨粒设置在端盖上，并且磨粒上涂敷有固体润滑剂；端盖与底座之间还形成一热管管腔，底座上设置有一抽气孔，该抽气孔与热管管腔连通；在抽气孔的外部设置一堵头孔，在该堵头孔内设置有同轴设置的内堵头和外堵头；热管管腔内设置有工作介质；端盖位于热管管腔冷凝段的外表面间隔设置有冷凝槽。该发明能够有效疏导磨削弧区热量，能解决冷却液难以进入磨削弧区进行有效换热的瓶颈问题。
中国专利CN 201410707834.6公开了一种成型磨削用热管砂轮，砂轮内部设有热管管腔，热管管腔内填充工作介质，蒸发端内壁面靠近砂轮磨削面，冷凝端原理砂轮磨削面；砂轮端面上设置有独立的抽真空接口和封尾接口，抽真空接口用于外接抽真空及注液装置，封尾接口包括三个通道，一路连通外界大气，一路通过位于砂轮内部的抽气槽连通抽真空接口，一路通过抽气孔连通热管管腔，封尾接口匹配封尾模块，安装封尾模块后，封尾接口与外界大气隔绝，封尾模块进行深程度控制抽气槽与抽气孔的通断。目前的热管砂轮对于降低磨削区温度具有良好的效果，然而考虑到与砂轮配合使用降低磨削区温度设备的换热问题，热管砂轮的结构可做进一步的改进。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，该装置将电卡材料通过电卡效应致冷的方法与热管制冷技术集成应用于磨削加工中，同时配合纳米粒子射流静电雾化微量润滑，进一步降低磨削加工区的温度，提高工件的加工质量，避免工件的热损伤。其中，将电卡制冷引入到大型机械加工设备磨削加工中，对于机械加工工艺，如切削加工、铣削加工、钻削加工等加工工艺具有重要的借鉴意义。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，包括：
在两侧表面均覆盖有电卡薄膜材料的热管砂轮，在电卡薄膜材料外部施加外加电场；
及外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴；
静电雾化组合喷嘴分别与纳米粒子供液系统、供气系统连接；
纳米流体通过在静电雾化组合喷嘴进行静电雾化喷射到磨削区，吸收磨削区热量；电卡薄膜材料利用电卡效应在磨削区吸收热量，离开磨削区后通过热管砂轮将吸收的热量散去，形成一个卡诺循环。
所述电卡薄膜材料外部设有带有Sn/Ag电极的电刷，通过电刷施加外加电场；所述电刷固定于砂轮罩上，其中电刷的正极和负极分别与热管砂轮两侧表面的电卡薄膜材料接触。电刷的正极和负极之间形成高压电场，是为致冷热端，通过热管释放热量；磨削区是为致冷冷端，通过电卡薄膜材料吸收热量。
所述电卡薄膜材料覆盖热管砂轮的整个外表面或覆盖热管砂轮外表面一半的面积。
所述热管砂轮的热管包括中间相连通的弧形内圈和弧形外圈，所述弧形外圈设于热管砂轮边缘，所述弧形内圈远离砂轮边缘。弧形外圈为吸热端，可以通过流体的相变制冷作用吸收磨削区和电卡薄膜材料从磨削区吸收的热量，起到冷却作用；弧形内圈为放热端，将所吸收的热量释放。
所述静电雾化组合喷嘴包括上喷嘴体和下喷嘴体，上喷嘴体和下喷嘴体固定连接，并配有密封装置。
所述上喷嘴体内部设有组合喷嘴电极板，两块组合喷嘴电极板中间间隔有电极板绝缘块，组合喷嘴电极板外侧套有绝缘套筒；所述上喷嘴体内部设有组合喷嘴注气管，组合喷嘴注气管通至静电雾化组合喷嘴外部并与压缩空气输送蛇形管连接；所述上喷嘴体内部还设有组合喷嘴注液腔，组合喷嘴注液腔下部连接组合喷嘴节流孔，所述组合喷嘴注液腔通过管道连通至静电雾化组合喷嘴外部并与纳米流体输送蛇形管连接。
所述组合喷嘴注气管管壁上开有注气孔，注气孔的中心轴线和组合喷嘴注气管中心轴线成15至35度倾斜角。
所述下喷嘴体内设有组合喷嘴混合腔，组合喷嘴混合腔两端分别与组合喷嘴注气管、扇形喷嘴连接，所述组合喷嘴混合腔和扇形喷嘴之间设有锥形加速度段；所述扇形喷嘴下部安装有高压直流静电发生器和磁场形成装置。
所述高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式。磁场形成装置位于电晕放电区的周围，磁铁通过定位卡盘固定在L形针状电极的下方，中间形成场强，提高纳米流体液滴的荷电量。
所述高压直流静电发生器包括：
圆形电极盘，在圆形电极盘上设置有组合喷嘴电极槽，组合喷嘴电极槽上间隔设置多个针状电极卡槽，针状电极卡槽内插放有L形针状电极。
所述磁场形成装置设于高压直流静电发生器下部，它包括：
放置于组合喷嘴磁盒内的磁铁，由定位卡盘定位；
所述磁体为永磁铁或电磁铁，若为电磁铁则电磁铁导线经由一体喷嘴电磁铁导线通道接出。
所述电刷的电源和组合喷嘴电极板电源均与可调高压直流电源连接，组合喷嘴电极板电源与可调高压直流电源之间设有电源信号转换装置，以适用电卡薄膜材料的使用需要。
所述电刷包括电刷底座，电刷底座固定在砂轮罩上；所述电刷底座与支撑体连接，支撑体前端为导电部，所述导电部由多根Sn/Ag弹性接触片组成，导电部前端为滑动部；所述滑动部上设有隆起部，与电卡薄膜材料接触摩擦。
所述工件加电装置包括工件加电装置绝缘壳体、压铁、压紧永磁铁、压紧弹簧；所述压紧永磁铁设于工件加电装置绝缘壳体上，压铁通过压紧弹簧穿透设于工件加电装置绝缘壳体的中部，露出工件加电装置绝缘壳体的端部则设有导线连接环和开口销插槽。
所述电卡薄膜材料和电卡纳米粉体材料可以包括铁电材料、反铁电材料以及弛豫铁电材料，而且此电卡材料的居里温度发生在室温附近，具有相对较大的电卡效应。
本发明的有益效果为：
本发明的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置将纳米流体静电雾化以及电卡制冷和热管制冷技术进行了集成，磨削区的制冷效果显著提高，具体可以分为四个方面：第一方面是覆盖在热管砂轮上的电卡薄膜材料利用电卡效应致冷的原理在磨削区吸收热量，同时也能够吸收传入到砂轮基体中的磨削热，降低磨削区的温度；第二方面是热管砂轮通过流体的相变制冷作用吸收磨削区的热量，同时为电卡薄膜材料进行散热；第三方面是通过纳米粒子射流微量润滑静电雾化的方式将纳米流体输送至磨削区，利用固体纳米粒子较高的热传递性能增强磨削区的换热能力，降低磨削区的温度；第四方面是将电卡纳米粉体材料添加到纳米流体中，也是利用电卡效应以较低的温度状态通过静电雾化到达磨削区，由于其在电场作用下材料本身产生电热温变，通过纳米流体的换热将电卡纳米粉体多余的热量散掉，使纳米流体的温度降低，因此达到磨削区后可以吸收更多的磨削热量，降低磨削温度。
附图说明
图1为纳米粒子射流微量润滑静电雾化与电卡制冷磨削装置轴测图；
图2为第一种实施例砂轮电卡薄膜布置俯视图；
图3a、图3b为第二种实施例砂轮铁电薄膜布置主视图与后视图；
图4a、图4b为第三种实施例砂轮铁电薄膜布置主视图与后视图；
图5a、图5b为第四种实施例砂轮铁电薄膜布置主视图与后视图；
图6a、图6b为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的热管砂轮结构旋转剖视图与主视图；
图7为第一种实施例热管砂轮热管布置图；
图8为第二种实施例热管砂轮热管布置图；
图9为第三种实施例热管砂轮热管布置图；
图10为第四种实施例热管砂轮热管布置图；
图11为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的热管砂轮真空封口剖视图；
图12为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的组合喷嘴结构剖视图；
图13为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的组合喷嘴上下喷嘴体装配处剖视图；
图14为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的组合喷嘴注气管轴测图；
图15为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的L形针状电极与橡胶塞轴测图；
图16a、图16b为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的组合喷嘴圆形电极槽的俯视图与旋转剖视图；
图17为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的组合喷嘴磁铁定位卡盘俯视图；
图18为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的一种电刷底座与集体整体结构轴测图；
图19为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的电刷俯视图；
图20为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的电刷局部放大图；
图21a、图21b为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的工件加电装置剖视图与俯视图；
图22为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的液路与气路系统简图；
图23为第一种、第二种、第三种和第四种实施例的电路系统框图；
图中，1-磁性工作台；2-工件；3-砂轮罩；4-电刷底座；5-电刷固定螺栓；6-电刷导线；7-电刷；8-热管砂轮；9-电卡薄膜材料；10-输送蛇形管固定装置；11-压缩空气输送蛇形管；12-纳米流体输送蛇形管；13-电源信号转换装置；14-电源发生装置；15-组合喷嘴；16-组合喷嘴电极板高压导线；17-工件加电装置；18-L形针状电极高压导线，19-密封盖板；20-抽气孔；21-真空封口；22-弧形热管外圈；23-弧形热管内圈；24-弧形热管内外圈连通管；25-封口接头；26-堵头；27-密封圈，28-组合喷嘴注液腔，29-组合喷嘴节流孔，30-组合喷嘴电极板绝缘套筒；31-组合喷嘴混合腔，32-组合喷嘴加速度段，33-组合喷嘴下喷嘴体，34-组合喷嘴扇形喷嘴出口，35-组合喷嘴电极槽，36-L形针状电极，37-组合喷嘴电磁铁导线通道，38-组合喷嘴固定螺纹孔，39-定位卡盘，40-磁铁，41-组合喷嘴磁盒，42-组合喷嘴圆形电极盘，43-组合喷嘴高压电极导线通道，44-组合喷嘴注气管壁，45-组合喷嘴密封垫圈，46-组合喷嘴电极板，47-组合喷嘴上喷嘴体，48-组合喷嘴电极板高压导线通道，49-组合喷嘴注液通道接头，50-组合喷嘴注液通道，51-组合喷嘴注气通道接头，52-组合喷嘴注气通道，53-电极板绝缘块，54-橡胶塞，55-导线接口，56-高压电极导线通孔，57-针状电极卡槽，58-高压电极导线放置槽，59-定位通孔，60-磁体挡板，61-电刷底座，62-电刷固定用通孔，63-支撑体，64-导电部，65-Sn/Ag弹性接触片，66-滑动部，67-隆起部，68-突出部，69-压铁，70-开口销插槽，71-导线连接环，72-压紧弹簧，73-工件加电装置绝缘壳体，74-压紧永磁铁，75-空气压缩机，76-纳米流体储液罐，77-储气罐，78-液压泵，79-过滤器，80-压力表，81-节流阀Ⅰ，82-涡轮流量计Ⅰ，83-涡轮流量计Ⅱ，84-节流阀Ⅱ，85-调压阀Ⅰ，86-调压阀Ⅱ，87-溢流阀，88-纳米流体回收箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的第一种实施例如图1、图2、图6a、b和图7以及图11至22所示，是关于纳米粒子射流微量润滑静电雾化与电卡制冷磨削装置。静电雾化与电卡制冷磨削装置包括在两侧表面覆盖有电卡薄膜材料9的热管砂轮8，添加电卡纳米粉体材料的纳米流体以及设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴15；覆盖在热管砂轮两侧表面的铁电薄膜利用电卡效应在磨削区吸收热量，离开磨削区后通过热管砂轮将吸收的热量散去，维持一个卡诺循环，不断地吸收磨削区的热量，达到降低磨削区温度的效果；同时电卡薄膜材料还可将传入到热管砂轮的一部分热量进行吸收，起到降低砂轮基体温度的效果；另外，热管砂轮本身也可以从磨削区吸收热量，降低磨削区温度；电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴与添加电卡纳米粉体材料的纳米流体配合，一方面，纳米流体通过静电雾化喷射到磨削区，利用固体纳米粒子较高的热传递性能增强磨削区的换热能力，降低磨削区的温度；另一方面，铁电纳米粉体利用电卡效应以较低的温度状态通过静电雾化到达磨削区，由于其在电场作用下材料本身产生电热温变，使其本身温度降低，同时对纳米流体进行制冷，使纳米流体的温度降低，因此到达磨削区后可以吸收更多的磨削热量，降低磨削温度；该装置集多个冷却方式于一身，可以显著地降低磨削区的温度，大大提高了工件的加工质量，有效的避免了工件的热损伤。
如图1所示，电卡薄膜材料9黏贴在热管砂轮8的两侧表面，通过与电刷底座4连接的带有Sn/Ag电极的电刷7施加外加电场；电刷7通过电刷导线6与电源信号转换装置13和电源发生装置14连接，提供电能；电源信号转换装置13将直流高压电源信号转换成脉冲电源信号，为第一种实施例的电卡薄膜材料9施加外加电场；电刷底座4通过电刷固定螺栓5固定在砂轮罩3上，其中电刷7的正极和负极分别于热管砂轮8两侧表面与电卡薄膜材料9接触；电刷7的正极和负极之间形成高压电场，是为致冷热端，通过热管释放热量；磨削区是为致冷冷端，电卡薄膜材料9吸收热量。组合喷嘴15与压缩空气输送蛇形管11以及纳米流体输送蛇形管12连接，压缩空气输送蛇形管11和纳米流体输送蛇形管12通过输送蛇形管固定装置10进行固定；组合喷嘴15中的组合喷嘴电极板46和L形针状电极36分别于组合喷嘴电极板高压导线16和L形针状电极高压导线18连接，再与电源发生装置14连接。将电刷电源与组合喷嘴上喷嘴体的电场电极板电源以及高压直流静电发生器的电源进行集成，都使用可调高压直流电源。
图2第一种实施例砂轮电卡薄膜布置俯视图，电卡薄膜材料9覆盖于整个热管砂轮8的两侧表面。
图6a、b是热管砂轮结构旋转剖视图与主视图，热管砂轮主要由密封盖板19、抽气孔20和真空封口21以及图7中弧形热管外圈22、弧形热管内圈23和弧形热管内外圈连通管24组成。图11为热管砂轮真空封口剖视图，由封口接头25、堵头26和密封圈27组成。弧形热管外圈22位于热管砂轮的边缘，弧形热管内圈23远离砂轮边缘；外圈为吸热端，可以通过流体的相变制冷作用吸收磨削区和电卡薄膜材料从磨削区吸收的温度，起到冷却作用；弧形内圈为放热端，将所吸收的热量释放。
图12和图13为组合喷嘴15结构剖视图和组合喷嘴上下喷嘴体装配处剖视图，组合喷嘴15包括组合喷嘴上喷嘴体47和组合喷嘴下喷嘴体33，两者通过螺纹连接，上喷嘴体内部安装有电场电极板，为电卡纳米粉体材料提供制冷热端，通过纳米流体本身降低温度；组合喷嘴下喷嘴体设置有电晕荷电装置以及磁铁，用于提高纳米流体液滴的荷电量；其中组合喷嘴上喷嘴体47包括组合喷嘴注液腔28，组合喷嘴节流孔29，组合喷嘴注气管壁44，组合喷嘴电极板高压导线通道48，组合喷嘴注液通道接头49，组合喷嘴注液通道50，组合喷嘴注气通道接头51和组合喷嘴注气通道52；组合喷嘴电极板46和电极板绝缘块53一起内嵌在组合喷嘴电极板绝缘套筒30中，组合喷嘴电极板绝缘套筒30与组合喷嘴上喷嘴体47通过螺纹连接；组合喷嘴下喷嘴体33包括组合喷嘴混合腔31，组合喷嘴加速度段32，组合喷嘴扇形喷嘴出口34，组合喷嘴电极槽35，L形针状电极36，组合喷嘴电磁铁导线通道37，组合喷嘴固定螺纹孔38，定位卡盘39，磁铁40，组合喷嘴磁盒41，组合喷嘴圆形电极盘42，组合喷嘴电极高压导线通道43；组合喷嘴上喷嘴体47与组合喷嘴下喷嘴体33通过螺纹连接在一起，中间由密封垫圈45密封构成组合喷嘴15的整体结构。压缩空气通过组合喷嘴注气通道52进入组合喷嘴混合腔31，同时纳米流体经过组合喷嘴注液通道50进入到组合喷嘴注液腔28中，在通过组合喷嘴节流孔29后进入到组合喷嘴混合腔31中与压缩空气混合。组合喷嘴节流孔29的作用是限制纳米流体进入到组合喷嘴混合腔31内的量，从而可以使压缩空气和纳米流体在组合喷组混合腔31内有足够的混合空间。压缩空气与纳米流体在组合喷嘴混合腔31内充分混合形成亚音速三相(压缩空气、液态润滑基油和固态纳米粒子)泡状流。泡状流进入到组合喷嘴加速段32后，由于组合喷嘴加速段32为锥形结构缩小了三相泡状流的流动空间，从而增大了三相泡状流的压力和流速，并减小了气泡直径。同时三相泡状流经过组合喷嘴加速段32时受挤压而失稳，破裂成更小的气泡和液滴，增加了雾滴的数量提高了雾化效果。同时三相泡状流经过加速后在组合喷嘴扇形喷嘴出口34以近音速喷出，加大了射流速度，由于压力突然降到大气压，气泡会急剧膨胀而爆破形成了液体雾化的动力，同时周围气泡会受到冲而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得极其微小。组合喷嘴注气管壁44上开有注气孔，注气孔布置如图14所示，这样的布置更有利于三相泡状流在组合喷嘴混合腔31内充分混合及碰撞，同时注气孔的中心轴线和喷嘴注气管的中心轴线成15至35度倾斜角，这样有利于组合喷嘴混合腔31内的三相泡状流向组合喷嘴加速段32推进，在组合喷嘴注气管壁44顶端设有轴向注气孔，其作用是进一步使三相泡状流在组合喷嘴加速段32内加速。
图15、图16和图17为L形针状电极与橡胶塞轴测图、组合喷嘴圆形电极槽的俯视图与旋转剖视图以及组合喷嘴磁铁定位卡盘俯视图；所述组合喷嘴圆形电极盘42为橡胶材质具有一定的弹性，在其圆周上阵列有4-8个针状电极卡槽57，在组合喷嘴圆形电极盘42上设有高压电极导线放置槽58，在电极导线放置槽58内设置有高压电极导线通孔56方便高压电极导线接出，高压电极导线接出后经组合喷嘴高压电极导线通道43接出到组合喷嘴15外部。L形针状电极36插放在针状电极卡槽57内(过盈配合)。将连接好电极的组合喷嘴圆形电极盘42放入到组合喷嘴电极槽35内，将磁铁40放置在组合喷嘴磁盒41内，由定位卡盘39进行定位，在定位卡盘39上设置有磁体挡板60用来限制磁铁。所述磁铁40可以为永磁铁也可以为电磁铁，若为电磁铁则点此忒导线经由组合喷嘴电磁铁导线通道37接出。
图18至图20为电刷结构图，电刷包括电刷底座61，电刷固定用通孔62，支撑体63，导电部64，Sn/Ag弹性接触片65，滑动部66，隆起部67，突出部68；其中隆起部67和突出部68组成了滑动部66。
图21a、b为工件加电装置剖视图和俯视图，包括压铁69，开口销插槽70，导线连接环71，压紧弹簧72，工件加电装置绝缘壳体73，压紧永磁铁74。
图22为液路与气路系统简图，包括75-空气压缩机，76-纳米流体储液罐，77-储气罐，78-液压泵，79-过滤器，80-压力表，81-节流阀Ⅰ，82-涡轮流量计Ⅰ，83-涡轮流量计Ⅱ，84-节流阀Ⅱ，85-调压阀Ⅰ，86-调压阀Ⅱ，87-溢流阀，88-纳米流体回收箱。
如图23所示，高压直流电源14由交流电源输入单元、直流稳压单元V1、直流稳压单元V2、自激振动电路、功率放大器、高频脉冲升压器、倍压整流电路和恒流自动控制电路组成。
电卡纳米粉体材料的纳米流体是将铁电材料制成纳米粉体添加到常用纳米流体中，添加电卡纳米粉体材料后的纳米流体磨削液从喷嘴的喷头喷出雾化成液滴的同时在高压直流静电发生器及磁场形成装置的作用下对液滴荷电并被送到磨削区。
电卡薄膜材料和电卡纳米粉体材料可以包括铁电材料、反铁电材料以及弛豫铁电材料，而且此电卡材料的居里温度发生在室温附近，具有相对较大的电卡效应。
电卡材料的电热温变可以通过以下方法积分推导：对于大多数铁电或反铁电体电介质材料来说，在转变温度以上，电场对材料中电偶极熵变有重要影响，对于熵变可用以下公式计算：
这里，S是材料单位体积的熵变，E是外加电场；P是极化强度；CE为材料在恒定电场下的比热；dS为单位体积材料熵的改变；T是绝对温度；为恒电场强度下的热释电系数。对于绝热条件下Q＝TdS＝0，因此由式(1)可推导电热温变的计算式：
绝热的条件下去极化，热释电系数小于零，dE小于零的条件下才能产生致冷效应。一般来说，电热效应通过麦克斯韦方程式与热释电效应相联系：
式中表示电场强度E时产生的绝热温变，T是绝对温度，CE为材料在恒定电场下的体积比热，pE为恒场强下的热释电系数[即为]，S为熵变，排除二次电热效应的影响，推导电热温变方程如下：
dT＝-(T/CE)PEdE (4)
代入热电系数亦可推导出式(2)，进而推导出电热温变积分式：
其中，ρ为材料密度，C为材料热容，CE＝Cp，E1是保证为负值的最低电场强度，E2是作用于材料体系的最大场强。
所述雾滴电晕荷电的荷电量计算公式如下：
式中
q——雾滴荷电量，C；
k——雾滴介电常数；
ε0——空气介电常数，约为8.85×10-12，c2/n·m2；
E——电晕放电形成的电场强度，V/m；
r——雾滴半径，μm；
N——充电离子浓度，粒子数/m2；
e——电子电荷，1.6×10-19，C；
Ki——充电离子迁移率，m2/(V·s)；
t——充电滞留时间，s。
本发明第二种实施例采用电卡薄膜材料布置方式如图3a、b和热管布置如图8的配合方式；此实施例的电源都采用高压直流电源，其他结构同第一种实施例。
本发明第三种实施例采用电卡薄膜材料布置方式如图4a、b和热管布置如图9的配合方式；此实施例的电源都采用高压直流电源，其他结构同第一种实施例。
本发明第四种实施例采用电卡薄膜材料布置方式如图5a、b和热管布置如图10的配合方式；此实施例的电源都采用高压直流电源，其他结构同第一种实施例。
本发明的具体工作过程如下：
待磨削工件2被吸引在磁性工作台1上，固定在砂轮罩3上的电刷7的正极和负极分别于热管砂轮8的两侧表面与电卡薄膜材料9接触形成高压电场，是为致冷热端；当电卡薄膜材料9随热管砂轮8旋转到电刷7正极和负极之间时，电卡薄膜材料在外加电场的作用下迅速极化，自身温度升高，而同时热管弧形外圈22内的制冷流体吸收电卡薄膜材料9产生的热量，使其恢复到常温状态，制冷流体吸收热量后气化，通过弧形热管内外圈连通管24进入到弧形内圈23中放热液化；当电卡薄膜材料9随热管砂轮8离开电刷7正极和负极之间时，其自身温度降低，低于环境温度，到达磨削区(制冷冷端)时吸收磨削热量，当再次旋转至电刷7的高压电场中时将在磨削区吸收的热量散去，完成一个卡诺循环，如此循环不断地在磨削区吸热制冷，降低磨削区温度；同时电卡薄膜材料9还能够吸收传入到砂轮中的热量，对砂轮基体进行制冷降温；第一种实施例对电卡薄膜材料9施加高压脉冲电源，而第二种、第三种和第四种实施例对电卡薄膜材料9施加高压直流电源，其目的是完成卡诺循环，达到制冷的效果；第二种、第三种和第四种实施例由于多片制冷片循环工作，其制冷效果更好。与此同时，热管对电卡薄膜材料9进行散热的同时，同样也可以对磨削区进行制冷：热管弧形外圈22内的制冷流体吸收磨削区产生的热量，制冷流体吸收热量后气化，通过弧形热管内外圈连通管24进入到弧形内圈23中放热液化，在通过弧形热管内外圈连通管24回流至热管弧形外圈22中继续吸热。添加有电卡纳米粉体材料的纳米流体经过组合喷嘴注液通道50进入到组合喷嘴注液腔28中，经过组合喷嘴节流孔29后在组合喷嘴电极板46所形成的电场下迅速发生极化，电卡纳米粉体材料自身温度升高，通过纳米流体的换热能力使其温度恢复至室温，后进入到组合喷嘴混合腔31中与压缩空气混合，离开电场电卡纳米粉体材料温度下降使纳米流体的整体温度下降，经过组合喷嘴加速段32和组合喷嘴扇形喷嘴出口34进入磁增强的电晕荷电区由L形针状电极36进行荷电，通过静电雾化的方式进入到磨削区吸收磨削热，降低磨削温度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，包括：
在两侧表面均覆盖有电卡薄膜材料的热管砂轮，在电卡薄膜材料外部施加外加电场；
及外部设有高压直流静电发生器和磁场形成装置的电卡制冷与磁增强电场下的静电雾化组合喷嘴；
静电雾化组合喷嘴分别与纳米粒子供液系统、供气系统连接；
纳米流体通过在静电雾化组合喷嘴进行静电雾化喷射到磨削区，吸收磨削区热量；电卡薄膜材料利用电卡效应在磨削区吸收热量，离开磨削区后通过热管砂轮将吸收的热量散去，形成一个卡诺循环；
所述电卡薄膜材料外部设有带有Sn/Ag电极的电刷，通过电刷施加外加电场；所述电刷固定于砂轮罩上，其中电刷的正极和负极分别与热管砂轮两侧表面的电卡薄膜材料接触；电刷的正极和负极之间形成高压电场，是为致冷热端，通过热管释放热量；磨削区是为致冷冷端，通过电卡薄膜材料吸收热量；
所述电卡薄膜材料和电卡纳米粉体材料为铁电材料、反铁电材料。
2.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述电卡薄膜材料覆盖热管砂轮的整个外表面或覆盖热管砂轮外表面一半的面积；
所述热管砂轮的热管包括中间相连通的弧形内圈和弧形外圈，所述弧形外圈设于热管砂轮边缘，所述弧形内圈远离砂轮边缘。
3.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述静电雾化组合喷嘴包括上喷嘴体和下喷嘴体，上喷嘴体和下喷嘴体固定连接，并配有密封装置。
4.如权利要求3所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述上喷嘴体内部设有组合喷嘴电极板，组合喷嘴电极板中间间隔有电极板绝缘块，组合喷嘴电极板外侧套有绝缘套筒；所述上喷嘴体内部设有组合喷嘴注气管，组合喷嘴注气管通至静电雾化组合喷嘴外部并与压缩空气输送蛇形管连接；所述上喷嘴体内部还设有组合喷嘴注液腔，组合喷嘴注液腔下部连接组合喷嘴节流孔，所述组合喷嘴注液腔通过管道连通至静电雾化组合喷嘴外部并与纳米流体输送蛇形管连接；所述组合喷嘴注气管管壁上开有注气孔，注气孔的中心轴线和组合喷嘴注气管中心轴线成15至35度倾斜角。
5.如权利要求3所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述下喷嘴体内设有组合喷嘴混合腔，组合喷嘴混合腔两端分别与组合喷嘴注气管、扇形喷嘴连接，所述组合喷嘴混合腔和扇形喷嘴之间设有锥形加速度段；所述扇形喷嘴下部安装有高压直流静电发生器和磁场形成装置。
6.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述高压直流静电发生器与可调高压直流电源的负极连接，可调高压直流电源的正极则与用于附着在工件不加工表面的工件加电装置连接，从而形成负电晕放电的形式；磁场形成装置位于电晕放电区的周围，磁铁通过定位卡盘固定在L形针状电极的下方，中间形成场强，提高纳米流体液滴的荷电量。
7.如权利要求1所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述电刷包括电刷底座，电刷底座固定在砂轮罩上；所述电刷底座连接支撑体，支撑体前端为导电部，所述导电部上设有Sn/Ag弹性接触片，导电部前端为滑动部；所述滑动部上设有隆起部；所述电刷的电源和组合喷嘴电极板电源均与可调高压直流电源连接，组合喷嘴电极板电源与可调高压直流电源之间设有电源信号转换装置。
8.如权利要求6所述的纳米流体静电雾化与电卡热管集成的微量润滑磨削装置，其特征是，所述工件加电装置包括工件加电装置绝缘壳体、压铁、压紧永磁铁、压紧弹簧；所述压紧永磁铁设于工件加电装置绝缘壳体上，压铁通过压紧弹簧穿透设于工件加电装置绝缘壳体的中部，露出工件加电装置绝缘壳体的端部则设有导线连接环和开口销插槽。
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