CN105522487A - 电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法，将能产生电卡效应的材料制成纳米或者微米级的粉末添加到砂轮结合剂中形成电卡砂轮，同时配合使用静电雾化、磁增强静电中和清洗和静电沉积，集成为一套砂轮内冷却与静电技术耦合的磨削设备，不仅显著降低了磨削区的温度，而且对砂轮磨削表面进行清洗，避免砂轮堵塞，还能明显降低磨削工程中周围环境的油雾量，本设备显著提高加工效率，达到环保的要求；本发明的设备可以有效地降低磨削区温度，提高加工效率和质量，又可以减少油雾对环境的污染以及降低对人体健康的危害，既符合机械加工的要求又符合节能环保的要求。

Description

电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及磨削加工领域，具体为电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法。

背景技术

磨削加工是机械制造中重要的加工工艺。磨削过程中对于去除单位体积金属具有极高的能量输入，几乎所有的能量转化都集中在磨削区。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。同时磨削区产生的高温可以引起各种形式的工件热损伤，如：烧伤、金相转变、可能产生二次淬火表层的软化(退火)、不利的表层拉应力、裂纹以及疲劳强度的降低等，另外磨削中的热膨胀可造成工件的变形。磨削生产率通常由于磨削温度的负面影响而受到限制。

为了获得较高的工件加工质量和表面精度，必须降低磨削区的温度。鉴于干式磨削的润滑效果太差，因此研究人员提出了准干式磨削技术，微量润滑技术，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。经过大量的研究发现微量润滑技术也没有在磨削区起到强化换热显著降低磨削区温度的效果，然而纳米技术的出现为解决这一难题提供了很好的思路。众所周知，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，因此纳米粒子射流微量润滑磨削技术应运而生，纳米粒子射流微量润滑磨削不仅具有微量润滑技术的优点，而且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。

所谓电卡致冷就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，达到制冷的效果。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，实现致冷。电卡效应致冷工作原理类似卡诺循环，其中包括两个等熵过程和两个等场过程。在绝热状态下，对极性材料施加电场，电场的作用使材料内部有序度升高，导致材料熵值的降低，进而使温度升高；在去除绝热状态下，由于材料与环境的热交换，材料的温度下降至环境温度，而材料的有序度不变，所以材料的熵值不变；在绝热并撤去外电场的状态下，材料内部有序度降低，导致材料的熵值增加，从而使材料温度降低；降温后的材料从所接触的待致冷器件上吸收热量，使待致冷件的温度降低，从而达到致冷的效果。

经检索，专利号为ZL201310634991.4公开的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。虽然采用静电雾化方式可以使磨削液均匀到达磨削区，然而所采用的高压电源仅仅用于液滴荷电，造成一定程度的电能浪费，不符合节能的环保要求。

经检索，专利号为201510312119.7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。该装置利用电卡效应与热管砂轮结合集成一套冷却系统，虽然对磨削区有较好的冷却效果，然而将电卡薄膜覆盖在砂轮表面堵塞了砂轮气孔，在一定程度上影响了砂轮磨削时的整体性能。

经检索专利号为201510603700.4公开了一种声发射和测力仪集成的砂轮堵塞检测清洗装置及方法，首先通过声发射技术在线定性监测砂轮堵塞状况，通过磨削测力仪测量磨削力来反映检测砂轮堵塞状况，然后根据尖端放电原理去除堵塞物的静电，由静电中和喷嘴对附着在砂轮表面或气孔内的堵塞物进行清洗。砂轮磨削过程中产生的声发射信号，经过信号采集和分析过滤，建立声发射信号的均方根值(RMS)和快速傅里叶变换(FFT)的峰值与砂轮堵塞程度的对应关系，实现对砂轮堵塞的定性测量。磨削测力仪测量磨削力也反映检测砂轮堵塞情况。然后通过喷射压力与声发射信号间设定的阈值来实现在线实时对砂轮堵塞物的洗清，实现喷嘴喷射压力与砂轮堵塞量之间的闭环控制。该装置利用静电中和原理对磨削砂轮表面进行堵塞物的清洗，实现了砂轮的在线修锐，然而砂轮高速旋转，需要施加非常高的电压才能有效地中和堵塞物的静电，在一定程度上造成了电能的利用效率较低，浪费了能源。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备及其使用方法，该设备将能产生电卡效应的材料制成纳米或者微米级的粉末添加到砂轮结合剂中形成电卡砂轮，同时配合使用静电雾化、磁增强静电中和清洗和静电沉积，集成为一套砂轮内冷却与静电技术耦合的磨削设备，不仅显著降低了磨削区的温度，而且对砂轮磨削表面进行清洗，避免砂轮堵塞，还能明显降低磨削工程中周围环境的油雾量，本设备显著提高加工效率，达到环保的要求。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米粒子射流微量润滑磨削设备，包括工作台，工作台的上方设有用于固定工件的夹具，在夹具的底部设有检测磨削力的压力传感器，在工作台上设有用于固定电卡砂轮的电卡砂轮座，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料与电卡砂轮结合剂结合制成，电卡砂轮与能产生电场的装置连接，在电卡砂轮的圆周设有至少一处将纳米流体雾化的用于润滑和冷却工件磨削区的静电雾化喷嘴，电卡砂轮圆周的一侧设有带有电荷的喷射纳米流体的磁增强静电中和清洗喷嘴，以冷却电卡砂轮；压力传感器、磁增强静电中和清洗喷嘴、静电雾化喷嘴和电刷分别单独与磨削力控制系统连接，通过磨削力控制系统对部分结构的控制，实现根据磨削的具体情况，控制各个机构的动作；静电雾化喷嘴是在电卡砂轮磨削工件时开始工作，在纳米流体喷出喷嘴时将雾化的液滴进行荷电，通过静电场的作用使荷电的液滴定向的喷射到磨削区，起到冷却润滑的作用。

进一步地，所述能产生电场的装置为设于电卡砂轮两侧表面各覆有至少一圈导电片，一侧的导电片与向电卡砂轮施加外电场的电刷的正极连接，另一侧的导电片与电刷的负极连接，以提高电卡砂轮的冷却能力。

进一步地，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料被磨成纳米或微米级粉末与电卡砂轮结合剂结合制成，产生电卡效应的材料粉末体积分数范围为1％-60％，目的是既不影响砂轮的整体组织及结构，又能够使电卡砂轮具有良好的制冷量，以维持电卡砂轮在磨削过程中的整体性能，能产生电卡效应的材料包括铁电材料、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。

进一步地，在电卡砂轮的侧面设有用于收集油雾的油雾沉积罩，采用静电沉积原理对油雾进行沉积回收，为保证油雾能够充分得到荷电，油雾沉积装置可以采用一个或者多个。

进一步地，所述电刷的工作端部设有隆起部，电刷为带有Sn/Ag电极的电刷，导电片为导电铂片。

进一步地，所述工作台为磁性工作台，所述油雾沉积罩的一侧通过连杆与固定在磁性工作台的磁性固定杆连接，连杆为可水平转动和竖直移动的多连杆结构，另一侧设有与磁性工作台连通的开口，开口的上方由油雾入口逐渐倾斜向下设置。

进一步地，所述开口的上部为沉积电极板，下部为油雾荷电电极，油雾荷电电极与高压导线连接，油雾荷电电极为长方形、圆形或椭圆形。

进一步地，所述夹具内设有凹槽，凹槽内设有用于在一个方向固定工件的定位块，定位块通过定位螺栓固定于凹槽内，在夹具相对于定位块的另一侧表面固定有用于从工件上方下压工件的压板，另一个方向设有穿过凹槽的用于夹紧工件的定位螺栓。

进一步地，所述磁增强静电中和清洗喷嘴包括内用于注入气体的气体管，气体管设于液体管内，液体管的一侧开有进液口，液体管的出口内径逐渐变小对气液混合加速，在出口处设有喷嘴，喷嘴出口侧设有喷头体，喷头体内部设有与喷嘴连通的电极盘，电极盘与高压导线连接，喷头体的端部固定有磁场形成装置，磁场形成装置设置在磁增强静电中和清洗喷嘴出口的最顶端，位于电晕放电区的周围，磁场形成装置为磁铁，磁铁通过定位卡盘固定在圆形电极盘的下方，中间形成场强，提高纳米流体液滴的荷电量。

进一步地，在所述工作台的一侧设有向电源发生装置加电的工件加电装置，包括绝缘壳体，在壳体内设有压紧永磁体，在壳体的中部设有通过弹簧支撑的压铁，压铁中部的端部穿过壳体且在此端部设置导线连接环，导线连接环与电源发生装置连接。

所述的磨削设备的使用方法，具体步骤如下：

1)通过夹具夹紧工件，根据工件的不同设置油雾沉积罩的位置；

2)电卡砂轮未对工件进行磨削时，对电卡砂轮施加电场；

3)在步骤2)进行的同时，磁增强静电中和清洗喷嘴产生电子，中和磨粒的电荷并降低电卡砂轮的温度；

4)在步骤2)和步骤3)进行的同时，电卡砂轮对工件进行磨削，压力传感器将采集的磨削力信号传递至磨削力控制系统，当磨削力增大到设定值时，磨削力控制系统控制磁增强静电中和清洗喷嘴停止工作并撤掉电刷的电压；

5)静电雾化喷嘴开始工作，并将磨削热传递至电卡砂轮；

6)在步骤5)进行的同时，油雾沉积装置对油雾进行荷电实现油雾小液滴的沉积；

7)在电卡砂轮切出工件后，磨削力控制系统控制静电雾化喷嘴停止工作，并控制磁增强静电中和清洗喷嘴开始工作，并对电刷通电，对电卡砂轮进行降温和清洗修锐。

本发明的工作原理是：在磨削区产生的油雾大致可以分为3种，第一种是具有很大动量的油雾，在经过油雾荷电电极的荷电后撞击到沉积电极板上，其中一部分被吸附，另一部分又发生反弹，这一部分在重力和电场力的作用下发生沉积被吸附在工作台上；第二种是动量较大的油雾，这种油雾经过油雾荷电电极撞击到沉积电极板后被全部吸附，随着沉积电极板油雾的不断增多，油雾液滴会沿着沉积电极板顺流而下，进入导流槽中从而被回收；第三种是动量很小的油雾，在其飘散到油雾沉积罩前其速度减为零，经过油雾荷电电极的荷电后，在重力和电场力作用下沉积到工作台上。

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；将电刷电源与磁增强静电中和清洗喷嘴、静电雾化喷嘴、油雾沉积装置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；同时可调高压直流电源上设置有电源信号转换装置，以适用电卡砂轮和磁增强静电中和清洗喷嘴的使用需要。

所述工件加电装置由工件加电装置绝缘壳体、压铁、压紧永磁铁、压紧弹簧组成；压紧永磁铁安装在工件加电装置绝缘壳体上，压铁通过压紧弹簧穿透安装在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。

本发明的有益效果是：该设备将基于电卡效应的电卡砂轮和静电应用技术，包括静电雾化、静电中和和静电沉积进行集成，开发出一种集砂轮内冷和静电应用技术于一身的纳米粒子射流微量润滑磨削设备，该设备不仅可以有效地降低磨削区温度，提高加工效率和质量，又可以减少油雾对环境的污染以及降低对人体健康的危害，既符合机械加工的要求又符合节能环保的要求，具体可以分为三个方面：

1)将能产生电卡效应的材料制成粉末添加到砂轮结合剂中制成电卡砂轮，而形成一种内冷却砂轮，与热管砂轮相比不仅保证了电卡砂轮的组织和结构，而且使电卡砂轮在磨削过程中工作更加可靠，降低磨削区温度的效率更高。

2)通过对静电中和清洗喷嘴进行磁增强处理使其能够高效率的对电卡砂轮进行清洗，堵塞物的清除率大大提高，实现了高能效在线修锐的功能，磨削加工质量和效率得到有效提高；

3)由于磨削过程中产生的油雾对人体健康造成严重的威胁，而传统的排油雾装置仅仅是将弥散在空气中的油雾进行排除处理，没有从源头上进行有效的解决，而本设备采用静电雾化以及静电沉积的原理在油雾产生的源头(磨削区)将油雾进行沉积回收，其中静电雾化使雾化液滴定向喷射到磨削区减少了空气中的雾化液滴的量，静电沉积使磨削高温和其他因素引起的油雾在扩散到空气中以前进行沉积回收，两者使弥散的空气中的油雾大大减少，降低了油雾对人体健康的危害，使加工过程更加绿色安全。

4)本发明的设备可以有效地降低磨削区温度，提高加工效率和质量，又可以减少油雾对环境的污染以及降低对人体健康的危害，既符合机械加工的要求又符合节能环保的要求。

附图说明

图1基于电卡效应的砂轮内冷及静电应用纳米粒子射流微量润滑磨削装置轴测图；

图2压力传感器监测轴测图；

图3工件定位夹紧装置结构示意图；

图4压力传感器结构示意图；

图5油雾沉积装置轴测图；

图6油雾沉积装置可移动夹具的俯视图6(a)、立体图6(b)、左视图6(c)和轴测图6(d)；

图7油雾沉积装置连接杆Ⅰ的俯视图7(a)、立体图7(b)、左视图7(c)和轴测图7(d)；

图8油雾沉积装置连接杆Ⅱ的俯视图8(a)、立体图8(b)、左视图8(c)和轴测图8(d)；

图9油雾沉积罩的俯视图9(a)、立体图9(b)、左视图9(c)和轴测图9(d)；

图10油雾沉积罩的剖视图；

图11油雾荷电电极实施例一；

图12油雾荷电电极实施例二；

图13油雾荷电电极实施例三；

图14油雾荷电电极实施例四；

图15磁增强静电中和清洗喷嘴剖视图；

图16注气管沿A—A方向剖视图；

图17静电中和装置剖视图；

图18静电中和装置沿B—B方向剖视图；

图19磁增强静电中和清洗喷嘴磁铁定位卡盘俯视图；

图20一种电刷底座与集体整体结构轴测图；

图21电刷俯视图；

图22电刷局部放大图；

图23a加电装置剖视图；

图23b加电装置俯视图；

图24电路系统框图；

图25液路与气路系统简图；

其中，1-磁性工作台；2-压力传感器；3-夹具；4-平板；5-压板；6-平板螺栓；7-圆柱垫片；8-压板螺栓；9-工件；10-磁性固定杆；11-可移动夹具；12-固定旋钮；13-磁增强静电中和清洗喷嘴；14-连接杆Ⅰ；15-电刷固定螺栓；16-电刷底座；17-连接杆Ⅱ；18-电刷；19-固定螺钉；20-油雾沉积罩；21-电刷铂片；22-电卡砂轮；23-砂轮罩；24-输送蛇形管固定装置；25-压缩空气输送蛇形管；26-纳米流体输送蛇形管；27-高压导线；28-静电雾化喷嘴；29-定位块；30-电源信号转换装置；31-电源发生装置；32-电源信号控制输出线；33-定位螺栓；34-加电装置；35-磨削力控制系统；36-压力传感器信号输出线；37-导流槽；38-沉积电极板；39-油雾荷电电极；40-注气管；41-密封垫圈Ⅰ；42-进液腔；43-气液分离塞；44-气液混合腔；45-加速段；46-圆形橡胶圈；47-圆形电极盘；48-喷头体；49-电磁铁导线通道；50-固定螺纹孔；51-定位卡盘；52-磁铁；53-密封垫圈Ⅱ；54-圆形电极盘导线孔；55-扇形喷头；56-定位螺纹孔；57-出气孔；58-进液管；59-混合腔体；60-喷嘴螺母；61-定位通孔；62-磁体挡板；63-电刷底座；64-电刷固定用通孔；65-支撑体；66-导电部；67-Sn/Ag弹性接触片；68-滑动部；69-隆起部；70-突出部；71-压铁；72-开口销插槽；73-导线连接环；74-压紧弹簧；75-加电装置绝缘壳体；76-压紧永磁铁；77-空气压缩机；78-纳米流体储液罐；79-储气罐；80-液压泵；81-过滤器；82-压力表；83-节流阀Ⅰ；84-涡轮流量计Ⅰ；85-涡轮流量计Ⅱ；86-节流阀Ⅱ；87-调压阀Ⅰ；88-调压阀Ⅱ；89-溢流阀；90-纳米流体回收箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例一

如图1所示，电卡砂轮22是将电卡材料制成纳米或者微米级的粉末，将其添加在砂轮的结合剂中，其中所添加的电卡材料粉末的量以不影响砂轮的整体组织及结构为标准，目的是为了维持电卡砂轮在磨削过程中的整体性能；其通过与电刷底座16连接的带有Sn/Ag电极的电刷18施加外加电场；电刷18通过高压导线27与电源信号转换装置30和电源发生装置31连接，提供电压；电刷底座16通过电刷固定螺栓15固定在砂轮罩23上，其中电刷18的正极和负极分别于电卡砂轮22两侧表面与电刷铂片21接触。静电雾化喷嘴28以及磁增强静电中和清洗喷嘴13与压缩空气输送蛇形管25以及纳米流体输送蛇形管26连接，压缩空气输送蛇形管25和纳米流体输送蛇形管26通过输送蛇形管固定装置24进行固定；静电雾化喷嘴28以及磁增强静电中和清洗喷嘴13中的静电雾化装置和静电中和装置分别与高压导线27连接，再与电源信号转换装置30和电源发生装置31连接。

电卡砂轮所需脉冲电源的频率计算方法如下：

砂轮进给速率为v，工件长度为l₁，空行程长度为l₂，则总长度l＝l₁+l₂，所需时间T＝l/v，则脉冲电源所需的频率f＝1/T。

以实验用参数为例：砂轮进给速率为v＝50mm/s，长度l＝50mm，因此砂轮磨削工件的周期为T＝l/v＝1s，则f＝1Hz。因此，就电卡砂轮所需脉冲电源的频率来看，现有的高压脉冲电源完全可以达到电卡砂轮的使用要求。

压力传感器2固定在磁性工作台1上，如图2～图4所示，夹具3通过平板螺栓6固定在压力传感器2上，工件9通过夹具3进行固定，以定位块29的可移动方向为Y轴方向，水平面内与Y轴方向垂直的方向为X轴方向，工件9的X轴方向使用两个定位螺栓33进行夹紧；在工件9的Y方向，定位块29一面与工件9侧面接触，一面与两个定位螺栓33接触，拧紧定位螺栓使定位块29在工件9的X方向上夹紧，定位块可调整位置，实现对不同工件9都可以实现夹紧。工件9在Z方向上采用三个压板5夹紧，三个压板5借助平板4、圆柱垫片7和压板螺栓8构成自调节压板，当工件9长宽高三个尺寸发生变化时，可通过定位螺栓33和三个压板5实现装备可调，满足工件9的尺寸变化要求；压力传感器2通过36压力传感器信号输出线与磨削力控制系统35连接，磨削力控制系统35通过电源信号控制输出线32控制电源信号转换装置30，为电刷18、磁增强静电中和清洗喷嘴13和静电雾化喷嘴28提供电压。

如图5所示的油雾沉积装置是由磁性固定杆10、可移动夹具11、固定旋钮12、连接杆Ⅰ14、连接杆Ⅱ17、固定螺钉19和油雾沉积罩20组成；其重要部件的结构如图6、7、8和9所示，分别为可移动夹具11、连接杆Ⅰ14、连接杆Ⅱ17、油雾沉积罩20，油雾沉积罩20的结构见图6～图9；磁性固定杆10固定在磁性工作台1上，连接杆Ⅰ14通过可移动夹具11与磁性固定杆10连接，连接杆Ⅱ17与连接杆Ⅰ14连接，油雾沉积罩20与连接杆Ⅱ17连接；连接杆Ⅰ14的上下位置、转动角度可通过移动夹具11进行调节，调节完成后由固定旋钮12进行紧固；连接杆Ⅱ17可以自由调节转动角度，后由固定旋钮12紧固；油雾沉积罩20调节后的转动角度由固定螺钉19紧固；通过各个连接枢纽可以调节油雾沉积罩20的角度及上下位置，以达到最好的油雾荷电效果。

图10为油雾沉积罩20的剖视图，其上设有沉积电极板38接电源的正极并接地，沉积电极板38倾斜放置以便使吸附的油雾在重力作用下沿倾斜斜面顺利流到导流槽37中，方便回收处理。其工作原理为：在磨削区产生的油雾大致可以分为3种，第一种是具有很大动量的油雾，在经过油雾荷电电极39的荷电后撞击到沉积电极板38上，其中一部分被吸附，另一部分又发生反弹，这一部分在重力和电场力的作用下发生沉积被吸附在磁性工作台1上；第二种是动量较大的油雾，这种油雾经过油雾荷电电极39撞击到沉积电极板38后被全部吸附，随着沉积电极板38油雾的不断增多，油雾液滴会沿着沉积电极板顺流而下，进入导流槽37中从而被回收；第三种是动量很小的油雾，在其飘散到油雾沉积罩20前其速度减为零，经过油雾荷电电极39的荷电后，在重力和电场力作用下沉积到磁性工作台1上。

图11为油雾荷电电极39的实施例，整体为长方形，内有多条电极，如图10所示，油雾荷电电极39固定在油雾沉积罩20中与高压导线27相连接，高压导线27为油雾提供荷电电压。

图15为磁增强静电中和清洗喷嘴剖视图，图16至图19为磁增强静电中和清洗喷嘴部分结构示意图，磁增强静电中和清洗喷嘴13主要有四部分组成，混合腔体59、注气管40、进液管58和喷头体48。其中，注气管40连接着压缩空气输送蛇形管25，通过密封垫圈Ⅰ41与混合腔体59连接，压缩空气经过出气孔57进入到加速段45中；混合腔体59左端攻有螺纹，喷嘴螺母60将注气管40和混合腔体59固定；进液管58连接着纳米流体输送蛇形管26，通过螺纹与混合腔体59连接。气液分离塞43将气液混合腔44和进液腔42，加速段45设计为锥形结构缩小了气体和液体的流动空间，从而增大了它们的压力和流速，混合液体经过加速段45后由扇形喷嘴55喷出。定位螺纹孔56能使磁增强静电中和清洗喷嘴13定位；喷头体48通过螺纹与混合腔体59连接。为了更好的密封磁增强静电中和清洗喷嘴13，分别在注气管40和混合腔体59，混合腔体59和喷头体48之间有密封垫圈Ⅰ41和密封垫圈Ⅱ53；喷头体48中由静电中和装置和磁场形成装置组成，其中静电中和装置由圆形橡胶圈46和圆形电极盘47组成，圆形电极盘47通过圆形电极盘导线孔54与高压导线27连接；磁场形成装置由定位卡盘51和磁铁52组成，磁铁52由定位卡盘51进行定位，定位卡盘51通过定位通孔61和固定螺纹孔50由螺栓进行固定；在定位卡盘51上设置有磁体挡板62用来限制磁铁，如图19所示，定位卡盘51通过定位通孔61与喷头体48固定；所述磁铁52可以为永磁铁也可以为电磁铁，若为电磁铁其导线经由电磁铁导线通道49接出。如图1中所示，磁增强静电中和清洗喷嘴13分别放置在电卡砂轮22的两侧，磨削工件9过程中，堵塞在电卡砂轮22磨削表面的磨屑无法确定其带有何种电荷，因此第一种实施例为将磁增强静电中和清洗喷嘴13放置在电卡砂轮的任意一侧，静电中和装置接正电或者负电(根据实际需要)，目的是为纳米流体荷上与堵塞物电极极性相反的电荷；第二种实施例为将两个磁增强静电中和清洗喷嘴13分别放置在电卡砂轮22的两侧，其中一个接正电，另外一个接负电，目的是不管堵塞物带有何种电荷，两个磁增强静电中和清洗喷嘴13都能够使堵塞物的电荷得到中和，从而更加容易将堵塞物冲洗掉，起到修锐砂轮的作用。

如图16，注气管40从内部气体通道向外部设有多条通道，拓展了气体的出口，加速液体与气体的混合。图17和图18为静电中和装置剖视图，展示了圆形橡胶圈46和圆形电极盘47的结构，圆形电极盘47包含有多条相对的电极。

图20至图22为电刷18结构图，电刷包括电刷底座63，电刷固定用通孔64，支撑体65，导电部66，Sn/Ag弹性接触片67，滑动部68，隆起部69，突出部70；其中隆起部68和突出部70组成了滑动部68。

图23a、23b为工件加电装置剖视图和俯视图，包括压铁71，开口销插槽72，导线连接环73，压紧弹簧74，工件加电装置绝缘壳体75，压紧永磁铁76。

如图24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。

图25为液路与气路系统简图，包括空气压缩机77，纳米流体储液罐78，储气罐79，液压泵80，过滤器81，压力表82，节流阀Ⅰ83，涡轮流量计Ⅰ84，涡轮流量计Ⅱ85，节流阀Ⅱ86，调压阀Ⅰ87，调压阀Ⅱ88，溢流阀89，纳米流体回收箱90。

本发明的具体工作过程如下：

在电卡砂轮22未磨削工件时，即切入过程时由电刷18对电卡砂轮22施加电场，由于电卡砂轮中含有电卡材料，施加电场使电卡材料的温度升高，进而使砂轮的温度升高，这时磁增强静电中和清洗喷嘴13开始工作，一方面纳米流体喷射到电卡砂轮22磨削表面降低电卡砂轮22的整体温度，另一方面由于磨削过程中磨粒磨削工件9会使磨粒带有静电荷，而磁增强静电中和清洗喷嘴13会在电晕区内产生大量的电子，游离的电子依附在小液滴上，对液滴进行荷电，带上了与堵塞物电极极性相反的电荷；由喷头喷射到砂轮表面上，高压纳米流体可以破坏堵塞物在砂轮上的机械粘附力，而带电的小液滴可以中和堵塞物的静电荷，使堵塞物从砂轮上清洗掉。当电卡砂轮22开始磨削工件9时，安装在工件下方的压力传感器2采集到磨削力的信号，并将其传入到磨削力控制系统35中进行处理，磨削力控制系统35根据处理结果控制电源信号转换装置30使磁增强静电中和清洗喷嘴13停止工作，而使静电雾化喷嘴28开始工作，同时撤掉电刷18的电压；静电雾化喷嘴28将纳米流体雾化同时对雾化液体荷电，使其在电场作用下均匀到达磨削区起到润滑和冷却的作用；另外，由于磨削过程中撤掉电场，电卡砂轮22的温度降低，低于环境温度，其热容量大大提高，根据热传递原理，磨削工件9时产生的磨削热首先传递到电卡砂轮22中，这样就使传入到工件9中的磨削热大大降低，有效的避免了工件9的烧伤。同时，纳米流体喷射到磨削区会发生二次雾化以及磨削高温等因素使周围环境中悬浮有大量的油雾，因此使用油雾沉积装置对油雾进行荷电，安装在油雾沉积罩20的油雾荷电电极39的周围会形成电晕区，对扩散到油雾沉积罩20周围的油雾进行荷电，荷电后的油雾小液滴在静电场的作用下定向沉积，使扩散到空气中的油雾量大大降低。在电卡砂轮22切出工件9后，压力传感器2检测到切出信号，传入磨削力控制系统35中，磨削力控制系统35进而控制电源信号转换装置30使静电雾化喷嘴28停止工作，而使磁增强静电中和清洗喷嘴13开始工作，并对电卡砂轮22施加电场，此时电卡砂轮22由于吸收了在磨削区产生的磨削热，其自身温度高于切入过程时的温度，磁增强静电中和清洗喷嘴13对电卡砂轮22进行降温使其降低到环境温度，并对其进行清洗修锐，之后开始下一个磨削过程。

实施例二

本实施例与实施例一的区别是：油雾荷电电极的结构不同。

图12为油雾荷电电极39的实施例，整体为圆形，内均布有多条电极。

实施例三

本实施例与实施例一的区别是：油雾荷电电极的结构不同。

图13为油雾荷电电极39的实施例，整体为椭圆形，内均布有多条电极。

实施例四

本实施例与实施例一的区别是：油雾荷电电极的结构不同。

图14为油雾荷电电极39的实施例，整体为长方形，内有一条呈波浪型的电极。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.电卡内冷却砂轮与静电技术耦合的纳米流体微量润滑磨削设备，其特征在于，包括工作台，工作台的上方设有用于固定工件的夹具，在夹具的底部设有检测磨削力的压力传感器，在工作台上设有用于固定电卡砂轮的电卡砂轮座，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料与电卡砂轮结合剂结合制成，电卡砂轮与能产生电场的装置连接，在电卡砂轮的圆周设有至少一处将纳米流体雾化的用于润滑和冷却工件磨削区的静电雾化喷嘴，电卡砂轮圆周的一侧设有带有电荷的喷射纳米流体的磁增强静电中和清洗喷嘴，以冷却电卡砂轮；压力传感器、磁增强静电中和清洗喷嘴、静电雾化喷嘴和电刷分别单独与磨削力控制系统连接。

2.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述能产生电场的装置为设于电卡砂轮两侧表面各覆有至少一圈导电片，一侧的导电片与向电卡砂轮施加外电场的电刷的正极连接，另一侧的导电片与电刷的负极连接，以提高电卡砂轮的冷却能力。

3.如权利要求1或2所述的磨削设备，其特征在于，电卡砂轮由能产生电卡效应的材料被磨成纳米或微米级粉末与电卡砂轮结合剂结合制成。

4.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，在电卡砂轮的侧面设有用于收集油雾的油雾沉积罩，所述电刷的工作端部设有隆起部。

5.如权利要求4所述的磨削设备，其特征在于，所述工作台为磁性工作台，所述油雾沉积罩的一侧通过连杆与固定在磁性工作台的磁性固定杆连接，连杆为可水平转动和竖直移动的多连杆结构，另一侧设有与磁性工作台连通的开口，开口的上方由油雾入口逐渐倾斜向下设置。

6.如权利要求5所述的磨削设备，其特征在于，所述开口的上部为沉积电极板，下部为油雾荷电电极，油雾荷电电极与高压导线连接，油雾荷电电极为长方形、圆形或椭圆形。

7.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述夹具内设有凹槽，凹槽内设有用于在一个方向固定工件的定位块，定位块通过定位螺栓固定于凹槽内，在夹具相对于定位块的另一侧表面固定有用于从工件上方下压工件的压板，另一个方向设有穿过凹槽的用于夹紧工件的定位螺栓。

8.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，所述磁增强静电中和清洗喷嘴包括内用于注入气体的气体管，气体管设于液体管内，液体管的一侧开有进液口，液体管的出口内径逐渐变小对气液混合加速，在出口处设有喷嘴，喷嘴出口侧设有喷头体，喷头体内部设有与喷嘴连通的电极盘，电极盘与高压导线连接，喷头体的端部固定有磁场形成装置。

9.如权利要求1所述的磨削设备，其特征在于，在所述工作台的一侧设有向电源发生装置加电的工件加电装置，包括绝缘壳体，在壳体内设有压紧永磁体，在壳体的中部设有通过弹簧支撑的压铁，压铁中部的端部穿过壳体且在此端部设置导线连接环，导线连接环与电源发生装置连接。

10.如权利要求1-9中任一项所述的磨削设备的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)通过夹具夹紧工件，根据工件的不同设置油雾沉积罩的位置；

2)电卡砂轮未对工件进行磨削时，对电卡砂轮施加电场；

3)在步骤2)进行的同时，磁增强静电中和清洗喷嘴产生电子，中和磨粒的电荷并降低电卡砂轮的温度；

4)在步骤2)和步骤3)进行的同时，电卡砂轮对工件进行磨削，压力传感器将采集的磨削力信号传递至磨削力控制系统，当磨削力增大到设定值时，磨削力控制系统控制磁增强静电中和清洗喷嘴停止工作并撤掉电刷的电压；

5)静电雾化喷嘴开始工作，并将磨削热传递至电卡砂轮；

6)在步骤5)进行的同时，油雾沉积装置对油雾进行荷电实现油雾小液滴的沉积；

7)在电卡砂轮切出工件后，磨削力控制系统控制静电雾化喷嘴停止工作，并控制磁增强静电中和清洗喷嘴开始工作，并对电刷通电，对电卡砂轮进行降温和清洗修锐。