CN109623675A - 一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，由柄体和若干个能组合固定在柄体上的砂轮节块组成，砂轮节块下端的外表面设置有带有磨粒的工作层，砂轮节块上部设置有换热翅片，砂轮节块内设置有闭合的单回路脉动热管流道，单回路脉动热管流道上设置有抽真空注液孔，一堵头封堵在抽真空注液孔上，堵头能从抽真空注液孔上移开，使单回路脉动热管流道通过抽真空注液孔与抽真空装置或注液装置连接，抽真空装置能对单回路脉动热管流道抽真空，注液装置能向单回路脉动热管流道内注入预设工质。本发明具有能够高效强化疏导磨削弧去产生的磨削热，降低磨削温度，提高磨削质量的优点。

Description

一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于砂轮制作的技术领域，具体涉及一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮及其制备方法。

背景技术

磨削加工，特别是高效磨削过程中，会产生大量热量，因为只有少量冷却液会进入磨削区域，因此很少一部分磨削热量会被冷却液和磨屑带出，而大部分热量仍积聚在磨削弧区中，造成磨削弧区的温度升高，导致加工工件表面的烧伤、氧化、产生残余应力和微裂纹等热损伤以及砂轮的堵塞和磨粒钝化。传统的改善冷却方法是将提高冷却液的压力和流量，一方面，因为砂轮与材料的紧密接触，冷却液很难真正进入磨削区进行强化换热，另一方面由于冷却液的成膜沸腾，冷却液的冷却效果较差。而且冷却液的大量使用能耗高，污染环境，且对人体有一定毒害作用，不符合现在低能耗，绿色加工概念。因此如何绿色、有效的强化弧区散热成为磨削加工中亟待解决的问题。

脉动热管一种新型热管，可由毛细管呈蛇形弯折而成，结构简单且无需吸液芯。脉动热管与传统热管一样，在传热的过程中，分为三个部分，热量输入的蒸发段，绝热段，热量输出的冷凝段。而结构是由单通道折弯成蛇形多弯头循环通道。又由于脉动热管使用毛细管作为通道，工质在通道中会构成了气泡-液塞随机分布的弹状流。当蒸发段输入热量时，局部工质蒸发形成冷热端的温度差和压力差，从而驱动气泡和液塞微观局部振荡和宏观单向循环流动。脉动热管具有体积小、结构简单、成本低；传热性能好；适应性好等优点。具有强化疏导磨削区热量的巨大潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，本发明提供一种利用了脉动热管的组合式轴向旋转砂轮及其制备方法，利用该组合式轴向旋转脉动热管砂轮将磨削弧区中的磨削热有效迅速地疏导出，强化磨削弧区换热，降低磨削温度，提高磨削质量，减缓砂轮磨损，实现绿色高效磨削。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其中：由柄体和若干个能组合固定在柄体上的砂轮节块组成，柄体能轴向旋转，砂轮节块能在柄体的带动下，绕着柄体的轴心转动，砂轮节块下端的外表面设置有带有磨粒的工作层，砂轮节块上部设置有换热翅片，砂轮节块内部，靠近外壁面处设置有闭合的单回路脉动热管流道，单回路脉动热管流道上设置有抽真空注液孔，一堵头封堵在抽真空注液孔上，堵头能从抽真空注液孔上旋开一定螺距，使单回路脉动热管流道通过抽真空注液孔与抽真空装置或注液装置连接，抽真空装置能对单回路脉动热管流道抽真空，注液装置能向单回路脉动热管流道内注入预设工质，工作层的热量能传递至单回路脉动热管流道下部，加热单回路脉动热管流道内下部的工质，单回路脉动热管流道内下部的工质能和单回路脉动热管流道内上部的工质换热，单回路脉动热管流道内上部工质的热量能传递至换热翅片。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的砂轮节块在抽真空注液孔处设置有堵头槽，堵头槽中心设置螺纹孔，密封圈放置于堵头槽中，堵头旋入所述螺纹孔内，恰好压在密封圈上，封堵上抽真空注液孔。

上述的单回路脉动热管流道包括两个轴向直通道，轴向直通道上端开口于砂轮节块上端，下端开口于砂轮节块下端，砂轮节块上端和下端均在轴向直通道之间挖有连通两个轴向直通道的节块内连通槽，砂轮节块上端面固定有上压板，下端面固定有下压板，上压板和下压板分别密封盖合在对应的节块内连通槽上，使得两个轴向直通道和两个节块内连通槽组成了密闭的单回路脉动热管流道。

上述的砂轮节块、上压板和下压板上均设置有固定孔，紧固螺钉穿过固定孔，旋入位于柄体上的定位孔上，将砂轮节块与柄体固定连接。

上述的轴向直通道为毛细管，抽真空注液孔的直径为1mm至1.2mm。

上述的上压板和下压板采用激光焊的方式贴合固定在砂轮节块的端部。

上述的工作层上的磨粒为一层或若干层金刚石或立方氮化硼，磨粒通过钎焊或电镀固定在砂轮节块下端。

上述的砂轮节块等弧度地布设在柄体上。

一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮的装配方法，包括以下步骤：

步骤S1：预先制作柄体、砂轮节块、上压板、下压板和堵头；

步骤S2：在砂轮节块上部加工出换热翅片；在砂轮节块内部加工出两个轴向直通道，在砂轮节块上下端面加工出连通轴向直通道的节块内连通槽；轴向直通道和节块内连通槽形成闭合的单回路脉动热管流道；

步骤S3：将上压板和下压板固定在节块上下端面上，单回路脉动热管流道封闭在砂轮节块内部；

步骤S4：在砂轮节块内侧面加工出抽真空注液孔、堵头槽和螺纹孔，抽真空注液孔连通其中一个轴向直通道，在堵头槽内放置密封圈；堵头旋入螺纹孔内，堵头恰好压在密封圈上；

步骤S5：在砂轮节块下部钎焊或者电镀一层或者若干层磨粒，构成可用于磨削的工作层；

步骤S6：将堵头旋出预设数量的螺距，使单回路脉动热管流道通过抽真空注液孔与外界连通；利用抽真空装置通过堵头从单回路脉动热管流道内抽真空，当单回路脉动热管流道内真空度低于预设值时，停止抽气；利用注液装置通过堵头向单回路脉动热管流道内注入工质，注入后将堵头旋入，以使单回路脉动热管流道与外界隔绝；

步骤S7：将预设数量的注液后的节块装配固定在柄体上，构成组合式轴向旋转脉动热管砂轮。

工质为低黏度、低潜热、低表面张力和高比热的液体（如：蒸馏水）。

本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮主要由柄体，砂轮节块，抽真空注液部分组成。抽真空注液部分位于节块上，预设数量节块通过紧固螺钉连接在柄体上，形成完整的砂轮。

本发明具有以下优点：

（1）本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮能够强化磨削弧区换热。将脉动热管结合在砂轮节块中，具有在有热输入时脉动热管自激启动，通过工质的气液相变产生的气泡-液塞的微观振荡和在蒸发段-冷凝段之间的宏观循环运动，冷凝加以冷风喷射强化对流换热，直接快速高效持续地将磨削过程中磨削弧区产生的热量由冷凝段疏导出去，有效地控制磨削弧区温度，避免磨削烧伤，提高加工质量，降低生产成本，提高砂轮寿命；

（2）本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮，结构简易，制作简单，成本低。振荡热管运行靠自身温差不需要额外设备。并且节块是通过螺钉紧固在柄体上，失效后仅更换新的节块即可，除节块外其余均可重复利用，节约资源，降低成本；

（3）本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮可根据磨削不同的材料预设不同的工质和充液率，达到所需的均热能力，因此适用范围广，可用于各种如钢等常见金属，钛合金，高温合金等难加工金属材料以及复合材料的磨削加工；

（4）利用脉动热管优异的均热性能，有效疏导磨削弧区热量，控制磨削弧区温度，能够实现不用冷却液的干磨削，符合绿色加工要求。

附图说明

图1 是本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮的一个实施例的制作流程图；

图2 是本发明的组合式轴向旋转脉动热管砂轮的结构示意图；

图3 是本发明的砂轮节块未安装上压板和下压板时的俯视图；

图4 是本发明的砂轮节块上的抽真空注液孔的示意图；

图5 是本发明的砂轮节块内部结构示意图；

图6 是发明的砂轮节块示意图。

其中的标记为：柄体1、砂轮节块2、工作层3、换热翅片4、堵头5、下压板6、上压板7、紧固螺钉8、抽真空注液孔9、单回路脉动热管流道10、轴向直通道11、节块内连通槽12、螺纹孔13。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图2至图6。本发明提供的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，包括柄体1，砂轮节块2，堵头5，抽真空注液孔9，以及其他相关配件和结构。

在砂轮节块2外侧加工出用于冷凝段强化换热的换热翅片4。

在砂轮节块2内部开有沿砂轮节块方向的轴向直通道11，即为构成单回路脉动热管流道10的纵向流道。该圆通孔的管径为3mm属于毛细管，使得工质在脉动热管中主要受毛细力和表面张力作用，形成脉动热管工作的基础。直通孔的数目为2，以构成单弯头的闭合回路脉动热管，使得脉动热管能够在水平方向即无重力作用条件下正常启动和有效工作。在砂轮节块2的上下端面上开有与轴向直通道11相对应的节块内连通槽12。从而，轴向直通道11与节块内连通槽12构成闭合的单回路脉动热管流道10，如图3所示。

在砂轮节块2的内侧面，一条轴向直通道11上方加工与堵头配合的螺纹孔13，并在螺纹孔中心加工放置密封圈的堵头槽和抽真空注液孔9。该抽真空注液孔9直径为1mm，如图4所示。

将上压板7和下压板6与砂轮节块2上下端面用激光焊接紧密结合，如图5所示。从而使单回路脉动热管流道10形成一个仅通过抽真空注液孔9与外界连通的闭合管道。

在砂轮节块2下部使用钎焊或者电镀附一层或者若干层磨粒(如金刚石，立方氮化硼)，从而形成工作层3，如图6所示。

将堵头5旋出预设数量的螺距(例如旋出2-3个螺距)，密封圈放松。再通过上面的螺纹孔13与真空分子泵相连，即可对振荡热管内的流道抽真空，当单回路脉动热管流道10内的真空度低于预设值(例如1.0×10^-2Pa)时，停止抽真空。利用注液装置(未示出)，向单回路脉动热管流道10内注入一定量(例如：充液率50%下8mL)的预设的工质(例如：蒸馏水)。注液完成后，将堵头5向内旋入，以使得单回路脉动热管流道10与外界隔绝。抽真空注液后的砂轮节块2即为可进行磨削加工。

将预设数量的节块(例如6个)通过紧固螺钉8紧固在柄体相应的槽内。构成完整的组合式轴向旋转脉动热管砂轮。

本发明利用组合式轴向旋转脉动热管砂轮能够实现强化磨削区域换热，其方法如下：当利用组合式轴向旋转脉动热管砂轮进行磨削时，砂轮工作层上的磨粒与加工材料表面相接触，因为被加工材料的弹塑性变形和磨粒与被加工材料之间的摩擦，磨削弧区中产生大量的热，这些切削热通过砂轮节块2的工作层3传向单回路脉动热管流道10的热端。单回路脉动热管流道10内的工质受热蒸发，生成气泡和液塞相间的弹状流、环状流等两相流动，将热量从蒸发段输送到冷凝段，通过喷射冷风到冷凝段将热量带出单回路脉动热管流道10。脉动热管就像一个“热泵”，源源不断地将磨削热通过砂轮工作层，脉动热管的蒸发段和冷凝段从磨削弧区输送出，达到均热效果，控制磨削温度。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明中组合式轴向脉动振荡热管砂轮，结构简易，制作简单，成本低。振荡热管运行靠自身温差不需要额外设备。并且节块是通过螺钉紧固在柄体上，失效后仅更换新的砂轮节块2即可，除砂轮节块2外其余均可重复利用，节约资源，降低成本；

(2)组合式轴向脉动振荡热管砂轮可根据磨削不同的材料预设不同的工质和充液率，达到所需的均热能力，因此适用范围广，可用于各种如钢等常见金属，钛合金，高温合金等难加工金属材料以及复合材料的磨削加工；

(3)利用脉动热管优异的均热性能，有效疏导磨削弧区热量，控制磨削弧区温度，能够实现不用冷却液的干磨削，符合绿色加工要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：由柄体(1)和若干个能组合固定在柄体(1)上的砂轮节块(2)组成，所述的柄体(1)能轴向旋转，所述的砂轮节块(2)能在柄体(1)的带动下，绕着柄体(1)的轴心转动，所述的砂轮节块(2)下端的外表面设置有带有磨粒的工作层(3)，所述的砂轮节块(2)上部设置有换热翅片(4)，所述的砂轮节块(2)内部，靠近外壁面处设置有闭合的单回路脉动热管流道(10)，所述的单回路脉动热管流道(10)上设置有抽真空注液孔(9)，所述的一堵头(5)封堵在抽真空注液孔(9)上，所述的堵头(5)能从抽真空注液孔(9)上旋开一定螺距，使单回路脉动热管流道(10)通过抽真空注液孔(9)与抽真空装置或注液装置连接，所述的抽真空装置能对单回路脉动热管流道(10)抽真空，注液装置能向单回路脉动热管流道(10)内注入预设工质，所述的工作层(3)的热量能传递至单回路脉动热管流道(10)下部，加热单回路脉动热管流道(10)内下部的工质，所述的单回路脉动热管流道(10)内下部的工质能和单回路脉动热管流道(10)内上部的工质换热，单回路脉动热管流道(10)内上部工质的热量能传递至换热翅片(4)。

2.根据权利要求1所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的砂轮节块(2)在抽真空注液孔(9)处设置有堵头槽，所述的堵头槽中心设置螺纹孔(13)，密封圈放置于堵头槽中，堵头(5)旋入所述螺纹孔内，恰好压在密封圈上，封堵上抽真空注液孔(9)。

3.根据权利要求2所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的单回路脉动热管流道(10)包括两个轴向直通道(11)，所述的轴向直通道(11)上端开口于砂轮节块(2)上端，下端开口于砂轮节块(2)下端，所述的砂轮节块(2)上端和下端均在轴向直通道(11)之间挖有连通两个轴向直通道(11)的节块内连通槽(12)，所述的砂轮节块(2)上端面固定有上压板(7)，下端面固定有下压板(6)，所述的上压板(7)和下压板(6)分别密封盖合在对应的节块内连通槽(12)上，使得两个轴向直通道(11)和两个节块内连通槽(12)组成了密闭的单回路脉动热管流道(10)。

4.根据权利要求3所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的砂轮节块(2)、上压板(7)和下压板(6)上均设置有固定孔，紧固螺钉(8)穿过固定孔，旋入位于柄体(1)上的定位孔上，将砂轮节块(2)与柄体(1)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的轴向直通道(11)为毛细管，所述的抽真空注液孔(9)的直径为1mm至1.2mm。

6.根据权利要求5所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的上压板(7)和下压板(6)采用激光焊的方式贴合固定在砂轮节块(2)的端部。

7.根据权利要求6所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的工作层(3)上的磨粒为一层或若干层金刚石或立方氮化硼，所述的磨粒通过钎焊或电镀固定在砂轮节块(2)下端。

8.根据权利要求7所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮，其特征是：所述的砂轮节块(2)等弧度地布设在柄体(1)上。

9.如权利要求4所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮的装配方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤S1：预先制作柄体(1)、砂轮节块(2)、上压板(7)、下压板(6)和堵头(5)；

步骤S2：在砂轮节块(2)上部加工出换热翅片(4)；在砂轮节块(2)内部加工出两个轴向直通道(11)，在砂轮节块(2)上下端面加工出连通轴向直通道(11)的节块内连通槽(12)；轴向直通道(11)和节块内连通槽(12)形成闭合的单回路脉动热管流道(10)；

步骤S3：将上压板(7)和下压板(6)固定在节块上下端面上，单回路脉动热管流道(10)封闭在砂轮节块(2)内部；

步骤S4：在砂轮节块(2)内侧面加工出抽真空注液孔(9)、堵头槽和螺纹孔(13)，抽真空注液孔(9)连通其中一个轴向直通道(11)，在堵头槽内放置密封圈；堵头(5)旋入螺纹孔(13)内，堵头(5)恰好压在密封圈上；

步骤S5：在砂轮节块(2)下部钎焊或者电镀一层或者若干层磨粒，构成可用于磨削的工作层(3)；

步骤S6：将堵头(5)旋出预设数量的螺距，使单回路脉动热管流道(10)通过抽真空注液孔(9)与外界连通；利用抽真空装置通过堵头(5)从单回路脉动热管流道(10)内抽真空，当单回路脉动热管流道(10)内真空度低于预设值时，停止抽气；利用注液装置通过堵头(5)向单回路脉动热管流道(10)内注入工质，注入后将堵头(5)旋入，以使单回路脉动热管流道(10)与外界隔绝；

步骤S7：将预设数量的注液后的节块装配固定在柄体(1)上，构成组合式轴向旋转脉动热管砂轮。

10.根据权利要求9所述的一种组合式轴向旋转脉动热管砂轮的装配方法，其特征是：所述的工质为低黏度、低潜热、低表面张力和高比热的液体。