CN115488770A - 一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，包括砂轮罩组件、可控磁场组件、可控喷嘴组件和控制监测组件，砂轮罩组件包括砂轮罩、砂轮，砂轮外侧设有挡风板；砂轮罩下侧安装磁性工作台，磁性工作台表面设有磁性夹具；可控磁场组件包括永磁铁和第一导轨机构，第一导轨机构安装于挡风板，永磁铁与第一导轨机构相连；永磁铁连接回收过滤装置；可控喷嘴组件与挡风板相连，并位于可控磁场组件对侧；可控喷嘴组件包括喷嘴，喷嘴连接直线运动机构；控制监测组件包括设于磁性工作台的视觉相机；视觉相机连接系统控制箱。本发明使得磁性纳米流体在磁场辅助强力磨削加工下发挥其最优的润滑冷却性能，并能够使磁性纳米粒子进一步循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及磨削加工装置领域，尤其涉及一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置。
背景技术
纳米流体微量润滑解决了绿色高性能磨削难题，且在浅磨和点磨削工艺应用已取得成效，但在高效深磨中还没有探索。这是由于在高速旋转砂轮气障层和大弧长接触区复杂界面条件下，纳米流体微量润滑剂仅靠砂轮拖曳作用无法浸润至整个磨削区。在浅磨和点磨削工况下磨削区接触弧长小于2mm且接近于水平直线，纳米流体微液滴能够在高压气体和砂轮携带下浸润渗透穿过磨削区，从而实现有效的冷却润滑。而高效深磨加工过程磨削区接触圆弧最高可达80mm，磨削区微通道的面积和复杂度相比普通磨削将发生本质性变化，在磨削磁力工作台磁场的作用下纳米粒子的沉积成膜范围不能覆盖整个磨削接触区，纳米流体微量润滑剂的浸润动力学是其在高效深磨中应用亟待解决的技术瓶颈。
申请号201820204388.0公开了一种磁场辅助平面磨削设备，该电磁铁装置装设在工作台之上，电磁铁装置随工作台一起做往复进给运动，该夹具及夹接在夹具上的工件相对固定地位于两极头的中间位置，以使工件始终处于磁场区域内。其采用的磁场辅助加工原理仅仅是磁场作用于工件表面提升其加工性能，没有将磁性纳米流体应用于加工系统中，也没有将磁场辅助在改善工件性能的同时又能将磁性纳米流体的优异的冷却性能和润滑性能利用于系统，无法使深磨加工的效益进一步提升，纳米粒子也无法回收和循环利用，不能满足节能环保最大限度的要求。
申请号202010148381.3公开了一种纳米流体磁性磨削液及磁场辅助微量润滑系统，纳米流体磁性磨削液中具有磁性的四氧化三铁纳米颗粒会吸附在石墨烯表面形成磁性润滑混合颗粒，纳米流体磁性磨削液在微量润滑装置作用下形成喷雾，在磁场辅助装置作用下喷雾中的磁性润滑混合颗粒均匀铺展在工件的加工区域，进行润滑冷却，该磁性润滑混合颗粒通过回收容器收集，可重新利用。但是，其磁场辅助系统并不可控，而且不能根据加工数据调整磁场和喷嘴的最佳的位置和角度。
可见，目前虽然存在磁场辅助磨削加工、磁性纳米流体微量润滑和回收过滤装置，但存在以下问题：1)没有针对大切削弧长磨削工艺(如高效强力磨削、高效深磨)进行适应性设计；2)没有采用纳米流体微量润滑的磁场辅助进行设计；3)磁场与磨削区距离等参数不能够根据磨削工艺参数调控；4)微量润滑喷射角度和靶距没有根据磨削工艺参数调控，没有使磁性纳米流体发挥其最优的润滑冷却性能；5)不具备磨削性能监控系统。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，能够调整喷嘴和永磁铁的位置，以得到最优的磁场作用区域大小和扇形喷射角度，使得磁性纳米流体在磁场辅助强力磨削加工下发挥其最优的润滑冷却性能，并通过视觉相机检测监控；可以将加工完后的磁性纳米流体和杂质回收过滤，使磁性纳米粒子可以进一步循环利用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，包括：
砂轮罩组件，包括砂轮罩、安装于砂轮罩内的砂轮，砂轮外侧设有挡风板；砂轮罩下侧安装磁性工作台，磁性工作台表面设有磁性夹具；
可控磁场组件，包括永磁铁和第一导轨机构，第一导轨机构安装于挡风板一侧表面，永磁铁与第一导轨机构相连，以沿砂轮环向移动；永磁铁连接回收过滤装置；
可控喷嘴组件，与挡风板相连，并位于可控磁场组件对侧；可控喷嘴组件包括喷嘴，喷嘴连接直线运动机构；
控制监测组件，包括设于磁性工作台的视觉相机，用于获取工件加工表面温度和磨损情况图像；视觉相机连接系统控制箱。
作为进一步的实现方式，所述砂轮通过主轴夹具安装于砂轮罩内；
所述挡风板一侧设有安装第一导轨机构的凹槽，所述凹槽呈圆弧形。
作为进一步的实现方式，所述第一导轨机构包括弧形的齿条导轨，齿条导轨与挡风板固定；所述齿条导轨与齿轮啮合，齿轮连接伺服电机；
所述齿轮安装于滑板，滑板通过支柱连接夹板，永磁铁安装于夹板内。
作为进一步的实现方式，所述齿条导轨两侧分别与若干滚轮相接触，滚轮安装于滑板。
作为进一步的实现方式，所述回收过滤装置包括蠕动泵和过滤组件，蠕动泵安装于砂轮罩顶部；所述蠕动泵的出口端连接第二管道，入口端通过第四管道连接蠕动泵电机一端，蠕动泵电机另一端连接第三管道，第三管道穿过永磁铁内部的孔洞。
作为进一步的实现方式，所述喷嘴通过第一柱台与挡风板连接，喷嘴包括依次设置的伸缩前端、喷嘴中端和喷嘴后端，伸缩前端连接直线运动机构。
作为进一步的实现方式，所述喷嘴中端包括万向竹节管、与万向竹节管相连的活塞套筒；
所述伸缩前端与活塞套筒配合，并能够沿活塞套筒内部进行伸缩运动。
作为进一步的实现方式，所述直线运动机构采用第二导轨机构，第二导轨机构连接伺服电机；
所述第二导轨机构包括导轨组件、安装于导轨组件的齿条，齿条与齿轮啮合。
作为进一步的实现方式，所述喷嘴通过第一柱台与活动板转动连接，所述直线运动机构采用液压驱动机构。
作为进一步的实现方式，所述液压驱动机构包括液压缸、电磁换向阀和输油管，液压缸通过输油管连接电磁换向阀。
作为进一步的实现方式，所述喷嘴连接高压气体输送管，磁性纳米流体输送管道一端连接微量润滑油泵箱，另一端进入高压气体输送管内部并与伸缩前端固定。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的可控喷嘴组件采用可控的伸缩结构，可以根据加工时的需要随时调整喷嘴的伸缩和喷射范围，使喷嘴喷射出的磁性纳米流体可以更好的作用于深磨时产生高度差的工件表面，使工件表面更易于形成油膜，起到润滑与散热的作用。
(2)本发明的挡风板结构，解决了加工时砂轮高速旋转产生的气障层问题，由于气障层的存在，磨削液往往难以进入磨削区，会造成供液方式冷却能力不足从而导致磨削烧伤和工件表面完整性恶化，挡板结构的设计一方面利于磨削液喷射进磨削区域，另一方面利于带有磁性纳米粒子的磨削液更好的被永磁铁所牵引，提高作用于磨削区的精确度及加工效率。
(3)本发明的可控磁场组件，利用磁场对磁性纳米粒子的牵引作用，将喷射的磁性纳米流体牵引到工作表面，一方面大大减少了喷雾对细小颗粒的飘散对环境与人身的危害，另一方面它可以时刻调整角度和位置，使形成的磁场更好地吸引磁性纳米流体作用于因深磨造成的工件表面高度差，使工件表面更易于形成油膜，起到润滑与散热的作用。
(4)本发明的回收过滤装置，解决了磁场辅助磨削加工时，磁性纳米粒子和产生的铁屑可能堆积于永磁铁端面的问题，蠕动泵通过产生的负压差从而不断吸收磁性纳米粒子和铁屑，再经过过滤器将磁性纳米粒子和铁屑分离开来，利于磁性纳米粒子的循环利用，具有绿色环保、资源节约的重要意义。
(5)本发明的控制监测组件，可以根据磨削加工的需要，控制调整永磁铁和喷嘴的最佳位置，利于磁性纳米流体在磁场辅助下对不同工件下的强加工深磨，更好地发挥其优异的润滑冷却性能，视觉相机在加工的同时会捕捉含有荧光剂的磁性纳米流体，并监测其对工件表面温度和磨损的影响，然后将采集到的图像在显示屏上显示出来具有直观方便的作用。
(6)本发明使用的磁性纳米流体微量润滑技术，磁性纳米粒子作用在磁性工作台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。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例一的总装轴测图；
图2为实施例一的主视图；
图3为实施例一和实施例二的砂轮罩内部系统爆炸示意图；
图4(a)为实施例一和实施例二的挡风板正视图；
图4(b)为实施例一和实施例二的第二柱台卡槽正视剖视图；
图4(c)为实施例一和实施例二的第一柱台卡槽正视剖视图；
图5为实施例一和实施例二的第一导轨机构后视图；
图6为实施例一和实施例二的第一导轨机构侧视剖视图；
图7为实施例一和实施例二的第一导轨机构爆炸示意图；
图8为实施例一和实施例二的夹板与滑板连接侧视剖视图；
图9为实施例一和实施例二的夹板与滑板连接正视图；
图10为实施例一的第二导轨机构轴测图；
图11为实施例一的直线导轨与螺纹套连接剖视图；
图12为实施例一的第二导轨机构侧视剖视图；
图13为实施例一的第二导轨机构正视剖视图；
图14为实施例一的第二导轨机构爆炸示意图；
图15(a)为实施例一和实施例二的永磁铁轴测图；
图15(b)为实施例一和实施例二的永磁铁侧面剖视图；
图16(a)为实施例一和实施例二的喷嘴侧面剖视图；
图16(b)为实施例一和实施例二的喷嘴中端与喷嘴后端连接剖视图；
图16(c)为实施例一和实施例二的高压气体输送管和喷嘴中端之间连接剖视图；
图16(d)为实施例一和实施例二的伸缩前端与嵌套环连接剖视图；
图17为实施例一和实施例二的喷嘴伸缩运动和油水气三相流运动示意图；
图18为实施例二的总装轴测图；
图19为实施例二的可控伸缩喷嘴系统轴测图；
图20为实施例二的可控伸缩喷嘴系统爆炸示意图；
图21为实施例二的可控伸缩喷嘴系统的液压系统控制图；
图22为实施例一的控制系统原理流程图；
图23为实施例一和实施例二的磁性纳米流体单个液滴受力原理图；
其中，Ⅰ可控磁场组件、Ⅱ可控喷嘴组件、Ⅲ回收过滤装置、Ⅳ控制监测组件、Ⅴ砂轮罩组件；
Ⅰ-1永磁铁、Ⅰ-1-1端面、Ⅰ-1-2削去部、Ⅰ-1-3孔洞、Ⅰ-2第一导轨机构、Ⅰ-2-1齿条导轨、Ⅰ-2-2第一齿轮、Ⅰ-2-3伺服电机、Ⅰ-2-4滑板、Ⅰ-2-5夹板、Ⅰ-2-6滚轮、Ⅰ-2-7支柱；
Ⅱ-1喷嘴、Ⅱ-1-1喷嘴后端、Ⅱ-1-2喷嘴中端、Ⅱ-1-2-1活塞套筒、Ⅱ-1-2-2万向竹节管、Ⅱ-1-3伸缩前端、Ⅱ-1-4嵌套环、Ⅱ-1-5螺纹套、Ⅱ-1-6卡箍、Ⅱ-2第二导轨机构、Ⅱ-2-1直线导轨、Ⅱ-2-2齿条、Ⅱ-2-3第二齿轮、Ⅱ-2-4滑块、Ⅱ-2-5伺服电机、Ⅱ-3活动板、Ⅱ-3-1套筒、Ⅱ-3-2固定板、Ⅱ-3-3长轴、Ⅱ-4磁性纳米流体输送管、Ⅱ-5高压气体输送管、Ⅱ-6微量润滑油泵箱、Ⅱ-7液压驱动机构、Ⅱ-7-1液压缸、Ⅱ-7-2电磁换向阀、Ⅱ-7-3输油管；
Ⅲ-1蠕动泵、Ⅲ-1-1蠕动泵电机、Ⅲ-1-2第三管道、Ⅲ-1-3第四管道、Ⅲ-2过滤组件、Ⅲ-2-1进口端、Ⅲ-2-2出口端、Ⅲ-2-3第二管道、；Ⅳ-1视觉相机、Ⅳ-2系统控制箱、Ⅳ-2-1显示屏、Ⅳ-2-2控制中心、Ⅳ-2-3无线传输装置；Ⅴ-1挡风板、Ⅴ-1-1凹槽、Ⅴ-1-2第一柱台、Ⅴ-1-3第二柱台、Ⅴ-1-4第一柱台卡槽、Ⅴ-1-5第二柱台卡槽、Ⅴ-2砂轮、Ⅴ-3砂轮罩、Ⅴ-3-1主轴夹具、Ⅴ-3-2磁性开关、Ⅴ-3-3第一管道、Ⅴ-4工件、Ⅴ-5磁性工作台、Ⅴ-6磁性夹具；
1油箱、2过滤器、3液压马达、4溢流阀、5压力表、6二位二通电磁换向阀、7可调节流阀、8二位三通电磁换向阀、9可调单向节流阀、10液压缸活塞。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，如图1和图2所示，包括可控磁场组件Ⅰ、可控喷嘴组件Ⅱ、回收过滤装置Ⅲ、控制监测组件Ⅳ和砂轮罩组件Ⅴ；可控磁场组件Ⅰ能够通过加工的需要调整改变磁场的位置，可控喷嘴组件Ⅱ能够通过加工的需要调整喷嘴伸缩的长度；回收过滤装置Ⅲ能够将加工完后的磁性纳米粒子与杂质铁屑分离并进一步过滤循环利用。
如图3所示，砂轮罩组件Ⅴ包括挡风板Ⅴ-1、砂轮Ⅴ-2、砂轮罩Ⅴ-3、磁性工作台Ⅴ-5、磁性夹具Ⅴ-6，磁性工作台Ⅴ-5设于砂轮罩Ⅴ-3下侧，工作台Ⅴ-5上安装用于夹持工件Ⅴ-4的磁性夹具Ⅴ-6。
砂轮罩Ⅴ-3内安装有主轴夹具Ⅴ-3-1，砂轮Ⅴ-2安装于主轴夹具Ⅴ-3-1上，且砂轮Ⅴ-2周向外侧安装挡风板Ⅴ-1。挡风板Ⅴ-1包覆于砂轮Ⅴ-2外侧，呈圆弧形，并在下侧形成开口；挡风板Ⅴ-1一侧设有弧形的凹槽Ⅴ-1-1，通过凹槽Ⅴ-1-1安装可控磁场组件Ⅰ。如图3所示，砂轮罩Ⅴ-3为箱体结构，其上开有多个用于管道穿过的孔洞；砂轮罩Ⅴ-3一侧外壁有第一管道Ⅴ-3-3穿过。
如图4(a)和图4(c)所示，挡风板Ⅴ-1开口的一侧设有第一柱台卡槽Ⅴ-1-4，通过第一柱台卡槽Ⅴ-1-4安装第一柱台Ⅴ-1-2，第一柱台Ⅴ-1-2用于安装可控喷嘴组件Ⅱ。如图4(a)和图4(b)所示，挡风板Ⅴ-1与凹槽Ⅴ-1-1衔接处设置第二柱台卡槽Ⅴ-1-5，通过第二柱台卡槽Ⅴ-1-5安装第二柱台Ⅴ-1-3，第二柱台Ⅴ-1-3与砂轮罩Ⅴ-3顶部内壁相连。
可控磁场组件Ⅰ包括永磁铁Ⅰ-1和第一导轨机构Ⅰ-2，第一导轨机构Ⅰ-2安装于凹槽Ⅴ-1-1，永磁铁Ⅰ-1与第一导轨机构Ⅰ-2连接。具体的，如图5-图7所示，第一导轨机构Ⅰ-2包括齿条导轨Ⅰ-2-1、第一齿轮Ⅰ-2-2、滑板Ⅰ-2-4、伺服电机Ⅰ-2-3、滚轮Ⅰ-2-6等，齿条导轨Ⅰ-2-1为适应凹槽Ⅴ-1-1的圆弧形，齿条导轨Ⅰ-2-1通过螺栓连接于凹槽Ⅴ-1-1处，且齿条导轨Ⅰ-2-1朝向外侧凸起。
本实施例的齿条导轨Ⅰ-2-1的外侧设有齿，齿条导轨Ⅰ-2-1与第一齿轮Ⅰ-2-2啮合，第一齿轮Ⅰ-2-2安装于滑板Ⅰ-2-4，并位于滑板Ⅰ-2-4一侧，滑板Ⅰ-2-4另一侧安装伺服电机Ⅰ-2-3，伺服电机Ⅰ-2-3连接第一齿轮Ⅰ-2-2。在本实施例中，滑板Ⅰ-2-4为矩形板。
以滑板Ⅰ-2-4安装第一齿轮Ⅰ-2-2的一侧表面为背面，滑板Ⅰ-2-4背面还安装有两组滚轮Ⅰ-2-6，滚轮Ⅰ-2-6与滑板Ⅰ-2-4转动连接；每组滚轮Ⅰ-2-6沿齿条导轨Ⅰ-2-1延伸方向间隔设置多个。滚轮Ⅰ-2-6与齿条导轨Ⅰ-2-1侧壁接触，以起到导向作用；在伺服电机Ⅰ-2-3的驱动作用下，第一齿轮Ⅰ-2-2旋转，滑板Ⅰ-2-4在滚轮Ⅰ-2-6的作用下可沿圆弧齿条导轨Ⅰ-2-1做一定角度的圆弧运动。
在本实施例中，每组滚轮Ⅰ-2-6设置两个。
如图8和图9所示，滑板Ⅰ-2-4通过支柱Ⅰ-2-7连接夹板Ⅰ-2-5，支柱Ⅰ-2-7一端通过螺栓连接于滑板Ⅰ-2-4正面，支柱Ⅰ-2-7另一端连接夹板Ⅰ-2-5。支柱Ⅰ-2-7为折弯结构，在本实施例中，支柱Ⅰ-2-7包括依次连接的第一水平段、竖直段和第二水平段，其中，第二水平段的长度小于第一水平段长度，第二水平段安装夹板Ⅰ-2-5；夹板Ⅰ-2-5为U型结构。
永磁铁Ⅰ-1通过螺栓连接于夹板Ⅰ-2-5内，本实施例的永磁铁Ⅰ-1为具有一定弧度的柱形，与砂轮Ⅴ-2同轴心，永磁铁Ⅰ-1可以在滑板Ⅰ-2-4的带动下进行一定角度的圆弧运动，从而调整永磁铁Ⅰ-1的位置，便于对磁场辅助磨削强加工时顺逆磨所产生的工件两侧高度差进行即时的调整，利于磁性纳米流体更好的作用于工件表面。
如图15(a)和图15(b)所示，永磁铁Ⅰ-1内部开有孔洞Ⅰ-1-3，用于连接蠕动泵Ⅲ-1的第三管道Ⅲ-1-2，第三管道Ⅲ-1-2端面与永磁铁Ⅰ-1端面Ⅰ-1-1平齐，端面Ⅰ-1-1一侧设有倾斜的削去部Ⅰ-1-2，用于防止旋转调整角度时与工件相撞，永磁铁Ⅰ-1可以根据柱体公式算得其体积。永磁铁Ⅰ-1的参数可以根据实际要求选择。
当磁场辅助磨削加工时，永磁铁Ⅰ-1会不断吸引磁性物质，其中的磁性纳米粒子和加工产生的铁屑会随着加工时间的累积，不断堆积在永磁铁Ⅰ-1的端面Ⅰ-1-1，如果不及时清理会对加工造成一定的影响，因此需要设置回收过滤装置Ⅲ。
如图1和图2所示，回收过滤装置Ⅲ包括蠕动泵Ⅲ-1和过滤组件Ⅲ-2，蠕动泵Ⅲ-1安装于砂轮罩Ⅴ-3顶部，蠕动泵Ⅲ-1通过第四管道Ⅲ-1-3连接蠕动泵电机Ⅲ-1-1一端，蠕动泵电机Ⅲ-1-1另一端连接第三管道Ⅲ-1-2，第三管道Ⅲ-1-2从永磁铁Ⅰ-1的孔洞Ⅰ-1-3中穿过。
如图3所示，蠕动泵Ⅲ-1设有进口端Ⅲ-2-1和出口端Ⅲ-2-2，进口端Ⅲ-2-1连接第四管道Ⅲ-1-3，出口端Ⅲ-2-2连接第二管道Ⅲ-2-3。蠕动泵Ⅲ-1在蠕动泵电机Ⅲ-1-1的带动下，通过第三管道Ⅲ-1-2吸收滞留在永磁铁Ⅰ-1端面Ⅰ-1-1上的磁性纳米粒子和铁屑，输送至过滤组件Ⅲ-2中，由于磁性纳米粒子和铁屑直径的相差较大，可以将磁性纳米粒子与铁屑较好的分离开来，然后通过第二管道Ⅲ-2-3输送至箱体内部进行后期处理，便于磁性纳米粒子的循环利用。
如图10和图12所示，可控喷嘴组件Ⅱ包括喷嘴Ⅱ-1、第二导轨机构Ⅱ-2、活动板Ⅱ-3、磁性纳米流体输送管Ⅱ-4等，喷嘴Ⅱ-1和第二导轨机构Ⅱ-2安装于活动板Ⅱ-3，喷嘴Ⅱ-1通过螺纹与第一柱台Ⅴ-1-2内的螺纹槽连接。
如图14、图16(a)-图16(d)、图17所示，喷嘴Ⅱ-1包括依次设置的伸缩前端Ⅱ-1-3、喷嘴中端Ⅱ-1-2和喷嘴后端Ⅱ-1-1，伸缩前端Ⅱ-1-3外侧安装嵌套环Ⅱ-1-4，喷嘴中端Ⅱ-1-2包括活塞套筒Ⅱ-1-2-1和与活塞套筒Ⅱ-1-2-1连接的万向竹节管Ⅱ-1-2-2，伸缩前端Ⅱ-1-3与活塞套筒Ⅱ-1-2-1配合，能够沿活塞套筒Ⅱ-1-2-1内部伸缩。如图16(a)所示，活塞套筒Ⅱ-1-2-1端部设有限位凸起，以避免伸缩前端Ⅱ-1-3脱出。万向竹节管Ⅱ-1-2-2可以在加工前调整喷嘴的角度，活塞套筒Ⅱ-1-2-1用于伸缩前端Ⅱ-1-3在其内部进行伸缩运动。
如图11、图13和图14所示，第二导轨机构Ⅱ-2包括第二齿轮Ⅱ-2-3、齿条Ⅱ-2-2、直线导轨Ⅱ-2-1和滑块Ⅱ-2-4，直线导轨Ⅱ-2-1固定于活动板Ⅱ-3上表面，滑块Ⅱ-2-4与直线导轨Ⅱ-2-1配合，齿条Ⅱ-2-2固定于滑块Ⅱ-2-4顶部，并与直线导轨Ⅱ-2-1平行；直线导轨Ⅱ-2-1和滑块Ⅱ-2-4构成导轨组件。齿条Ⅱ-2-2与第二齿轮Ⅱ-2-3啮合，第二齿轮Ⅱ-2-3与伺服电机Ⅱ-2-5相连。
伸缩前端Ⅱ-1-3通过卡箍Ⅱ-1-6与齿条Ⅱ-2-2端部的螺纹套Ⅱ-1-5连接，通过伺服电机Ⅱ-2-5转动使第二齿轮Ⅱ-2-3旋转，带动齿条Ⅱ-2-2运动，进而改变喷嘴Ⅱ-1的伸缩以及喷射的范围，便于对磁场辅助磨削强加工时顺逆磨所产生的工件两侧高度差进行即时的调整，利于磁性纳米流体更好的作用于工件表面。
如图14所示，活塞套筒Ⅱ-1-2-1设有外螺纹，活动板Ⅱ-3上安装的套筒Ⅱ-3-1设有内螺纹，活塞套筒Ⅱ-1-2-1与套筒Ⅱ-3-1通过螺纹配合。伺服电机Ⅱ-2-5通过螺钉固定在活动板Ⅱ-3上，活动板Ⅱ-3背侧与第二柱台Ⅴ-1-3转动连接；活动板Ⅱ-3利于加工前调节伸缩喷嘴Ⅱ-1角度时，可以改变伺服电机Ⅱ-2-5的位置，使伺服电机Ⅱ-2-5对于喷嘴Ⅱ-1保持相对静止，保证喷嘴Ⅱ-1的正常伸缩。
如图2所示，磁性纳米流体输送管道Ⅱ-4一端与微量润滑油泵箱Ⅱ-6输油口连接，另一端从箱体后端进入高压气体输送管Ⅱ-5内部并与伸缩前端Ⅱ-1-3内部卡住固定，磁性纳米流体输送管道Ⅱ-4直径远小于高压气体输送管Ⅱ-5直径。
高压气体输送管Ⅱ-5一端通过第一管道Ⅴ-3-6内部与箱体连接便于后端高压气体输入，另一端先通过砂轮罩Ⅴ-3的孔洞再通过喷嘴后端Ⅱ-1-1进入喷嘴内部，并与万向竹节管Ⅱ-1-2-2螺纹连接。第一管道Ⅴ-3-6与砂轮罩Ⅴ-3焊接固定。
如图1和图2所示，控制监测系统Ⅳ包括视觉相机Ⅳ-1、系统控制箱Ⅳ-2，系统控制箱Ⅳ-2包括显示屏Ⅳ-2-1和控制中心Ⅳ-2-2，视觉相机Ⅳ-1底部在加工前被磁性工作台Ⅴ-5吸附，其作用是监控检测加工时磁性纳米流体对工件Ⅴ-4的润滑冷却性能。
视觉相机Ⅳ-1通过捕捉混有荧光剂的磁性纳米流体的加工时的运动情况，采集工件的加工表面温度和磨损情况图像，并通过无线传输装置Ⅳ-2-3将采集到的图像在显示屏上Ⅳ-2-1显示。
如图22所示，磨削加工时，输入加工参数(砂轮转速Vc或磨削深度ap、工作台往复速度Vs和主轴进给速度Vf)和工件Ⅴ-4的尺寸数据，控制中心Ⅳ-2-2通过数据库设定的参数值会将其与输入的数据进行比较，这些参数值是通过加工工件的形状、大小尺寸和顺逆磨的方式进行设定的，有最优的加工参数方案，并会分析得出最优的电机所需脉冲信号量，并通过电机扩展板传给各部件的电机驱动板，然后电机驱动板会将脉冲信号转化为各部件电机的旋转角度，从而控制永磁铁Ⅰ-1、喷嘴Ⅱ-1的位置变化和回收过滤装置Ⅲ的运行。
当对应的电机完成相应的角度转动，控制中心Ⅳ-2-2会通过串口通信反馈给显示屏Ⅳ-2-1，并显示位置的调节情况，当加工完成时，控制中心Ⅳ-2-2收到完成指令，对应电机旋转角度，使永磁铁Ⅰ-1和喷嘴Ⅱ-1位置复位，同时复位情况也会通过串口通信的方式反馈到显示屏Ⅳ-2-1上。
本实施例的工作过程为：
步骤一：磁性工作台Ⅴ-5吸附磁性夹具Ⅴ-6和视觉相机Ⅳ-1底部，磁性夹具Ⅴ-6固定工件Ⅴ-4，砂轮Ⅴ-2处于工件Ⅴ-4上方的加工位置，视觉相机Ⅳ-1视角正对工件磨削表面加工区域。
步骤二：关闭砂轮罩Ⅴ-3，并用磁性开关Ⅴ-3-2吸紧。
步骤三：磨削加工开始，控制系统控制可控伸缩喷嘴Ⅱ-1将磁性纳米流体和压缩空气形成的多相流喷雾喷射到工件和砂轮之间的磨削区。
步骤四：砂轮Ⅴ-2高速旋转产生气障层，挡风板Ⅴ-1用于分散掉砂轮Ⅴ-2高速旋转形成的气障层，使喷嘴Ⅱ-1喷出的多相流喷雾更好地喷射到磨削区，同时也利于永磁铁Ⅰ-1对磁性纳米流体的牵引。
步骤五：随着磨削加工的进行，视觉相机Ⅳ-1监测磁性纳米流体对工件Ⅴ-4的润滑冷却性能，因为磁场辅助磨削加工深磨的特点及顺逆磨的不同，工件Ⅴ-4表面左右两侧的水平高度也会有差异，控制系统控制调整永磁铁Ⅰ-1和喷嘴Ⅱ-1的角度位置，一方面时时调整角度利于永磁铁更好地牵引喷射出的磁性纳米流体，另一方面利于永磁铁与工件表面形成不断变化的磁场区域使磁性纳米流体更好的在具有高度差的工件表面形成油膜，发挥其优良的润滑冷却特性。
步骤六：随着磨削加工的进行以及时间累计，永磁铁Ⅰ-1会不断吸引磁性物质，其中的磁性纳米粒子和加工产生的铁屑会随着加工时间的累积，不断堆积在永磁铁的端面，蠕动泵Ⅲ-1在蠕动泵电机Ⅲ-1-1的带动下，通过回收管道吸收滞留在永磁铁Ⅰ-1端面上的磁性纳米粒子和铁屑，输送至回收过滤装置Ⅲ中，由于磁性纳米粒子和铁屑直径的相差较大，可以将磁性纳米粒子与铁屑较好的分离开来，然后通过回收过滤装置Ⅲ另一端的出口端管道输送至箱体内部进行后期处理，便于磁性纳米粒子的循环利用利于磁性纳米粒子的循环利用。
步骤七：加工完成后，控制系统断电，磁性工作台Ⅴ-5退磁。
进一步的，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，本实施例通过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，并在永磁铁Ⅰ-1和工作表面形成的叠加磁场区域的牵引作用下，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。
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Ⅱ-1，同时压缩气体流经气路进入喷嘴Ⅱ-1。磁性纳米流体与压缩空气在喷嘴Ⅱ-1内经混合加速后喷出。
本实施例将喷嘴Ⅱ-1角度α设置为15°-45°，喷嘴Ⅱ-1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％。所用磁性纳米流体选用Fe3O4磁性纳米粒子，其质量分数为0.5wt％，密度为3.67g/cm3，平均粒径为20nm，采用的润滑基油为大豆油(植物油)，并与石墨烯粉末、荧光剂、分散剂混合配置而成，配置的磨削液中具有磁性的Fe3O4纳米颗粒会吸附在石墨烯表面形成磁性润滑混合颗粒。
如图23所示，本实施例中永磁铁Ⅰ-1型号为N42，剩磁磁感应强度约为1.30T，最大磁能积约320KJ/m3，圆弧角度为20°，端面宽度为20mm，长度为30mm，其产生的磁场区域的磁场密度和对磁性纳米粒子的磁牵引力，具体如下：
根据“有效”偶极矩法，将一个磁性物体替换为一个矩为m的“等效”点偶极子，可以对作用在磁微观结构上的磁力进行建模，作用在偶极子上的力由Fm定义：
Fm＝μf(mpeff·▽)B
式中，μf为介质的磁导率，mpeff为物体的“有效”偶极矩，B为外部源在目标物体中心产生的磁场，等效点的偶极子位于该位置。偶极矩m与物体的体积和磁特性有关，可以描述为:
m＝MV
式中，M和V分别为磁化强度和偶极子的体积。施加在这种偶极子上的力改变了磁场源的特征。它还取决于源和目标对象之间的距离。考虑本实施例中的永磁体，则磨削区域的磁场密度可由下式定义:
式中，μ0为真空磁导率(4п×10-7T·m/A＝4п×10-5T·cm/A)，r为场源到物体的距离矢量。挡板分散掉气障层的情况下，永磁铁Ⅰ-1到喷嘴Ⅱ-1的水平距离范围约为10-15cm，工件到Ⅴ-4永磁铁Ⅰ-1的水平距离范围约为5-8cm。
永磁铁圆弧角度为20°，端面宽度为2cm，长度为3cm，因此体积根据公式
其中r1为大圆弧半径16cm，r2为小圆弧半径14cm，算得永磁铁体积为31.42cm3，因用于固定和回收所需开的孔体积约为3.04cm3，所以永磁铁剩余体积约为28.38cm3，磁化强度根据最大磁能积转换国际单位为10342.61A/cm,初步计算喷嘴处的B为2.96×10-3T，当磁场密度达到永磁铁剩磁强度时离永磁铁的距离约为1.71cm，根据上式可以看出当磁性纳米流体从喷嘴射出就受到磁场的牵引力作用，但牵引力一开始较小，是因为永磁铁磁感应强度和距离约为3次方反比的关系，所以当磁性纳米流体逐渐深入磁场区域，其受到的牵引力就会逐渐增大并达到最大值。
磁性纳米流体可以看作由无数个单个微液滴组成，而单个微液滴中又包含无数个磁性纳米粒子，故首先对磁性纳米粒子进行分析。
若主要考虑磁场作用，根据力的平衡方程，磁性纳米粒子的运动方程写成矢量形式为：
式中，
表示磁性纳米粒子受到的磁力，
表示磁性纳米粒子所受到的粘滞力，
表示磁性纳米粒子所受到的重力，
为惯性力，由于磁性纳米粒子体积较小，所受重力相比于磁力和粘滞力可以忽略不计。
磁性纳米粒子所受到的由外磁场梯度引起的磁力为：
其中，μ0为真空磁导率(4п×10-7T·m/A＝4п×10-5T·cm/A)，Vp为颗粒体积，
为颗粒磁化强度，
为磁场强度矢量。
由于磁性纳米颗粒可以看成球形，所以根据公式
其中Rp为磁性纳米粒子的半径(10nm＝1×10-6cm)，可以算出磁性纳米粒子的体积，约为4.2×10-18cm3。
因为在磁流体中，磁性纳米粒子会沿着磁感线方向移动，所以易实现
与
相平行，磁性体的磁化强度可以近似表现为
其中X为磁性纳米粒子和流体磁化系数之差，X＝Xp-Xf，通常与磁性纳米粒子的磁化系数Xp相比，流体的磁化系数Xf非常小，Xf往往忽略不计，故磁化系数的差可近似表示为X＝Xp，
如果用
和αp分别表示铁磁性颗粒物的磁化强度和退磁因子，则铁磁性颗粒物的
αp以及磁化系数Xp分别用下列式子计算
式中的Xp，0和Mp，s分别表示磁性纳米粒子的初始磁化率和饱和磁化强度，H是外加背景磁场在磁性纳米粒子处的大小，取得Xp，0＝100，Mp，s＝79.8emu/g，αp＝0.97，根据公式
μ＝μ0(1+X)，算得μ约为0.012T·cm/A，喷嘴处的H约为0.247A/cm，算得磁性纳米粒子的磁化强度约为0.72A/cm，
又由于磁流体内无传导电流，所以
而
再加上考率铁磁性颗粒的退磁效应，磁性纳米粒子所受到的磁力将简化为：
若只考虑水平方向的磁场强度，则喷嘴处单位磁性纳米粒子所受到的磁力约为2.32×10-19N，工件表面处单位磁性纳米粒子所受到的磁力约为1.09×10-18N。
在磁场的作用下，磁性纳米粒子受到磁场的牵引力，宏观表现为磁流体在磁场的作用下产生运动，相当于磁性纳米粒子会给磁流体一个体积力的作用，体积力主要由外加磁场施加的磁体积力
组成。
其中n表示为磁性纳米流体中磁性纳米粒子的总含量，若假定对单位时间的磁流体进行计算，则单位时间内的流量约为0.67ml，其中包含的磁性纳米粒子根据其密度和体积含量约为0.1cm3，质量约为0.367g，根据其质量分数和摩尔质量算得单位时间内磁性纳米流体中的磁性纳米粒子的含量约为9.61×1020，则喷嘴处的单位时间磁流体受到的磁场力约为222.86N，工件表面处的单位时间磁流体受到的磁场力约为1047.49N。
从磁场力的公式可以看出，外加磁场对磁性纳米粒子产生的磁作用力与颗粒体积、自身材料磁特性、磁场强度及磁场梯度大小等多参数有关。在无磁场或均匀磁场环境下磁场力为零。磁场力随着磁场强度和梯度的增大而增大，但当磁场强度达到一定值使得磁性颗粒饱和时，增加磁场强度对电磁力没有影响，但磁场力大小与磁场梯度依旧成正比关系。同时可以看出，通过外界磁场的设计来调节磁场强度和梯度的大小和方向可以有效地改变磁场力的分布特征。
本实施例中磁场辅助磨削加工深磨的特点和顺逆磨的加工方式，由于这种特点和加工方式会让工件表面两侧形成高度差，这种高度差的存在会使磁性纳米流体无法精确的作用于未加工以及加工中的区域，对高度差以及形成的切削深度的分析，具体如下：
工件Ⅴ-4磨削表面形貌是由砂轮上多个单颗磨粒磨削后的轨迹曲线的合集，因此首先研究了单颗磨粒对工件的磨削作用。在研究单颗磨粒磨削工件过程中的机理时，需要研究磨粒与工件之间的运动关系。工件若选择为长为40mm，宽为30mm，高为20mm。
vw为工件的移动速度取0.05m/s，rs为砂轮半径取得150mm，由于θ非常小，因此sinθ≈θ，
砂轮转动角度可以表示为θa＝ω·t，其中砂轮角速度为
式中vs为砂轮转速取30m/s，算得ω为200rad/s,θa约为120。联立上式得
式中ds为砂轮直径为300mm，t约为0.6s。
在单颗磨粒对工件进行切削的过程中，单颗磨粒的磨削参数和工件的运动参数都会影响单颗磨粒与工件之间的几何关系，其中单颗磨粒的运动接触弧长lk主要与工件的移动速度、单颗磨粒切深、砂轮直径和砂轮转速有关。
根据砂轮和工件之间的相对运动关系，该过程可以看作工件静止不动，磨粒运动行动形成的轨迹AC为摆线，摆线的方程为：
式中，ψ为磨粒的角位移，vψ为砂轮水平移动距离,由于ψ的值较小，因此sinψ＝ψ，则：
式中v0为砂轮每转所对应的工件水平移动距离，因此
在磨削过程中，由于工件材料的属性，工件在磨削时同样会产生弹性变形，另外由于磨削后的残余应力导致工件表面的变形，使得工件表面实际生成的磨削轨迹要高于理论轨迹。因此工件表面的实际生成的曲线应该是由理论生成的曲线与工件的弹性恢复量叠加而成。
切削过程中，以加工后工件表面为基准面，磨粒的切削深度方程可以表示为：
由于磁场辅助磨削加工是一种深磨的加工方式，单次磨削深度远大于普通磨削，所以若单次磨削深度ap为5mm，则算得h约为4.62mm。
实施例二：
本实施例提供了一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其与实施例一的区别在于：可控伸缩喷嘴组件所用的控制机构不同。如图18-图20所示，第一柱台Ⅴ-1-2与活动板Ⅱ-3转动连接，喷嘴Ⅱ-1安装于第一柱台Ⅴ-1-2。本实施例将实施例一中的第二导轨机构Ⅱ-2替换成了液压驱动机构Ⅱ-7，液压驱动机构Ⅱ-7包括液压缸Ⅱ-7-1、电磁换向阀Ⅱ-7-2和输油管Ⅱ-7-3，液压缸Ⅱ-7-1固定于活动板Ⅱ-3上表面，液压缸Ⅱ-7-1通过输油管Ⅱ-7-3连接电磁换向阀Ⅱ-7-2。
如图18和图19所示，液压缸Ⅱ-7-1的后端与固定板Ⅱ-3-2转动连接，固定板Ⅱ-3-2通过螺栓固定于砂轮罩Ⅴ-3内壁，电磁换向阀Ⅱ-7-2安装在砂轮罩Ⅴ-3内侧。液压缸Ⅱ-7-1的伸缩端通过长轴Ⅱ-3-3与喷嘴前端连接。在本实施例中，电磁换向阀Ⅱ-7-2采用三位四通电磁换向阀。活动板Ⅱ-3和固定板Ⅱ-3-2利于加工前调节伸缩喷嘴Ⅱ-1角度时，可以改变液压缸Ⅱ-7-1的位置，使液压缸Ⅱ-7-1对于可控的伸缩喷嘴Ⅱ-1保持相对静止，保证喷嘴Ⅱ-1的正常伸缩。
控制喷嘴Ⅱ-1伸缩的液压系统如图21所示，通过液压马达3的作用下，油从油箱1流出经过过滤器2，经过输油口流入电磁换向阀Ⅱ-7-2，图21所示为断路状态，若电磁换向阀Ⅱ-7-2通过电磁控制接通右端位，油从A口端流出，左侧二位二通电磁换向阀6和右侧二位三通电磁阀8不通电，则整个系统为差动连接，油从液压缸Ⅱ-7-1左端推动液压缸活塞10往右运动，反映为液压缸Ⅱ-7-1快进，可以实现喷嘴Ⅱ-1的快速伸长。
若左侧二位二通电磁换向阀6一到两个通电，油会经过不同开度的节流阀7和单向节流阀9流进液压缸Ⅱ-7-1，则反映为液压缸Ⅱ-7-1工进，可以实现喷嘴Ⅱ-1不同速度的伸长。若电磁换向阀Ⅱ-7-2接通左端位，则液压缸Ⅱ-7-1右侧的油会推动活塞10往左运动，并使液压缸Ⅱ-7-1左侧的油返回至油箱1内，反映为液压缸Ⅱ-7-1快退，实现喷嘴Ⅱ-1的快速收缩。若同理左侧二位二通电磁换向阀6一到两个通电，可以实现喷嘴Ⅱ-1不同速度的收缩，图示的节流阀7和单向节流阀9都是可调式的，可以改变其开度从而调整不同工况的速度，压力表5和溢流阀4作用为防止系统压力过大，使系统能正常工作。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，包括：
砂轮罩组件，包括砂轮罩、安装于砂轮罩内的砂轮，砂轮外侧设有挡风板；砂轮罩下侧安装磁性工作台，磁性工作台表面设有磁性夹具；
可控磁场组件，包括永磁铁和第一导轨机构，第一导轨机构安装于挡风板一侧表面，永磁铁与第一导轨机构相连，以沿砂轮环向移动；永磁铁连接回收过滤装置；
可控喷嘴组件，与挡风板相连，并位于可控磁场组件对侧；可控喷嘴组件包括喷嘴，喷嘴连接直线运动机构；
控制监测组件，包括设于磁性工作台的视觉相机，用于获取工件加工表面温度和磨损情况图像；视觉相机连接系统控制箱。
2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述砂轮通过主轴夹具安装于砂轮罩内；
所述挡风板一侧设有安装第一导轨机构的凹槽，所述凹槽呈圆弧形。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述第一导轨机构包括弧形的齿条导轨，齿条导轨与挡风板固定；所述齿条导轨与齿轮啮合，齿轮连接伺服电机；
所述齿轮安装于滑板，滑板通过支柱连接夹板，永磁铁安装于夹板内。
4.根据权利要求3所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述齿条导轨两侧分别与若干滚轮相接触，滚轮安装于滑板。
5.根据权利要求1所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述回收过滤装置包括蠕动泵和过滤组件，蠕动泵安装于砂轮罩顶部；所述蠕动泵的出口端连接第二管道，入口端通过第四管道连接蠕动泵电机一端，蠕动泵电机另一端连接第三管道，第三管道穿过永磁铁内部的孔洞。
6.根据权利要求1所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述喷嘴通过第一柱台与挡风板连接，喷嘴包括依次设置的伸缩前端、喷嘴中端和喷嘴后端，伸缩前端连接直线运动机构；
所述喷嘴连接高压气体输送管，磁性纳米流体输送管道一端连接微量润滑油泵箱，另一端进入高压气体输送管内部并与伸缩前端固定。
7.根据权利要求6所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述喷嘴中端包括万向竹节管、与万向竹节管相连的活塞套筒；
所述伸缩前端与活塞套筒配合，并能够沿活塞套筒内部进行伸缩运动。
8.根据权利要求6或7所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述直线运动机构采用第二导轨机构，第二导轨机构连接伺服电机；
所述第二导轨机构包括导轨组件、安装于导轨组件的齿条，齿条与齿轮啮合。
9.根据权利要求6所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述喷嘴通过第一柱台与活动板转动连接，所述直线运动机构采用液压驱动机构。
10.根据权利要求9所述的一种磁场辅助强力磨削微量润滑剂供给与回收装置，其特征在于，所述液压驱动机构包括液压缸、电磁换向阀和输油管，液压缸通过输油管连接电磁换向阀。
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