[發明專利]低溫冷卻與納米粒子射流微量潤滑耦合磨削介質供給系統

有效

• 申請號: 201310180218.5
• 申請日: 2013-05-15
• 公開（公告）號: CN103231310A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 李長河;賈東洲;張強;王勝
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B24B55/03
• 分類號: B24B55/03
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及一種磨削加工領域中的磨削介質供給系統，具體是一種低溫冷卻與納米粒子射流微量潤滑耦合磨削介質供給系統。

背景技術

磨削加工由于高的磨削力和比磨削能，在磨削區產生大量的熱量，由于被切削的金屬層比較薄，大約60％－90％的熱量被傳入工件，僅有不到10％的熱量被磨屑帶走，這些傳入工件的熱量在磨削過程中常來不及傳入工件深處，而聚集在表面層里形成局部高溫，工件表面溫度常可達1000℃以上，在表面層形成極大的溫度梯度（可達600－1000℃/mm）。所以磨削的熱效應對工件表面質量和使用性能影響極大。特別是當溫度在界面上超過某一臨界值時，就會引起表面熱損傷（表面氧化、燒傷、殘余應力和裂紋），其結果將會導致零件的抗磨損性能降低，應力銹蝕的靈敏性增加、抗疲勞性能變差，從而降低了零件的使用壽命和工作可靠性。此外，磨削周期中工件的累積溫升，也常導致工件產生尺寸精度和形狀精度誤差。另一方面，磨削區的磨削熱，不僅影響工件，也影響到砂輪的使用壽命。因此控制磨削區溫度是提高磨削能力和工件表面質量的有力措施之一。實際生產中常采取選用適當的砂輪、優化工藝參數、增大供（冷卻）液壓力和流量來降低磨削區溫度，但這些方法只能在一定程度上減少磨削損傷。但由于磨削加工使用的磨削液含有油和大量的有害化學成分，會帶來嚴重的環境污染。因此，研制一種低毒、低污染的低溫磨削系統，使其具有良好的低溫流動性，極強的冷卻性能和較好的潤滑性能，在低溫條件下能連續澆注在磨削區，形成局部低溫區，達到少用或不用磨削液，實現磨削加工中綠色制造。

為降低磨削區的溫度，人們采用了許多方法，如低溫液氮冷卻加工法和低溫CO2噴射加工法，這些加工方法已證實具有較好的加工效果。低溫冷卻磨削通過向磨削區噴射低溫冷卻介質，通過熱交換，將磨削區所產生的熱量帶走，從而實現降溫的目的。

目前，磨削加工大量使用潤滑劑，也稱作澆注式磨削，對環境和工人健康傷害很大。由于環保要求，潤滑劑的廢液必須經過處理、達標后才能排放，廢液處理耗資巨大，高達潤滑劑成本的54％，使人們不得不對潤滑劑作重新評價。德國對汽車制造廠作過調查，得到的結果是：工具費用只占加工成本的2％-4％；但與潤滑劑有關的費用，卻占成本的7％-17％，是工具費用的3-5倍。機械加工中的能量消耗，主軸運轉需要的動力只占20％，與冷卻潤滑有關的能量消耗卻占53％。這說明由于“環保和低碳”的要求，潤滑劑的廉價優勢已不存在，已經變成影響生產發展的障礙。

為保護環境、降低成本而有意識地完全停止使用潤滑劑的干式磨削應運而生。干式磨削由于拋棄了潤滑劑的使用，其環保方面的優勢是不言而喻的。但由于磨削加工去除單位材料體積所消耗的能量遠比銑削、車削、鉆削等加工方法大得多，在砂輪/工件界面產生如此高的能量密度，僅有不到10％的熱量被磨屑帶走，這些傳入工件的熱量會聚集在表面層形成局部高溫，因此在磨削加工中完全不使用潤滑劑，不僅使加工工件表面質量惡化，而且砂輪使用壽命大幅度降低，甚至報廢失效。

介于澆注式濕磨削和干式磨削之間的微量潤滑技術是在確保潤滑性能和冷卻效果的前提下，使用最小限度的潤滑劑。微量潤滑是在高壓氣體中混入微量的潤滑劑，靠高壓氣流(4.0-10bar)混合霧化后進入高溫磨削區。傳統的澆注式供液方式磨削介質用量為單位砂輪寬度60L/h,而微量潤滑的磨削介質的消耗量僅為單位砂輪寬度30-100ml/h。高壓氣流起到冷卻、排屑的作用，潤滑劑黏附在工件的加工表面，形成一層保護膜，起到潤滑的作用。該技術綜合了澆注式磨削和干式磨削的優點，潤滑效果與傳統的澆注式磨削幾乎沒有區別。潤滑劑一般采用植物油作為基礎油的烷基酯，具有極好的生物降解性能、潤滑性能以及粘度指數高、揮發性低、可再生、生產周期短、環境擴散少等特點，潤滑劑的使用量只有傳統加工方式的千分之幾甚至萬分之幾，大大改善了工作環境，是一種高效低碳環保的加工技術。可是，研究表明：高壓氣流的冷卻效果很有限，滿足不了高磨削區溫度強化換熱的需要，工件的加工質量和砂輪壽命比傳統澆注式磨削明顯降低，說明微量潤滑技術還需要進一步改進與完善。