低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合磨削介质供给系统

摘要

本发明涉及一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合磨削介质供给系统。它包括至少一个微量润滑和低温冷却喷嘴组合单元，该单元设置在砂轮的砂轮罩侧面，并与工作台上的工件相配合；所述单元包括微量润滑雾化微量喷嘴和低温冷却喷嘴，微量润滑雾化微量喷嘴与纳米流体管路和压缩空气管路连接，低温冷却喷嘴与低温冷却液管路连接；每个单元的纳米流体管路、压缩空气管路和低温冷却液管路均通过控制阀与纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压缩空气供给系统连接，纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压缩空气供给系统与控制装置连接。它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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磨削加工领域中的磨削介质供给系统，具体是一种低温冷却与纳米粒子 射流微量润滑耦合磨削介质供给系统。

背景技术

磨削加工由于高的磨削力和比磨削能，在磨削区产生大量的热量，由于被切削的金属层 比较薄，大约60％－90％的热量被传入工件，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工 件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处，而聚集在表面层里形成局部高温，工件表面 温度常可达1000℃以上，在表面层形成极大的温度梯度（可达600－1000℃/mm）。所以磨削 的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。特别是当温度在界面上超过某一临界值时， 就会引起表面热损伤（表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹），其结果将会导致零件的抗磨损性 能降低，应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性能变差，从而降低了零件的使用寿命和工作可靠 性。此外，磨削周期中工件的累积温升，也常导致工件产生尺寸精度和形状精度误差。另一 方面，磨削区的磨削热，不仅影响工件，也影响到砂轮的使用寿命。因此控制磨削区温度是 提高磨削能力和工件表面质量的有力措施之一。实际生产中常采取选用适当的砂轮、优化工 艺参数、增大供（冷却）液压力和流量来降低磨削区温度，但这些方法只能在一定程度上减 少磨削损伤。但由于磨削加工使用的磨削液含有油和大量的有害化学成分，会带来严重的环 境污染。因此，研制一种低毒、低污染的低温磨削系统，使其具有良好的低温流动性，极强 的冷却性能和较好的润滑性能，在低温条件下能连续浇注在磨削区，形成局部低温区，达到 少用或不用磨削液，实现磨削加工中绿色制造。

为降低磨削区的温度，人们采用了许多方法，如低温液氮冷却加工法和低温CO2喷射加工 法，这些加工方法已证实具有较好的加工效果。低温冷却磨削通过向磨削区喷射低温冷却介 质，通过热交换，将磨削区所产生的热量带走，从而实现降温的目的。

目前，磨削加工大量使用润滑剂，也称作浇注式磨削，对环境和工人健康伤害很大。由 于环保要求，润滑剂的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，高达润滑 剂成本的54％，使人们不得不对润滑剂作重新评价。德国对汽车制造厂作过调查，得到的结 果是：工具费用只占加工成本的2％-4％；但与润滑剂有关的费用，却占成本的7％-17％， 是工具费用的3-5倍。机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力只占20％，与冷却润滑 有关的能量消耗却占53％。这说明由于“环保和低碳”的要求，润滑剂的廉价优势已不存在， 已经变成影响生产发展的障碍。

为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用润滑剂的干式磨削应运而生。干式磨削 由于抛弃了润滑剂的使用，其环保方面的优势是不言而喻的。但由于磨削加工去除单位材料 体积所消耗的能量远比铣削、车削、钻削等加工方法大得多，在砂轮/工件界面产生如此高的 能量密度，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量会聚集在表面层形成局部 高温，因此在磨削加工中完全不使用润滑剂，不仅使加工工件表面质量恶化，而且砂轮使用 寿命大幅度降低，甚至报废失效。

介于浇注式湿磨削和干式磨削之间的微量润滑技术是在确保润滑性能和冷却效果的前提 下，使用最小限度的润滑剂。微量润滑是在高压气体中混入微量的润滑剂，靠高压气流 (4.0-10bar)混合雾化后进入高温磨削区。传统的浇注式供液方式磨削介质用量为单位砂轮宽 度60L/h,而微量润滑的磨削介质的消耗量仅为单位砂轮宽度30-100ml/h。高压气流起到冷 却、排屑的作用，润滑剂黏附在工件的加工表面，形成一层保护膜，起到润滑的作用。该技 术综合了浇注式磨削和干式磨削的优点，润滑效果与传统的浇注式磨削几乎没有区别。润滑 剂一般采用植物油作为基础油的烷基酯，具有极好的生物降解性能、润滑性能以及粘度指数 高、挥发性低、可再生、生产周期短、环境扩散少等特点，润滑剂的使用量只有传统加工方 式的千分之几甚至万分之几，大大改善了工作环境，是一种高效低碳环保的加工技术。可是， 研究表明：高压气流的冷却效果很有限，满足不了高磨削区温度强化换热的需要，工件的加 工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低，说明微量润滑技术还需要进一步改进与完善。

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 纯液体大几十倍甚至上百倍。在微量润滑介质中添加固体粒子，可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。

微量润滑润滑剂的制备方法是在纳米粒子和可降解的磨削介质的混合液内添加烷基磺酸 盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂后，再采用1.6-2万次/分钟高频振动得到稳定的悬浮液。

纳米粒子是粒径小于100nm的石墨颗粒或者氧化铝、碳纳米管，金属，润滑剂中纳米粒 子的体积含量为1%－30vol%，磨削介质为可降解的润滑油或植物油。

发明人对微量润滑磨削供给系统进行了深入的理论分析以及实验验证，研究成果已申请 了相关的专利，由发明设计人申请的发明专利，纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统 （专利号为：201210153801.2）公开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削润滑剂供给系统,它将 纳米级固体粒子加入可降解的磨削液中制成微量润滑磨削的润滑剂，由微量供给装置将润滑 剂变为具有固定压力、脉冲频率可变、液滴直径不变的脉冲液滴，在高压气体产生的空气隔 离层作用下以射流形式喷入磨削区。它具有微量润滑技术的所有优点、并具有更强的冷却性 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，具有举足轻重的意义。

发明专利：纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测方法和装置（专利号为 201210490401.0）公开了一种在纳米粒子射流微量润滑条件下的磨削表面粗糙度预测方法和 装置。它包括一个传感器杠杆，所述传感器杠杆左端设有触针，触针与砂轮表面接触，传感 器杠杆右端与电感式位移传感器连接，传感器杠杆的支点处与测量装置机体铰接；电感式位 移传感器与交流电源连接；电感式位移传感器数据输出端则与滤波放大器连接，滤波放大器 分别与计算器和示波器连接，计算器还与存储器连接。它用矩阵表征砂轮形貌，再根据磨削 加工工件表面形貌创成机理，预测模型精度高，不仅测量方便，设备集成率高、利用率高， 而且测量精度高，可靠性好，对实际更有指导意义。

发明专利：纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统（专利号为201110221543.2）公 开了一种纳米粒子射流微量润滑磨削三相流供给系统,其特点是:将纳米流体经液路输送至喷 嘴处,同时高压气体经气路进入喷嘴,高压气体与纳米流体在喷嘴混合室中充分混合雾化,经 加速室加速后进入涡流室,同时压缩气体经涡流室通气孔进入,使三相流进一步旋转混合并加 速,然后三相流以雾化液滴的形式经喷嘴出口喷射至磨削区。

发明专利：纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统（201310042095.9）公开了一 种纳米流体静电雾化可控射流微量润滑磨削系统，通过静电学原理可以使喷射的雾滴实现可 控分布，从而降低对环境的污染，为工作人员提供了更好的健康保障。其磨削系统安装有电 晕荷电喷嘴，电晕荷电喷嘴的喷嘴体与供液系统、供气系统连接，喷嘴体下部的高压直流静 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与工件加电装置连接， 工件加电装置附着于工件的不加工表面；纳米流体磨削液通过供液系统送入电晕荷电喷嘴， 同时供气系统将压缩空气送入电晕荷电喷嘴，纳米流体磨削液由压缩空气带动从喷嘴体出口 喷出雾化的同时被高压直流静电发生器荷电为可控射流，在电场力及气动力的作用下可控的 分布到加工工件的磨削区。

但上述技术方案中都不是低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合的磨削介质供给系统， 使之没有最大限度地发挥低温冷却介质强大的对流换热能力和纳米粒子射流优异的摩擦学特 性。

发明设计人通过实验研究表明，通过采用低温CO2和液态氮为磨削冷却介质，可有效地 控制磨削区温度。与干磨削和浇注式油冷却磨削相比，液态氮低温冷却磨削力、比磨削能、 磨削区温度明显降低，工件表面质量和完整性显著提高，同时明显提高了砂轮的使用寿命和 减少了冷却液对环境地污染。低温冷却具有以下优点：

（1）低温冷却磨削可以有效控制磨削区温度，避免了由于温度过高引起的工件表面热 损伤、微裂纹以及拉伸残余应力的产生，提高了工件的表面完整性；

（2）低温冷却磨削同冷却油磨削和干磨削相比，磨削力明显降低，减少了砂轮的磨损， 同时提高了工件的加工精度。

（3）低温冷却磨削随着磨削深度的增加，比磨削能降低，有利于磨削区温度的降低。

（4）低温冷却磨削切屑主要以剪切方式去除，减小了滑擦、耕犁以及塑性变形的产生， 提高了工件的表面质量。

虽然很多学者已经对纳米粒子射流微量润滑磨削和低温冷却切削/磨削进行了理论分析 与实验研究，并做了大量的论证和实验。从检索文献可知，目前还没有将纳米粒子射流微量 润滑磨削与低温冷却磨削有机的结合起来，没有建立磨削区对流强化换热与纳米粒子射流、 低温冷却介质之间的内在关系，也没有建立纳米粒子射流与低温冷却介质耦合条件下工件表 面的油膜形成机理，无法发挥纳米粒子射流、低温冷却介质对磨削砂轮/工件界面的润滑与散 热优势。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题,提供一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合磨 削介质供给系统。当对工件材料进行磨削时，使用纳米粒子射流微量润滑和低温冷却润滑耦 合的方法，可以在磨削区形成低温冷冻润滑膜。在磨削过程中，低温介质迅速蒸发带走磨削 区大量的热，减少了微量润滑磨削介质的蒸发量，同时冷却了工件表面及磨屑，提高了换热 能力，最大限度的减少磨削热损伤，提高被加工工件的表面完整性和加工精度。它具有微量 润滑技术的所有优点、并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，具有举足 轻重的意义。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合磨削介质供给系统，它包括至少一个微量润 滑和低温冷却喷嘴组合单元，该单元设置在砂轮的砂轮罩侧面，并与工作台上的工件相配合； 所述单元包括微量润滑雾化微量喷嘴和低温冷却喷嘴，微量润滑雾化微量喷嘴与纳米流体管 路和压缩空气管路连接，低温冷却喷嘴与低温冷却液管路连接；每个单元的纳米流体管路、 压缩空气管路和低温冷却液管路均通过控制阀与纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压 缩空气供给系统连接，纳米流体供给系统、低温介质供给系统和压缩空气供给系统与控制装 置连接。

所述微量润滑和低温冷却喷嘴组合单元有两个，分别对称的安装在砂轮罩的两侧。工作 时，一侧的微量润滑雾化喷嘴与低温冷却喷嘴对磨削区提供冷却润滑，另一侧的微量润滑雾 化喷嘴只喷压缩空气进行清洗排屑，低温冷却喷嘴关闭。

所述纳米流体供给系统包括纳米流体储液罐，它通过液压泵II、调压阀II、节流阀II、涡 轮流量计II与对应的控制阀连接；

所述压缩空气供给系统包括空气压缩机，它通过过滤器、储气罐、调压阀III、节流阀III、 涡轮流量计III与对应的控制阀连接；

所述低温介质供给系统包括低温介质储液罐，它通过液压泵I、油水分离器、调压阀I、 节流阀I、涡轮流量计I与对应的控制阀连接。

所述调压阀II还与溢流阀II、纳米流体回收箱连接；

所述调压阀III还与溢流阀III和压缩空气回收箱连接；

所述调压阀I还与溢流阀I、低温介质回收箱连接。

所述控制阀为四位六通阀的手动换向阀，阀体设有压缩空气入口T₁、纳米流体入口P和 液态低温介质入口T₂以及压缩空气出口A、纳米流体出口B和液态低温介质出口C；阀芯采 用弹簧钢球定位，在阀芯轴向孔的左端开有锥形密封内螺纹，在安装时用锥密封螺钉密封， 密封螺钉为细螺纹锥形螺钉，在密封时在螺纹处涂密封胶。

所述微量润滑雾化微量喷嘴包括混合腔体，混合腔体一段安装注气管，另一端安装喷头； 注气管通过左螺母和密封垫圈I与混合腔体装配在一起，喷头通过右螺母和密封垫圈II与混 合腔体装配在一起；进液塞将混合腔体分为进液腔和混合腔，混合腔与加速段连接，加速段 与喷头连接；进液螺纹管与进液腔连通，注气管位于混合腔的一段侧壁设有若干旋向气孔， 注气管顶端则设有出气孔。

所述进液塞为圆盘形，在周围对称分布着4-8个进液孔；所述旋向气孔沿注气管的管壁 阵列排布4-8个，出口轴线与其注气腔内壁面相切，压缩气体经旋向气孔以切向速度v进入 到混合腔48内，促使气流在混合腔内绕注气管旋转，从而带动纳米流体旋转形成涡流；旋向 气孔与注气管轴向成角度为δ=25-75°并向喷头出口倾斜。

所述喷头为扁平扇形喷头，扁平扇形喷头内表面为半椭球或半球面；在半椭球的顶端开 一个V形槽，V形槽两斜面关于喷头轴线对称且和半椭圆球相贯形成狭长喷口，斜面角度α 为V形槽角度的一半。

所述低温冷却喷嘴为一体式鸭嘴型喷嘴，喷嘴总长度为Dz=25-55mm，喷嘴前段入口尺 寸为dr×hr，出口尺寸为dc×hc，其中dr取10-40mm，hr取5-35mm，dc取20-50mm，hc 取15-45mm。

所述各微量润滑和低温冷却喷嘴组合单元中微量润滑雾化微量喷嘴到工件的喷射距离为 d，取10-20cm，喷射角度为β，取值为15-30°；喷射流量为2.5-3.2ml/min，压缩空气的 压力为4.0-10bar；

所述低温冷却喷嘴到工件的垂直距离为h，取2-5cm，喷射角度为γ，取值为3-8°；液 态低温介质流量为10-40L/min。

本发明的有益效果是：提供一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合的磨削介质供给 系统，该系统有两套喷嘴，微量润滑雾化喷嘴Ⅰ和低温冷却喷嘴Ⅰ固定在砂轮右侧，低温冷 却喷嘴Ⅱ和微量润滑雾化喷嘴Ⅱ固定在砂轮左侧。当对普通材料进行顺磨时，如对45钢进行 顺磨时，将手动换向阀Ⅰ调至第二工作位，纳米流体储液罐中的纳米流体在液压泵Ⅱ的作用 下，依次流经调压阀Ⅱ、节流阀Ⅱ、涡轮流量计Ⅱ，再流经手动换向阀Ⅰ进入微量润滑雾化 喷嘴Ⅰ，压缩空气从储气罐中流出后依次流经调压阀Ⅲ、节流阀Ⅲ、涡轮流量计Ⅲ，再流经 手动换向阀Ⅰ进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ对磨削区进行纳米粒子射流微量润滑，同时将手动换 向阀Ⅱ调至第三工作位，压缩空气从储气罐中流出后依次流经调压阀Ⅲ、节流阀Ⅲ、涡轮流 量计Ⅲ，再流经手动换向阀Ⅱ进入微量润滑雾化喷嘴Ⅱ对砂轮和工件进行排屑清洗。当对45 钢进行逆磨时，将动换向阀Ⅰ和手动换向阀Ⅱ的工作位互换。当对难加工材料进行顺磨时， 如对镍基合金进行顺磨时，将手动换向阀Ⅰ调至第一工作位，纳米流体储液罐中的纳米流体 在液压泵Ⅱ的作用下，依次流经调压阀Ⅱ、节流阀Ⅱ、涡轮流量计Ⅱ，再流经手动换向阀Ⅰ 进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ，压缩空气从储气罐中流出后依次流经调压阀Ⅲ、节流阀Ⅲ、涡轮 流量计Ⅲ，再流经手动换向阀Ⅰ进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ，低温介质储液罐中的低温介质在 液压泵Ⅰ的作用下，依次流经油水分离器、调压阀Ⅰ、节流阀Ⅰ、涡轮流量计Ⅰ再流经手动 换向阀Ⅰ进入低温冷却喷嘴Ⅰ，对磨削区进行纳米粒子射流微量润滑和低温冷却耦合冷却润 滑，同时将手动换向阀Ⅱ调至第三工作位，压缩空气从储气罐中流出后依次流经调压阀Ⅲ、 节流阀Ⅲ、涡轮流量计Ⅲ，再流经手动换向阀Ⅱ进入微量润滑雾化喷嘴Ⅱ，对砂轮和工件进 行排屑清洗。当对镍基合金进行逆磨时，将手动换向阀Ⅰ和手动换向阀Ⅱ的工作位互换。

当对难加工材料进行磨削时，使用纳米粒子射流微量润滑和低温冷却润滑耦合的方法， 可以在磨削区形成低温冷冻润滑膜。在磨削过程中，低温介质液体迅速蒸发带走磨削区大量 的热，减少了微量润滑磨削液的蒸发量，同时冷却了工件表面及磨屑。根据磨削区毛细管原 理，在普通微量润滑及传统浇注式润滑时，液态冷却润滑液渗入毛细管分三个阶段，第一阶 段为液态常温渗入，第二阶段为常温液体在毛细管中，在高的磨削区温度作用下磨削液发生 蒸发“爆炸”，第三阶段即为气相填充，发生了爆炸的气体填充在了毛细管中，阻碍了后续磨 削液的进入，从而降低了磨削液的冷却润滑性能。当同时使用低温冷却润滑时，低温介质液 体蒸发带走的热量，避免了微量润滑液在毛细管中的“爆炸”或是“爆炸”后的蒸汽迅速冷 却，保证了后续磨削液的进入从而发挥出磨削液的良好冷却润滑性能。这对于磨削难加工材 料是十分有利的。

附图说明：

图1是这种实施例的总装轴测图；

图2是这种实施例微量润滑气路、液路及低温冷却液路的系统简图；

图3是这种实施例中手动换向阀的结构图；

图4是这种实施例中手动换向阀的工作原理图；

图5是这种实施例的微量润滑雾化喷嘴总装剖视图；

图5a是注气管的局部剖视图；

图6是这种实施例中微量润滑雾化喷嘴旋向气孔的剖视图；

图7是这种实施例的喷头剖视图；

图8是这种实施例的低温冷却喷嘴的结构图；

图8a是这种实施例的低温冷却喷嘴的正二侧视图；

图8b是这种实施例的低温冷却喷嘴的左视图；

图8c是这种实施例的低温冷却喷嘴的俯视图；

图9是这种实施例中两种喷嘴与工件的相对位置示意图。

其中，1-部分工作台，2-工件，3-砂轮，4-砂轮罩，5-磁力固定吸盘，6-低温介质输送管， 7-纳米流体输送管，8-压缩空气输送管，9-微量润滑雾化喷嘴Ⅰ，10-低温冷却喷嘴Ⅰ，11-纳 米流体储液罐，12-空气压缩机，13-低温介质储液罐，14-液压泵Ⅰ，15-过滤器，16-纳米流 体回收箱，17-油水分离器，18-液压泵Ⅱ，19-压力表Ⅳ，20-调压阀Ⅲ，21-调压阀Ⅱ，22-调 压阀Ⅰ，23-溢流阀Ⅱ，24-节流阀Ⅲ，25-节流阀Ⅱ，26-节流阀Ⅰ，27-涡轮流量计Ⅲ，28-涡 轮流量计Ⅱ，29涡轮流量计Ⅰ，30-储气罐，31-手动换向阀Ⅰ，32-阀体，33-阀芯，34-左螺 母，35-注气管，36-密封垫圈Ⅰ，37-进液螺纹管，38-进液塞，39-右螺母，40-密封垫圈Ⅱ， 41-喷头，42-混合腔体，43-微量润滑雾化喷嘴Ⅱ，44-低温冷却喷嘴Ⅱ，45-手动换向阀Ⅱ，46- 进气腔，47-进液腔，48-混合腔，49-加速段，50-喷嘴出口，51-溢流阀Ⅲ，52-溢流阀Ⅰ，53- 压力表Ⅰ，54-压力表Ⅱ，55-压力表Ⅲ，56-压缩空气回收箱，57-低温介质回收箱，58-密封螺 钉。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做一下说明：

从图1中可以看出，该实施例中有两套喷嘴，分别是砂轮右侧的微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9 与低温冷却喷嘴Ⅰ10和砂轮左侧的微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43与低温冷却喷嘴Ⅱ44。微量润滑雾 化喷嘴Ⅰ9与纳米流体输送管7及压缩空气输送管8相连接，低温冷却喷嘴Ⅰ10与低温介质 输送管6相连接。微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43与低温冷却喷嘴Ⅱ44同样与另一侧的输送管连接。 磁力固定吸盘5吸附在砂轮3侧面，用来固定纳米流体输送管7、压缩空气输送管8和低温 介质输送管6。微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9与微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43为砂轮3与工件2之间的磨 削区提供微量润滑。低温冷却喷嘴Ⅰ10与低温冷却喷嘴Ⅱ44可以为砂轮3与工件2之间的磨 削区提供低温冷却润滑。当顺磨时微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9与低温冷却喷嘴Ⅰ10可对磨削区提 供冷却润滑，另一侧的微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43只喷压缩空气进行清洗排屑，低温冷却喷嘴Ⅱ 44关闭。反之当逆磨时微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43与低温冷却喷嘴Ⅱ44可对磨削区提供冷却润 滑，另一侧的微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9只喷压缩空气进行清洗排屑，低温冷却喷嘴Ⅰ10关闭。

如图2这种实施例微量润滑气路、液路及低温冷却液路的系统简图所示，空气压缩机12 产生压缩空气，通过过滤器15后储存在储气罐30中，并由压力表Ⅳ19检测储气罐30中的 压力，压缩空气从储气罐30中流出后依次流经调压阀Ⅲ20、节流阀Ⅲ24、涡轮流量计Ⅲ27， 再流经手动换向阀Ⅰ31进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9或流经手动换向阀Ⅱ45进入微量润滑雾化 喷嘴Ⅱ43。溢流阀Ⅲ51和压缩空气回收箱56构成保护回路。纳米流体储液罐11中的纳米流 体在液压泵Ⅱ18的作用下，依次流经调压阀Ⅱ21、节流阀Ⅱ25、涡轮流量计Ⅱ28，再流经手 动换向阀Ⅰ31进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9或流经手动换向阀Ⅱ45进入微量润滑雾化喷嘴Ⅱ 43，同时溢流阀Ⅱ23和纳米流体回收箱16形成保护回路。低温介质储液罐13中的低温介质 在液压泵Ⅰ14的作用下，依次流经油水分离器17、调压阀Ⅰ22、节流阀Ⅰ26、涡轮流量计Ⅰ 29再流经手动换向阀Ⅰ31进入低温冷却喷嘴Ⅰ10或流经手动换向阀Ⅱ45进入低温冷却喷嘴 Ⅱ44。溢流阀Ⅰ52和低温介质回收箱57构成保护回路。压力表Ⅰ53、压力表Ⅱ54和压力表 Ⅲ55分别用来监测低温介质通路、纳米流体通路和压缩气体通路的压力。

如图3、4是这种实施例中手动换向阀的结构及工作原理图，可以看出该阀是一个四位六 通阀，在阀体32上有三个入口分别为压缩空气入口T₁、纳米流体入口P及液态低温介质入口 T₂。阀体32上三个出口分别为压缩空气出口A、纳米流体出口B及液态低温介质出口C。结 合图1和图2可以看出，压缩空气入口T₁与压缩空气输送管8相连，纳米流体入口P与纳米 流体输送管7相连，液态低温介质入口T₂与低温介质输送管6相连。压缩空气出口A和纳米 流体出口B与微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43的压缩空气入口和纳米流体入 口相连接，液态低温介质出口C与低温冷却喷嘴Ⅰ10和低温冷却喷嘴Ⅱ44连接。从图中可以 看出该阀是弹簧钢球定位结构的阀，当松开手柄后，阀仍然保持在所需的工作位置上。该阀 有四个工作位，当阀处于第一工作位时，将同时进行微量润滑和低温冷却润滑。当阀处于第 二工作位时，只进行微量润滑，低温冷却润滑停止。当阀处于第四工作位时，所有通道都截 止，系统处于停止工作状态。当阀处于第三工作位时，压缩空气从入口T₁进入经阀芯33内 的通道后从出口B流出，此时只喷射压缩空气可以起到清洗微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和微量润 滑雾化喷嘴Ⅱ43内纳米流体通道的作用，也可以对工件表面进行清洗。图中可见在阀芯33 轴向孔的左端开有锥形密封内螺纹，在安装时用锥密封螺钉58密封，密封螺钉58为细螺纹 锥形螺钉，在密封时在螺纹处涂密封胶。

如图5这种实施例的微量润滑雾化喷嘴总装剖视图所示，可以看出该实施例中所设计使 用的微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43由左螺母34、注气管35、密封垫圈Ⅰ36、 进液螺纹管37、进液塞38、右螺母39、密封垫圈Ⅱ40、喷头41和混合腔体42构成，其装 配如图5所示。从图中可以看出微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43还包括进气 腔46、进液腔47、混合腔48、加速段49和喷嘴出口50。压缩空气和纳米流体分别通过进气 腔46和进液腔47后进入混合腔进行混合，进液塞38为圆盘形，可根据需要在周围对称分布 着4-8个进液孔，可以使压缩空气和纳米流体在混合腔48内有足够的混合空间。压缩空气与 纳米流体在混合腔48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。泡状流进入到加速段后，由于加速段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加速段时受挤 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 经过加速后在喷嘴口以近音速喷出，加大了射流速度，在压力突然降到环境压力气泡急剧膨 胀而爆破形成了液体雾化的动力，周围气泡会受到冲击波而爆炸并相互冲撞使雾化颗粒变得 极其微小。

如图6这种实施例中微量润滑雾化喷嘴旋向气孔的剖视图所示，旋向气孔的主要特点是 位于注气管35的侧面，按实际需要沿管壁阵列排布4-8个，出口轴线与注气管35内腔壁面 相切，压缩气体经通气孔以一定切向速度v进入到混合腔48内，出口气流存在一个动量矩， 促使气流在通道内绕注气管35旋转，从而带动纳米流体旋转形成涡流。同时从图5a中可以 看出这些旋向通气孔与轴向成角度为δ（25-75°）向喷嘴出口倾斜，这可以促使三相泡状流 向喷嘴孔推进，同时在注气管35顶端有一个出气孔，这个出气口可以对混合后的三相泡状流 进行加速。

如图7这种实施例的喷头剖视图所示，可以看出该喷头41为扁平扇形喷头。扁平扇形喷 头内表面通常为半椭球或半球面。在半椭球的顶端开一个V形槽，V形槽两斜面关于喷嘴轴 线对称且和半椭圆球相贯形成狭长喷口。这种喷头能产生扇形的均匀扁平射流，这种射流冲 击力均匀，冲击范围大，扩散角也可以在较大范围内调整，其清洗能力尤为突出。所以当用 压缩空气对工件表面进行清洗时，其效果尤为明显。图中a为椭圆长半轴长度，b为椭圆中 心到V型槽底长度，c为喷嘴入射断面直径，α为V型槽角度的一半。

如图8这种实施例的低温冷却喷嘴的结构图所示，这种冷却喷嘴结构简单的一体喷嘴， 加工简单，成本低廉。根据图8a、图8b和图8c可以看出，喷嘴总长度为Dz（25-55mm）， 喷嘴前段入口尺寸为dr×hr，出口尺寸为dc×hc，其中dr可取10-40mm，hr可取5-35mm， dc可取20-50mm，hc可取15-45mm，其后端的螺纹可根据不同要求按螺纹规格选取M36、 M24和M40等尺寸，且后端螺纹与低温介质输送管6相连接，这种鸭嘴型喷嘴内部的液体流 动空间呈缓慢减小的趋势，使其出口液体具有一定的速度。这种喷嘴适用于较大流量液体， 不易堵塞。

如图9这种实施例中两种喷嘴与工件的相对位置示意图所示，微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9到 工件2的喷射距离为d，一般取10-20cm。微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9的喷射角度为β，一般取值 为15-30°。低温冷却喷嘴Ⅰ10到工件2的垂直距离为h，一般取2-5cm，低温冷却喷嘴Ⅰ10 的喷射角度为γ，一般取值为3-8°。微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43和低温冷却喷嘴Ⅱ44与微量润 滑雾化喷嘴Ⅰ9和低温冷却喷嘴Ⅰ10在砂轮两次对称安装。同时微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和微 量润滑雾化喷嘴Ⅱ43喷射流量为2.5-3.2ml/min，压缩空气的压力为4.0-10bar，低温冷却 喷嘴Ⅰ10和低温冷却喷嘴Ⅱ44的液态低温介质流量为10-40L/min。

本方案具体工作过程如下：

微量润滑技术已经被国内外学者广泛关注，技术也日趋成熟，并在生产加工中得到越来 越多的应用。在微量润滑液中添加纳米粒子，形成纳米粒子射流对磨削区进行冷却润滑的技 术也取得了较为理想的效果。但随着钛基合金、镍基合金、不锈钢、镁基合金及复合材料等 难加工材料在航空工业、汽车工业、核能工业、生物医学等重要领域的作用日趋重要，然而 微量润滑技术及纳米粒子射流技术，对于磨削一些难加工材料时的冷却润滑效果并不理想。

磨削加工由于高的磨削力和比磨削能,在磨削区产生大量的热量,由于被切削的金属层比 较薄,大约60%-90%的热量被传入工件,仅有不到10%的热量被磨屑带走,这些传入工件的热量 在磨削过程中常来不及传入工件深处,而聚集在表面层里形成局部高温,工件表面温度常可达 1000℃以上。这么高的温度很容易引起工件表面精度及几何尺寸精度问题，严重时会导致工 件表面烧伤。在一般磨削加工中纳米粒子射流微量润滑可以起到较好的冷却润滑作用。当加 工难加工材料时由于难加工材料的热传导率低，高的硬度和热强度，高的加工硬化性能，等 一系列特性会导致磨削区温度急剧增高，磨削力急剧增大，砂轮磨损急剧增加，工件表面质 量急剧下降，甚至发生爆炸，燃烧等。

理论上认为，材料呈现出高强度、高硬度、高延展性、高粘附性、低热导率及易燃易发 生反应，中的一种或多种性能即被称为难加工材料。如钛基合金和镍基合金，它们的导热率 都很低，磨削时产生的磨屑不足以带走大量的热。同时它们具有很高的硬度和热强度，并且 很高的加工硬化性能，这导致磨削力的急剧增加，进而导致了磨削区温度的进一步提升。传 统的磨削液不能渗透到磨屑与砂轮的接触面并且达到最高温度区域尤其是在高速磨削时。磨 削液在高温下区域蒸发并在磨削区域形成一个高温覆盖膜这导致了温度的进一步增加。纳米 粒子射流虽然在压缩空气的带动下可以进入到磨削区，但由于磨削区的高温与高的磨削力， 不能形成有效的冷却润滑膜。纳米粒子射流用量很小，少量的润滑油在磨削区超高温的作用 会大量蒸发，形成的油膜并不理想。钛基合金与镍基合金等难加工材料在加工过程中要特别 注意控制磨削区温度，当磨削区温度当超出某个温度时，在加工中会发生燃烧或产生各种问 题，如钛基合金加工要控制在400℃之内。钛基合金和镍基合金对于我们所有已知刀具材料 的化学活性都非常高。在更高的温度下这种反应的性能增加，这会导致粘附等现象的发生， 从而使砂轮气孔堵塞，这将严重影响砂轮的性能和寿命。从而造成磨削区环境的进一步恶化， 最终表现为，差的工件表面质量，差的工件几何精度，差的磨屑形成能力，砂轮急剧磨损甚 至失效。

对于镁基合金而言，由于低的磨削力，高的表面光洁度，易形成磨屑，和较长的砂轮使 用寿命，我们认为镁基合金是容易加工的结构材料。然而镁基合金是高度易燃的材料，在超 过450℃到它的熔点650℃时，它燃烧的危险随温度增加而增加。镁基合金能够在不同的气体 中燃烧如，氮气、二氧化碳、水蒸气等即使在缺少氧气的情况下。因此，为了保证不发生燃 烧在加工过程中控制切削温度是十分关键的。磨削区域易燃的磨屑的存在进一步增加了工作 场所发生火灾的危险，所以在加工过程中从砂轮和工件上上移除工件材料的磨屑是非常重要 的，这就需要磨削系统具有良好的清洗功能。

基于以上问题，该发明提出了一种低温冷却与纳米粒子射流微量润滑耦合的磨削介质供 给统，该系统有两套喷嘴，微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9和低温冷却喷嘴Ⅰ10固定在砂轮右侧，低 温冷却喷嘴Ⅱ44和微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43固定在砂轮左侧。当对普通材料进行顺磨时，如对 45钢进行顺磨时，将手动换向阀Ⅰ31调至第二工作位，纳米流体储液罐11中的纳米流体在 液压泵Ⅱ18的作用下，依次流经调压阀Ⅱ21、节流阀Ⅱ25、涡轮流量计Ⅱ28，再流经手动换 向阀Ⅰ31进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9，压缩空气从储气罐30中流出后依次流经调压阀Ⅲ20、 节流阀Ⅲ24、涡轮流量计Ⅲ27，再流经手动换向阀Ⅰ31进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9对磨削区 进行纳米粒子射流微量润滑，同时将手动换向阀Ⅱ45调至第三工作位，压缩空气从储气罐30 中流出后依次流经调压阀Ⅲ20、节流阀Ⅲ24、涡轮流量计Ⅲ27，再流经手动换向阀Ⅱ45进入 微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43对砂轮和工件进行排屑清洗。当对45钢进行逆磨时，将动换向阀Ⅰ 31和手动换向阀Ⅱ45的工作位互换。当对难加工材料进行顺磨时，如对镍基合金进行顺磨时， 将手动换向阀Ⅰ31调至第一工作位，纳米流体储液罐11中的纳米流体在液压泵Ⅱ18的作用 下，依次流经调压阀Ⅱ21、节流阀Ⅱ25、涡轮流量计Ⅱ28，再流经手动换向阀Ⅰ31进入微量 润滑雾化喷嘴Ⅰ9，压缩空气从储气罐30中流出后依次流经调压阀Ⅲ20、节流阀Ⅲ24、涡轮 流量计Ⅲ27，再流经手动换向阀Ⅰ31进入微量润滑雾化喷嘴Ⅰ9，低温介质储液罐13中的低 温介质在液压泵Ⅰ14的作用下，依次流经油水分离器17、调压阀Ⅰ22、节流阀Ⅰ26、涡轮流 量计Ⅰ29再流经手动换向阀Ⅰ31进入低温冷却喷嘴Ⅰ10，对磨削区进行纳米粒子射流微量润 滑和低温冷却耦合冷却润滑，同时将手动换向阀Ⅱ45调至第三工作位，压缩空气从储气罐30 中流出后依次流经调压阀Ⅲ20、节流阀Ⅲ24、涡轮流量计Ⅲ27，再流经手动换向阀Ⅱ45进入 微量润滑雾化喷嘴Ⅱ43，对砂轮和工件进行排屑清洗。当对镍基合金进行逆磨时，将动换向 阀Ⅰ31和手动换向阀Ⅱ45的工作位互换。

当对难加工材料进行磨削时，使用纳米粒子射流微量润滑和低温冷却润滑耦合的方法， 可以在磨削区形成低温冷冻润滑膜。在磨削过程中，低温介质液体迅速蒸发带走磨削区大量 的热，减少了微量润滑磨削液的蒸发量，同时冷却了工件表面及磨屑。根据磨削区毛细管原 理，在普通微量润滑及传统浇注式润滑时，液态冷却润滑液渗入毛细管分三个阶段，第一阶 段为液态常温渗入，第二阶段为常温液体在毛细管中，在高的磨削区温度作用下磨削液发生 蒸发“爆炸”，第三阶段即为气相填充，发生了爆炸的气体填充在了毛细管中，阻碍了后续磨 削液的进入，从而降低了磨削液的冷却润滑性能。当同时使用低温冷却润滑时，低温介质液 体蒸发带走的热量，避免了微量润滑液在毛细管中的“爆炸”或是“爆炸”后的蒸汽迅速冷 却，保证了后续磨削液的进入从而发挥出磨削液的良好冷却润滑性能。这对于磨削难加工材 料是十分有利的。