纳米流体微量润滑磨削装置

摘要

本发明公开了纳米流体微量润滑磨削装置，它解决了现有技术中未变形磨屑厚度对磨削过程有较大影响的问题，具有从微观角度上充分考虑了单颗磨粒在磨削过程中去除材料时的润滑状态，有效地实现了超声振动辅助磨削对提高纳米流体微量润滑冷却润滑效果的作用的有益效果，其方案如下：装置包括一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，该机构设于工作台；纳米流体微量润滑磨削机构，设于所述工件固定台上方；磨削力测量机构，包括测力仪和与测力仪连接的磨削力控制器，测力仪设于超声振动机构的底部。

权利要求

1.一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，包括：圆弧轨道底座，顶部设置弧形轨道；

可调转动体，底部设于弧形轨道，且可沿着弧形轨道旋转；

第一超声振动部件，设于可调转动体的中心；

第二超声振动部件，通过支架设于可调转动体表面的上方，且第二超声振动部件与可调转动体上表面相互平行，第二超声振动部件与第一超声振动部件垂直设置；

工件固定台，底部与第一超声振动部件、第二超声振动部件接触或连接，以将超声振动通过工件固定台传送给工件。

2.根据权利要求1所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，所述圆弧轨道底座设置蜗杆轴，所述可调转动体下表面设置与蜗杆轴配合的卡齿。

3.根据权利要求1所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，所述工件固定台底部设置超声波工具头，超声波工具头与第一超声振动部件、第二超声振动部件分别紧固连接，超声波工具头顶部设置圆弧面，圆弧面开有T型槽轨道。

4.根据权利要求1所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，所述第一超声振动部件包括第一换能器和第一变幅杆，在第一变幅杆外圆周设置超声波振子压盖，超声波振子压盖表面设置超声波振子固定座，且超声波振子固定座与可调转动体表面固定，第一换能器与超声波发生器连接；

进一步地，所述超声波振子固定座下表面突出设置，超声波振子压盖侧部或者圆周设置与超声波振子固定座下表面卡合的凸起。

5.根据权利要求1所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，所述支架包括超声波振子支架和超声波振子支架卡盖，二者接合面各自呈相互配合的L型设置；

或者，第二超声振动部件包括第二换能器和第二变幅杆，第二变幅杆卡设于所述的支架，第二换能器与超声波发生器连接。

6.根据权利要求1所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，其特征在于，所述圆弧轨道底座侧部设置旋转角度刻度线；

或者，所述弧形轨道为设于圆弧轨道底座表面的弧形T型轨，所述可调转动体底表面设有与T型轨配合的T型凹槽。

7.一种纳米流体微量润滑磨削装置，其特征在于，包括：

权利要求1-6中任一项所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，该机构底部设置测力仪，并设于工作台；

纳米流体微量润滑磨削机构，设于所述工件固定台上方；

磨削力测量机构，包括测力仪和与测力仪连接的磨削力控制器，测力仪设于超声振动机构的底部。

8.根据权利要求7所述的纳米流体微量润滑磨削装置，其特征在于，还包括磨削温度测量机构，该机构包括设于所述工件固定台的热电偶和与热电偶连接的磨削温度控制器；

或者，所述测力仪两侧分别设置测力仪垫块，所述工件固定台通过测力仪垫块与工作台固连。

9.根据权利要求7所述的纳米流体微量润滑磨削装置，其特征在于，所述纳米流体微量润滑磨削机构包括砂轮，砂轮上半段设置砂轮罩，砂轮罩两侧分别设置磁力吸盘，穿过磁力吸盘设置纳米流体输送管，纳米流体输送管底端设置朝向工件喷嘴。

10.一种对磨削加工区域提供最大限度冷却与润滑方法，其特征在于，采用根据权利要求7-9中任一项所述的纳米流体微量润滑磨削装置。

说明书

纳米流体微量润滑磨削装置

技术领域

[0001] 本发明涉及磨削加工领域，特别是涉及超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置。

背景技术

[0002] 随着机械、汽车、航空航天、光学器件等广阔的机械加工领域的不断发展，出现了一大批性能要求越来越高的零部件，精密和超精密加工技术占有越来越重要的地位。传统的磨削加工过程中产生较大的磨削力以及较高的磨削温度，加剧了砂轮的磨损和加工表面的损伤；严重制约着零件加工精度及加工效率，迫切需要新的磨削工艺来解决此类问题。超声振动辅助磨削的纳米流体润滑是解决此类问题的方法之一。

[0003] 超声振动磨削是建立在振动理论和切削理论等基础上的复合加工方法，这种磨削方法与以往的磨削根本区别在于磨削过程中由超声波发生器产生的高频电振荡信号经超声换能器转换成超声频机械振动，超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工具砂轮产生相应频率的振动，使刀具对工件进行周期性的切削，即工具砂轮在高速旋转磨削的同时也对其产生高频振动。当给工艺系统加上超声振动以后，磨粒与工件各接触表面的相互作用条件都与普通磨削有很大区别。超声振动磨削的特殊机理使磨削效率显著提高、磨削温度降低、砂轮的使用寿命延长，同时超声振动磨削改善了对难加工材料的磨削能力。而且超声振动促使磨粒产生断续切削作用，而冲击载荷促使工件材料更容易卷积，在切削区生成较多的微观裂纹扩展促使磨削力以及摩擦系数减小。磨削过程中材料的塑性变形主要发生在滑擦和耕犁作用阶段，由于超声振动磨削是一种脉冲式的断续磨削，促使滑擦和耕犁比例相对减小，从而比磨削能减小，表面热损伤也显著降低。

[0004] 微量润滑(Minimum quantity lubrication,MQL)是使用喷嘴将极少量的润滑液和压缩气体混合雾化后喷射到磨削区，起冷却润滑作用的一种磨削加工环保技术。当微量润滑液被喷射进入磨削区时，高压气体可以实现冷却和排屑作用，润滑液带走磨削加工产生的热量，降低磨削区的温度。而通过高压气体运输到砂轮工件界面的润滑液会黏附到工件和磨粒的表面，可以形成具有一定减摩抗磨效果的润滑油膜，可以起到良好的润滑效果，降低摩擦系数和比磨削能，从而降低磨削力。MQL加工技术可以说是结合了干式切削和浇注式磨削两者的优点。一方面，磨削液的用量极少，MQL单位砂轮宽度磨削液流量为30～100ml/h。这不仅磨削液的用量只有传统加工方法的千分之几甚至万分之几，而且润滑效果还有所提高。而且MQL磨削加工中采用的润滑液可以为自然降解性较好的合成酯或植物油，润滑液的处理的成本几乎为零，以及对环境的污染和人体的伤害极低。另一方面，与干磨削相比，由于加入了润滑介质，显著改善了磨削区的润滑状态，降低了砂轮与工件间的摩擦，有效的提高了加工效率。

[0005] 纳米流体微量润滑是对微量润滑的一个升级与强化，其主要突出点为：在微量润滑的基础上，在可降解的基础油中添加适量的纳米粒子，从而配制成纳米流体，然后与高压气体混合雾化后由喷嘴以小液滴的形式喷射到磨削区，进行冷却润滑作用。纳米流体微量润滑磨削便是根据上述理论，提出的一种新型高效、环保、清洁、低碳的润滑方式。喷射到磨削区的纳米流体和压缩气体的混合物，其中压缩气体起到冷却、排屑和携带润滑液的作用；而纳米流体扮演润滑和减摩抗磨的作用。纳米流体MQL不仅解决了磨削区润滑液冷却性能的不足，更对润滑性能有着显著的提升。虽然纳米流体微量润滑有如此好的冷却润滑效果，但是与浇注式润滑方式相比较，纳米流体很难对工作中的磨粒形成全方位的润滑，具体来说，纳米流体很难进入到磨粒与工件之间的间隙以及磨粒与磨屑之间的间隙，而产生大量磨削热，进而在工件表面产生严重的表面烧伤，也加剧磨屑对磨粒的粘附和砂轮的堵塞。

[0006] 现有技术中公开了一种超声振动三维螺线磨削方法，其砂轮轴向的超声振动使磨粒在工件表面上的轨迹相互干涉，从而实现了粗糙度的降低；同时砂轮径向的超声振动导致磨粒的最大切削深度增加，磨粒发生断续性切削作用，从而实现磨削力的降低以及材料去除率的提高。该方法可提高加工表面质量，减少表面损伤，提高生产效率，因此适用于难加工材料的高效精密加工。但是此方法只能实现在纯径向的超声振动，随着磨削深度的增加，并不能实现砂轮与工件最大限度的分离，磨削液不能最大限度的浸润砂轮与工件，不能充分发挥纳米流体的冷却润滑效果，工件表面烧伤没有得到解决。

[0007] 现有技术公开了一种超声振动辅助磨削加工整体硬质合金刀具的磨削工艺。该磨削工艺利用超声振动有助于排屑和散热的优点，避免了局部瞬时温度高，并通过优化整体硬质合金刀具磨削参数，有效防止磨削裂纹及磨削烧伤的产生，加工的表面质量好。但是此磨削工艺没有将纳米流体微量润滑与超声振动耦合，没有使超声振动对纳米流体的润滑效果得到提升，冷却润滑效果较差。

[0008] 现有技术公开了一种超声波振动辅助磨削的纳米流体微量润滑实验系统及方法，包括：磁力工作台，工件夹具，测力仪和超声波振动装置；超声波振动装置包括：切向超声波振动装置、轴向超声波振动装置、可振动底座和固定在可振动底座上的径向压电陶瓷片；切向超声波振动装置和轴向超声波振动装置分别固定在可振动底座上；同时分别通过支架固定在磁力工作台上，测力仪固定在可震动底座上，工件夹具固定于测力仪上；该实验系统实现了磨削力和磨削温度的同时在线检测，即节省了时间，又避免了因多次装配而引起的加工误差。但是该装置的径向超声振动仅由压电陶瓷片提供，径向超声振动不可靠；该装置中超声波振子支架的加工制造成本高，超声波振子在支架上的安装固定方式不方便。

[0009] 综上，现有技术中没有将超声振动施加在平行于砂轮与工件的接触弧长中点的切线方向和垂直于切线方向上，没有从微观角度且是在超声振动条件下，针对磨粒磨削的磨屑厚度和砂轮与工件的接触弧长对微量润滑的影响进行研究。而未变形磨屑厚度对磨削过程有较大的影响，它不仅影响到作用在磨粒上力的大小，同时也影响到磨削比能的大小以及磨削区的温度，从而造成对砂轮的磨损以及对加工表面完整性的影响。而且在工件进给速度低的情况下，能量转换慢，磨削深度大，砂轮与工件的接触弧长较长接触面积大，磨粒所经历的时间长，能量的一部分缓慢地传导给工件，易引起工件表面烧伤。

[0010] 因此，需要对超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置进行新的研究设计。

发明内容

[0011] 为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，该机构提供超声振动的方向不再局限于水平面内二维任意角度和空间三维固定方向，而是从微观角度以磨粒对工件的切削过程为主要研究对象，实现超声波振子空间位置的调整。

[0012] 一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构的具体方案如下：

[0013] 一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，包括：

[0014] 圆弧轨道底座，顶部设置弧形轨道；

[0015] 可调转动体，底部设于弧形轨道，且可沿着弧形轨道旋转；

[0016] 第一超声振动部件，设于可调转动体的中心；

[0017] 第二超声振动部件，通过支架设于可调转动体表面的上方，且第二超声振动部件与可调转动体上表面相互平行，第二超声振动部件与第一超声振动部件垂直设置；

[0018] 工件固定台，底部与第一超声振动部件、第二超声振动部件接触或连接，以将超声振动通过工件固定台传送给工件。

[0019] 该机构通过可调转动体与两个超声振动部件固定，通过可调转动体的旋转带动两个超声振动部件的旋转，从而实现对超声振动的空间位置是变化的，将该机构应用于纳米流体微量润滑磨削时，是可以适应不同垂直进给量引起砂轮与工件接触弧长的变化。

[0020] 进一步地，所述圆弧轨道底座设置蜗杆轴，所述可调转动体下表面设置与蜗杆轴配合的卡齿，蜗杆轴为主动轴，从而实现超声振动方向的调整，同时可实现自锁，两端采用深沟球轴承安装，有效保证超声振动方向调节的准确性和可靠性。

[0021] 进一步地，所述工件固定台底部设置超声波工具头，超声波工具头与第一超声振动部件、第二超声振动部件分别紧固连接，超声波工具头顶部设置圆弧面，圆弧面开有T型槽轨道并开有螺纹，其中，T型槽轨道设于超声波工具头的两侧，螺纹设于两侧T型槽轨道之间，T型槽轨道起导向和连接作用，通过螺纹实现与可转动工件固定台的角度调节，超声波工具头顶部与工件固定台底部表面相配合适应。可调转动体弧形轨道和超声振动工具头圆弧面所在的圆柱面为同心圆柱面，目的是为了可调转动体和超声振动工具头转动一定角度后，保证可转动工件固定台保持水平且空间位置不变时其角度刻度盘上的读数与圆弧轨道底座角度刻度盘上的读数相同，两个超声振动机构分别为水平方向和竖直方向时，振动方向角度标为0°。

[0022] 进一步地，所述第一超声振动部件包括第一换能器和第一变幅杆，可调转动体中心开有凹槽以设置第一换能器，第一变幅杆设于第一换能器顶部，在第一变幅杆外圆周设置超声波振子压盖，超声波振子压盖表面设置超声波振子固定座，且超声波振子固定座与可调转动体表面固定，第一换能器与超声波发生器连接，具体通过垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的负极铜片和垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的正极铜片与超声波发生器连接。

[0023] 进一步地，所述超声波振子固定座下表面突出设置，超声波振子压盖侧部或者圆周设置与超声波振子固定座下表面卡合的凸起，凸起或者可替换为凸圈。

[0024] 进一步地，所述支架包括超声波振子支架和超声波振子支架卡盖，二者接合面各自呈相互配合的L型设置，轴向方向采用螺钉夹紧超声波振子，超声波振子支架卡盖从径向进行固定，该结构大大方便了超声波振子的安装固定，也大大降低了超声波振子支架和超声波振子固定卡盖的加工制造成本。

[0025] 或者，第二超声振动部件包括第二换能器和第二变幅杆，第二变幅杆与第二换能器固连，第二变幅杆卡设于所述的支架，第二换能器与超声波发生器连接，具体通过平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的负极铜片和平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的正极铜片与超声波发生器连接。

[0026] 进一步地，所述圆弧轨道底座侧部设置旋转角度刻度线；

[0027] 或者，所述弧形轨道为设于圆弧轨道底座表面的弧形T型轨，所述可调转动体底表面设有与T型轨配合的T型凹槽，T型凹槽与卡齿设于可调转动体下表面的两侧，相应，蜗杆轴同样设于圆弧轨道底座的一侧与卡齿配合，圆弧轨道底座表面另一侧为所述的弧形轨道。

[0028] 为了克服现有技术的不足，本发明还提供了超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置，包括：

[0029] 所述的一种可调节超声波振子空间位置的超声振动机构，该机构底部设置测力仪，并设于工作台；

[0030] 纳米流体微量润滑磨削机构，设于所述工件固定台上方；

[0031] 磨削力测量机构，包括测力仪和与测力仪连接的磨削力控制器，测力仪设于超声振动机构的底部。

[0032] 本发明将超声振动施加在砂轮与工件接触弧长中点的切线方向和垂直于切线方向上，在其他磨削条件和超声振动条件一定时，可使砂轮与工件的分离间隙和分离时间大程度地提高，进而在磨削区形成微通道浸润的条件，即砂轮与工件分离时，纳米流体可充分进入磨削区。从单颗磨粒层面分析，超声振动的作用使磨粒对工件的切削为断续切削，此过程中，磨粒在工件上切削出沟槽后与工件分离时，相对大量纳米流体填充进沟槽，对工件表面起到充分地冷却润滑作用。

[0033] 当再次进入切削阶段时，沟槽内存储的纳米流体对进一步切削起到充分的冷却润滑作用。充足的纳米流体的润滑会减少磨屑对磨粒的粘附，这些粘附物在磨削开始阶段首先粘附在磨粒表面，随后受到反复变化的磨削力作用，有一部分粘附物会脱落在工件表面，而后又在磨削产生的高温高压作用下受磨粒碾压粘附在工件表面，所以在超声振动的辅助作用下，不仅改善了砂轮堵塞情况，也提高了工件表面的光洁度。

[0034] 进一步地，还包括磨削温度测量机构，该机构包括设于所述工件固定台的热电偶和与热电偶连接的磨削温度控制器；

[0035] 或者，所述测力仪两侧分别设置测力仪垫块，所述工件固定台通过测力仪垫块与工作台固连，工作台为磁力工作台。

[0036] 进一步地，所述纳米流体微量润滑磨削机构包括砂轮，砂轮上半段设置砂轮罩，砂轮罩两侧分别设置磁力吸盘，穿过磁力吸盘设置纳米流体输送管，纳米流体输送管底端设置朝向工件喷嘴。

[0037] 为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种对磨削加工区域提供最大限度冷却与润滑方法，采用所述的超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置。

[0038] 步骤一，砂轮运行开始进行磨削，纳米流体与压缩空气进入喷嘴，在喷嘴内经混合加速后形成三相流：压缩空气、固体纳米粒子和基油粒子的混合流后喷出，喷嘴与工件距离定d为15～25cm，喷嘴角度α定为15°～30°；

[0039] 步骤二，超声振动机构运行，换能器将来自超声波发生器产生的高频电振荡信号转变为超声频机械振动，进而超声振动振幅由变幅杆放大后驱动工件夹具和工件产生相应频率的振动，所用超声振子振动频率为18.9KHz～20KHz，超声振子变幅杆前端最大振幅为8μm～10μm；

[0040] 步骤三，磁力工作台在水平方向进给，开始进入磨削阶段，砂轮对工件磨削，从微观角度磨粒对工件开始切削，在两个方向超声振动作用下，砂轮对工件间断性磨削，两方向振动到远离极限位置时，砂轮与工件分离间隙最大，达到形成微通道的条件，此时大量纳米流体进入微通道，对工件和砂轮起到良好的浸润效果；

[0041] 步骤四，两个方向超声振动向靠近工件振动的极限位置的过程中，砂轮磨粒对工件切削，此时微通道内大量的纳米流体带走大量磨削热，对进一步的磨削起到良好的冷却润滑作用；

[0042] 步骤五，当超声振动再次使砂轮远离工件时，在之前微通道内纳米流体对磨削区的良好冷却润滑条件下，再加上砂轮是对工件的断续磨削，使得磨屑对磨粒的粘附作用大大降低，从而大大改善了砂轮堵塞情况。当然，这一切良好磨削效果都是建立在超声振动使砂轮与工件之间形成微通道浸润的基础上的。

[0043] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0044] 1)通过装置可应用于缓进给磨削，可有效减轻磨削表面烧伤。该机构在纳米流体微量润滑基础上，在超声振动辅助下，以微通道浸润机理为理论依据，通过调整可调转动体的位置，实现超声振动空间位置的调整，达到提高磨削区的纳米流体微量润滑效果和充分提高纳米流体利用率的目的。

[0045] 2)本发明装置具有微量润滑技术的所有优点，并考虑工件表面的形貌特征和纳米流体的利用率，超声振动更大限度地发挥了纳米流体微量润滑的作用的，有效解决了磨削烧伤，提高了纳米流体的利用率。

[0046] 3)相对于其它振动方向，在垂直于砂轮与工件的接触弧长切线的方向上的振动能获得砂轮与工件之间更大的分离间隙和分离时间，从而在砂轮与工件之间更易形成微通道(微通道，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10～1000μm的换热器)和良好的进入条件，进一步，使纳米流体得以充分进入到磨削区，大大提高纳米流体的润滑冷却效果和纳米流体的有效利用率。它在继承了超声振动辅助纳米流体微量润滑磨削的所有优点基础上，从微观角度上充分考虑了单颗磨粒在磨削过程中去除材料时的润滑状态，有效地实现了超声振动辅助磨削对提高纳米流体微量润滑冷却润滑效果的作用。

[0047] 4)本发明装置有效改善了砂轮堵塞状况，提高了纳米流体的利用率，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

[0048] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0049] 图1为基于超声振动辅助磨削液微通道浸润机理的纳米流体微量润滑磨削实验装置轴测图；

[0050] 图2为第一种实施例的第Ⅰ部分超声振动装置轴测图；

[0051] 图3为第一种实施例的第Ⅰ部分超声振动装置俯视图；

[0052] 图4为第一种实施例的第Ⅰ部分超声振动装置左视图；

[0053] 图5为图4的剖视图；

[0054] 图6为第二种实施例的第Ⅰ部分超声振动装置正视图；

[0055] 图7为第Ⅱ部分纳米流体微量润滑磨削装置轴测图；

[0056] 图8为第Ⅲ部分磨削力、磨削温度在线测量装置轴测图；

[0057] 图9为垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声波振子与超声波振子支架安装示意图；

[0058] 图10为工件定位夹紧装置结构示意图；

[0059] 图11(a)为垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声波振子安装装配图；

[0060] 图11(b)为图11(a)A-A截面剖视图；

[0061] 图12(a)为单颗磨粒切削工件侧视图；

[0062] 图12(b)为单颗磨粒切削工件立体图；

[0063] 图13为磨削时磨屑体积的换算示意图；

[0064] 图14为超声振动方向角度计算示意图；

[0065] 图15(a)为平行于和垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动辅助磨削的砂轮与工件相对运动示意图；

[0066] 图15(b)为平行于和垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；

[0067] 图15(c)为垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；

[0068] 图15(d)为平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；

[0069] 图15(e)为切向和轴向组合的超声波振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；

[0070] 图15(f)为切向和轴向组合的超声波振动砂轮磨粒研磨工件相对运动轨迹；

[0071] 图16为不同超声振动方向下砂轮与工件分离间隙比较示意图；

[0072] 图17(a)为未施加超声振动时磨削区的微通道示意图；

[0073] 图17(b)为施加超声振动时磨削区的微通道示意图；

[0074] 图18为四种实施例的超声波发生器控制图；

[0075] 其中，Ⅰ-1-测力仪，Ⅰ-2-测力仪连接螺母，Ⅰ-3-测力仪输出连接螺母，Ⅰ-4-圆弧轨道底座，Ⅰ-5-可调转动体，Ⅰ-6-垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的负极铜片，Ⅰ-7-垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的换能器，Ⅰ-8-超声波振子支架固定螺钉，Ⅰ-9-垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆，Ⅰ-10-超声波振子支架，Ⅰ-11-超声波振子支架卡盖，Ⅰ-12-平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的负极铜片，Ⅰ-13-超声波振子支架卡盖螺栓，Ⅰ-14-超声波振子支架卡盖螺母，Ⅰ-15-平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的换能器，Ⅰ-16-平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的正极铜片，Ⅰ-17-工件轴向定位螺钉，Ⅰ-18-工件夹具固定螺钉，Ⅰ-19-工件，Ⅰ-20-工件夹具，Ⅰ-21-工件切向定位螺钉，Ⅰ-22-可转动工件固定台，Ⅰ-23-可转动工件固定台调节螺钉，Ⅰ-24-超声波工具头，Ⅰ-25-平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆，Ⅰ-26-轴承上盖，Ⅰ-27-轴承端盖螺钉，Ⅰ-28-轴承端盖，Ⅰ-29-测力仪连接螺栓，Ⅰ-30-测力仪垫块，Ⅰ-31-测力仪垫块固定螺钉，Ⅰ-32-轴承上盖固定螺钉，Ⅰ-
33-调节手柄，Ⅰ-34-蜗杆轴连杆，Ⅰ-35-深沟球轴承，Ⅰ-36-蜗杆轴，Ⅰ-37-套杯，Ⅰ-38-垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆连接螺柱，Ⅰ-39-平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆连接螺柱，Ⅰ-40-垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的正极铜片，Ⅰ-41-轴承端盖螺钉，Ⅰ-42-轴承端盖，Ⅰ-43-减速蜗轮，Ⅰ-44-轴承座，Ⅰ-45-平键，Ⅰ-46-蜗杆轴，Ⅰ-
47-工件定位挡块，Ⅰ-48-紧定螺钉，Ⅰ-49-超声波振子压盖固定螺钉，Ⅰ-50-超声波振子压盖，Ⅰ-51-超声波振子固定座，Ⅱ-1-砂轮罩，Ⅱ-2-磁力吸盘，Ⅱ-3-砂轮，Ⅱ-4-纳米流体输送管，Ⅱ-5-压缩空气输送管，Ⅱ-6-喷嘴，Ⅱ-7-磁力工作台，Ⅲ-1-磨削力控制器，Ⅲ-2-磨削力信息采集仪，Ⅲ-3-放大器，Ⅲ-4-热电偶，Ⅲ-5-磨削温度信息采集仪，Ⅲ-6-磨削温度控制器，Ⅲ-7-低通滤波器，Ⅲ-8-超声波发生器，Ⅲ-9-负极导线，Ⅲ-10-正极导线。

具体实施方式

[0076] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0077] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0078] 正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置。

[0079] 本申请的一种典型的实施方式中，本发明的第一种实施例如图1至图5、图7至11、图15(a)和图15(e)及图18所示，是主要应用于往复式高速超高速磨削中，此时调节角度为0°，是关于平行于磨削方向的切向和垂直于磨削方向的轴向耦合超声振动辅助纳米流体微量润滑磨削机构及其磨削力、磨削温度测量机构。

[0080] 如图1所示，基于超声振动辅助磨削液微通道浸润机理的纳米流体微量润滑磨削实验装置由超声振动机构Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削机构Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量机构Ⅲ三部分构成。

[0081] 如图2所示，圆弧轨道底座Ⅰ-4由四个测力仪连接螺栓Ⅰ-29固定在测力仪Ⅰ-1上表面，可调转动体Ⅰ-5与圆弧轨道底座Ⅰ-4由T型连接固定导轨；垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的换能器Ⅰ-7由可调转动体Ⅰ-5上平面上的圆形槽提供轴向和径向固定，垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-9与超声波工具头Ⅰ-24直接通过螺柱连接固定；超声波振子支架Ⅰ-10通过两个超声波振子支架螺钉Ⅰ-8连接固定在可调转动体Ⅰ-5上；超声波振子支架Ⅰ-10和超声波振子支架卡盖Ⅰ-11对超声波振子的安装固定，轴向由超声波振子支架卡盖螺栓Ⅰ-13和超声波振子支架卡盖螺母Ⅰ-14固定，径向利用超声波振子支架卡盖Ⅰ-11固定夹紧；平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-25与超声波工具头Ⅰ-24直接通过螺柱连接固定；超声波工具头Ⅰ-24与可转动工件固定台Ⅰ-22由可转动工件固定台调节螺钉Ⅰ-23和紧定螺钉Ⅰ-48固定；工件夹具Ⅰ-20通过三个成L形排列的夹具螺钉Ⅰ-18固定在可转动工件固定台Ⅰ-22上。

[0082] 如图5所示，蜗杆轴Ⅰ-46由两个深沟球轴承支承固定在圆弧轨道底座上，蜗杆轴一端有键槽，用于安装固定减速蜗轮Ⅰ-43；固定支承蜗杆轴Ⅰ-46两个深沟球轴承的轴向固定方式采用两端固定安装，安装有减速蜗轮一端的深沟球轴承外圈由圆弧轨道底座上轴承座部分给予固定，内圈由蜗杆轴轴肩固定；另一个深沟球轴承外圈由轴承端盖固定，内圈由蜗杆轴Ⅰ-46轴肩固定。固定支承减速蜗轮Ⅰ-43的两个深沟球轴承也采用两端固定安装方式，一个轴承安装在圆弧轨道底座的圆形槽内，另一个安装在轴承座内，轴承座直接由螺钉固定在圆弧轨道底座上。

[0083] 如图7所示，纳米流体微量润滑磨削机构包含砂轮罩Ⅱ-1、磁力吸盘Ⅱ-2、砂轮Ⅱ-3、纳米流体输送管Ⅱ-4、压缩空气输送管Ⅱ-5、喷嘴Ⅱ-6、磁力工作台Ⅱ-7，其中砂轮罩Ⅱ-
1两侧各有一个磁力吸盘Ⅱ-2，用来固定纳米流体输送管Ⅱ-4和压缩空气输送管Ⅱ-5；纳米流体输送管Ⅱ-4和压缩空气输送管Ⅱ-5在喷嘴Ⅱ-6处汇合，使纳米流体与压缩空气在喷嘴Ⅱ-6内腔充分混合后形成气雾喷到砂轮Ⅱ-3与工件Ⅰ-12界面磨削起到润滑冷却的作用。

[0084] 如图8所示，测力仪Ⅰ-1通过测力仪垫块固定螺钉Ⅰ-31与测力仪垫块Ⅰ-30连接，测力仪垫块Ⅰ-30借助磁力吸附固定在磁力工作台Ⅱ-7上；磨削力测量机构包含磨削力控制器Ⅲ-1、磨削力信息采集仪Ⅲ-2、放大器Ⅲ-3和测力仪Ⅰ-9，当工件Ⅰ-19受到磨削力时，测量信号经放大器Ⅲ-3放大后传给磨削力信息采集仪Ⅲ-2，最后传到磨削力控制器Ⅲ-1(该控制器为带显示屏的可编程控制器)，并显示磨削力的大小；磨削温度测量机构包含热电偶Ⅲ-4、磨削温度信息采集仪Ⅲ-5、低通滤波器Ⅲ-7、磨削温度控制器Ⅲ-6，测量信号经热电偶Ⅲ-4传给磨削温度信息采集仪Ⅲ-5，然后传到低通滤波器Ⅲ-7，将干扰信号过滤，最后传到磨削温度控制器Ⅲ-6(该控制器为带显示屏的可编程控制器)，并显示热电偶Ⅲ-4工作端温度即工件Ⅰ-19的温度。超声波发生器Ⅲ-8同时为垂直于砂轮和工件接触弧长切线方向的换能器Ⅰ-7和平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的换能器Ⅰ-15提供超声频电信号，超声频电信号通过正极导线Ⅲ-10和负极导线Ⅲ-9传递给换能器上的正负极铜片。

[0085] 如图9所示，平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15与超声波振子支架Ⅰ-10的安装方式，超声波振子支架Ⅰ-10设有与平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15形状相同的锥形面，对平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15起到定位作用；超声波振子支架Ⅰ-10上和超声波振子支架卡盖Ⅰ-11设有与平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15定位轴肩半径相同的圆形槽，对平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15起到固定夹紧作用；超声波振子支架Ⅰ-10上和超声波振子支架卡盖Ⅰ-11上均开有螺栓孔，超声波振子支架卡盖螺栓Ⅰ-13和超声波振子支架卡盖螺母Ⅰ-14将平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆Ⅰ-15固定在超声波振子支架Ⅰ-10和超声波振子支架卡盖Ⅰ-11之间；此种安装方式大大降低了超声波振子支架Ⅰ-10和超声波振子支架卡盖Ⅰ-11的加工制造难度和加工成本，也方便了平行于砂轮和工件接触弧长切线方向的变幅杆的安装固定。

[0086] 如图10所示，可转动工件固定台Ⅰ-22上的工件夹具Ⅰ-20通过三个成L形排列的工件夹具固定螺钉Ⅰ-18定位夹紧；工件Ⅰ-19的轴向通过工件定位挡块Ⅰ-47和两个工件轴向定位螺钉Ⅰ-17实现定位夹紧；切向通过两个工件切向定位螺钉Ⅰ-21实现定位夹紧；使用工件定位挡块Ⅰ-47是因为工件Ⅰ-12的大小不一，仅通过两个工件轴向定位螺钉Ⅰ-17难以让工件Ⅰ-19保持稳定，因此通过工件定位挡块Ⅰ-47可以让不同大小的工件Ⅰ-19实现稳定装夹。

[0087] 如图11(a)和图11(b)所示，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声波振子的变幅杆Ⅰ-9由超声波振子固定座Ⅰ-51和超声波振子压盖Ⅰ-50固定，超声波振子固定座Ⅰ-51和超声波振子压盖Ⅰ-50由超声波振子压盖固定螺钉Ⅰ-49连接固定，变幅杆Ⅰ-9与超声波振子固定座Ⅰ-51之间的配合为紧配合，以保证超声波振子径向固定的可靠性。

[0088] 本发明第二种实施例，第二种实施例为本实验装置应用于缓进给磨削，第二种实例中的超声振动机构Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削机构Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量机构Ⅲ均与第一种实施例相同，仅控制超声波发生器即可实现，通过控制超声波发生器Ⅲ-8仅输出垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向超声波信号，产生垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动，平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声波振子不工作，根据不同垂直进给量，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的角度也不同，通过转动调节手柄Ⅰ-33，使可调转动体转动一个角度，此角度即为砂轮与工件接触弧长中点与砂轮圆心连线和垂直于水平面的夹角α，如图13所示，α的计算过程如下，

[0089] 由

[0090]

[0091] 得

[0092]

[0093] 其中，ds为砂轮直径，取ds＝300mm；

[0094] ap为垂直进给量，取ap＝10mm；

[0095] 代入(2)，解得α＝10.5°。

[0096] 利用极限思维，取垂直进给量与砂轮半径相同，径向超声振动比垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动所使砂轮与工件之间的分离间隙小得多，具体如图16所示，图中面积S1＝4469.82mm2，面积S2＝5892.68mm2，通过计算可知分离间隙提高了31.83％，所以大大满足砂轮与工件之间形成微通道的条件，提高了纳米流体对磨削区的浸润效果，进而提高对磨削区的冷却润滑效果。超声振动施加在此方向上时，可使得砂轮与工件的分离间隙和分离时间最大，进而使砂轮与工件之间形成微通道，大大提高了纳米流体对磨削区的浸润效果，进而提高对磨削区的冷却润滑效果。

[0097] 本发明第三种实施例，第三种实施例为本实验装置应用于缓进给磨削，第三种实例中的超声振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第二种实施例相同，仅控制超声波发生器即可实现，通过控制超声波发生器Ⅲ-8输出两个方向超声波信号，产生垂直于和平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动，从而产生如图15(b)所示的砂轮Ⅱ-3磨粒与工件Ⅰ-19的相对运动轨迹。此实施例的二维超声振动可改变磨屑的最大未变形切削厚度和磨屑的平均厚度，提高了材料去除率，为微通道浸润提高良好的条件，使纳米流体对砂轮和工件浸润更加充分，因此大大提高了冷却润滑效果和纳米流体利用率，磨削时磨屑体积的换算示意图如图13所示，相关计算如下：

[0098] 根据体积不变原则推导出，平面磨削未变形磨屑的最大厚度

[0099]

[0100] Ns——砂轮单位面积有效磨刃数；

[0101] C——磨屑宽度与磨屑厚度之比，即C＝bg/ag。

[0102] 以相似矩形六面体代替鱼状体的磨屑，则

[0103]

[0104] 式中V0——每一颗磨粒的体积；

[0105] Vw——磨除的工件材料的体积。

[0106] 式(4)可写为

[0107]

[0108] 式中 ——磨屑平均宽度， (C为比例系数，与磨粒顶锥角大小有关)；

[0109] ——磨屑平均厚度，

[0110] ls——未变形磨屑长度，其数值可按几何接触长度公式求得，即

[0111] 于是由式(4)可导出

[0112]

[0113] 或

[0114]

[0115] 本发明第四种实施例，第四种实施例为本实验装置应用于缓进给磨削，第四种实例中的超声振动装置Ⅰ、纳米流体微量润滑磨削装置Ⅱ以及磨削力、磨削温度测量装置Ⅲ均与第二种实施例相同，仅控制超声波发生器即可实现，通过控制超声波发生器Ⅲ-8仅输出平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向超声波信号，产生平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声振动，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向的超声波振子不工作，从而产生如图15(d)所示的砂轮Ⅱ-3磨粒与工件Ⅰ-19的相对运动轨迹。此方向的超声振动可通过增加砂轮与工件的作用面积即增加磨削弧长，以实现增加单位时间参与切削的磨粒数量，这样提高了材料去除率，同时也在不增加宏观磨削作用力的条件下提高磨粒的磨削能力。

[0116] 如图16所示，220V的交流电源为超声波发生器Ⅲ-8中的振荡级、功率级以及相位检测部分供电，振荡级产生超声频信号后经放大级放大，通过功率级提高超声信号的功率，然后通过阻抗匹配传递给换能器，采样信号反馈将超声波发生器Ⅲ-8的输出功率与换能器功率比较，若不相等，则将信号反馈给振荡级和功率级，来产生与换能器相等的功率；相位检测与相位调整部分可以检测控制两个方向的超声振动的相位，以此来实现不同的相位差，从而产生不同的运动轨迹。

[0117] 如图15(a)和图15(b)所示，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向和平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向组合的超声振动辅助纳米流体微量润滑磨削砂轮磨粒与工件相对运动轨迹，为仿研磨运动轨迹；这种相对运动轨迹也是通过超声波发生器中的相位调整环节产生，当相位差为π/2时，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向和平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向超声振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹；

[0118] 如图15(e)和图15(f)所示，相对砂轮而言，为切向振动和轴向振动组合的超声振动辅助纳米流体微量润滑磨削砂轮磨粒与工件相对运动轨迹，共有两种相对运动轨迹，分别为仿研磨运动轨迹和仿珩磨运动轨迹；这两种相对运动轨迹是通过超声波发生器中的相位调整环节产生，当相位差为π/2时，切向超声振动与轴向超声振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成椭圆形相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿研磨的运动轨迹；当相位差为0和π时，切向超声振动与轴向超声振动耦合，使砂轮磨粒与工件形成两组直线相互交叉的相对运动轨迹，加以磁力工作台的进给方向，形成仿珩磨的运动轨迹。

[0119] 本方案具体工作过程如下：

[0120] 以第二种实施例为例，超声波发生器Ⅲ-8产生与垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-7和平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-15功率相匹配的超声频电信号，经过负极导线Ⅲ-9和正极导线Ⅲ-10传递给垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-7或平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-15，垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-7与平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向换能器Ⅰ-15将超声频电信号转变为超声频的机械振动后传递给各自方向的变幅杆，经由变幅杆将超声频机械振动的振幅放大一定倍数后传递给超声波工具头Ⅰ-24和可转动工件固定台Ⅰ-22，从而带动工件Ⅰ-19与砂轮磨粒产生相对运动轨迹。通过控制如图16所示的超声波发生器Ⅲ-8中的相位调整环节，使垂直于砂轮与工件接触弧长中点切线方向超声波振子与平行于砂轮与工件接触弧长中点切线方向超声波振子产生不同相位差的超声振动信号。在第一种、第三种和第四种实施例中通过调整可调转动体Ⅰ-5的角度，和通过控制超声波发生器Ⅲ-8，进一步改变砂轮与工件的相对运动轨迹和使分离间隙的最大化，使得仿研磨与仿珩磨运动轨迹的纹路更加致密，使磨削液对磨削区的浸润更加充分，从而减轻磨削烧伤，得到理想的工件表面质量和磨削效果。

[0121] 砂轮Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-19产生的磨削力经工件夹具Ⅰ-20传递给测力仪Ⅰ-1，切向磨削力、法向磨削力和轴向磨削力通过三种相同的路径传递到测力仪Ⅰ-1上，测量信号经放大器Ⅲ-3放大后传给磨削力信息采集仪Ⅲ-2，最后传到磨削力控制器Ⅲ-1，并显示磨削力的大小。

[0122] 砂轮Ⅱ-3磨削工件Ⅰ-19产生的磨削温度经热电偶Ⅲ-5传给磨削温度信息采集仪Ⅲ-5，然后传到低通滤波器Ⅲ-7，将干扰信号过滤，最后传到磨削温度控制器Ⅲ-6，并显示热电偶Ⅲ-4工作端温度即工件Ⅰ-19的温度。

[0123] 待超声振动装置完成实验加工任务之后，磁力工作台Ⅱ-7消磁，测力仪Ⅰ-1及整个装备即可卸下。

[0124] 超声振动辅助磨削液微通道浸润机理：

[0125] 如图17(a)所示，未施加超声振动时砂轮与工件之间虽然存在有微通道，但是此微通道尺寸很小，甚至有些达不到微通道的形成条件，且纳米流体很难进入到微通道内，难以对砂轮和工件全面充分地浸润。图17(b)所示，超声振动使得砂轮与工件间断性分离，超声振动的振幅为8～10μm，砂轮与工件分离间隙达到8～10μm，满足微通道浸润的条件；同时纳米流体持续性供给，当砂轮与工件分离时，纳米流体通过砂轮与工件分离时的泵吸作用进入砂轮与工件之间形成的微通道，微通道的内壁由砂轮外圆表面和工件犁耕区构成，内壁表面均为非光滑表面，使得进入到微通道内的纳米流体的流动性较差，从而纳米流体可在微通道内相对地大量存储，对此次砂轮与工件分离之前的磨削提供充分冷却，也为进一步磨削提供充分的润滑。磨粒的断续切削和充分的冷却润滑都大大降低了磨削热，解决了工件表面磨削烧伤，提高了工件表面质量，同时也有效减少了磨屑对磨粒的粘附，改善了砂轮堵塞状况。

[0126] 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。