專利名稱：納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及磨削加工中工件表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)裝置，特別涉及一種納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
目前，磨削加工大量使用潤(rùn)滑劑，也稱作澆注式磨削，對(duì)環(huán)境和工人健康傷害很大。由于環(huán)保要求，潤(rùn)滑劑的廢液必須經(jīng)過(guò)處理、達(dá)標(biāo)后才能排放，廢液處理耗資巨大，高達(dá)潤(rùn)滑劑成本的54%，使人們不得不對(duì)潤(rùn)滑劑作重新評(píng)價(jià)。德國(guó)對(duì)汽車制造廠作過(guò)調(diào)查，得到的結(jié)果是工具費(fèi)用只占加工成本的2% -4% ;但與潤(rùn)滑劑有關(guān)的費(fèi)用，卻占成本的7% _17%，是工具費(fèi)用的3-5倍。機(jī)械加工中的能量消耗，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)需要的動(dòng)力只占20%，與冷卻潤(rùn)滑有關(guān)的能量消耗卻占53%。這說(shuō)明由于“環(huán)保和低碳”的要求，潤(rùn)滑劑的廉價(jià)優(yōu)勢(shì)已不存在，已經(jīng)變成影響生產(chǎn)發(fā)展的障礙。為保護(hù)環(huán)境、降低成本而有意識(shí)地完全停止使用潤(rùn)滑劑的干式磨削應(yīng)運(yùn)而生。干式磨削由于拋棄了潤(rùn)滑劑的使用，其環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)比銑削、車削、鉆削等加工方法大得多，在砂輪/工件界面產(chǎn)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(huì)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(rùn)滑劑，不僅使加工工件表面質(zhì)量惡化，而且砂輪使用壽命大幅度降低，甚至報(bào)廢失效。微量潤(rùn)滑技術(shù)是在確保潤(rùn)滑性能和冷卻效果的前提下，使用最小限度的潤(rùn)滑劑。微量潤(rùn)滑磨削是在高壓氣體中混入微量的潤(rùn)滑劑，靠高壓氣流混合霧化后進(jìn)入高溫磨削區(qū)。高壓氣流起到冷卻、排屑的作用，潤(rùn)滑油黏附在工件的加工表面，形成一層保護(hù)膜，起到微量潤(rùn)滑的作用。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(qū)溫度強(qiáng)化換熱的需要，工件的加工質(zhì)量和砂輪壽命比傳統(tǒng)澆注式磨削明顯降低，說(shuō)明微量潤(rùn)滑技術(shù)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。由強(qiáng)化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠(yuǎn)大于液體和氣體。常溫下固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比液體、氣體等流體材料大幾個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高?？墒牵捎诠腆w物質(zhì)流動(dòng)性差，既難于參與磨削過(guò)程，又很難帶走熱量，所以還沒(méi)有得到重視。既有固體材料參與潤(rùn)滑劑的強(qiáng)化換熱，又使?jié)櫥瑒┲械墓腆w材料有良好的流動(dòng)性能和穩(wěn)定性能的納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削新工藝由實(shí)用新型者提出并申請(qǐng)了相關(guān)專利。在相同體積含量下，納米粒子的表面積和熱容量遠(yuǎn)大于毫米或微米級(jí)的固體粒子，因此將納米粒子和潤(rùn)滑劑充分混合后制成納米流體，納米流體的導(dǎo)熱能力將大幅度增加。再加上納米材料的小尺寸效應(yīng)，其行為接近于流體分子，納米粒子強(qiáng)烈的布朗運(yùn)動(dòng)有利于其保持穩(wěn)定懸浮而不沉淀，具有優(yōu)異的流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能和成份均一性能。此外，納米粒子優(yōu)良的潤(rùn)滑特性又有助于提高磨削砂輪/工件界面的摩擦學(xué)特性，降低磨削力和磨削比能，使磨削區(qū)溫度進(jìn)一步降低。研究高磨削區(qū)壓力條件下納米粒子的浸潤(rùn)特性及磨粒/工件、磨粒/切屑、切屑/工件之間納米粒子剪切油膜形成機(jī)理、研究磨削區(qū)流場(chǎng)與油膜形成內(nèi)在科學(xué)本質(zhì)、研究納米顆粒的摩擦、變形、碰撞、擠壓和滑滾提高潤(rùn)滑和摩擦學(xué)性能機(jī)理。而研究納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度與砂輪特性參數(shù)以及加工參數(shù)的預(yù)估模型，建立磨削表面質(zhì)量評(píng)價(jià)和預(yù)估方法是本新工藝的關(guān)鍵所在。磨削加工一般作為機(jī)械零件的終加工工序，其主要目的是保證零件的表面粗糙度和形狀精度要求。磨削表面的創(chuàng)成過(guò)程是砂輪表面磨粒與工件表面材料相互干涉的最終結(jié)果。由于磨削過(guò)程極為復(fù)雜，影響因素眾多，磨削過(guò)程的物理關(guān)系往往很難精確表達(dá)。根據(jù)磨粒與工件表面的幾何創(chuàng)成機(jī)理所建立的磨削表面粗糙度的理論公式一般都基于一定的假設(shè)，因此理論公式雖然計(jì)算精度較高，但計(jì)算結(jié)果往往小于實(shí)際表面粗糙度數(shù)值。而經(jīng)驗(yàn)公式只用于特定磨削場(chǎng)合來(lái)分析和預(yù)測(cè)工件表面粗糙度數(shù)值，應(yīng)用范圍小，當(dāng)磨削條件發(fā)生較大變化時(shí)，計(jì)算誤差增大。由于能獲得高表面質(zhì)量的先進(jìn)磨削工藝的種類越來(lái)越多，同時(shí)工程中也需要根據(jù)工件表面質(zhì)量要求合理選擇砂輪特性及磨削工藝參數(shù)，以保證磨削質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，因此經(jīng)驗(yàn)公式法不完全適應(yīng)磨削加工技術(shù)的發(fā)展。加強(qiáng)對(duì)磨削表面創(chuàng)成機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究，建立準(zhǔn)確、可靠、通用的表面粗糙度的理論計(jì)算方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)意義重大。對(duì)于磨削工件來(lái)說(shuō)，一般是在垂直于紋理方向上檢測(cè)與控制工件表面粗糙度數(shù)值。目前已經(jīng)建立的一些計(jì)算磨削表面粗糙度的理論公式基本都是基于以下假設(shè)和簡(jiǎn)化條件①工件表面由砂輪表面磨粒磨削形成，即忽略表面塑性隆起和耕犁現(xiàn)象；②假設(shè)磨粒具有相同的形狀，并且在砂輪表層空間均勻分布；③不計(jì)砂輪磨粒磨損及機(jī)床振動(dòng)的影響；④忽略砂輪彈性退讓現(xiàn)象等。上述假設(shè)中，假設(shè)磨粒具有相同的形狀和磨粒都參與切削工作的假設(shè)是對(duì)表面粗糙度數(shù)值計(jì)算精確度影響最為顯著的因素。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)方法的研究，并取得了許多成果。Malkin在大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，建立了外圓縱向磨削表面粗糙度的預(yù)測(cè)模型，提出至少有8個(gè)變量同時(shí)影響表面粗糙度。Tonshoff總結(jié)了自1952年到1992年40年來(lái)的磨削的理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提出了考慮多種變量影響的通用模型，但是在這些理論模型或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ椭?，幾乎都沒(méi)有把磨削液的影響因素考慮進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)表明磨削液對(duì)粗糙度起著重要的作用，不能忽略。Ali等提出了表面粗糙度預(yù)測(cè)的通用模型，但由于是在假定磨削變量是線性的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的，因此沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。劉貴杰在正交試驗(yàn)?zāi)ハ骰A(chǔ)上，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，在MATLAB的軟件平臺(tái)上，利用其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)的功能建立了平面磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。以上所建立的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型都是在進(jìn)行大量假設(shè)的條件下建立起來(lái)的，沒(méi)有考慮砂輪表面磨粒是隨機(jī)分布，而且磨粒也不是向先前模型假設(shè)的那樣都參與切削工作，況且預(yù)測(cè)模型也沒(méi)有考慮磨削液的影響，因此表面粗糙度模型預(yù)測(cè)精度很難滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為解決目前磨削加工表面粗糙度預(yù)測(cè)模型精度很難滿足生產(chǎn)需要的實(shí)際，提供一種在納米粒子射流微量潤(rùn)滑條件下的磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置。一種納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置，它包括一個(gè)傳感器杠桿，所述傳感器杠桿左端設(shè)有觸針，觸針與砂輪表面接觸，傳感器杠桿右端與電感式位移傳感器連接，傳感器杠桿的支點(diǎn)處與測(cè)量裝置機(jī)體鉸接；電感式位移傳感器與交流電源連接；電感式位移傳感器數(shù)據(jù)輸出端則與濾波放大器連接，濾波放大器分別與計(jì)算器和示波器連接，計(jì)算器還與存儲(chǔ)器連接。[0010]所述電感式位移傳感器包括銜鐵，它與傳感器杠桿右端連接；銜鐵下方是對(duì)應(yīng)的鐵心，兩者間留有氣隙；鐵心上設(shè)有線圈，線圈經(jīng)保護(hù)電阻與交流電源連接形成閉合回路。所述觸針為金剛石觸針,觸針外徑尺寸為0. 6_，觸針尖部圓錐角為60° — 90°，圓錐角過(guò)度圓弧為2 V- m-3 V- m。一種納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)用裝置的測(cè)量方法，利用觸針隨砂輪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)砂輪表面輪廓，觸針的位移通過(guò)傳感器杠桿送入電感式位移傳感器，電感式位移傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大器放大后，一路電流送入示波器，另一路送入計(jì)算器，計(jì)算器按照橫縱坐標(biāo)即為砂輪表面磨粒相對(duì)轉(zhuǎn)角位置及突出高度形成砂輪表面形貌曲線，將曲線的波峰點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)存儲(chǔ)為矩陣Aij，通過(guò)有效磨粒判定條件，從形貌矩陣Aij選擇滿足條件的波峰點(diǎn)，存儲(chǔ)相應(yīng)的橫縱坐標(biāo)生成新的矩陣Bu，再根據(jù)磨削加工工件表面形貌創(chuàng)成機(jī)理，生成工件表面形貌曲線，并 將曲線上的波峰值和波谷值存儲(chǔ)為一維矩陣Cm，通過(guò)表面形貌曲線計(jì)算輪廓算術(shù)平均偏差Ra值，通過(guò)一維矩陣Cm計(jì)算輪廓的最大高度Rz值；最后將轉(zhuǎn)化的信號(hào)曲線和矩陣Aij存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。所述的矩陣Aij和矩陣Bij為i行2列矩陣，其中行數(shù)i表示第i顆磨粒，在砂輪的中心建立極坐標(biāo)系，第一列表示在上述極坐標(biāo)中第i顆磨粒與第一顆磨粒所在位置之間的夾角Qi，其中Qtl為0，第二列表示該磨粒的突出高度Hi。所述的有限磨粒判定條件為Hi ^ Hfflax-Bp (I)其中，Hi為第i磨粒的突出高度，Hmax為所測(cè)磨粒高度最大值，ap為磨削深度。所述的電流與突出高度關(guān)系公式如下
權(quán)利要求1.一種納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置，其特征是，它包括一個(gè)傳感器杠桿，所述傳感器杠桿左端設(shè)有觸針，觸針與砂輪表面接觸，傳感器杠桿右端與電感式位移傳感器連接，傳感器杠桿的支點(diǎn)處與測(cè)量裝置機(jī)體鉸接；電感式位移傳感器與交流電源連接；電感式位移傳感器數(shù)據(jù)輸出端則與濾波放大器連接，濾波放大器分別與計(jì)算器和示波器連接，計(jì)算器還與存儲(chǔ)器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置，其特征是，所述電感式位移傳感器包括銜鐵，它與傳感器杠桿右端連接；銜鐵下方是對(duì)應(yīng)的鐵心，兩者間留有氣隙；鐵心上設(shè)有線圈，線圈經(jīng)保護(hù)電阻與交流電源連接形成閉合回路。
3.如權(quán)利要求1所述的納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置，其特征是，所述觸針為金剛石觸針，觸針外徑尺寸為O. 6mm,觸針尖部圓錐角為60° —90° ,圓錐角過(guò)度圓弧為2 μ m一 3 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度預(yù)測(cè)裝置。它包括一個(gè)傳感器杠桿，所述傳感器杠桿左端設(shè)有觸針，觸針與砂輪表面接觸，傳感器杠桿右端與電感式位移傳感器連接，傳感器杠桿的支點(diǎn)處與測(cè)量裝置機(jī)體鉸接；電感式位移傳感器與交流電源連接；電感式位移傳感器數(shù)據(jù)輸出端則與濾波放大器連接，濾波放大器分別與計(jì)算器和示波器連接，計(jì)算器還與存儲(chǔ)器連接。它用矩陣表征砂輪形貌，再根據(jù)磨削加工工件表面形貌創(chuàng)成機(jī)理，預(yù)測(cè)模型精度高，不僅測(cè)量方便，設(shè)備集成率高、利用率高，而且測(cè)量精度高，可靠性好，對(duì)實(shí)際更有指導(dǎo)意義。
文檔編號(hào)G01B7/34GK202869434SQ20122063558
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王勝, 李長(zhǎng)河, 張強(qiáng) 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)