基于磁弱強化植入納米潤滑砂輪磨削裝置設計*

曹勇斌，謝 攀，曾振豪，陽 清

(1.湖南理工學院南湖學院 機械與電子工程系，湖南 岳陽 414006；2.湖南理工學院 機械工程學院，湖南 岳陽 414006)

0 引言

磨削加工是獲得高精度和高表面質量工件的重要方法,廣泛應用于精密零件加工[1,2]。傳統磨削砂輪由于磨粒排布緊湊導致容屑空間小,極易形成磨屑粘附,降低砂輪的磨削性能。同時,在加工過程中,由于砂輪圓周表面會進行材料的磨除,因此會消耗較大一部分能量。

納米顆粒的獨特性能賦予其具有極好的導熱性,在體積含量相同條件下,納米級顆粒的表面積和熱容量要遠大于毫米級或微米級的固體顆粒。在磨削加工中,納米顆粒的添加使磨削液的熱交換性能得到提升,納米顆粒起到了強化換熱、降低磨削區溫度的作用。張曉紅等[3]發明了基于沖擊波空化效應的納米層潤滑金剛石砂輪磨削裝置的制作方法,其原理是利用沖擊波沖擊裝置沖擊納米顆粒打在砂輪表面使其形成具有潤滑冷卻作用的納米層,在一定程度上解決了砂輪表面形成穩定納米層的問題。但該方法仍存在以下問題:對于砂輪表面的氣障層沒有明顯的雙沖擊波波源大小的控制標準,沒有解決已經嵌入砂輪表面的納米層如何在磨削區域內及時釋放的問題,仍有大量的熱量堆積,對于砂輪磨削過程中出現的復雜工況并沒有及時的響應。

本文針對上述問題,以磁弱強化的方式將納米材料潤滑沖擊植入砂輪磨削裝置內,該裝置使用便捷,不僅大幅增強了潤滑冷卻效果,而且符合綠色發展理念,既解決了砂輪表面納米層在未到達磨削區域的過程中發生脫落、砂輪磨削加工過程中受氣障層影響磨削液難以進入磨削核心區域的問題,同時解決了所包含的納米顆粒在磨削區內部不能即時響應潤滑的難題[4]。

1 磨削裝置總體結構設計

本裝置包括控制模塊、激光導光模塊、加速模塊和勵磁模塊四個模塊,其結構示意圖如圖1所示。

1-工業控制器;2-數字控制器;3-激光控制器;4-電磁線圈電源單元;5-控制儲氣罐;6-壓力控制器;7-空氣壓縮機;8-導氣管;9-送粉裝置;10-納米顆粒輸入端口;11-小型拉爾法管;12-電磁線圈;13-激光沖擊強化裝置;14-大型拉爾法管;15-聚波過濾網膜;16-團聚納米顆粒擴散區域;17-勵磁輔助裝置;18-導磁桿;19-金剛石砂輪;20-永磁鐵;21-磁性納米顆粒

1.1 控制模塊

控制模塊主要包括工業控制器1、數字控制器2、激光控制器3、電磁線圈電源單元4、壓力控制器6等,其中數字控制器2上端與激光控制器3相連,下端與電腦工業控制器1相連。

1.2 激光導光模塊結構設計

圖1中的激光強化沖擊裝置13即為激光導光模塊。激光強化沖擊裝置原理示意圖如圖2所示,主要包括光學調節單元1309、高頻高功率脈沖激光單元1301、光斑調節單元1310以及輔助系統等。光斑調節單元1310位于高頻高功率脈沖激光單元1301與光學調節單元1309之間并與數字控制器2相連;高頻高功率脈沖激光單元1301在光斑調節單元1310上面;光學調節單元1309在光斑調節單元1310下面;聚焦凸透鏡1308位于光學調節單元1309內,高頻高功率脈沖激光單元1301、光斑調節單元1310與光學調節單元1309串聯起來;輔助系統用于在產生高溫等離子體過程中提供黑漆1304。

1301-高頻高功率脈沖激光單元;1302-黑漆輸送裝置;1303-黑漆輸入端口;1304-黑漆;1305-墊片;1306-耐高壓K9玻璃;1307-黑漆輸出端口;1308-聚焦凸透鏡;1309-光學調節單元;1310-光斑調節單元;1311-激光束

1.3 加速模塊結構設計

加速模塊包括三級初步加速裝置22(如圖3所示)和激光沖擊強化裝置13。三級初步加速裝置22通過導氣管8與壓力控制器6相連;三級初步加速裝置22中呈軸對稱分布的左右兩部分為送粉裝置9,中間部分為導氣管8;壓力控制器6通過導氣管8與儲氣罐5相連。

圖3 三級初步加速裝置

1.4 勵磁模塊結構設計

勵磁模塊包括輔助裝置和重復脈沖強磁場產生裝置。重復脈沖強磁場產生裝置包括電磁線圈12和兩個獨立的電磁線圈電源單元4,兩個電磁線圈電源單元4均獨立連接于電磁線圈12兩端;根據預設的磁場波形的極性要求將兩個電磁線圈電源單元4的正負極與電磁線圈12的接線端連接,對每個電源單元4中的供能元件充電至預設電壓,電磁線圈12套裝在小型拉爾法管11上;輔助裝置用于重新給失磁性納米顆粒21附加磁性,磁性納米層在磨削加工核心區域自釋放納米顆粒原理示意圖如圖4所示。

圖4 磁性納米層在磨削加工核心區域自釋放納米顆粒原理示意圖

2 磨削裝置工作原理

本磨削裝置的工作原理實質上是利用激光沖擊裝置產生的沖擊波來給已初步加速的納米顆粒再次加速,同時在沖擊過程和初步加速過程中通過電磁線圈附磁,使其在砂輪表面上形成磁化納米層,由于磁性吸斥效應,磁性納米顆粒與磁化磨粒中間形成磁性弱強化區域,當磁性納米層旋轉到與工件接觸時溫度達到磨削區域溫度,帶磁性納米顆粒轉變為失磁性納米顆粒來達到成功釋放納米顆粒的目的,在磨削區內部起到潤滑冷卻作用,實現磨削潤滑方式從外部到內部的轉變,進而提升磨削加工質量[5]。

圖5為團聚納米顆粒擴散區域原理示意圖。如圖2和圖5所示,在沖擊波提速模塊中由小型拉爾法管11出來的納米顆粒21極易形成納米顆粒團聚區域1601,在高強度沖擊波1603的作用下,團聚的納米顆粒被擊穿形成納米顆粒分散區域1602,高強度沖擊波1603有效抑制了納米顆粒團聚現象的出現,提高了納米顆粒的分散性能,同時,高強度的沖擊波推力作用于已初步加速的納米顆粒21使其以數倍聲速的初速度穿過聚波過濾網膜15沖擊砂輪19表面,隨著沖擊波1603在空氣中的不斷傳播,不斷地給納米顆粒21加速,納米顆粒21的速度越來越快,使其以最大速度沖擊砂輪19表面,并形成納米層。

11-小型拉爾法管;1601-納米顆粒團聚區域;1602-納米顆粒分散區域;1603-沖擊波;1312-沖擊裝置端口

3 結論

針對磨削砂輪服役過程中產生氣障層使潤滑效果下降的問題,本文提出了一種磁弱強化沖擊植入納米潤滑砂輪磨削裝置,解決了砂輪磨削的不足與缺點,本裝置的特點如下:

(1) 將納米顆粒和砂輪表面的磨粒磁化后借助沖擊波形成性能優異的納米層,極大地提高了磨削核心區域的冷卻潤滑效果,大幅降低了低磨削比能,解決了單一納米顆粒潤滑效果不明顯以及納米顆粒直接加入砂輪結合劑中極易發生團聚且磨削區難以及時響應等問題。

(2) 利用沖擊波與聚波過濾網膜多級納米顆粒防團聚裝置,有效提升了納米顆粒服役過程的分散性,增強了潤滑冷卻效果。

(3) 本磨削裝置可實現自動化,生產效率高,表面納米化速度快,可有效降低砂輪表面腐蝕、裂紋產生,提高磨削精度與安全性能,符合綠色發展理念。