基于微量纳米颗粒悬浮液射流冷却的磨削相关机理研究

针对磨削过程中传统浇注冷却出现"蒸汽膜"、污染环境、成本高等问题，提出了一种新型的绿色磨削加工冷却方法- - 基于微量纳米颗粒悬浮液的射流冲击强化冷却：即在冷却液中加入一定比例的纳米颗粒（拟用氧化铝，多壁碳纳米管），形成润滑和导热性能大大增强了的纳米颗粒悬浮液，在压缩空气作用下将纳米颗粒悬浮液雾化成直径达到微米级的雾粒，再以较高的速度和动能冲破砂轮表面气障层射向磨削区，进行润滑和冷却。在此基础上，开展纳米颗粒悬浮液的悬浮稳定性研究；从改善喷嘴结构和调整喷射方向入手，采用高压高速等手段将雾粒有效注入磨削区，解决砂轮表面气障层的问题，并开展微量纳米颗粒悬浮液射流冷却工艺装置研究；研究在该冷却方式下磨削区的传热机理，建立磨削温度数学模型和仿真模型；开展基于该冷却技术的高硬难加工金属材料精密磨削实验，系统建立微量纳米颗粒悬浮液射流冲击强化冷却的磨削理论，为该冷却技术的广泛应用提供理论基础。

针对磨削过程中传统浇注冷却出现"蒸汽膜"、污染环境、成本高等问题，提出了微量纳米流体喷雾冷却方法：即在冷却液中加入一定比例的纳米颗粒（如氧化铝，二硫化钼），形成润滑和导热性能大大增强了的纳米流体，在压缩空气作用下将纳米流体雾化成直径达到微米级的雾粒，再以较高的速度和动能冲破砂轮表面气障层射向磨削区，进行润滑和冷却。在此基础上，对超声波振荡时间、分散剂浓度和基液PH环境等对纳米流体分散稳定性的影响进行了实验研究，提出了分散稳定性能优良的纳米流体制备工艺。采用有限元流体仿真软件FLUENT对“双喷口”喷嘴喷雾过程的流场压力、速度、流向等进行了分析，对喷嘴的结构和尺寸进行了优化和改进。研究了喷嘴安装位置和喷射角度对磨削区的润滑和冷却性能的影响，研究发现，当喷嘴与砂轮呈15°倾斜放置时，获得的工件表面粗糙度、磨削温度和磨削力最小，雾粒更能有效注入磨削区，解决了砂轮表面气障层的问题。开展了微量纳米流体喷雾冷却工艺装置研究。分析了雾滴直径和速度对换热效果的影响，依据雾滴在不同壁温处表现出的不同换热特性，将磨削区划分为四个不同换热区域，建立了微量润滑冷却磨削区的换热系数数学模型。采用有限元技术对微量润滑冷却磨削表面的温度场进行了仿真分析，建立了仿真模型。开展了基于微量纳米流体喷雾冷却的高硬难加工金属材料精密磨削实验，研究发现，与干式磨削相比，微量纳米流体喷雾冷却磨削的表面质量及完整性有了很大改善，但稍逊于湿磨；研究了纳米流体的摩擦磨损性能，揭示了微量纳米流体喷雾冷却能够有效降低磨削力和磨削温度、改善磨削质量的机理。研究了喷雾参数和纳米流体参数对磨削性能的影响。通过该项目的研究，系统建立了微量纳米流体喷雾冷却的磨削理论，为该冷却技术的广泛应用提供了理论基础。.取得的研究成果已在国内外核心期刊上发表（含录用）SCI源刊论文11篇；获得专利3项；8人次参加国内和国际会议；培养研究生3名。