纳米粒子射流微量润滑强化换热机理及砂轮/工件界面摩擦学行为

项目依据固体强化换热原理，并基于固体颗粒传热能力在适当条件下远大于液体和气体的事实，提出将纳米级固体粒子、润滑液与压缩气体混合雾化后以射流的形式喷入磨削区，实现有固体纳米粒子参与强化换热的微量润滑磨削新工艺。较之常规湿法磨削工艺和已有的微量润滑磨削技术，新的微量润滑方法可有效降低磨削液用量而又维持甚至改善对磨削区的润滑冷却效果，且其射流形态的固、液、气复合介质能更有效地冲破"气障"注入磨削区，提高进入砂轮/工件界面的有效流量率，降低楔形区流体动压力和流体引入力，减少砂轮主轴挠度变形。但固体纳米粒子的引入将可能使砂轮/工件界面的摩擦学行为、磨削区油膜形成机理、磨削介质对磨削区的热力学作用规律等发生新的变化。为此，本项目拟探索纳米粒子射流微量润滑磨削的一些重要认知，并研究磨削区流场与油膜形成内在科学规律、纳米粒子射流强化换热机理及砂轮/工件界面的摩擦学特性，为优化这种新的磨削方法提供理论基础。

将纳米流体应用到微量润滑磨削加工，不仅继承了微量润滑磨削加工的所有优点，又解决了传统的微量润滑磨削加工换热能力不足的致命缺陷，而且纳米粒子优异的抗磨减摩摩擦学特性又有助于提高微量润滑磨削砂轮/工件界面、砂轮/切屑界面的润滑性能，使工件的加工精度、表面质量，特别是表面完整性得到显著的改善；同时也提高了砂轮的使用寿命，改善了工作环境。因此，它是一种面向环境友好、资源节约和能源高效利用的可持续绿色磨削新方法。.本研究通过理论和实验研究，建立了纳米粒子射流微量润滑磨削的相关理论，包括：纳米粒子射流气、液、固三相流运动学及动力学模型，楔形接触区浇注式和纳米粒子射流微量润滑两种供液条件下的动压力理论模型与数值仿真，喷射参数对射流通过磨削区“有效流量率”的影响及其最佳值；纳米流体制备及高压、高速条件下纳米粒子稳定悬浮控制技术，纳米粒子的团簇控制以及流体物性、分散剂、稳定剂与制备方法的优化匹配；纳米粒子与携带流体介质微/纳界面热交换特性及其影响规律，纳米粒子间的碰撞与扰动传热机理、粒子和流体间的碰撞、对流传热机理，射流与磨削区对流热传递换热机理，建立纳米粒子射流微量润滑强化换热数学模型；研究纳米粒子物理特性（粒子大小、形状、导热系数等)、携带流体的特性、液固界面特性等对强化传热的影响；纳米粒子射流不同物理特性对砂轮/工件界面摩擦学特性，以及切屑形成、砂轮磨损和工件表面质量的作用机理与影响规律。得到的主要结论如下：随着磨削液喷射速度的增加，有效流量也相应增加，然而有效流量率却逐渐减小。对镍基合金等导热率极低的难加工材料进行平面磨削时，除浇注式磨削外，以大豆油作为基油的二硫化钼纳米粒子射流微量润滑具有相对理想的润滑效果。当混合纳米粒子中MoS2和CNTs的配比为2:1时，得到最小的摩擦系数0.25和最小的粗糙度Ra值0.294，且工件表面没有烧伤。在相同质量分数下，由于混合纳米粒子的“物理协同作用”，混合纳米粒子较单种纳米粒子取得了更低的摩擦系数和表面粗糙度。分子结构为球形或类似球形的纳米粒子以及粘度较高的纳米流体具有较好的润滑性能。尤其是Al2O3纳米流体得到了最低的滑动摩擦系数，比滑动磨削能和最高的G比率以及很好的工件表面形貌。纳米流体接触角和表面张力影响沸腾换热的系数，接触角较大、表面张力较小时，沸腾换热系数较高。