纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统由气路系统、液路系统、纳米流体导热系数测量装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置铣削力或铣削温度测量装置组成；所述的纳米流体导热系数测量装置位于所述的液路系统中；气路系统为液路系统中的纳米流体提供压力，且液路系统引出两个喷嘴，喷嘴I喷出的纳米流体气雾喷到工件I表面，组成纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置；喷嘴II喷出的纳米流体气雾喷到工件II表面，组成磨削力及磨削温度测量装置。

On line measurement system for thermophysical properties of nano fluid cutting fluid

The invention discloses a nano fluid cutting fluid thermophysical properties parameters of integrated measurement system consists of gas path system, liquid system and thermal conductivity of nanofluids measuring device, nano fluid cutting fluid convection heat transfer coefficient and fluid / workpiece energy ratio coefficient measuring device and the grinding force and grinding temperature measurement device of milling force and milling temperature measuring device; liquid system thermal conductivity of Nanofluids and the measuring device is positioned in the middle; provide pressure pneumatic system for nano fluid system, and liquid system leads to the two nozzle, spray nozzle I nano fluid spray to the workpiece surface of I, composed of nano fluids convective heat transfer the coefficient of energy and fluid / workpiece ratio coefficient measuring device; spray nozzle II nano fluid spray to the workpiece surface of II, composition of grinding force and grinding temperature measurement device .

【技术实现步骤摘要】
纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统
本专利技术涉及纳米流体切削液热物理性质参数测量系统，具体是一种纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统。
技术介绍
在机械加工中，传统浇注式冷却由于使用大量切削液，对环境造成了严重的污染，已不适用于当前绿色生产的时代要求；干式切削和微量润滑满足环保的要求但冷却润滑效果较差，难以获得较好的工件表面质量；在微量润滑基油中添加一定比例的纳米粒子，改善射流整体的换热能力，同时提高油膜在切削区的润滑效果的纳米粒子射流微量润滑(Nano-particlejetMinimumQuantityLubrication，简称Nano-MQL)进入了人们的视线。所谓的纳米粒子是指三维尺寸中至少有一维尺寸小于100nm的超细微小固体颗粒。纳米粒子射流微量润滑，在微量润滑的基础上，向切削液中添加纳米级固体粒子，将纳米粒子、切削液与压缩空气混合经雾化后以射流的形式喷入切削区进行冷却润滑。根据固体强化换热理论，基于固体粒子导热系数远大于液体和气体的事实，在相同粒子体积含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的固体粒子，将纳米粒子与切削液混合后形成纳米流体切削液的导热能力将大幅度增加。表1列出了常用的纳米粒子的导热系数。纳米流体质量分数一般为2％-8％，将一定比例的纳米粒子添加到基液中，形成纳米粒子悬浮液，再根据基液的种类和理化属性，添加相应的表面分散剂并辅以超声波振动，便可以获得悬浮稳定的纳米流体切削液。表1常用纳米粒子的导热系数纳米粒子射流微量润滑优异的润滑冷却效果已得到大量研究者的证实。在机械加工中，用导热系数(k)、对流换热系数(h)及纳米流体/工件能量比例系数(R)衡量纳米流体切削液在切削区的换热性能。导热系数是纳米流体切削液的固有性质，一旦纳米流体配置完成，其导热系数就确定了。经检索，青岛理工大学李长河等专利技术了一种纳米流体导热系数及对流换热系数测量装置(专利号：ZL201110221334.8)，在同一台设备上既能完成纳米流体导热系数的测量，又能完成对流换热系数的测量，而且用液压泵模拟磨削加工的磨削液供液系统，用镍铬合金电阻丝给纳米流体加热来获得和磨削工况相同的热流边界条件，不仅设备集成率高、利用率高，而且测量精度高，可靠性好，解决了目前纳米流体导热系数和对流换热系数分别用不同设备测量的难题。经检索，温州大学张宽等(专利号：ZL201320422680.7)公开了一种纳米流体导热系数测量装置，放置纳米流体的容器为可导热容器，两侧分别设置有供热装置和吸热装置，容器将供热装置提供的热量完全传递至吸热装置，吸热装置上设置有吸热量测量装置。通过对容器外侧进行加热来测量纳米流体导热系数，避免了对容器内侧进行加热测量时液体中的颗粒有可能分布部不均匀导致测量数值不准确的情况，通过吸热装置和吸热量测量装置对经容器及纳米流体传导后的热量进行测量，最终通过计算公式得出纳米流体的导热系数。经检索，郑化安等专利技术了一种纳米流体传热传质监测装置及方法(专利号：ZL201610333181.9)，通过记录测量点处非牛顿流体为基液的纳米流体超声衰减幅值和测量探头与反射板之间的距离，重复调节探头与测量点的位置关系，通过计算机数据处理系统将声波频率信号获得纳米流体的导热系数增量和纳米流体扩散系数，可对流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数进行实时高精度监量。经检索，华北电力大学孙伟娜等提供了一种Au-H2O纳米流体导热系数计算方法(专利号：ZL201610783769.4)，获取纳米流体纳米颗粒的体积分数和纳米颗粒形状因子，计算Au-H2O纳米流体静态导热系数，计算Au-H2O纳米流体动态导热系数，计算与基液导热系数相比，Au-H2O纳米流体有效导热系数的增长占比。通过计算Au-H2O纳米流体有效导热系数，揭示极低体积分数Au-H2O纳米流体的导热机理。对流换热系数是纳米流体切削液体积分数、导热系数、比热容及密度的综合影响参数，对流换热系数的大小直接决定了纳米流体在切削区对流换热的强弱。影响对流换热系数的主要因素有：(1)对流运动成因和流动状态；(2)流体的热物理性质；(3)传热表面的形状、尺寸和相对位置；(4)流体有无相变。经检索，上海第二工业大学吴子华等专利技术了同步测试纳米流体传热系数及其对热电发电系统发电效率影响规律的系统和方法(专利号：ZL201610505891.5)，测量纳米流体进入冷水浴的进口端、距进口端20-30cm处以及冷水浴中的温度T1、T2、Tw，按等温边界条件计算纳米流体的强化对流传热性能。依据热沉上面从上到下布置热电偶估算被纳米流体所带走的热量，结合热电器件转换功率，求得不同纳米流体工况下的热电转换效率。实现了不同工况下的纳米流体强化传热系数以及不同工况下纳米流体强化传热特性对热电器件冷端冷却效果影响及其热电转换效率的影响规律同步测试，减小了测量误差，提高了测试的准确性。然而，现有技术对对流换热系数的测量及计算均采用管内对流换热，并不符合实际纳米粒子射流微量润滑切削中纳米粒子射流气、液、固三相流三维速度场和压力场的相关理论。流体/工件能量比例系数指纳米流体带走热流密度及流入工件热流密度的比例，直接决定了切削工件的最高温度。然而，目前并没有一种装置或方法能对流体/工件能量比例系数进行有效测量，也没有一种纳米流体切削液对流换热系数测量装置或方法能模拟实际切削加工喷嘴气流场，更没有一种装置或方法能实现纳米流体导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数同时在线测量。
技术实现思路
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本专利技术提供一种纳米流体切削液热物理性质参数测量系统，具体的是一种纳米流体切削液导热系数、对流换热系数及流体/工件能量比例系数集成在线测量系统，对纳米流体导热系数进行有效测量的同时还能模拟纳米粒子射流微量润滑喷嘴出口的气流场，对纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数进行精确测量。纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，由空气压缩机、液压泵、纳米流体导热系数测量装置、微量润滑装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置或者纳米粒子射流微量润滑铣削力及铣削温度测量装置组成；其中，所述的纳米流体导热系数测量装置处于集成测量系统的液路中，其采用瞬态双热线法，长、短铂丝由铂丝支架分别固定在两玻璃管中，两玻璃管通过连接口由胶皮管相连，两铂丝既作为加热线源又作为测温元件。打开单向阀，纳米流体只能流入导热系数测量装置而不能流出。恒温容器由恒温循环水保持恒温，待系统稳定后，利用惠斯通电桥对导热系数进行精确测量。测量结束后后打开单向阀，纳米流体由纳米流体出口流出。与现有纳米流体导热系数测量装置比较，能更好的避免纳米流体自然对流引起的误差，且不用反复拆装，测量方便。纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置处于集成测量系统的终端。绝热装置由氧化铝陶瓷及碳纳米管形成的复合材料制成，其中碳纳米管垂直于热量传递的方向排布，可确保热源产生的热量仅能沿竖直方向向工件表面传递，且可避免热量在传递过程中透过绝热侧壁散发到绝热容器外面，从而提高测量装置的绝热性能，使得热量只能向预定方向传递本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，由气路系统、液路系统、纳米流体导热系数测量装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置或铣削力及铣削温度组成；所述的纳米流体导热系数测量装置位于所述的液路系统中，包括相连通的玻璃管I、玻璃管II，在玻璃管I中安装长铂丝，玻璃管II中安装短铂丝，长铂丝、短铂丝既作为加热线源又作为测温元件；且安装长铂丝的玻璃管设有纳米流体入口和纳米流体出口，且纳米流体入口和纳米流体出口各自通过一个单向阀与液路系统相连；所述的气路系统为液路系统中的纳米流体提供压力，且液路系统引出两个喷嘴，喷嘴I喷出的纳米流体气雾喷到工件I表面，组成纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置；喷嘴II喷出的纳米流体气雾喷到工件II表面，组成磨削力及磨削温度测量装置。

【技术特征摘要】
1.纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，由气路系统、液路系统、纳米流体导热系数测量装置、纳米流体切削液对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置以及磨削力及磨削温度测量装置或铣削力及铣削温度组成；所述的纳米流体导热系数测量装置位于所述的液路系统中，包括相连通的玻璃管I、玻璃管II，在玻璃管I中安装长铂丝，玻璃管II中安装短铂丝，长铂丝、短铂丝既作为加热线源又作为测温元件；且安装长铂丝的玻璃管设有纳米流体入口和纳米流体出口，且纳米流体入口和纳米流体出口各自通过一个单向阀与液路系统相连；所述的气路系统为液路系统中的纳米流体提供压力，且液路系统引出两个喷嘴，喷嘴I喷出的纳米流体气雾喷到工件I表面，组成纳米流体对流换热系数及流体/工件能量比例系数测量装置；喷嘴II喷出的纳米流体气雾喷到工件II表面，组成磨削力及磨削温度测量装置。2.如权利要求1所述的纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，所述的气路系统包括依次连接的空气压缩机、过滤器、储气罐、调压阀II、节流阀II、涡轮流量计II。3.如权利要求1所述的纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，所述的液路系统包括依次连接的纳米流体储液罐、液压泵、调压阀I、节流阀I、涡轮流量计I、单向阀I、单向阀II组成液路；所述的单向阀I与纳米流体导热系数测量装置的纳米流体入口相连，所述的单向阀II与纳米流体导热系数测量装置的纳米流体出口相连。4.如权利要求3所述的纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，所述玻璃管I与玻璃管II通过连接口I和连接口II由胶皮管连接；打开单向阀I，纳米流体由单向阀I流出后由纳米流体入口进入玻璃管II，再经连接口II、胶皮管、连接口I进入玻璃管I。此时单向阀II关闭，纳米流体只能流入导热系数测量装置而不能流出；测量温度差之后打开单向阀II，纳米流体由纳米流体出口流出。5.如权利要求1所述的纳米流体切削液热物理性质参数集成在线测量系统，其特征在于，所述的纳米流体导热系数测量装置中的长铂...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨敏，李长河，张彦彬，张仙朋，郭树明，侯亚丽，张乃庆，吴启东，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37