本發(fā)明涉及納米流體切削液熱物理性質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)，具體是一種納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)集成在線測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在機(jī)械加工中，傳統(tǒng)澆注式冷卻由于使用大量切削液，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，已不適用于當(dāng)前綠色生產(chǎn)的時代要求；干式切削和微量潤滑滿足環(huán)保的要求但冷卻潤滑效果較差，難以獲得較好的工件表面質(zhì)量；在微量潤滑基油中添加一定比例的納米粒子，改善射流整體的換熱能力，同時提高油膜在切削區(qū)的潤滑效果的納米粒子射流微量潤滑(nano-particlejetminimumquantitylubrication，簡稱nano-mql)進(jìn)入了人們的視線。所謂的納米粒子是指三維尺寸中至少有一維尺寸小于100nm的超細(xì)微小固體顆粒。納米粒子射流微量潤滑，在微量潤滑的基礎(chǔ)上，向切削液中添加納米級固體粒子，將納米粒子、切削液與壓縮空氣混合經(jīng)霧化后以射流的形式噴入切削區(qū)進(jìn)行冷卻潤滑。根據(jù)固體強(qiáng)化換熱理論，基于固體粒子導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液體和氣體的事實，在相同粒子體積含量下，納米粒子的表面積和熱容量遠(yuǎn)大于毫米或微米級的固體粒子，將納米粒子與切削液混合后形成納米流體切削液的導(dǎo)熱能力將大幅度增加。表1列出了常用的納米粒子的導(dǎo)熱系數(shù)。納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為2％-8％，將一定比例的納米粒子添加到基液中，形成納米粒子懸浮液，再根據(jù)基液的種類和理化屬性，添加相應(yīng)的表面分散劑并輔以超聲波振動，便可以獲得懸浮穩(wěn)定的納米流體切削液。

表1常用納米粒子的導(dǎo)熱系數(shù)

納米粒子射流微量潤滑優(yōu)異的潤滑冷卻效果已得到大量研究者的證實。在機(jī)械加工中，用導(dǎo)熱系數(shù)(k)、對流換熱系數(shù)(h)及納米流體/工件能量比例系數(shù)(r)衡量納米流體切削液在切削區(qū)的換熱性能。導(dǎo)熱系數(shù)是納米流體切削液的固有性質(zhì)，一旦納米流體配置完成，其導(dǎo)熱系數(shù)就確定了。

經(jīng)檢索，青島理工大學(xué)李長河等發(fā)明了一種納米流體導(dǎo)熱系數(shù)及對流換熱系數(shù)測量裝置(專利號：zl201110221334.8)，在同一臺設(shè)備上既能完成納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的測量，又能完成對流換熱系數(shù)的測量，而且用液壓泵模擬磨削加工的磨削液供液系統(tǒng)，用鎳鉻合金電阻絲給納米流體加熱來獲得和磨削工況相同的熱流邊界條件，不僅設(shè)備集成率高、利用率高，而且測量精度高，可靠性好，解決了目前納米流體導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)分別用不同設(shè)備測量的難題。

經(jīng)檢索，溫州大學(xué)張寬等(專利號：zl201320422680.7)公開了一種納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置，放置納米流體的容器為可導(dǎo)熱容器，兩側(cè)分別設(shè)置有供熱裝置和吸熱裝置，容器將供熱裝置提供的熱量完全傳遞至吸熱裝置，吸熱裝置上設(shè)置有吸熱量測量裝置。通過對容器外側(cè)進(jìn)行加熱來測量納米流體導(dǎo)熱系數(shù)，避免了對容器內(nèi)側(cè)進(jìn)行加熱測量時液體中的顆粒有可能分布部不均勻?qū)е聹y量數(shù)值不準(zhǔn)確的情況，通過吸熱裝置和吸熱量測量裝置對經(jīng)容器及納米流體傳導(dǎo)后的熱量進(jìn)行測量，最終通過計算公式得出納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

經(jīng)檢索，鄭化安等發(fā)明了一種納米流體傳熱傳質(zhì)監(jiān)測裝置及方法(專利號：zl201610333181.9)，通過記錄測量點處非牛頓流體為基液的納米流體超聲衰減幅值和測量探頭與反射板之間的距離，重復(fù)調(diào)節(jié)探頭與測量點的位置關(guān)系，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將聲波頻率信號獲得納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)增量和納米流體擴(kuò)散系數(shù)，可對流動狀態(tài)下納米流體導(dǎo)熱系數(shù)增量和擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行實時高精度監(jiān)量。

經(jīng)檢索，華北電力大學(xué)孫偉娜等提供了一種au-h2o納米流體導(dǎo)熱系數(shù)計算方法(專利號：zl201610783769.4)，獲取納米流體納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)和納米顆粒形狀因子，計算au-h2o納米流體靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，計算au-h2o納米流體動態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)，計算與基液導(dǎo)熱系數(shù)相比，au-h2o納米流體有效導(dǎo)熱系數(shù)的增長占比。通過計算au-h2o納米流體有效導(dǎo)熱系數(shù)，揭示極低體積分?jǐn)?shù)au-h2o納米流體的導(dǎo)熱機(jī)理。

對流換熱系數(shù)是納米流體切削液體積分?jǐn)?shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容及密度的綜合影響參數(shù)，對流換熱系數(shù)的大小直接決定了納米流體在切削區(qū)對流換熱的強(qiáng)弱。影響對流換熱系數(shù)的主要因素有：(1)對流運動成因和流動狀態(tài)；(2)流體的熱物理性質(zhì)；(3)傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置；(4)流體有無相變。

經(jīng)檢索，上海第二工業(yè)大學(xué)吳子華等發(fā)明了同步測試納米流體傳熱系數(shù)及其對熱電發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率影響規(guī)律的系統(tǒng)和方法(專利號：zl201610505891.5)，測量納米流體進(jìn)入冷水浴的進(jìn)口端、距進(jìn)口端20-30cm處以及冷水浴中的溫度t1、t2、tw，按等溫邊界條件計算納米流體的強(qiáng)化對流傳熱性能。依據(jù)熱沉上面從上到下布置熱電偶估算被納米流體所帶走的熱量，結(jié)合熱電器件轉(zhuǎn)換功率，求得不同納米流體工況下的熱電轉(zhuǎn)換效率。實現(xiàn)了不同工況下的納米流體強(qiáng)化傳熱系數(shù)以及不同工況下納米流體強(qiáng)化傳熱特性對熱電器件冷端冷卻效果影響及其熱電轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律同步測試，減小了測量誤差，提高了測試的準(zhǔn)確性。然而，現(xiàn)有技術(shù)對對流換熱系數(shù)的測量及計算均采用管內(nèi)對流換熱，并不符合實際納米粒子射流微量潤滑切削中納米粒子射流氣、液、固三相流三維速度場和壓力場的相關(guān)理論。

流體/工件能量比例系數(shù)指納米流體帶走熱流密度及流入工件熱流密度的比例，直接決定了切削工件的最高溫度。然而，目前并沒有一種裝置或方法能對流體/工件能量比例系數(shù)進(jìn)行有效測量，也沒有一種納米流體切削液對流換熱系數(shù)測量裝置或方法能模擬實際切削加工噴嘴氣流場，更沒有一種裝置或方法能實現(xiàn)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)同時在線測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種納米流體切削液熱物理性質(zhì)參數(shù)測量系統(tǒng)，具體的是一種納米流體切削液導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)集成在線測量系統(tǒng)，對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行有效測量的同時還能模擬納米粒子射流微量潤滑噴嘴出口的氣流場，對納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)進(jìn)行精確測量。

納米流體切削液熱物理性質(zhì)參數(shù)集成在線測量系統(tǒng)，由空氣壓縮機(jī)、液壓泵、納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置、微量潤滑裝置、納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置以及磨削力及磨削溫度測量裝置或者納米粒子射流微量潤滑銑削力及銑削溫度測量裝置組成；其中，所述的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置處于集成測量系統(tǒng)的液路中，其采用瞬態(tài)雙熱線法，長、短鉑絲由鉑絲支架分別固定在兩玻璃管中，兩玻璃管通過連接口由膠皮管相連，兩鉑絲既作為加熱線源又作為測溫元件。打開單向閥，納米流體只能流入導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置而不能流出。恒溫容器由恒溫循環(huán)水保持恒溫，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，利用惠斯通電橋?qū)?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行精確測量。測量結(jié)束后后打開單向閥，納米流體由納米流體出口流出。與現(xiàn)有納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置比較，能更好的避免納米流體自然對流引起的誤差，且不用反復(fù)拆裝，測量方便。

納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置處于集成測量系統(tǒng)的終端。絕熱裝置由氧化鋁陶瓷及碳納米管形成的復(fù)合材料制成，其中碳納米管垂直于熱量傳遞的方向排布，可確保熱源產(chǎn)生的熱量僅能沿豎直方向向工件表面?zhèn)鬟f，且可避免熱量在傳遞過程中透過絕熱側(cè)壁散發(fā)到絕熱容器外面，從而提高測量裝置的絕熱性能，使得熱量只能向預(yù)定方向傳遞，提高最終測量精度。設(shè)置噴嘴角度及高度并將絕熱裝置端蓋固定在絕熱裝置上，接通加熱板電源，使加熱板以恒定熱流密度工作。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，打開微量潤滑裝置，使納米流體液滴以一定角度、速度及高度噴射在工件表面。由于絕熱裝置中工件只有上表面與外界有熱量的交換，其余三個界面絕熱。根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，采用流體動力學(xué)及傅立葉傳熱定律，基于精確解的數(shù)學(xué)模型，從工件導(dǎo)熱微分方程的解析解出發(fā)，利用反演原理及熱電偶測得的工件表面溫度精確反演出納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)。

納米粒子射流微量潤滑磨削力及磨削溫度測量裝置，采用熱電偶精確測量納米粒子射流微量潤滑條件下工件表面溫度，采用磨削測力儀測量磨削力。磨削測力儀平臺由一塊整體構(gòu)件與兩個壓電石英晶體三維力傳感器構(gòu)成，可將磨削過程中工件受到的磨削力分解為空間相互正交的三個分力。測量結(jié)束后可得到納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、磨削加工條件下納米流體切削液對流換熱系數(shù)及磨削加工條件下流體/工件能量比例系數(shù)。

納米粒子射流微量潤滑銑削力及銑削溫度測量裝置，由于莫氏主軸、壓電測力晶組、電極引線、導(dǎo)線連接塊、滾輪、主軸下端及圓錐滾子軸承內(nèi)圈隨著機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，而固定外套、端蓋、圓錐滾子軸承外圈及高壓電轉(zhuǎn)換裝置固定在機(jī)床上保持靜止，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀具上的銑削力測量。測量結(jié)束后可得到納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、銑削加工條件下納米流體切削液對流換熱系數(shù)及銑削加工條件下流體/工件能量比例系數(shù)。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)集成在線測量系統(tǒng)，由氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置、納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置以及磨削力及磨削溫度測量裝置或銑削力及銑削溫度測量裝置組成；

所述的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置位于所述的液路系統(tǒng)中，包括相連通的玻璃管i、玻璃管ii，在玻璃管i中安裝長鉑絲，玻璃管ii中安裝短鉑絲，長鉑絲、短鉑絲既作為加熱線源又作為測溫元件；且安裝長鉑絲的玻璃管設(shè)有納米流體入口和納米流體出口，且納米流體入口和納米流體出口各自通過一個單向閥與液路系統(tǒng)相連；

所述的氣路系統(tǒng)為液路系統(tǒng)中的納米流體提供壓力，且液路系統(tǒng)引出兩個噴嘴，噴嘴i噴出的納米流體氣霧噴到工件i表面，組成納米流體對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置；噴嘴ii噴出的納米流體氣霧噴到工件ii表面，組成磨削力及磨削溫度測量裝置。

進(jìn)一步的，所述的氣路系統(tǒng)包括依次連接的空氣壓縮機(jī)、過濾器、儲氣罐、調(diào)壓閥ii、節(jié)流閥ii、渦輪流量計ii。

進(jìn)一步的，所述的液路系統(tǒng)包括依次連接的納米流體儲液罐、液壓泵、調(diào)壓閥i、節(jié)流閥i、渦輪流量計i、單向閥i、單向閥ii組成液路；所述的單向閥i與納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的納米流體入口相連，所述的單向閥ii與納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的納米流體出口相連。

進(jìn)一步的，所述的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置中的長鉑絲和短鉑絲的溫度差，采用惠斯通電橋精確測量。

進(jìn)一步的，所述的玻璃管i與玻璃管ii通過連接口i和連接口ii由膠皮管連接；打開單向閥i，納米流體由單向閥i流出后由納米流體入口進(jìn)入玻璃管ii，再經(jīng)連接口ii、膠皮管、連接口i進(jìn)入玻璃管i。此時單向閥ii關(guān)閉，納米流體只能流入導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置而不能流出；測量溫度差之后打開單向閥ii，納米流體由納米流體出口流出。

進(jìn)一步的，所述納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置包括絕熱裝置、加熱板和兩熱電偶，所述的加熱板水平放置在所述的絕熱裝置中，在加熱板上設(shè)有工件i，將兩熱電偶固定在工件i的通孔中并放在加熱板上表面，兩熱電偶通過加熱板的邊緣后分別引入絕熱裝置底壁的兩通孔中。

進(jìn)一步的，所述絕熱裝置為一個長方體，其側(cè)壁、底壁及絕熱裝置端蓋均由氧化鋁陶瓷及碳納米管形成的復(fù)合材料制成；該復(fù)合材料以氧化鋁陶瓷為基體，碳納米管為填充物經(jīng)等離子體燒結(jié)而成。其中碳納米管垂直于熱量傳遞的方向排布，即碳納米管垂直于絕熱側(cè)壁、底壁及絕熱裝置端蓋的厚度方向而排列。

進(jìn)一步的，所述的噴嘴i、噴嘴ii結(jié)構(gòu)相同，均由定位卡，中間套，噴嘴體組成，定位卡下端球形半徑、中間套上端球形孔及下端球形半徑及噴嘴體的上端球形孔半徑相等；定位卡下端球形可裝在中間套上端球形孔中，中間套下端球形可裝在噴嘴體的上端球形孔中。

進(jìn)一步的，所述噴嘴體的注液通道接頭是納米流體入口，納米流體經(jīng)液路管進(jìn)入到噴嘴體的注液通道接頭，高壓氣體經(jīng)氣路管進(jìn)入到噴嘴體的注氣通道接頭。高壓氣體經(jīng)通氣孔壁中分布的通氣孔進(jìn)入混合室，與來自注液通道接頭中的納米流體在噴嘴混合室中充分混合霧化，經(jīng)加速室加速后進(jìn)入渦流室，使高壓氣體和納米流體進(jìn)一步混合并加速，以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口噴射至切削區(qū)。

進(jìn)一步的，所述磨削力及磨削溫度測量裝置，包括熱電偶ⅲ、熱電偶ⅳ和磨削測力儀；采用熱電偶精確測量納米粒子射流微量潤滑條件下工件表面溫度，采用磨削測力儀測量磨削力；磨削測力儀平臺由一塊整體構(gòu)件與兩個壓電石英晶體三維力傳感器構(gòu)成，可將磨削過程中工件受到的磨削力分解為空間相互正交的三個分力。測量結(jié)束后可得到納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)、磨削加工條件下納米流體切削液對流換熱系數(shù)及磨削加工條件下流體/工件能量比例系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的銑削力及銑削溫度測量裝置，其包括壓電測力晶組、電極引線、導(dǎo)線連接塊、高壓電轉(zhuǎn)換裝置；所述的壓電測力晶組安裝在莫氏主軸下端隨著主軸以及刀具一起旋轉(zhuǎn)；電極引線通過所述的導(dǎo)線連接塊固定后與高壓電轉(zhuǎn)換裝置相連，高壓電轉(zhuǎn)換裝置固定不動，從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)刀具上的切削力測量。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)在線測量，不僅設(shè)備集成率高、利用率高，而且測量精度高，可靠性好，解決了目前流體/工件能量比例系數(shù)不可測量及納米流體熱物理性質(zhì)參數(shù)分別用不同設(shè)備測量的難題；

(2)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置，具體的是一種納米流體可流通導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置，納米流體從納米流體入口流入后依次進(jìn)入兩相連的玻璃管，測量結(jié)束后從納米流體出口流出。與現(xiàn)有納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置比較，能更好的避免納米流體自然對流引起的誤差，且不用反復(fù)拆裝，測量方便；

(3)納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置，具體的是一種高壓高速射流條件下納米流體對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置，模擬實際納米粒子射流微量潤滑氣流場，且工件所處的絕熱裝置由氧化鋁陶瓷及碳納米管形成的復(fù)合材料制成，可確保熱源產(chǎn)生的熱量僅能沿豎直方向向工件表面?zhèn)鬟f，從工件熱量平衡導(dǎo)熱微分方程的解析解出發(fā)，利用反演原理及熱電偶測得的工件表面溫度精確反演出納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)；

(4)實施例銑削力測量裝置中，莫氏主軸、壓電測力晶組、電極引線、導(dǎo)線連接塊、滾輪、主軸下端及圓錐滾子軸承內(nèi)圈隨著機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，而固定外套、端蓋、圓錐滾子軸承外圈及高壓電轉(zhuǎn)換裝置固定在機(jī)床上保持靜止，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)刀具上的切削力測量。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為納米流體切削液導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)集成測量系統(tǒng)圖；

圖2為納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量系統(tǒng)的液路和氣路系統(tǒng)圖；

圖3為導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置剖視圖；

圖4為導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置的玻璃管連接圖；

圖5為導(dǎo)熱系數(shù)瞬態(tài)熱線測量系統(tǒng)圖；

圖6為納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置剖視圖；

圖7為絕熱裝置及加熱板安裝圖；

圖8為絕熱裝置碳納米管排布方向圖；

圖9為噴嘴結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖10為定位卡安裝圖；

圖11為中間套剖視圖；

圖12為噴嘴體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖13為納米流體橢圓形噴霧邊界；

圖14為工件內(nèi)部熱傳導(dǎo)示意圖；

圖15為熱電偶測得及模擬得到的溫度曲線圖；

圖16為第一種實施例磨削力及磨削溫度測量裝置；

圖17為工件在磨削測力儀上的裝夾方式圖；

圖18為磨削測力儀平臺；

圖19為第二種實施例銑削測力儀結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖20為壓電測力晶組安裝圖。

其中，1-納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置，2-空氣壓縮機(jī)，3-液壓泵，4-微量潤滑裝置，5-納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置，6-磨削力及磨削溫度測量裝置，7-回收箱，8-溢流閥，9-納米流體儲液罐，10-調(diào)壓閥i，11-節(jié)流閥i，12-渦輪流量計i，13-單向閥i，14-單向閥ii，15-過濾器，16-儲氣罐，17-壓力表，18-調(diào)壓閥ii，19-節(jié)流閥ii，20-渦輪流量計ii，21-噴嘴i，22-噴嘴ii，23-工件i，24-工件ii，25-液路管，26-氣路管；

21-1-定位卡，21-2-中間套，21-3-噴嘴體；

21-3-1-混合室，21-3-2-通氣孔，21-3-3-通氣孔壁，21-3-4-加速室，21-3-5-渦流室，21-3-6-注液通道接頭，21-3-7-注氣通道接頭；

101-橡膠塞i，102-恒溫容器蓋，103-鉑絲支架i，104-鉑絲支架ii，105-短鉑絲，106-恒溫容器，107-玻璃管i，108-連接口i，109-膠皮管，1010-恒溫水入口，1011-納米流體出口，1012-納米流體入口，1013-玻璃管ii，1014-鉑絲支架ⅳ，1015-連接口ii，1016-長鉑絲，1017-鉑絲支架ⅲ，1018-恒溫水出口，1019-橡膠塞ii，1020-連接銅線ⅳ，1021-連接銅線ⅲ，1022-連接銅線ii，1023-連接銅線i，1024-連接銅線v；

501-螺釘i，502-墊片i，503-絕熱裝置端蓋，504-墊片ii，505-絕熱裝置，506-加熱板，507-工件底槽，508-熱電偶i，509-熱電偶ii；

601-砂輪，602-熱電偶ⅲ，603-熱電偶ⅳ，604-磨削測力儀；

604-1-螺釘ⅱ，604-2-擋塊，604-3-環(huán)形塊，604-4-螺釘ⅲ，604-5-螺釘ⅳ，604-6-測力儀底座，604-7-螺釘ⅴ，604-8-數(shù)據(jù)采集器，604-9-信號傳輸線，604-10-平板i，604-11-壓板，604-12-螺釘ⅵ，604-13-螺母，604-14-墊片ⅲ，604-15-螺釘ⅶ，604-16-平板ⅱ；

6ˊ01-莫氏主軸，6ˊ02-螺釘ⅷ，6ˊ03-墊片ⅳ，6ˊ04-密封圈ⅰ，6ˊ05-圓錐滾子軸承ⅰ，6ˊ06-套筒，6ˊ07-套筒，6ˊ08-圓錐滾子軸承ⅱ，6ˊ09-密封圈ⅱ，6ˊ010-壓電測力晶組，6ˊ011-鍵，6ˊ012-電極引線，6ˊ013-高壓電轉(zhuǎn)換裝置，6ˊ014-滾輪，6ˊ015-導(dǎo)線連接塊，6ˊ016-主軸下端，6ˊ017-夾頭，6ˊ018-鎖緊螺母，6ˊ019-刀具，6ˊ020-墊片ⅴ，6ˊ021-預(yù)緊螺釘，6ˊ022-固定外套，6ˊ023-墊片ⅵ，6ˊ024-端蓋，6ˊ025-定位軸，6ˊ026-螺釘ⅸ，6ˊ027-外部導(dǎo)線，6ˊ028-墊片ⅶ，6ˊ029-墊片ⅷ，6ˊ030-螺釘ⅹ。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

下面結(jié)合說明書附圖具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

圖1所示為納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量系統(tǒng)，包括納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1，空氣壓縮機(jī)2，液壓泵3，微量潤滑裝置4，納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置5以及磨削力及磨削溫度測量裝置6或者如圖19所示的納米粒子射流微量潤滑銑削力及銑削溫度測量裝置。

圖2所示為這種測量系統(tǒng)的液路和氣路系統(tǒng)簡圖，如圖所示，由依次串聯(lián)的空氣壓縮機(jī)2、過濾器15、儲氣罐16、調(diào)壓閥ii18、節(jié)流閥ii19、渦輪流量計ii20組成氣路；依次串聯(lián)的納米流體儲液罐9、液壓泵3、調(diào)壓閥i10、節(jié)流閥i11、渦輪流量計i12、單向閥i13、導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1、單向閥ii14組成液路。

工作時，啟動液壓泵3，儲存在儲液罐9中的納米流體經(jīng)流體調(diào)壓閥i10、流體節(jié)流閥i11、渦輪流量計i12、單向閥i13、導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1和單向閥ii14進(jìn)入微量潤滑裝置4的納米流體入口。溢流閥8和納米流體回收箱7形成保護(hù)回路，溢流閥8起到安全閥的作用，當(dāng)液路中的壓力超過調(diào)定壓力時，溢流閥8打開，使納米流體經(jīng)溢流閥8流回到回收箱7中。啟動液壓泵3的同時，啟動空氣壓縮機(jī)2，高壓氣體經(jīng)過濾器15、儲氣罐16、氣體調(diào)壓閥ii18、氣體節(jié)流閥ii19和渦輪流量計ii20進(jìn)入微量潤滑裝置4的壓縮氣體入口，壓力表17用來監(jiān)測儲氣罐16的氣壓。其中，噴嘴i21噴出的納米流體氣霧噴到工件i23表面，組成納米流體對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置5；噴嘴ii22噴出的納米流體氣霧噴到工件ii24表面，組成磨削力及磨削溫度測量裝置6。

納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1處于集成測量系統(tǒng)的液路中，其采用瞬態(tài)雙熱線法，長、短鉑絲由鉑絲支架分別固定在兩玻璃管中，兩玻璃管通過連接口由膠皮管相連，兩鉑絲既作為加熱線源又作為測溫元件。打開單向閥，納米流體只能流入導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置而不能流出。恒溫容器由恒溫循環(huán)水保持恒溫，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，利用惠斯通電橋?qū)?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行精確測量。測量結(jié)束后后打開單向閥，納米流體由納米流體出口流出。與現(xiàn)有納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置比較，能更好的避免納米流體自然對流引起的誤差，且不用反復(fù)拆裝，測量方便；具體的結(jié)構(gòu)如下：

如圖3所示，采用瞬態(tài)雙熱線法，長鉑絲1016、短鉑絲105的直徑為20μm，長度分別為為150mm、50mm，玻璃管i107、玻璃管ii1013的直徑為30mm。兩玻璃管通過連接口i108和連接口ii1015由膠皮管109連接(圖4)。恒溫容器106由恒溫循環(huán)水保持恒溫，循環(huán)水由恒溫水入口1010進(jìn)入，由恒溫水出口1018流出。橡膠塞i101、橡膠塞ii1019固定在恒溫容器蓋102上，鉑絲支架i103、鉑絲支架ii104通過橡膠塞i101通入玻璃管i107，鉑絲支架ⅲ1017、鉑絲支架ⅳ1014通過橡膠塞ii1019通入玻璃管ii1013。鉑絲支架i103、ii104、ⅲ1017、ⅳ1014分別與連接銅線i1023、ii1022、ⅲ1021、ⅳ1020連接，由連接銅線v1024與電源連接。打開單向閥i13，納米流體由單向閥i13流出后由納米流體入口1012進(jìn)入玻璃管ii1013，再經(jīng)連接口ii1015、膠皮管109、連接口i108進(jìn)入玻璃管i107。此時單向閥ii14關(guān)閉，納米流體只能流入導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1而不能流出。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，測量納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。其測量原理為：

兩根熱絲僅長度不同，同時給兩根熱絲加相同的電流時，兩根熱絲產(chǎn)生同樣的端部散熱效應(yīng)。這樣，兩根鉑絲的溫度差就等同于一根無限長熱線的有限部分的溫升，可以消除熱絲端部散熱影響，提高實驗數(shù)據(jù)的測量精度。因為鉑絲的電阻值隨溫度發(fā)生變化，插入納米流體中的表面絕緣的鉑絲既作為加熱線源又作為測溫元件。圖5給出了瞬態(tài)熱線測量系統(tǒng)圖，兩根熱絲的電阻差(即兩根熱絲的溫度差)采用惠斯通電橋精確測量。圖中rr為1ω的精密電阻，其兩端的電壓降即為恒流源輸出的電流i。r2和r4為阻值為100ω的精密電阻，r1′和r3′為電阻溫度系數(shù)極低的錳銅可調(diào)電阻，r1和rs分別表示長短鉑絲的電阻。測試前，先輸出5ma的小電流至橋路，調(diào)節(jié)r1′和r3′使電橋處于平衡狀態(tài)，此時電橋輸出為零(ubd＝0)，即

(r1′+rl)r4＝(r3′+rs)r2(1)

測量開始時，恒流源輸出一恒定的電流i至橋路，長、短熱絲的溫度將升高，電阻值分別升高drl和drs。則電橋輸出電壓dubd與兩熱絲電阻變化量dr之間的關(guān)系為

dubd＝i(r1′+rl+drl)/2-i(r3′+rs+drs)/2＝i(drl-drs)/2＝idr/2(2)

在較小的溫度范圍內(nèi)，鉑絲電阻與溫度的關(guān)系可用下式表示：

r(t)＝r(0)[1+a(t-273.15)](3)

式中：a為鉑絲電阻溫度系數(shù)，可預(yù)先標(biāo)定，r(0)為0℃時長度為l(l是兩根熱絲長度之差)的鉑絲的電阻。對式(3)微分得

dr＝r(0)adt(4)

又已知瞬態(tài)熱線法測量流體導(dǎo)熱系數(shù)的基本方程式：

將式(4)和式(2)代入式(5)，可得導(dǎo)熱系數(shù)的實驗表達(dá)式：

將導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式即可計算得到納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。為了抑制流體自然對流對流體導(dǎo)熱系數(shù)測量的影響，一次實驗測量時間控制在5s范圍內(nèi)。測量完畢后打開單向閥ii14，納米流體由納米流體出口1011流出。與現(xiàn)有納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置比較，本發(fā)明的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置能更好的避免納米流體自然對流引起的誤差，且不用反復(fù)拆裝，測量方便。

圖6為納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置。如圖所示，在工件i23底部加工槽507，并在槽內(nèi)加工兩通孔。分別將熱電偶i508、熱電偶ii509從工件i23的底部通入兩通孔內(nèi)，且使兩熱電偶的節(jié)點與工件i23表面位于同一平面上。將工件i23放入絕熱裝置505內(nèi)，工件i23底部有加熱板506(圖7)。令加熱板506以恒定熱流密度qt工作，則熱量只能從工件i23底部傳遞到工件i23上表面。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，納米流體從噴嘴i21噴出后以射流的形式噴到工件i23表面，兩熱電偶將采集到的溫度信號傳遞給數(shù)據(jù)處理器，通過計算機(jī)的反演處理程序完成納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)的測量。

絕熱裝置505外觀為長方體，將加熱板506裝入絕熱裝置505，將兩熱電偶固定在工件i23的通孔中并放在加熱板506上表面，兩熱電偶通過加熱板的邊緣(圖7)后分別引入絕熱裝置505底壁的兩通孔中，絕熱裝置505內(nèi)部空間長度、加熱板長度及工件長度都為l。將噴嘴i21固定在絕熱裝置端蓋503中并調(diào)整好噴嘴i21的高度及角度后，通過螺釘i501及墊片i502將絕熱裝置端蓋503固定在絕熱裝置505上，墊片ii504可以調(diào)整絕熱裝置端蓋503與絕熱裝置505之間的間隙及游隙。絕熱裝置505的側(cè)壁、底壁及絕熱裝置端蓋503均由氧化鋁陶瓷及碳納米管形成的復(fù)合材料制成，該復(fù)合材料以氧化鋁陶瓷為基體，碳納米管為填充物經(jīng)等離子體燒結(jié)而成。其中碳納米管垂直于熱量傳遞的方向排布(圖8)，即碳納米管垂直于絕熱側(cè)壁、底壁及絕熱裝置端蓋的厚度方向而排列。碳納米管是一種由石墨層碳原子卷曲而成的管狀材料，其直徑為幾納米到幾十納米，可為連續(xù)排列，也可為不連續(xù)排列。碳納米管具有獨特的導(dǎo)熱性能，其軸向?qū)嵝詷O優(yōu)異，但徑向不導(dǎo)熱，因此，當(dāng)熱量垂直碳納米管傳遞時，不會沿其徑向傳遞，碳納米管將熱量反射回去。因此，該絕熱裝置具有優(yōu)良的絕熱性能，較傳統(tǒng)的氧化鋁陶瓷具有更高絕熱效果，可確保熱源產(chǎn)生的熱量僅能沿豎直方向向工件表面?zhèn)鬟f，且可避免熱量在傳遞過程中透過絕熱側(cè)壁散發(fā)到絕熱容器外面，從而提高測量裝置的絕熱性能，使得熱量只能向預(yù)定方向傳遞，提高最終測量精度。

本發(fā)明中噴嘴i、噴嘴ii結(jié)構(gòu)相同，以噴嘴i為例，如圖9所示為噴嘴i21結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖所示，25為整個系統(tǒng)的液路管，26為整個系統(tǒng)的氣路管，21-1為噴嘴i21的定位卡，21-2為中間套，21-3為噴嘴體。如圖10所示，定位卡21-1為樹脂材料，圖10中實線圖形為其原形狀，受力后可變?yōu)樘摼€圖形，定位卡21-1受力變形后裝入絕熱裝置端蓋503中。定位卡21-1下端球形半徑、中間套21-2(圖11)上端球形孔及下端球形半徑及噴嘴體21-3的上端球形孔半徑都為r，因此，定位卡21-1下端球形可裝在中間套21-2上端球形孔中，中間套21-2下端球形可裝在噴嘴體21-3的上端球形孔中。

圖12為噴嘴體21-3剖視圖。工作時，納米流體經(jīng)液路管25進(jìn)入到噴嘴體的注液通道接頭21-3-6，高壓氣體經(jīng)氣路管26進(jìn)入到噴嘴體的注氣通道接頭21-3-7。高壓氣體經(jīng)通氣孔壁21-3-3中分布的通氣孔21-3-2進(jìn)入混合室21-3-1，與來自注液通道接頭21-3-6中的納米流體在噴嘴混合室21-3-1中充分混合霧化，經(jīng)加速室21-3-4加速后進(jìn)入渦流室21-3-5，使高壓氣體和納米流體進(jìn)一步混合并加速，以霧化液滴的形式經(jīng)噴嘴出口噴射至磨削區(qū)。

所述噴嘴i21角度及高度經(jīng)調(diào)整后將絕熱裝置端蓋503固定在絕熱裝置505上，接通加熱板506電源，使加熱板506以恒定熱流密度qt工作。待系統(tǒng)穩(wěn)定后(即兩熱電偶測得的溫度不再變化時)，打開微量潤滑裝置4，使納米流體液滴以一定角度、速度及高度噴射在工件i23表面。納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量原理為：

如圖13所示，噴嘴噴霧傾角為β，噴霧錐角為α，噴嘴高度為h，假設(shè)噴嘴始終保持其在熱源表面形成的沖擊區(qū)域與熱源相切。傾斜噴嘴的噴霧邊界為封閉橢圓或拋物線，為使更多的液滴噴入加工區(qū)域，應(yīng)使噴霧邊界為橢圓，即應(yīng)使0<π/2-β<π/2-α/2。設(shè)橢圓長軸為2a，短軸為2b，引入中間變量c，令c＝2cos(α+β/2)cos(α-β/2)。則橢圓的邊界方程：

式中：

在溫度場模型中，熱源連續(xù)輸入熱量與工件基體內(nèi)熱傳導(dǎo)、工件表面對流換熱遵循熱力學(xué)第一定律和傅立葉傳熱定律。假設(shè)在熱源帶的兩側(cè)不發(fā)生熱量的交換，則可將磨削溫度場簡化為二維傳熱分析。在瞬態(tài)溫度場中場變量t(x,z,t)滿足熱量平衡導(dǎo)熱微分方程：

式中：kx、kz為材料沿x、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)。將工件假定為一矩形平面，并將其離散化分解為平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如圖14所示，取等長的空間步長δx＝δz＝δl，作兩組等間隔的平行線，對矩形工件進(jìn)行剖分，平行線方程：

式中：xi，zj分別為構(gòu)成差分網(wǎng)格的第i條橫線在x方向上的坐標(biāo)值和第j條豎線在z方向上的坐標(biāo)值，a和b分別為工件的長度和高度，m和n分別為自然數(shù)。經(jīng)過剖分，得到了差分計算的網(wǎng)格區(qū)域，如圖14所示。以二階差商為基礎(chǔ)建立差分方程組，即：

可得到內(nèi)部網(wǎng)格各節(jié)點的差分方程為：

圖6絕熱裝置中工件只有上表面與外界有熱量的交換，其余三個界面絕熱。根據(jù)牛頓冷卻定律，工件邊界層與冷卻換熱介質(zhì)之間的溫度對流換熱表示為：

qw＝h(t|s-ta)(12)

式中：qw是工件熱流加載面與換熱介質(zhì)對流熱流量，t|s是熱流加載面的溫度，ta是冷卻換熱介質(zhì)的溫度。在第三類邊界上的微分方程可表示為：

假設(shè)室溫為t0，即初始條件：

t|t＝0＝t0(14)

反演程序：

熱流密度取值范圍為q1～q2，以步長lq進(jìn)行搜索，則熱流密度共有個取值；對流換熱系數(shù)取值范圍為h1～h2，以步長lh進(jìn)行搜索，則對流換熱系數(shù)共有個取值，熱流密度及對流換熱系數(shù)共有n’(n’＝(nq+nh)！/nq！/nh！)個組合。利用式(11)～式(14)計算每個組合在p1、p2點的溫度曲線，n’個組合共得到2n’條溫度曲線，與兩熱電偶測得的溫度曲線相比，如圖15所示，以其中兩個組合(q’,h’),(q”,h”)為例，c1,c3分別為采用(q’,h’),(q”,h”)在p1點模擬得到的溫度曲線，c4,c6為采用(q’,h’),(q”,h”)在p2點模擬得到的溫度曲線，c2,c5分別為兩熱電偶測得的溫度曲線。則從2n’條溫度曲線中搜索與c2，c5曲線重合度最小的組合，該組合便是反演處理得到的熱流密度q及對流換熱系數(shù)值h。

對流換熱系數(shù)的定義式：

qw-f＝h·(tw-tf)(15)

式中：qw-f為納米流體與工件表面之間對流傳熱的熱流密度，tw、tf分別為工件表面和流體的溫度。由反演處理得到的熱流密度q即為qw-f，已知加熱板506以恒定熱流密度qt工作，則由納米流體帶走的熱流密度：

qf＝qt-qw-f(16)

已知納米流體帶走的熱量與傳入工件的熱量，則可得納米流體/工件能量比例系數(shù)：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置及方法模擬實際納米粒子射流微量潤滑噴嘴出口的氣流場，且工件所處的絕熱裝置由氧化鋁陶瓷及碳納米管形成的復(fù)合材料制成，可確保熱源產(chǎn)生的熱量僅能沿豎直方向向工件表面?zhèn)鬟f，基于精確解的數(shù)學(xué)模型，從工件熱量平衡導(dǎo)熱微分方程的解析解出發(fā)，利用反演原理精確反演出納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)。

圖16所示實施例為磨削力及磨削溫度測量裝置，砂輪601圓周速度為vs，工件ⅱ24進(jìn)給速度為vw，磨削深度為ap，納米流體霧滴由噴嘴ⅱ22噴射到工件ⅱ24表面，熱電偶ⅲ602及熱電偶ⅳ603測量工件ⅱ24表面溫度，采用磨削測力儀604測量磨削力。

工件ⅱ24在磨削測力儀604上的裝夾方式如圖17所示，前后兩個測力儀底座604-6固定測力儀并用螺釘ⅳ604-5和螺釘ⅴ604-7夾緊，兩底座604-6的材料屬性為可導(dǎo)磁性金屬。開啟平面磨床工作臺，工作臺充磁可使測力儀的底座604-6吸附在工作臺上。環(huán)形塊604-3固定在測力儀的工作臺上，將工件ⅱ24放在測力儀的工作臺上，工件ⅱ24的六個自由度通過環(huán)形塊604-3和測力儀的工作臺便可實現(xiàn)完全定位。工件ⅱ24的y軸方向使用兩個螺釘ⅱ604-1進(jìn)行夾緊，在工件的x方向，使用兩個螺釘ⅲ604-4對工件ⅱ24進(jìn)行夾緊。擋塊604-2一面與工件ⅱ24側(cè)面接觸，一面與兩個螺釘ⅱ604-1接觸，擰緊螺釘ⅱ604-1使擋塊604-2在工件ⅱ24的y方向上夾緊。工件ⅱ24在z方向上采用三個壓板604-11夾緊，三個壓板604-11借助平板i604-10、平板ⅱ604-16、墊片ⅲ604-14和螺釘ⅵ604-12、螺母604-13構(gòu)成自調(diào)節(jié)壓板，平板ⅱ604-16由螺釘ⅶ604-15固定在擋塊604-2上。當(dāng)工件ⅱ24長寬高三個尺寸發(fā)生變化時，可通過兩個螺釘ⅲ604-4、兩個螺釘ⅱ604-1和三個平板i604-10實現(xiàn)裝備可調(diào)，滿足工件ⅱ24的尺寸變化要求。擋塊604-2用螺釘ⅶ604-15和螺釘ⅱ604-1進(jìn)行夾緊。工件ⅱ24受到磨削力時，測量信號經(jīng)測力儀信號傳輸線604-9傳遞給數(shù)據(jù)采集器604-8并傳遞到控制系統(tǒng)。

圖18所示為磨削測力儀平臺，其是由一塊整體構(gòu)件與二個壓電石英晶體三維力傳感器構(gòu)成。傳感器有三對不同切型的石英晶片裝入殼體內(nèi)構(gòu)成。其中一對采用具有縱向壓電效應(yīng)的切片，只能測量垂直平臺的z向力；而另外兩對晶片由于采用具有切向效應(yīng)的切型，且相互靈敏度方向成90°放置，因此可測x，y向的分力。這樣空間任何方向的力作用在傳感器上時，傳感器便能自動將力分解為空間相互正交的三個分力。

磨削過程中所消耗的磨削能，除了極少部分消耗于新生面形成所需要的表面能、殘留于磨削表層的應(yīng)變能和磨屑飛出的動能外，絕大部分都在接觸區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能以熱傳導(dǎo)、熱對流的形式傳入到工件、砂輪、磨屑和磨削液中。因此，磨削區(qū)產(chǎn)生的總熱流密度qtotal包括流入工件的熱流密度qw，流到磨屑的熱流密度qch，進(jìn)入磨削液的熱流密度qf，以及流向砂輪的熱流密度qs，即：

qtotal＝qw+qch+qf+qs(18)

其中，總熱流密度：

式中：ft為測得的磨削切向力，lc為工件/砂輪接觸弧長，b為砂輪寬度。

圖19所示實施例為銑削測力儀結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖所示，將定位軸6ˊ025固定在機(jī)床上，由于定位軸6ˊ025與固定外套6ˊ022是一體的，固定外套6ˊ022也是固定不動的。莫氏主軸6ˊ01與機(jī)床主軸連接并隨機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)。刀具6ˊ019在切削過程中，受到工件的反作用切削力，由于刀具6ˊ019通過鎖緊螺母6ˊ018與夾頭6ˊ017固定在主軸下端6ˊ016上，切削力從刀具6ˊ019通過夾頭6ˊ017傳遞到主軸下端6ˊ016。主軸下端6ˊ016與莫氏主軸6ˊ01通過預(yù)緊螺釘6ˊ021與墊片ⅴ6ˊ020將壓電測力晶組6ˊ010夾緊在二者之間，切削力通過主軸下端6ˊ016直接作用在壓電測力晶組6ˊ010上。由于銑削過程中莫氏主軸6ˊ01要承受軸向和徑向兩個方向的力，因此本裝置采用圓錐滾子軸承ⅰ6ˊ05和圓錐滾子軸承ⅱ6ˊ08。圓錐滾子軸承ⅰ6ˊ05由端蓋6ˊ024和套筒6ˊ06定位，圓錐滾子軸承ⅱ6ˊ08由固定外套6ˊ022和套筒6ˊ07定位。軸承兩端采用密封圈ⅰ6ˊ04和密封圈ⅱ6ˊ09密封以防止?jié)櫥吐┯汀６松w6ˊ024由螺釘ⅷ6ˊ02和墊片ⅳ6ˊ03固定在固定外套6ˊ022上，墊片ⅵ6ˊ023可以調(diào)整軸承間隙、游隙以及軸的軸向位置。

如圖20所示，壓電晶組6ˊ010受力產(chǎn)生電荷，電信號通過電極引線6ˊ012傳輸?shù)綄?dǎo)線連接塊6ˊ015，由導(dǎo)線連接塊6ˊ015傳遞給滾輪6ˊ014，再由滾輪6ˊ014傳輸?shù)礁邏弘娹D(zhuǎn)換裝置6ˊ013，進(jìn)而通過外部導(dǎo)線6ˊ027進(jìn)入電荷放大器進(jìn)行信號放大處理，最后通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。高壓電轉(zhuǎn)換裝置6ˊ013由螺釘ⅸ6ˊ026和墊片ⅶ6ˊ028固定在固定外套6ˊ022上，導(dǎo)線連接塊6ˊ015由墊片ⅷ6ˊ029和螺釘ⅹ6ˊ030固定在主軸下端6ˊ016上。納米流體霧滴由噴嘴ⅱ22噴射到工件ⅱ24表面，整個過程中，莫氏主軸6ˊ01、壓電測力晶組6ˊ010、電極引線6ˊ012、導(dǎo)線連接塊6ˊ015、滾輪6ˊ014、主軸下端6ˊ016及圓錐滾子軸承內(nèi)圈隨著機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，而固定外套6ˊ022、端蓋6ˊ024、圓錐滾子軸承外圈及高壓電轉(zhuǎn)換裝置6ˊ013固定在機(jī)床上保持靜止，從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)刀具上的切削力測量。安裝時先將導(dǎo)線連接塊6ˊ015固定在主軸下端6ˊ016上，將高壓電轉(zhuǎn)換裝置6ˊ013固定在固定外套6ˊ022上，將壓電測力晶組6ˊ010、主軸下端6ˊ016及鍵6ˊ011依次裝入莫氏主軸6ˊ01下端并用墊片ⅴ6ˊ020及預(yù)緊螺釘6ˊ021擰緊，將刀具6ˊ019裝入主軸下端6ˊ016下端的孔中，再裝上夾頭6ˊ017，最后通過主軸下端6ˊ016與鎖緊螺母6ˊ018的螺紋將鎖緊螺母6ˊ018擰緊。

銑削過程中熱流密度：

式中：fc為刀具進(jìn)給方向切削力，ff為垂直于刀具進(jìn)給方向的切削力，fc與ff均通過測力儀測得；ac為切削厚度，ach為切屑厚度，lf為刀-屑接觸長度，γ0為刀具前角，aw為切削寬度，vc為切削速度。

本方案具體工作過程如下：

納米流體熱物理性質(zhì)參數(shù)集成在線測量系統(tǒng)，具體是一種納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)集成在線測量系統(tǒng)，由空氣壓縮機(jī)2、液壓泵3、納米流體導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置1、微量潤滑裝置4、納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置5、磨削力及磨削溫度測量裝置6組成。

當(dāng)使用該系統(tǒng)對納米流體切削液熱物性參數(shù)進(jìn)行測量時，啟動液壓泵3，儲存在儲液罐9中的納米流體經(jīng)流體調(diào)壓閥i10、流體節(jié)流閥i11、渦輪流量計i12、單向閥i13，由單向閥i13流出后由納米流體入口1012進(jìn)入玻璃管ii1013，再經(jīng)連接口ii1015、膠皮管109、連接口i108進(jìn)入玻璃管i107，使兩玻璃管充滿納米流體。系統(tǒng)穩(wěn)定后接通連接銅線v1024電源，采用惠斯通電橋?qū){米流體的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測量。為了抑制流體自然對流對流體導(dǎo)熱系數(shù)測量的影響，一次實驗測量時間控制在5s范圍內(nèi)。測量完畢后打開單向閥ii14，納米流體由納米流體出口1011流出經(jīng)單向閥ii14進(jìn)入微量潤滑裝置4的納米流體入口。

啟動液壓泵3的同時啟動空氣壓縮機(jī)2，高壓氣體經(jīng)過濾器15、儲氣罐16、氣體調(diào)壓閥ii18、氣體節(jié)流閥ii19和渦輪流量計ii20進(jìn)入微量潤滑裝置4的壓縮氣體入口。噴嘴i21噴出的納米流體氣霧噴到工件i23表面，組成納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)測量裝置5。在工件i23底部加工槽507，并在槽內(nèi)加工兩通孔。分別將熱電偶i508、熱電偶ii509從工件i23的底部通入兩通孔內(nèi)，且使兩熱電偶的節(jié)點與工件i23表面位于同一平面上。將工件i23放入絕熱裝置505內(nèi)，工件i23底部有加熱板506。令加熱板506以恒定熱流密度qt工作，則熱量只能從工件i23底部傳遞到工件i23上表面。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，納米流體從噴嘴i21噴出后以射流的形式噴到工件i23表面，兩熱電偶將采集到的溫度信號傳遞給數(shù)據(jù)處理器，通過計算機(jī)的反演處理程序完成納米流體切削液對流換熱系數(shù)及流體/工件能量比例系數(shù)的精確測量。

本發(fā)明第一種實施例為納米粒子射流微量潤滑條件下磨削力及磨削溫度測量裝置，開啟平面磨床工作臺，工作臺充磁可使測力儀的底座604-6吸附在工作臺上。環(huán)形塊604-3固定在測力儀的工作臺上，將工件ⅱ24放在測力儀的工作臺上。工件ⅱ24的六個自由度通過環(huán)形塊604-3和測力儀的工作臺便可實現(xiàn)完全定位。工件ⅱ24的y軸方向使用兩個螺釘ⅱ604-1進(jìn)行夾緊，在工件的x方向，使用兩個螺釘ⅲ604-4對工件ⅱ24進(jìn)行夾緊。擋塊604-2一面與工件ⅱ24側(cè)面接觸，一面與兩個螺釘ⅱ604-1接觸，擰緊螺釘ⅱ604-1使擋塊604-2在工件ⅱ24的y方向上夾緊。工件ⅱ24在z方向上采用三個壓板604-11夾緊。工件ⅱ24受到磨削力時，測量信號經(jīng)測力儀信號傳輸線604-9傳遞給數(shù)據(jù)采集器604-8并傳遞到控制系統(tǒng)。

本發(fā)明第二種實施例為納米粒子射流微量潤滑條件下銑削力及銑削溫度測量裝置，將導(dǎo)線連接塊6ˊ015固定在主軸下端6ˊ016上，將高壓電轉(zhuǎn)換裝置6ˊ013固定在固定外套6ˊ022上，將壓電測力晶組6ˊ010、主軸下端6ˊ016及鍵6ˊ011依次裝入莫氏主軸6ˊ01下端并用墊片ⅴ6ˊ020及預(yù)緊螺釘6ˊ021擰緊，將刀具6ˊ019裝入主軸下端6ˊ016下端的孔中，再裝上夾頭6ˊ017，最后通過主軸下端6ˊ016與鎖緊螺母6ˊ018的螺紋將鎖緊螺母6ˊ018擰緊。納米流體霧滴由噴嘴ⅱ22噴射到工件ⅱ24表面，整個過程中，莫氏主軸6ˊ01、壓電測力晶組6ˊ010、電極引線6ˊ012、導(dǎo)線連接塊6ˊ015、滾輪6ˊ014、主軸下端6ˊ016及圓錐滾子軸承內(nèi)圈隨著機(jī)床主軸一起旋轉(zhuǎn)，而固定外套6ˊ022、端蓋6ˊ024、圓錐滾子軸承外圈及高壓電轉(zhuǎn)換裝置6ˊ013固定在機(jī)床上保持靜止，從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)刀具上的切削力測量。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。