董 蘭，柏秀芳，李長(zhǎng)河，翟明戈，齊 強(qiáng)， 呂曉杰，殷慶安，李莉芳，張峰標(biāo)

(1.青島濱海學(xué)院 a.山東省高等學(xué)校機(jī)電工程技術(shù)研發(fā)中心；b.機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520；3.青島海內(nèi)環(huán)?？萍加邢薰?，山東 青島 266555)

0 引言

從二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員開(kāi)始探索將納米級(jí)的微粒(即1～100nm的超細(xì)微粒，這些微粒不僅有三維的納米微粒，還有二維的納米薄膜、一維的納米線以及零維的納米微粒。)添加到液體中，研究新的高效傳熱冷卻技術(shù)納米流體這個(gè)概念由在美國(guó)的Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi等[1]于1995年首次提出，即按照一定的比例采用一定的方法將納米級(jí)金屬或金屬氧化物微粒添加到液體工質(zhì)中所形成的納米微粒懸浮液。這個(gè)概念提出以后，引起了全球?qū)W者的廣泛關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探究和相關(guān)的理論計(jì)算。

納米流體可以降低切削區(qū)域的溫度, 使得生產(chǎn)成本降低 7%～17%[2]。大部分實(shí)驗(yàn)研究表明納米流體比基礎(chǔ)流體能夠提高換熱能力，隨著納米粒子濃度的增加和雷諾數(shù)的增加，其團(tuán)聚顯著增加[3]。這些基本流體懸浮在納米級(jí)的顆粒中，通過(guò)避免金屬表面的接觸來(lái)提高潤(rùn)滑性能。此外，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨濃度的增加呈線性增加，從而促進(jìn)水動(dòng)力相互作用，增強(qiáng)熱輸運(yùn)能力，提高攜熱能力、抗磨減摩性能[4]。將MQL與水性納米流體潤(rùn)滑劑結(jié)合使用是一種潛在的冷卻和潤(rùn)滑方法，可用于替代油基MQL和澆注式冷卻液條件的加工[5]。添加的碳納米管增加了切削液的導(dǎo)熱系數(shù)，最終提高了表面精度[6]。

青島理工大學(xué)李長(zhǎng)河研究團(tuán)隊(duì)在納米流體微量潤(rùn)滑磨削潤(rùn)滑與冷卻機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。張東坤[7]開(kāi)展了球墨鑄鐵納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削性能的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削改善了換熱能力，與干磨削相比磨削區(qū)溫度降低了150℃，納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削Ra值為0.58μm，工件表面質(zhì)量顯著提高。賈東洲[8]進(jìn)行了微量潤(rùn)滑磨削懸浮微粒分布特性的研究，研究了射流參數(shù)(噴嘴出口直徑、供液氣體壓力、磨削液流量率及氣液流量比)與霧滴微粒粒徑的關(guān)系。分析了霧滴粒徑的分布規(guī)律，建立了霧滴微粒數(shù)量和體積分布函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。張彥彬[9]以植物油作為基礎(chǔ)油評(píng)價(jià)了MoS2納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削的潤(rùn)滑性能，實(shí)驗(yàn)中以液態(tài)石蠟作為對(duì)比研究了大豆油、棕櫚油和菜籽油作為微量潤(rùn)滑基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)和比磨削能。王要?jiǎng)俒10-11]通過(guò)系列性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)納米流體微量潤(rùn)滑磨削砂輪/工件界面摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究與分析。實(shí)驗(yàn)得到了棕櫚油和蓖麻油潤(rùn)滑性能較好。李本凱[12-13]通過(guò)系列性的實(shí)驗(yàn)，對(duì)納米流體微量潤(rùn)滑磨削溫度及對(duì)流換熱機(jī)理進(jìn)行了分析與研究。表明棕櫚油作為微量潤(rùn)滑磨削基礎(chǔ)油的換熱能力最好。

土耳其學(xué)者Kuram等[14]使用菜籽油和葵花油植物油基切削液進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)研究比能，刀具壽命和表面粗糙度對(duì)切削速度，切削深度和進(jìn)給速度實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)設(shè)計(jì)。

埃及學(xué)者Ahmed等[15]將SiO2納米流體微量潤(rùn)滑應(yīng)用到銑削加工中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)比傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，納米流體微量潤(rùn)滑大大減小了刀具與工件間的摩擦系數(shù)，從而能節(jié)省大量的能源，降低油耗，減少污染。

學(xué)者Sayuti和Hamdi研究團(tuán)隊(duì)[16]研究了SiO2納米流體微量潤(rùn)滑銑削航空材料AL6061-T6的性能參數(shù)(納米粒子濃度、氣壓和噴嘴角度)。發(fā)現(xiàn)SiO2納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，高氣壓和噴嘴角度15°時(shí)切削力最??；最小納米粒子濃度，高氣壓和噴嘴角度15°時(shí)溫度最??；高納米粒子濃度，氣壓2 bar和噴嘴角度30°時(shí)表面粗糙度最小。此外，Sayuti 等[17]應(yīng)用SiO2納米流體微量潤(rùn)滑，通過(guò)銑削航空材料AL6061-T6來(lái)研究工件加工后的表面形貌，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在工件表面形成一層薄油膜，它能降低切削力、減小切削溫度和提高表面質(zhì)量，從而提高了加工性能。

Rahmati等[18]使用二硫化鉬(MoS2)納米流體微量潤(rùn)滑銑削加工鋁合金AL6061-T6，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析切削力、切削溫度和表面粗糙度對(duì)納米粒子濃度、氣壓和噴嘴角度進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：MoS2納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 %，氣壓4 bar和噴嘴角度30°時(shí)切削力最小；納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5 %，氣壓4 bar和噴嘴角度30°時(shí)溫度最小。Rahmati等[19]在平面銑床上進(jìn)行了MoS2納米流體微量潤(rùn)滑銑削航空鋁材AL6061-T6的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)分析工件表面形貌和表面粗糙度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用MoS2納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%時(shí)，工件的表面質(zhì)量最優(yōu)。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，納米粒子的加入明顯增強(qiáng)了普通流體的換熱能力和潤(rùn)滑能力，而且由于納米粒子本身所具有的小尺寸效應(yīng)和其強(qiáng)烈的布朗運(yùn)動(dòng)，納米粒子與加入微米級(jí)或毫米級(jí)的粒子相比，納米流體具有更好的懸浮穩(wěn)定性，能顯著增加液體的導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)[20-21]，進(jìn)而提高納米流體的冷卻能力，但還沒(méi)有系統(tǒng)的對(duì)植物油基不同納米流體銑削時(shí)的冷卻性能研究，本論文針對(duì)棉籽油與不同納米粒子1.5%的質(zhì)量比配置成的納米流體進(jìn)行微量潤(rùn)滑銑削，研究不同納米粒子對(duì)工件的冷卻性能，尋找適合微量潤(rùn)滑銑削的納米粒子，為深入研究納米流體微量潤(rùn)滑銑削的冷卻機(jī)理鋪墊。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在德馬ML1060B加工中心上進(jìn)行，機(jī)床外形尺寸(L×W×H)3200×2450×2000 mm，主要技術(shù)參數(shù)主軸功率11kW；最高轉(zhuǎn)速8000r/min；工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率5kW；切削范圍1000×600×600mm，切削進(jìn)給速率可達(dá)10000mm/min；微量潤(rùn)滑銑削液輸送裝置采用金兆KS-2106微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采用壓電式三向測(cè)力儀測(cè)量銑削三向力,MX100測(cè)試銑削過(guò)程中工件的溫度；采用SH6C觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，電子掃描電鏡DV2TLV測(cè)工件及切屑表面微觀形貌。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，銑削力及溫度測(cè)量示意圖如圖2所示[4]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用工件尺寸為40mm×30mm×30mm，材料為T(mén)i-6Al-4V，其化學(xué)成分及物理性能如表1、表2所示，Ti-6Al-4V合金(TC4)是一種α+β型雙相鈦合金，具有比強(qiáng)度高，耐熱性及抗腐蝕性能良好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。但該鈦合金的熱導(dǎo)率、彈性模量和硬度較低，化學(xué)活性較高等物理特性，使得其機(jī)械加工性能很差，其中切削力大是鈦合金機(jī)加工過(guò)程的一個(gè)突出特點(diǎn)，這樣銑削鈦合金時(shí)冷卻效果的好壞會(huì)直接影響工件的加工質(zhì)量[13-16]。

1.兩相微量潤(rùn)滑銑削液供給噴嘴 2.立銑刀 3.工件 4.夾具 5.三向測(cè)力儀 6.銑床工作臺(tái) 7.微量潤(rùn)滑電磁閥 8.微量潤(rùn)滑儲(chǔ)油罐 9.微量潤(rùn)滑流量調(diào)節(jié)閥 10.帶壓力表的調(diào)壓閥 11.熱電偶 12.通道 13.USB接口

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

銑刀使用BAP300R-C16-16-160L的銑刀桿，配APMT1135PEDR刀片；實(shí)驗(yàn)選用精煉棉籽油作為微量潤(rùn)滑基油，中國(guó)是世界上最大的棉花生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，精煉棉籽油一般呈橙黃色或棕色，脂肪酸中含有棕櫚酸21.6%～24.8%，硬脂酸1.9%～2.4%，花生酸0～0.1%，油酸18.0%～30.7%，亞油酸44.9%～55.0%，棉籽油在工業(yè)上一般用于生產(chǎn)肥皂、甘油、油墨、潤(rùn)滑油及農(nóng)藥溶劑。近年來(lái)，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，棉籽油可以作為可再生的油料作物之一。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中使用6種不同納米粒子(如表3所示)+棉籽油及用純棉籽油銑削Ti-6Al-4V，分別為平均粒徑為70 nm的AL2O3、MoS2、SiO2、CNTs、SiC、Graphite，與棉籽油均采用1.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比，為分析不同納米粒子對(duì)微量潤(rùn)滑銑削冷卻性能影響，采用統(tǒng)一的銑削工藝參數(shù)，如表4所示。為減少實(shí)驗(yàn)的偶然性，每種工況下分別沿同一方向銑削三次測(cè)得所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(a) 銑削力數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖

(b) 銑削溫度數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖 圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖

彈性模量(GPa)泊松比抗拉強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)導(dǎo)熱率(W/m·℃)比熱(J/kg·℃)密度(g/m3)1140.3429508807.955526.34.42

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用壓電式測(cè)力儀對(duì)三相銑削力進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并記錄，銑削力的測(cè)量采樣頻率是30000Hz，為了減少實(shí)驗(yàn)的偶然性，每種工況下測(cè)量三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到銑削力圖像文件和銑削力數(shù)據(jù)文件；用MX100對(duì)每種工況測(cè)量三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到銑削工件溫度圖像文件和工件溫度數(shù)據(jù)文件；采用SH6C觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量已加工表面的粗糙度，每種工況取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并記錄；每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行切屑采集，采用DV2TLV電子掃描電鏡測(cè)切屑及工件的表面微觀形貌。

表3 不同納米粒子的性能參數(shù)

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 不同納米粒子+棉籽油微量潤(rùn)滑下銑削力的分析

采用兩步法配置納米流體，將Al2O3、 MoS2、SiO2、CNTs、SiC、Graphite六種納米粒子分別與棉籽油按1.5%的質(zhì)量比配置于純棉籽油對(duì)比進(jìn)行銑削，銑削過(guò)程中沿Y正方向銑削，其中X向受力最大，Y和Z向受力較小，由圖3的X向峰值表明MoS2和SiO2的力偏大，接近600N； CNTs的大部分受力在300N左右，Al2O3、SiC、Graphit在350N左右。圖4的X向峰值平均值順序是Al2O3

圖3 不同納米流體微量潤(rùn)滑銑削X向力峰值最大時(shí)的曲線

圖4 不同納米粒子微量潤(rùn)滑銑削X向力峰值平均值的比較

通過(guò)力的數(shù)據(jù)表明棉籽油中加入Al2O3和SiC納米粒子能有效減小銑削力，不僅能減小刀具的磨損，還減少刀具、工件的冷卻壓力，能有效提高工件的表面質(zhì)量。

2.2 不同納米粒子微量潤(rùn)滑銑削溫度的比較

如圖5所示的不同納米粒子銑削時(shí)工件最高溫度順序是SiO2

表5 不同納米納米流體微量潤(rùn)滑銑削溫度峰值

圖5 不同納米流體微量潤(rùn)滑銑削溫度峰值比較

圖6 不同納米粒子銑削溫度的變化

2.3 不同納米粒子微量潤(rùn)滑銑削表面粗糙度比較

本次試驗(yàn)每一方案各測(cè)6組表面粗糙度值Ra，各表面的粗糙度平均值如圖7所示，表面粗糙度大小順序是：Ra(Al2O3)

圖7 不同納米粒子銑削工件平面的表面粗糙度Ra

STDEV 基于樣本估算標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差反映數(shù)值相對(duì)于平均值(mean) 的離散程度。本次6個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的表面粗糙度的STDEV如圖8所示，Al2O3、MoS2和SiO2的STDEV比較小，靠近平均值。其中加入Al2O3納米粒子的表面粗糙度值比純棉籽油(Ra1.77)降低了66.7%，加入SiO2納米粒子的表面粗糙度值比純棉籽油降低了65.5%，表面質(zhì)量都大幅提高，這與SiO2和Al2O3納米流體銑削工件的溫度不僅能快速降下來(lái)，并且溫度降的比較低，說(shuō)明有效冷卻有利于提高工件表面質(zhì)量。SiC和Graphite的Ra值降低不多。

圖8 不同納米流體微量潤(rùn)滑銑削工件平面的表面粗糙度Ra的STDEV

3 結(jié)論

通過(guò)不同納米粒子+棉籽油配成相同濃度的納米流體進(jìn)行微量潤(rùn)滑銑削Ti-6Al-4V的40mm×30mm×30mm試件，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)X向銑削力大小順序是：Al2O3

Graphite

(2)銑削后試件溫度順序是：SiO2

Al2O3

(3)表面粗糙度大小順序是：Ra(Al2O3)<

Ra(SiO2)

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Al2O3納米粒子能有效降低微量潤(rùn)滑銑削力，SiO2能有效提高納米流體冷卻能力；同時(shí)Al2O3和SiO2納米粒子都能達(dá)到較低的表面粗糙度值，這與AL2O3和SiO2納米粒子都是球形結(jié)構(gòu)有關(guān)。