王曉銘， 張建超， 王緒平， 張彥彬， 劉 波， 羅 亮， 趙 偉， 張乃慶， 聶曉霖， 李長(zhǎng)河

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 山東 青島 266520) (2. 邁赫機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 智能制造技術(shù)研究院， 山東 濰坊 262200) (3. 四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司， 四川 什邡 618400) (4. 寧波三韓合金材料有限公司， 浙江 寧波 315040) (5. 煙臺(tái)海英機(jī)械有限公司， 山東 煙臺(tái) 265299) (6. 上海金兆節(jié)能科技有限公司， 上海 200436) (7. 南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份有限公司, 南京 211106)

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕等一系列優(yōu)異的材料特性，是航空航天等領(lǐng)域不可或缺的金屬材料[1]。然而，在零件磨削加工中，產(chǎn)生的高溫和高應(yīng)力使得工件表面惡化[2-3]。常規(guī)澆注式磨削加工造成環(huán)境污染和人體健康危害，不能夠滿足現(xiàn)階段綠色制造的發(fā)展需求。因此，有學(xué)者率先提出了干磨削[4]，即在磨削過(guò)程中不再添加冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)。然而，由于缺少冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)，在保證工件質(zhì)量的情況下，材料去除效率較低。同時(shí)，由于磨屑無(wú)法及時(shí)去除[5]，工件表面質(zhì)量和砂輪壽命得不到保證。

有學(xué)者提出微量潤(rùn)滑和低溫冷風(fēng)磨削加工技術(shù)。微量潤(rùn)滑是將微量的潤(rùn)滑劑通過(guò)高壓氣體霧化后沖破氣障層噴射至砂輪工件摩擦界面的一種綠色磨削工藝[6-7]。潤(rùn)滑劑可以對(duì)摩擦界面提供有效的潤(rùn)滑作用，而壓縮空氣不僅能夠清除磨屑，還可以起到強(qiáng)制對(duì)流換熱的作用[8-9]。王勝等[10]向微量潤(rùn)滑劑中添加納米粒子以提升磨削加工中的潤(rùn)滑性能。由于納米粒子優(yōu)異的抗磨減摩性能，其磨削力、摩擦系數(shù)和比磨削能較其他潤(rùn)滑形式的都有明顯的減小。而低溫冷風(fēng)技術(shù)是指將常規(guī)氣體介質(zhì)冷卻至0～-120 ℃后，經(jīng)噴嘴噴射至加工區(qū)域的冷卻方式。低溫冷風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠降低磨削力、減少高溫?zé)釗p傷，還能夠有效地延長(zhǎng)砂輪壽命[11-12]。

由于鈦合金材料的低熱導(dǎo)率[13]，相較于其他工件材料，在磨削加工過(guò)程中磨削區(qū)溫度會(huì)顯著提升，造成工件表面熱損傷。為解決鈦合金工件磨削區(qū)溫度過(guò)高的問(wèn)題，ZHANG等[14]提出將納米流體微量潤(rùn)滑與低溫冷風(fēng)技術(shù)相耦合的冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑磨削加工新工藝。納米流體微液滴的存在保證了材料去除時(shí)的潤(rùn)滑作用，而冷風(fēng)的加入提升了微液滴在磨削區(qū)的換熱能力。因此，冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑擁有更高的冷卻性能。張高峰等[15]將粒徑為40 nm的二硫化鉬納米粒子加入基礎(chǔ)磨削液中，比較了常溫干式、澆注式、低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑以及低溫冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑等4種冷卻潤(rùn)滑方式下的磨削加工性能。結(jié)果表明：低溫冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑能夠有效地減小磨削加工過(guò)程中的法向磨削力并降低磨削溫度；尤其在高速、大磨深的磨削參數(shù)下，其磨削加工性能更優(yōu)良。然而，冷風(fēng)的加入使得氣體流量及溫度發(fā)生了變化，納米流體的體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨削區(qū)溫度的作用規(guī)律尚不明確，針對(duì)納米粒子的體積分?jǐn)?shù)對(duì)冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑磨削加工換熱性能影響規(guī)律的相關(guān)研究不夠充分。

本研究通過(guò)兩步法配置不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體用于鈦合金Ti-6Al-4V的磨削加工，并討論和分析磨削區(qū)最高溫度、磨削比能、納米流體的黏度和接觸角的變化趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

微量潤(rùn)滑與冷風(fēng)供給設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)使用的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。磨削力和磨削溫度的測(cè)量方法如圖2所示。

(a)微量潤(rùn)滑供給設(shè)備Minimum quantity lubricationsupply device(b)冷風(fēng)供給設(shè)備Cryogenic air supplyequipment圖1 微量潤(rùn)滑與冷風(fēng)供給設(shè)備Fig. 1 Minimum quantity lubrication & cryogenic air supply equipment

表1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

(a)磨削力測(cè)量Grinding force measurement(b)磨削溫度測(cè)量Grinding temperature measurement圖2 磨削力和磨削溫度的測(cè)量方法Fig. 2 Measurement of grinding force and grinding temperature

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究體積分?jǐn)?shù)對(duì)冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑磨削區(qū)換熱能力的影響規(guī)律，制備了不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體，其體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%。磨削加工參數(shù)如表2所示。

表2 磨削試驗(yàn)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)材料

工件材料選擇鈦合金Ti-6Al-4V，工件尺寸為80 mm×20 mm×40 mm。微量潤(rùn)滑基礎(chǔ)油為KS-1008合成脂，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。納米粒子選用兼具抗磨減摩和冷卻性能的氧化鋁納米粒子，其物理特性見(jiàn)表4。依據(jù)MUSAVI等[16]的研究，與常規(guī)納米流體相比，加入表面活性劑的納米流體可以顯著改善切削性能。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可以歸因于表面活性劑在流體介質(zhì)中具有防止納米顆粒聚集的能力。因此，為提升氧化鋁納米流體的分散性，在用兩步法制備納米流體時(shí)加入體積分?jǐn)?shù)為0.1%的十二烷基硫酸鈉(SDS)作為表面活性劑。兩步法是指首先制備納米固體顆粒，再將納米顆粒通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞椒稚⒌交褐?。混合完成后?jīng)過(guò)機(jī)械攪拌和超聲振蕩分散，以提升其分散穩(wěn)定性。超聲振蕩采用KQ3200DB型超聲波振蕩器，振蕩時(shí)間為2 h。

表3 合成脂成分含量及沸點(diǎn)

表4 氧化鋁納米粒子物理特性

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨削溫度

6種不同體積分?jǐn)?shù)下的氧化鋁納米流體在冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑工況下的磨削區(qū)最高溫度如圖3所示。由圖3可以看出：磨削區(qū)最高溫度隨著氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，并且在體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)得到了最低溫度183.5 ℃，與體積分?jǐn)?shù)為0.5%和3.0%時(shí)的磨削區(qū)最高溫度相比，分別降低了10.1 ℃和12.8 ℃。

隨著氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加，納米流體的分散性會(huì)發(fā)生改變。在范德華力的作用下，納米粒子會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚和沉淀。隨著納米粒子體積分?jǐn)?shù)的升高，納米流體的分散穩(wěn)定性發(fā)生了變化。在較低的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，納米粒子受到的布朗力會(huì)抵消掉納米粒子的沉淀力，絕大部分納米粒子達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。由于作為添加相的氧化鋁納米粒子的熱導(dǎo)率和比熱容等換熱性能參數(shù)相較于基礎(chǔ)油冷卻介質(zhì)有巨大提升，因此納米流體的換熱能力遠(yuǎn)高于相同體積的基礎(chǔ)油。同時(shí)，由于納米粒子的高比表面積特性，其傳熱能力遠(yuǎn)高于微米級(jí)粒子的，伴隨氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)增加，納米流體的換熱能力得到增強(qiáng)。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁磨削區(qū)最高溫度

在氧化鋁納米粒子達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)后，納米粒子之間的距離隨之減小，納米粒子之間易產(chǎn)生如圖4所示的相互搭接的“熱短路”現(xiàn)象[17]。這減少了固體-液體-固體間的高熱阻熱傳遞，因此冷卻介質(zhì)的接觸熱阻得到大幅度降低。并且，相互直接接觸的納米粒子還存在一定的接觸壓力，進(jìn)一步降低了熱阻，從而增強(qiáng)了氧化鋁納米流體的導(dǎo)熱能力。

(a)分散分布 Dispersed and distributed(b)納米粒子搭接Nanoparticles overlap圖4 納米粒子搭接“熱短路”示意圖Fig. 4 Schematic diagram of "hot short circuit" of nanoparticle lap

當(dāng)氧化鋁體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加時(shí)，由于納米粒子失去動(dòng)力穩(wěn)定性并發(fā)生沉降，反而使得納米流體的換熱性能降低。由圖3還可以看出：磨削區(qū)溫度已明顯高于脫芳烴飽和溫度105 ℃，在冷卻介質(zhì)實(shí)際換熱中，除冷風(fēng)帶走的熱量外，納米流體在磨削區(qū)的換熱狀態(tài)為沸騰換熱。磨削區(qū)沸騰換熱是磨削區(qū)大量氣泡的產(chǎn)生、成長(zhǎng)并將工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)從而帶走熱量的一種劇烈蒸發(fā)過(guò)程。當(dāng)工件表面溫度超過(guò)磨削液的飽和溫度并達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，磨削液首先在工件表面凹坑及裂紋處吸收潛熱產(chǎn)生氣泡，這些能夠產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)稱為汽化核心[18]，隨著熱量不斷由高溫表面繼續(xù)傳入汽化核心，氣泡體積不斷長(zhǎng)大、上浮直至脫離工件表面從而帶走磨削熱量。在沸騰換熱中，基礎(chǔ)油易受熱汽化，在汽化的同時(shí)產(chǎn)生大量氣泡進(jìn)而飛逸出。沸騰傳熱與氣泡的產(chǎn)生和脫離密切相關(guān)，而氣泡的形成包含2個(gè)必要條件：液體過(guò)熱和汽化核心的存在。在磨削加工中，工件表面的微凹坑和裂紋處是氣體殘留的優(yōu)良載體。當(dāng)納米流體中氧化鋁體積分?jǐn)?shù)增加到一定程度后，納米粒子會(huì)團(tuán)聚沉積在工件中。然而過(guò)量的氧化鋁納米粒子沉積在工件表面的填補(bǔ)效應(yīng)影響了氣體殘留，進(jìn)而抑制了沸騰換熱汽化核心數(shù)量與容氣能力。更進(jìn)一步地，磨削區(qū)冷卻介質(zhì)的沸騰換熱能力被削弱，磨削溫度升高。因此，體積分?jǐn)?shù)過(guò)高的納米流體“填補(bǔ)阻塞”在工件表面(圖5)，導(dǎo)致磨削區(qū)溫度升高。

圖5 納米粒子“填補(bǔ)阻塞”效應(yīng)

2.2 比磨削能

比磨削能表征磨除單位體積材料所消耗的能量，是磨削加工中最為重要的磨削參數(shù)之一，它與砂輪壽命、工件表面質(zhì)量密切相關(guān)。比磨削能既是衡量磨削加工效率的重要指標(biāo)，同時(shí)也能表征砂輪/工件界面的潤(rùn)滑效果：比磨削能越小則磨除相同體積材料所消耗的能量越少，潤(rùn)滑效果和磨削性能越好。比磨削能計(jì)算公式如下：

(1)

式中：U為比磨削能，J/mm3；P為磨削消耗的總能量，J；Qw為去除工件材料的總體積；vs、vw分別為砂輪和工件進(jìn)給速度，mm/s；Ft為切向磨削力，N；ap、b分別為磨削深度和工件寬度，mm。

6種不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體磨削加工鈦合金時(shí)的比磨削能如圖6所示。由圖6可以看出：在體積分?jǐn)?shù)低于2.5%時(shí)，比磨削能隨氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，由0.5%時(shí)的74.8 J/mm3下降至2.5%時(shí)的64.73 J/mm3。而在氧化鋁的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.0%時(shí)，比磨削能卻上升至69.33 J/mm3。與體積分?jǐn)?shù)2.5%的納米流體相比，體積分?jǐn)?shù)0.5%和3.0%的納米流體的比磨削能分別提高了15.6%和7.1%。結(jié)合磨削溫度隨氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的變化可以推斷：磨削性能并不會(huì)隨納米流體體積分?jǐn)?shù)的增加一直上升，在達(dá)到一定的峰值后，會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。存在一個(gè)體積分?jǐn)?shù)的最優(yōu)值，使得納米流體的冷卻潤(rùn)滑能力最優(yōu)。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體的比磨削能

在氧化鋁體積分?jǐn)?shù)為2.5%之前，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，比磨削能逐漸降低，這驗(yàn)證了氧化鋁納米粒子優(yōu)異的抗磨減摩性能。由于氧化鋁納米粒子的高硬度和類球形結(jié)構(gòu)，使得其在實(shí)際摩擦界面出現(xiàn)“類軸承”效應(yīng)，磨粒/工件接觸界面的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。但是隨著氧化鋁納米流體體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步升高，團(tuán)聚現(xiàn)象變得明顯，納米粒子聚積在一起，使得其快速沉降。這使得納米流體產(chǎn)生與常規(guī)微量潤(rùn)滑油相同的特性與能力。因此，過(guò)高體積分?jǐn)?shù)的納米流體反而不利于實(shí)際的磨削加工。

2.3 納米流體黏度和接觸角對(duì)換熱性能的影響

6種不同體積分?jǐn)?shù)下的氧化鋁納米流體在0 ℃時(shí)的黏度如圖7所示。由圖7可知：隨著體積分?jǐn)?shù)的提升，納米流體的黏度也呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%后，黏度的上升趨勢(shì)減緩。納米粒子的無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)使得納米流體的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和能量交換程度提升，因此納米流體的黏度隨氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增加而升高[19]。因此，隨著氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增加，黏度值升高。而體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，納米粒子之間撞擊、聚積并形成團(tuán)簇，一部分納米粒子失去原有的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。依據(jù)WANG等[20]的研究，高黏度的潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果更優(yōu)。黏度升高，分子間的黏滯性越強(qiáng)，進(jìn)而所產(chǎn)生的油膜擁有更好的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的滯留時(shí)間，從而提高了潤(rùn)滑性能與材料去除過(guò)程的能量損耗。但是，高黏度的潤(rùn)滑劑會(huì)導(dǎo)致更薄的溫度邊界層，因此其熱擴(kuò)散能力會(huì)隨之降低，進(jìn)而換熱性能受到影響[21]。

圖7 不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體在0 ℃時(shí)的黏度

0 ℃時(shí)不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米粒子的接觸角大小如圖8所示。由圖8可知：接觸角隨氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)升高呈近線性下降趨勢(shì)，并在2.5%時(shí)得到最小值45.85°，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增加至3.0%時(shí)，接觸角上升至56.00°。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因是隨著納米流體體積分?jǐn)?shù)的升高，接觸角急劇減小。如圖9a所示，由于氧化鋁固體納米顆粒的密度高于基礎(chǔ)油的密度，因此，有可能對(duì)沿接觸面的油分子施加額外的向下壓力。隨著氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加，這種向下的壓力得到強(qiáng)化，因此接觸角進(jìn)一步減小。同時(shí)，隨著接觸角的減小，潤(rùn)濕面積增大。此外，在基礎(chǔ)油中不斷加入適量的納米顆粒，并參與作用，減小接觸角。然而，體積分?jǐn)?shù)超過(guò)一定量后，接觸角增大。如圖9b所示，這種效應(yīng)可以解釋為：過(guò)量的納米顆粒聚集在一起，而不是分散在基礎(chǔ)油中，然后在失去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性后沉積。因此，納米流體的潤(rùn)濕性降低。

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)的氧化鋁納米流體在0 ℃時(shí)的接觸角

(a)低體積分?jǐn)?shù) Low volume fraction(b)高體積分?jǐn)?shù) High volume fraction圖9 添加不同體積分?jǐn)?shù)的納米粒子后接觸角變化的機(jī)理Fig. 9 Mechanism of contact angle change after addingnanoparticles with different volume fractions

與此同時(shí)，納米流體的黏度與接觸角也是影響冷卻介質(zhì)霧化效果的重要因素。納米流體在高壓空氣的擾動(dòng)下被破碎分散為微液滴，進(jìn)而被輸運(yùn)至砂輪/工件界面發(fā)揮冷卻潤(rùn)滑作用。霧化過(guò)程伴隨納米流體所受外力與內(nèi)力的相互作用。液體壓力與壓縮空氣對(duì)霧化過(guò)程起到促進(jìn)作用，而液體的黏滯力和表面張力會(huì)阻礙霧化過(guò)程。當(dāng)起到促進(jìn)作用的外力大于抑制霧化的內(nèi)力時(shí)，冷卻介質(zhì)的受力平衡狀態(tài)被打破，液滴被破碎成為微液滴群。從霧化角度考慮，更低的潤(rùn)滑液的黏度和表面張力，使得氣體的表面能耗散功和黏性耗散功損耗更少，兩相流的沖擊動(dòng)能更大且液滴顆粒的霧化質(zhì)量更高，從而在磨削區(qū)起到的冷卻潤(rùn)滑作用更佳。納米流體的接觸角越小，其霧化后的微液滴在工件表面鋪展所需要的表面能就越小，同時(shí)可以得到更大的鋪展面積。此時(shí)油膜的鋪展效果更好，因而可以得到更佳的冷卻效果。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了冷風(fēng)微量潤(rùn)滑納米粒子體積分?jǐn)?shù)對(duì)鈦合金磨削性能的影響，分析和討論了磨削區(qū)最高溫度、比磨削能、黏度和接觸角的變化趨勢(shì)與作用機(jī)理，得出如下結(jié)論：

(1)鈦合金的磨削性能并不會(huì)隨氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)增加而一直升高。比磨削能在體積分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)得到最低值64.73 J/mm3，相較于體積分?jǐn)?shù)為0.5%和3.0%時(shí)分別下降了15.6%和7.1%。磨削區(qū)最高溫度隨納米粒子體積分?jǐn)?shù)的提升，并在氧化鋁納米粒子為1.5%時(shí)達(dá)到最低值183.5 ℃，與0.5%和3.0%體積分?jǐn)?shù)的納米流體相比，分別下降了10.1 ℃和12.8 ℃。

(2)氧化鋁納米流體在0 ℃的黏度和接觸角均為非線性變化。黏度隨氧化鋁納米粒子的增加而增加，并在體積分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)達(dá)到235.8 mPa·s。接觸角隨體積分?jǐn)?shù)的增加先下降，并在體積分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)達(dá)到最低值45.85°。高黏度雖然能夠提升接觸區(qū)的潤(rùn)滑性能，但是會(huì)減弱油膜的熱擴(kuò)散能力。低接觸角降低納米流體微液滴在工件表面鋪展失去的表面能，因此可以獲得更高的浸潤(rùn)面積，冷卻效果更佳。

(3)納米粒子的分散性對(duì)磨削中的冷卻潤(rùn)滑均有影響，在氧化鋁納米粒子體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，納米粒子之間會(huì)發(fā)生碰撞、團(tuán)聚。因此需要提升納米流體穩(wěn)定性以提升磨削加工性能。氧化鋁納米粒子的體積分?jǐn)?shù)是影響冷風(fēng)納米流體微量潤(rùn)滑磨削性能的重要因素。