納米金剛石與石墨烯在切削液中的應(yīng)用研究

殷 銳，賀 榮，侯 偉

（1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，西安 710124；2.中船重工西安東儀科工集團(tuán)有限公司，西安 710065）

納米金剛石與石墨烯在切削液中的應(yīng)用研究

殷 銳1，賀 榮2，侯 偉1

（1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院，西安 710124；2.中船重工西安東儀科工集團(tuán)有限公司，西安 710065）

0 引言

切削液是金屬切削加工過(guò)程中重要的配套材料，其主要作用是潤(rùn)滑、冷卻、清洗和防銹。目前中國(guó)制造業(yè)正在經(jīng)歷著技術(shù)升級(jí)及改型，需要不斷地提高產(chǎn)品的質(zhì)量、加工效率以提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)機(jī)床、加工工藝以及刀具等機(jī)械因素已固定的情況下，合理選用切削液可獲得最佳的加工效果，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床、加工中心等先進(jìn)設(shè)備數(shù)量的不斷增多，其使用的切削液大多是也需要從國(guó)外進(jìn)口，不僅運(yùn)輸不便，而且成本很高。因此，為了降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，研制高性能切削液以替代進(jìn)口產(chǎn)品已是當(dāng)務(wù)之急。

本文提出使用兩種碳素納米材料[1]——納米金剛石和石墨烯作為添加劑對(duì)水基切削液進(jìn)行復(fù)合配伍，調(diào)配出的切削液能夠提高加工效率和表面質(zhì)量，同時(shí)延長(zhǎng)刀具使用壽命，降低加工成本，獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

1 納米材料的特性及切削液復(fù)配方案

金剛石和石墨都是碳的同素異形體，而它們的納米量級(jí)結(jié)構(gòu)——納米金剛石和石墨烯是近幾年的熱門(mén)研究材料，具有特殊的性能。

1.1 納米金剛石的特性

納米金剛石是利用負(fù)氧平衡炸藥在爆轟時(shí)產(chǎn)生的游離碳[2]，在爆轟波所產(chǎn)生的壓力和溫度作用下轉(zhuǎn)變成5nm～20nm的基本顆粒，晶粒沒(méi)有棱角呈球形，具有優(yōu)良的耐磨性能、耐腐蝕性能以及導(dǎo)熱性能，還有親水性和高分散性，可以制成穩(wěn)定的分散液。

納米金剛石具有特殊的納米級(jí)小尺寸效應(yīng)及物理化學(xué)特性，球形納米金剛石粒子可在摩擦副表面之間滾動(dòng)形成“滾珠軸承效應(yīng)”，使摩擦副之間的滾動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)和滑動(dòng)的混合摩擦，起到減摩和抗磨作用。在切削加工中，摩擦主要產(chǎn)生于刀具與切屑，刀具與工作表面之間，加入納米金剛石的切削液就可減輕這種摩擦，從而提高工件表面質(zhì)量。

1.2 石墨烯的特性

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子二維結(jié)構(gòu)，是最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，其厚度只有0.335nm，重量幾乎為零。

石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，由碳原子按照六邊形進(jìn)行排布，相互連接，形成一個(gè)碳分子，隨著所連接的碳原子數(shù)量不斷增多，這個(gè)二維的碳分子平面不斷擴(kuò)大，分子也不斷變大。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有非常優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石（水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.62W/m·K）。加入石墨烯的切削液可以從冷卻散熱方面提高工件表的面質(zhì)量。

1.3 切削液的復(fù)配方案

基于上述兩種添加劑的特性，本文選用6%的納米金剛石分散液以及1mg/ml的小分子石墨烯（片徑10nm，厚度1nm）分散液進(jìn)行復(fù)配，設(shè)定三種復(fù)配方案，如表1所示。

表1 切削液配比方案

2 切削液復(fù)配實(shí)驗(yàn)

2.1 酸堿性檢測(cè)

本次實(shí)驗(yàn)首先對(duì)復(fù)配切削液的酸堿性進(jìn)行了檢測(cè)，用PH試紙檢測(cè)調(diào)配好的所有切削液（2～10號(hào)試紙），結(jié)果均與工廠使用的切削液（1號(hào)試紙）PH值相近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入少量的納米金剛石和石墨烯不影響其PH值，因此不會(huì)腐蝕金屬工件。

2.2 銑削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床：A-850型立式數(shù)控加工中心（三菱系統(tǒng)，PD40主軸），工件材料為淬火45#鋼，42～45HRC；刀具為Ф10硬質(zhì)合金涂層銑刀。使用各復(fù)配方案銑削時(shí)均采用相同的切削參數(shù)[4]：切削深度ap為0.5mm，進(jìn)給量為42mm/min，切削速度為585r/min。粗糙度測(cè)量?jī)x表：北京時(shí)代 AR100粗糙度儀。三種復(fù)配方案所測(cè)得的表面粗糙度由每個(gè)銑削面取10個(gè)位置測(cè)量，每位置測(cè)量3次取平均值所得。

采用加入納米金剛石分散液的復(fù)配方案一進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。

圖1 工件銑削表面粗糙度值

由此方案測(cè)得的表面粗糙度結(jié)果（如圖1所示）可知：普通切削液加入納米金剛石后、濃度為100mg/升的配方液能降低工件表面粗糙度值約30%；濃度為200mg/升的配方液能降低工件的表面粗糙度值約50%；而濃度為300mg/升的配方液不僅不能降低反而工件的表面粗糙度比切削原液的還大。說(shuō)明納米金剛石的“滾珠軸承效應(yīng)”在一定濃度的切削液中行之有效，但濃度太小效果不大，而濃度太大，反而成為雜質(zhì)影響工件表面質(zhì)量。

采用加入石墨烯分散液的復(fù)配方案二進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)二切削液中加入石墨烯

由此方案測(cè)得的表面粗糙度結(jié)果（如圖2所示）可知：濃度為10mg/升的配方液基本不能降低工件表面粗糙度值；濃度為20mg/升的配方液只能降低工件表面粗糙度值約5%；而濃度為30mg/升的配方液能降低工件表面粗糙度值約25%。

采用同時(shí)加入納米金剛石和石墨烯分散液的復(fù)配方案三進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)三切削液中加入納米金剛石及石墨烯

在復(fù)配方案三中，同時(shí)加入兩種納米添加劑，比單加一種對(duì)工件表面質(zhì)量的影響要大一些（如圖3所示），其中獲得表面粗糙度值最小的是最后一種，即加入200mg納米金剛石，同時(shí)加入30mg石墨烯，用這種配方液銑削的工件表面粗糙度值比單加納米金剛石的還要再減小10%左右。

2.3 磨削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床：平面磨床鞍座式FXGS-4080，工件材料與銑削實(shí)驗(yàn)相同，為淬火45#鋼，42～45HRC；白剛玉砂輪直徑Ф250mm。磨削參數(shù)均為：切削深度ap為0.03mm，切削速度為1500r/min。

采用加入納米金剛石分散液的復(fù)配方案一進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)，測(cè)得表面粗糙度結(jié)果如圖4所示，使用配方液可使表面粗糙度稍減，但改善不大。采用復(fù)配方案二和三所做的磨削實(shí)驗(yàn)，其表面粗糙度測(cè)得值與方案一基本相同。由此可知，添加這兩種納米材料的切削液不適用于磨削加工。

圖4 工件磨削表面粗糙度值

2.4 鉆鏜削實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床與銑削實(shí)驗(yàn)的相同，工件材料為304不銹鋼板，需鉆鏜Ф30的孔；刀具為韓國(guó)產(chǎn)WCMX 050308 TT9030高速轉(zhuǎn)(銑削)/日本產(chǎn)CY250 CCMT060204精鏜刀(精鏜)，切削參數(shù)為：刀具轉(zhuǎn)速：1000r/min，進(jìn) 刀 量：0.1mm ，走刀速度：100mm/min。粗糙度測(cè)量?jī)x表：三豐SJ-210型。

圖5 工件鉆削表面粗糙度值

采用復(fù)配方案一進(jìn)行鉆鏜削實(shí)驗(yàn)，測(cè)得表面粗糙度結(jié)果如圖5所示，使用配方液不僅對(duì)鉆鏜削表面沒(méi)有改善，反而會(huì)產(chǎn)生不利影響。

采用配方案二和三所做的鉆鏜削實(shí)驗(yàn)，其表面粗糙度測(cè)得值與方案一基本相同。由此可知，添加這兩種納米材料的切削液不適用于鉆鏜削加工。

3 刀具磨損、壽命檢測(cè)及成本分析

3.1 刀具磨損檢測(cè)

刀具磨損值檢測(cè)，選用德國(guó)制造對(duì)刀儀，設(shè)備型號(hào)：ZOLLER venturion 600。

在銑削實(shí)驗(yàn)中，使用各種不同配方液時(shí)均采用每銑一個(gè)面換一把新銑刀的方式，以便對(duì)刀具磨損進(jìn)行的檢測(cè)研究。

測(cè)量方法：以1#號(hào)刀具為例。將刀具夾持在對(duì)刀儀錐孔中，首先測(cè)量出距刀具端面0.6mm處的直徑值，然后調(diào)整對(duì)刀儀軸向坐標(biāo)，測(cè)量參與切削刀刃的直徑數(shù)值。兩者測(cè)量數(shù)值之差，就是該刀具的磨損量。銑削實(shí)驗(yàn)中用到的11把硬質(zhì)合金銑刀的磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，磨損量為直徑方向（雙邊）。

表2 銑削實(shí)驗(yàn)所用刀具磨損量（單位：mm）

由于實(shí)驗(yàn)中試件大小有限，去除金屬材料體積相對(duì)較少，因此刀具磨損較少，但通過(guò)表2中的數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠清晰的說(shuō)明結(jié)果：1號(hào)銑刀使用的切削原液，使用的是加入納米金剛石分散液的配方液，它的磨損量最大；2～4號(hào)銑刀使用的是只加入納米金剛石分散液的配方液，加入后降低了刀具磨損，但加入多了以后磨損又會(huì)有一定量的增加；5～7號(hào)銑刀使用的是只加入石墨烯分散液的配方液，能夠較大的降低刀具磨損量；8～11號(hào)銑刀使用的是同時(shí)加入納米金剛石和石墨烯兩種分散液的配方液，也都能夠較大幅度的降低刀具磨損量，尤其是加入200mg納米金剛石，同時(shí)加入20mg或30mg石墨烯的配方液磨損量最小。

3.2 刀具壽命檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)銑削實(shí)驗(yàn)與刀具磨損量檢測(cè)的結(jié)果，得出切削液中添加兩種納米材料的最佳方案為：每一千升切削液中加納米金剛石100g，同時(shí)再加小分子石墨烯20g。

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床為小巨人VBT-20，工件材料為淬火45#鋼，42～45HRC；刀具仍為Ф10硬質(zhì)合金涂層銑刀;切削參數(shù)：切削深度ap為0.5mm，進(jìn)給量為42mm/min，切削速度為1200r/min。采用這種最佳復(fù)配方案的切削液連續(xù)切削，測(cè)得刀具壽命約為13小時(shí)，而使用普通切削液，在其余條件參數(shù)均不變的情況下刀具壽命約為8小時(shí)。由此可見(jiàn)，這種新型切削液可以有效的提高刀具壽命達(dá)60%以上。

3.3 成本分析

制造企業(yè)的金屬加工總體成本中，最主要的成本來(lái)自人工成本、機(jī)床等加工設(shè)備成本和刀具費(fèi)用，這三項(xiàng)相加大致占到總體成本的95%左右。而金屬加工液僅占總成本的1%左右[5]。當(dāng)加工設(shè)備費(fèi)用固定時(shí)，那么降低金屬加工成本從根本上說(shuō)就是要降低刀具費(fèi)用并提高加工效率以降低人工成本。

本文研究的切削液納米添加劑就是以此為目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中的納米金剛石成本為5元/克，小分子石墨烯成本為30元/克 ，則本文復(fù)配出的最佳方案共增加成本1100元。但使用復(fù)配后的切削液能至少提高30%的表面質(zhì)量，那么就可以通過(guò)減少精加工的工序，或者修改切削參數(shù)來(lái)獲得加工效率的提高；同時(shí)還能大幅降低刀具磨損從而延長(zhǎng)刀具壽命[6]。因此使用了兩種納米添加劑的切削液成本不僅不會(huì)增加，反而由于刀具消耗的降低和加工效率的提升還將有較大幅度的降低。

4 結(jié)論

此次試驗(yàn)僅僅對(duì)最常用的銑削、磨削、鉆鏜削做了部分實(shí)驗(yàn)，對(duì)其他不同加工方法、不同工件和刀具材料的實(shí)驗(yàn)研究后續(xù)還將不斷進(jìn)行。但此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)足以說(shuō)明所配切削液達(dá)到了改善銑削工件的表面質(zhì)量，降低刀具磨損，提高銑削加工經(jīng)濟(jì)效益的目的，對(duì)制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升將有重要的影響。

[1]梁秀娟,胡小芳,嵇海旭,等.納米微粒在改善潤(rùn)滑方面的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,25(1):45-48.

[2]石曉琴.納米金剛石及其復(fù)合物的制備及性質(zhì)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008:1-2.

[3]朱宏偉,徐志平,謝丹,等.石墨烯:結(jié)構(gòu)、制備方法與性能表征[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:11-14.

[4]陸劍中,孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,第5版.2012:169-174.

[5]http://www.chinajsjgy.com/news/show-45322.html[EB/OL].

[6]馬春翔,王光斗,李濤,等.基于模糊理論的刀具壽命可靠性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2007,43(12):93-96.

Study on application of nano diamond and graphene in cutting fluid

YIN Rui1, HE Rong2, HOU Wei1

優(yōu)良切削液的使用能夠改善工件的表面質(zhì)量，同時(shí)也能夠降低刀具磨損。從納米金剛石的“滾珠軸承效應(yīng)”和石墨烯的高導(dǎo)熱性上入手，通過(guò)在切削液中兩種添加劑不同濃度的配制進(jìn)行不同加工方法加工工件的實(shí)驗(yàn)，得出了表面粗糙度以及刀具磨損度的不同結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加入兩種納米添加劑進(jìn)切削液，其最佳配比方案能夠提高工件表面質(zhì)量30%以上，同時(shí)能提高刀具壽命達(dá)60%以上，從而可大幅降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

切削液；納米添加劑；加工實(shí)驗(yàn)；刀具磨損

殷銳（1985 -），女，四川岳池人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。

TH145

A

1009-0134(2015)07(下)-0034-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).10

2015-03-18