納米粒子射流微量潤滑磨削鎳基合金潤滑性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)*

張彥彬，李長河，賈綜州，張綜坤

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

納米粒子射流微量潤滑磨削鎳基合金潤滑性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)*

張彥彬，李長河，賈綜州，張綜坤

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

結(jié)合國內(nèi)外對(duì)植物油作為微量潤滑基礎(chǔ)油的研究現(xiàn)狀，用液態(tài)石蠟作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)探究了棕櫚油作為基礎(chǔ)油的潤滑性能，實(shí)驗(yàn)中添加的納米粒子是粒徑為50nm的MoS2。實(shí)驗(yàn)中以高溫鎳基合金作為工件在精密平面數(shù)控磨床上進(jìn)行平面磨削，四種磨削工況：干式磨削、澆注式潤滑、微量潤滑、納米粒子射流微量潤滑。采用三向測力儀測量磨削力用于計(jì)算比磨削能和摩擦系數(shù)，用粗糙度測量儀測量工件表面的粗糙度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加MoS2納米粒子的棕櫚油基納米流體在納米粒子射流微量潤滑的條件下取得了最好的潤滑性能，這是由于棕櫚油中高的飽和脂肪酸含量和羧基高的成膜性能。

納米粒子；微量潤滑；磨削；比磨削能

0 引言

納米流體作為微量潤滑磨削液具有冷卻、潤滑、排屑及防銹等功能，起著延長刀具使用壽命、改善零件加工質(zhì)量、提高切削加工效率等作用［1］。通常采用的磨削液基液有礦物油、合成酯、聚乙二醇等。但這幾種磨削液基油的納米流體霧化仍然對(duì)工人的健康造成了很大的傷害，對(duì)環(huán)境造成了一定的污染并且增加了加工成本［2］。因此，開發(fā)并推廣新型（環(huán)保型）微量潤滑磨削基礎(chǔ)液，減少環(huán)境污染指數(shù)、清潔工人的工作環(huán)境和減少加工成本等問題已經(jīng)成為納米流體射流微量潤滑技術(shù)的研究方向之一［3］。

植物油生物降解性好，無毒性，產(chǎn)量高，資源豐富。與礦物油相比，植物油具有更高的沸點(diǎn)和分子重量，從而大大減少了其在霧化和氣化時(shí)的損耗。張懷亮［4］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用植物油作為潤滑油基礎(chǔ)油可以得到良好的潤滑性能，并且通過添加納米顆?？梢越档湍Σ烈驍?shù)、增強(qiáng)摩擦副材料的抗磨能力等。國外的研究者們［5］嘗試將植物油用作金屬切削液并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

學(xué)者們?cè)谝酝难芯抗ぷ髦型ㄟ^實(shí)驗(yàn)研究證明了植物油可以作為切削液和微量潤滑基礎(chǔ)油用于車削、鉆削等金屬切削加工中，而且可以取得很好的冷卻潤滑效果。而在磨削加工過程中，最顯著的特點(diǎn)是具有高的砂輪轉(zhuǎn)速、高的能量消耗［6］。由于磨削加工刀具為砂輪，砂輪表面磨粒通常為負(fù)前角切削，因此通過磨削加工去除單位體積的材料所消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的機(jī)加工形式［7］。因此，基于磨削加工與其他幾種形式加工的不同，本文的主要目的是探究以植物油作為基礎(chǔ)油的納米粒子射流微量潤滑磨削潤滑性能的理論分析與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

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)是在精密平面數(shù)控磨床K-P36上進(jìn)行，主要技術(shù)參數(shù)：主軸功率40kW；最高轉(zhuǎn)速2000r/min；工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率5kW；磨削范圍600×300mm；砂輪使用剛玉砂輪，尺寸為300×20×76.2mm，砂輪粒度為80#，最高線速度 50m/s；納米流體輸送裝置采用Bluebe微量供油系統(tǒng)；測力儀采用YDM-Ⅲ99三向測力儀；采用TIME3220粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

磨削加工工件采用高溫鎳基合金GH4169，相近牌號(hào)：Inconel718（美國），NC19FeNb（法國）。GH4169鎳基合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，主要應(yīng)用于宇航、核能、石油工業(yè)及擠壓模具中，屬于難加工材料。微量潤滑基油分別采用液態(tài)石蠟和棕櫚油，納米粒子采用直徑50nm的MoS2納米粒子。表1列舉了棕櫚油和液態(tài)石蠟的基本性質(zhì)，表2列舉了GH4169的化學(xué)成分。

表1 棕櫚油和液態(tài)石蠟的基本性質(zhì)

表2 GH4169化學(xué)成分

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

納米流體制備采用兩步法［8］，采用MoS2納米粒子（50nm），基油分別采用液態(tài)石蠟（化學(xué)純）和棕櫚油，陽離子表面活性劑：烷基磺酸鹽，分散劑：硫酸二甲脂（C2H6O4S）；數(shù)控超聲波振蕩器：型號(hào)KQ3200DB。澆注式磨削液采用配比為體積分?jǐn)?shù)5%的水溶性磨削液。實(shí)驗(yàn)中采用統(tǒng)一的磨削工藝參數(shù)，如表3所示。

表3 磨削工藝參數(shù)

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)研究［9］選取棕櫚油為植物油的代表，用液態(tài)石蠟作比較，進(jìn)行干式磨削、澆注式磨削、微量潤滑磨削、納米粒子射流微量潤滑磨削四種工況的驗(yàn)證性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

在每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，都將用三向磨削力測力儀YDM-Ⅲ99測量并記錄法向力、切向力和軸向力，磨削力的測量采樣頻率是1kHz。采樣后的磨削力信號(hào)導(dǎo)入“磨削力動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)”軟件中進(jìn)行濾波處理，最終得到磨削力圖像文件和磨削力數(shù)據(jù)文件。在各向磨削力穩(wěn)定區(qū)域選取100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)并求平均值得到相應(yīng)的平均力。數(shù)據(jù)處理中利用計(jì)算得到的磨削力平均值計(jì)算每次磨削過程的摩擦系數(shù)和比磨削能。利用PGI800表面輪廓儀測量加工后工件表面粗糙度，記錄數(shù)據(jù)并用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

2.1 摩擦系數(shù)（μ）

摩擦系數(shù)在磨削加工中定義為切向磨削力Ft與法向磨削力Fn之比。其計(jì)算公式為

式中Ft—切向磨削力（N）；

Fn—法向磨削力（N）。

在磨削加工中摩擦系數(shù)μ的經(jīng)驗(yàn)值為0.2～0.7［10］。摩擦系數(shù)的大小說明了砂輪/工件界面的潤滑效果的好壞，摩擦系數(shù)越小，潤滑效果越好，反之，潤滑效果越差。在平面磨削實(shí)驗(yàn)中我們可以通過壓電式壓力傳感器分別測出切向磨削力Ft與法向磨削力Fn，然后通過計(jì)算獲得所需要的摩擦系數(shù)。

2.2 比磨削能（es）

比磨削能定義為去除單位體積的材料所消耗的能量。其計(jì)算公式為［11］

式中P—單位時(shí)間內(nèi)消耗的總能量；

Qw—單位時(shí)間內(nèi)去除工件的體積；

Ft—切向磨削力；

vs—砂輪轉(zhuǎn)速；

vw—工件進(jìn)給速度；

ap—磨削深度；

b—磨削寬度。

比磨削能的大小也說明了砂輪/工件界面的潤滑效果的好壞，在相同的材料和磨削條件下，比磨削能越小，潤滑效果越好，反之，潤滑效果越差。在平面磨削實(shí)驗(yàn)中，測出上述物理量，帶入有關(guān)的計(jì)算公式就可以得到對(duì)應(yīng)的比磨削能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為典型的干式磨削磨削力測量信號(hào)圖像，圖3是典型的干磨削工件粗糙度輪廓圖。

圖2 干式磨削磨削力測量信號(hào)圖

圖3 干式磨削工件粗糙度輪廓圖

3.1 摩擦系數(shù)

磨削區(qū)域的潤滑效果直接影響磨削加工的工件表面質(zhì)量，而摩擦系數(shù)的大小是評(píng)價(jià)磨削區(qū)域潤滑效果的參數(shù)之一。較小的摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)較好的潤滑效果。四種磨削加工工況的磨削系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同工況下的摩擦系數(shù)

由各工況的摩擦系數(shù)可知，干式磨削條件下的摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值μ1=0.567。以干式磨削摩擦系數(shù)作為比較，澆注式磨削、微量潤滑磨削和納米粒子射流微量潤滑磨削的摩擦系數(shù)都有一定程度的減小。在澆注式磨削工況下，體積分?jǐn)?shù)為5%的水溶性磨削液達(dá)到了最好的潤滑效果，摩擦系數(shù)取得最小值μ2= 0.383，這是由于大量磨削液的注入形成了潤滑油膜，起到了很好的潤滑作用。兩種油微量潤滑磨削的摩擦系數(shù)分別為μ3=0.478、μ4=0.439，相對(duì)于干式磨削兩種油的微量潤滑摩擦系數(shù)分別下降了15.7%和22.6%，但是仍然高于澆注式潤滑。由于磨削過程中砂輪附近存在氣障層，澆注式磨削液穿越氣障層的比例很小，參加潤滑的磨削液只占了很小的部分［12］；而微量潤滑磨削液由于噴射速度的增加導(dǎo)致有效參加潤滑的磨削液比例大幅增加。因此雖然微量潤滑的流量率為50m l/h，僅為澆注式潤滑的0.083%，但是依然起到了很好的潤滑效果。在加入2%質(zhì)量百分比的MoS2納米粒子后，以液態(tài)石蠟和棕櫚油為基礎(chǔ)油的納米流體微量潤滑摩擦系數(shù)分別為μ5=0.421、μ6=0.402，潤滑性能表現(xiàn)出進(jìn)一步的提高。一方面，納米粒子的加入強(qiáng)化了微量潤滑磨削液的換熱性能，使磨削區(qū)域內(nèi)的磨削液保持了較好的低溫流動(dòng)特性，呈現(xiàn)出較好的潤滑效果；另一方面，納米粒子自磨削過程中起到了滾珠減摩的作用，進(jìn)一步減小了磨粒的滑動(dòng)力，從而減小了摩擦系數(shù)。

3.2 比磨削能

比磨削能反應(yīng)了磨削加工的能量轉(zhuǎn)移比例，控制比磨削能對(duì)磨削加工質(zhì)量具有很重要的意義。圖5為四種工況磨削的比磨削能。由圖5可知，干式磨削的比磨削能呈現(xiàn)最大值U1=211.37（J/mm3），這是由于磨削區(qū)的摩擦力較大，導(dǎo)致過多的無用功產(chǎn)生。而過大的比磨削能也反應(yīng)了較差的工件表面質(zhì)量。澆注式磨削憑借大量的磨削液注入，提供了好的潤滑條件，因此達(dá)到了最小的比磨削能U2=60.21（J/mm3）。以液態(tài)石蠟和棕櫚油為磨削液的微量潤滑磨削比磨削能分別為U3=119.32（J/mm3）和U4=95.57（J/mm3），較干式磨削有很大幅度的下降，但是對(duì)比澆注式磨削仍然沒有達(dá)到理想的潤滑效果。在以兩種油為基油添加質(zhì)量百分比的MoS2納米粒子后，比磨削能分別為U5=87.43（J/mm3）和U6=76.96（J/mm3），對(duì)比微量潤滑有了一定程度的降低。

棕櫚油MQL和液態(tài)石蠟MQL比磨削能數(shù)值的比較中，棕櫚油MQL取得了更小的數(shù)值，相對(duì)比液態(tài)石蠟下降了11.9%。兩種基油的成分不同導(dǎo)致磨削加工過程中成膜能力產(chǎn)生差異，導(dǎo)致潤滑效果不同。分析磨削液的潤滑效果應(yīng)該從磨削液的分子結(jié)構(gòu)入手。由表1可知，液態(tài)石蠟是從原油分餾所得到的無色無味的混合物，其主要成分是C16-C20正構(gòu)烷烴；棕櫚油是由一系列脂肪酸組成的混合油脂，其包含67.056%的棕櫚酸（C16）、17.116%的油酸（C 18）和4.905%硬脂酸（C18：0）等。

圖5 不同工況下的比磨削能

在磨削區(qū)的潤滑狀態(tài)是邊界潤滑狀態(tài)，在邊界潤滑狀態(tài)下潤滑油在摩擦副表面形成吸附膜和反應(yīng)膜。微量潤滑磨削液的潤滑作用可以從兩個(gè)方面解釋，一方面是物理吸附膜的形成，另一方面是磨削區(qū)金屬皂化反應(yīng)成膜。

（1）物理吸附膜形成機(jī)制

磨削區(qū)域砂輪和工件金屬表面互相作用發(fā)生潤滑摩擦運(yùn)動(dòng)時(shí)，承受較大或沖擊性振動(dòng)性負(fù)荷不易保持液體潤滑，而呈邊界潤滑狀態(tài)。潤滑性能主要取決于潤滑油的“油性”的好壞。就是說潤滑油中的一些帶有極性原子，例如S、O、N、P等，或極性基團(tuán)，如-OH、-COOH、-COOR、-COR、-CN、-CHO、-NCS、-NH2、-NHCH3、-NH3、-NROH等這些與金屬表面親和活性較強(qiáng)的組分和金屬表面分子依靠范德華力而發(fā)生物理吸附（吸附熱約為20kJ/mo1），形成物理吸附膜，起到減摩抗磨的作用從而減小了磨削力。磨削液中分子碳鏈的長度影響了物理吸附膜的吸附持久性，碳鏈越長，吸附膜的強(qiáng)度越強(qiáng)。而且長的碳鏈能夠承受較高的切削溫度從而提高對(duì)表面的保護(hù)。

礦物油的主要成分是C16-C20正構(gòu)烷烴，正構(gòu)烷烴是不含其它元素、官能團(tuán)和碳支鏈的飽和烴，其分子是由若干個(gè)CH2原子團(tuán)和2個(gè)H原子構(gòu)成。其分子中不具有極性原子和極性基團(tuán)，因此不能形成吸附力強(qiáng)的物理吸附膜。如圖6所示，棕櫚油主要成分脂肪酸分子式中都含有極性基團(tuán)-COOH，可以依靠范德華力而發(fā)生物理吸附形成物理吸附膜。因此棕櫚油的摩擦系數(shù)和比磨削能也要低于礦物油液態(tài)石蠟。

（2）金屬皂化反應(yīng)形成潤滑油膜

脂肪酸的潤滑作用可以由脂肪酸在砂輪與加工工件金屬表面形成吸附膜來解釋。在磨削過程中脂肪酸類化合物在高溫條件下容易和金屬表面形成暫時(shí)性的脂肪酸金屬皂，即發(fā)生金屬皂化反應(yīng)。反應(yīng)中羧基-COOH中的氫原子與金屬表面原子發(fā)生置換從而形成單分子層的半化學(xué)結(jié)合油性潤滑膜，這層吸附膜可以是單分子層，也可以是多分子層。當(dāng)它吸附于金屬表面時(shí)，有垂直取向的特性，由于分子間的吸力作用，使分子致密地布滿在金屬表面上，從而減小了刀具的摩擦和磨損。分子中的碳鏈長度影響總的吸附能，隨碳鏈長度的增加總的吸附能也隨之增加。但為得到最大致密度的吸附膜，必定存在一個(gè)足夠的碳鏈長度。據(jù)研究［13］，對(duì)于飽和脂肪酸，潤滑膜中一個(gè)分子所占的表面積為20.5A2，而與該分子中的C原子數(shù)無關(guān)，當(dāng)C原子數(shù)大于16時(shí)吸附能力基本達(dá)到最大值。因此對(duì)于碳鏈長度大于16的脂肪酸，抗磨和減摩的作用是一致的。

棕櫚油的主要脂肪酸種類棕櫚酸（C16）屬于飽和脂肪酸，而液態(tài)石蠟分子不具有羧基-COOH。因此根據(jù)皂化反應(yīng)成膜的規(guī)律對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，由于棕櫚油的主要脂肪酸種類棕櫚酸是飽和脂肪酸，而且C數(shù)是16，因此可以形成吸附力強(qiáng)的潤滑膜實(shí)現(xiàn)好的潤滑性能，在實(shí)驗(yàn)中棕櫚油也得到了較液態(tài)石蠟低的摩擦系數(shù)和比磨削能。

3.3 表面粗糙度

圖6和圖7分別為四種工況磨削的表面粗糙度Ra和Rz數(shù)值。從圖中可以看出，與干式磨削加工相比，采用澆注式、微量潤滑、納米粒子射流微量潤滑進(jìn)行平面磨削，粗糙度值都有一定度的下降。干式磨削由于缺少磨削液的潤滑作用得到最大的粗糙度值，工件表面甚至出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象；而澆注式磨削的粗糙度值最小，對(duì)應(yīng)著好的工件表面質(zhì)量。兩種油液的微量潤滑磨削中，對(duì)應(yīng)的垂直于磨削紋理方向的Ra值相對(duì)于干磨削分別降低了15.5%、22.4%，而Rz值分別降低了10.5%、15.8%，這說明采用微量潤滑磨削可以取得較好的工件表面質(zhì)量，但是粗糙度值降幅較小。兩種油液的納米粒子射流微量潤滑磨削中，對(duì)應(yīng)的垂直于磨削紋理方向的Ra值相對(duì)于干磨削分別降低了34.5%、39.7%，而Rz值分別降低了31.6%、36.8%，這說明采用納米粒子射流微量潤滑磨削能夠較好的降低工件表面粗糙度，與澆注式磨削加工獲得的工件表面粗糙度接近。

圖6 不同工況下的工件粗糙度值Ra

圖7 不同工況下的工件粗糙度值Rz

四種工況的磨削實(shí)驗(yàn)比較進(jìn)一步表明，納米粒子射流微量潤滑磨削可以提供好的冷卻潤滑條件，其工件質(zhì)量最接近澆注式潤滑加工工件質(zhì)量。因此納米粒子射流微量潤滑可以替代澆注式磨削成為綠色環(huán)保的磨削加工方式。而且，在液態(tài)石蠟和棕櫚油兩種微量潤滑基液的磨削實(shí)驗(yàn)比較中，不難發(fā)現(xiàn)棕櫚油對(duì)比液態(tài)石蠟具有更好的潤滑性能。這是由于棕櫚油的化學(xué)成分分子機(jī)構(gòu)提高了磨削液的潤滑性能。因此，實(shí)驗(yàn)證明植物油可以取代礦物油成為納米粒子射流微量潤滑磨削液基礎(chǔ)油。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中用液態(tài)石蠟作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)探究了棕櫚油作為基礎(chǔ)油的潤滑性能，并進(jìn)行了理論分析，得到的結(jié)論如下：

（1）與液態(tài)石蠟對(duì)比，棕櫚油的微量潤滑磨削和納米粒子射流微量潤滑磨削工況下取得了更低的摩擦系數(shù)、比磨削能和表面粗糙度；相對(duì)比干式磨削、微量潤滑磨削工況具有明顯優(yōu)勢，潤滑效果接近于澆注式潤滑磨削。因此植物油可以代替礦物油作為納米粒子射流微量潤滑磨削的基礎(chǔ)油。

（2）與液態(tài)石蠟對(duì)比，棕櫚油在納米粒子射流微量潤滑磨削工況下都取得了比液態(tài)石蠟低的摩擦系數(shù)和比磨削能；這是由于棕櫚油含有脂肪酸，脂肪酸分子在摩擦副表面形成了物理吸附膜和金屬皂化反應(yīng)膜，起到減摩抗磨的作用，提高了磨削液的潤滑性能。因此，實(shí)驗(yàn)證明植物油可以取代礦物油成為納米粒子射流微量潤滑磨削液基礎(chǔ)油。

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（編輯 趙蓉）

Experimental Evaluation into Lubricating Property of Nanoparticles Jet MQL Grinding Nickel Base Alloy

ZHANG Yan-bin，LI Chang-he，JIA Dong-zhou，ZHANG Dong-kun
（College of Mechanical Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao Shandong 266033，China）

In consideration of the combined present research situation of vegetable oil as minimum quantity lubrication（MQL）base oil domestically and abroad，the lubricating property of palm oil as base oil in comparison w ith liquid paraffin was explored.In the experiment，a numerical control precision surface grinder was used for plain grinding on a nickel base alloy workpiece.The effect of adding MoS2nanoparticle with a particle size of 50 nm was studied.Four types of grinding working conditions were applied：dry grinding，flood lubrication，MQL，and nanoparticle jet MQL.Grinding force，particle size，viscosity of nanofluids，and workpiece surface roughness were measured.The experimental results indicate that palm oil-based nanofluids added with MoS2nanoparticles produce the best lubricating property in the nanoparticle jet MQL condition because of the high saturated fatty acid and high film-forming property of carboxyl groups in palm oil.

nanoparticle；grinding，MQL；specific grinding energy

TG580

A

1001-2265（2015）06-0113-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.031

2014-10-13；

2014-11-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175276）；青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14-2-4-18-jch）；黃島區(qū)應(yīng)用研究科技項(xiàng)目（2014-1-55）

張彥彬（1990—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，青島理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榍邢髂ハ骷庸だ碚撆c技術(shù)，（E-mail）zhangyanbin1 -QDLG@163.com；通訊作者：李長河（1966—），男，內(nèi)蒙古通遼人，青島理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)榍邢髂ハ骷庸だ碚撆c技術(shù)，（E-mail）sy-lichanghe@163.com。