球墨鑄鐵納米粒子射流微量潤滑磨削性能的實驗研究*

張東坤 李長河 賈東洲 馬宏亮

(青島理工大學機械工程學院，山東 青島266033)

在機械加工中，為獲得精確的表面公差和光潔的零件表面，磨削加工是必不可少的，在工業化國家的制造業中磨削占加工成本的20%～25%，磨削加工至關重要。砂輪與工件接觸并相互滑擦、耕犁作用達到去除工件材料。在此過程中，去除單位體積的材料需要消耗大量的能量，而這些能轉化為熱量集中在磨削區，熱量聚集會形成高溫，導致工件熱損傷，如燒傷、裂紋、金相轉變等，還會導致工件變形等影響［1-2］。為降低磨削區的溫度，澆注式冷卻使用大流量的磨削液澆注砂輪與工件之間的楔形區，由于砂輪高速旋轉形成的氣障等原因，大量磨削液很難進入砂輪和工件界面，實際進入砂輪和工件之間界面的有效流量率僅為5%～40%［3］。磨削過程中大量供給的磨削液發生側泄，由于磨削液有效利用率低，必須經過回收處理，磨削液購買及處理的費用在制造加工占總成本中的比重較高，廢液處理耗資巨大，高達磨削液成本的54%［4］。在加工過程中，磨削液形成霧狀揮發或滲漏、溢出，會造成工作現場環境惡化，污染土地和水源，破壞生態環境，磨削液受熱揮發形成的煙霧與人體直接接觸，對操作工人的健康造成威脅，會誘發多種皮膚病和呼吸道、肺部等諸多疾病［5］。為了保護環境、降低成本進而采取不使用磨削液的干磨削，在環保方面的優勢是顯著的。由于磨削加工去除單位材料所消耗的能量比其他加工要多，因此會產生大量的熱聚集在磨削區［6］。僅有10%的熱量被磨削加工中產生的磨屑帶走，熱量聚集形成高溫，沒有磨削液提供潤滑和冷卻作用，砂輪磨損較嚴重，工件的精度和表面完整性惡化。因此開始尋找一種新型的冷卻潤滑方式，介于干式加工和澆注式冷卻的微量潤滑冷卻加工技術隨即產生。1996年由美國密歇根技術大學的W.D.Hewson和G.K.Gerow兩位學者提出微量潤滑的概念［7］。微量潤滑加工是在高壓氣體中混入微量的潤滑液，靠高壓氣流與微量的潤滑油相混合霧化后注入高溫磨削區域。高壓氣流起到冷卻和排屑的作用，潤滑液黏附在工件的加工表面，形成一層保護膜，起到潤滑的作用。該技術綜合了澆注式磨削和干式磨削的優點，潤滑效果與傳統的澆注式磨削幾乎沒有區別［8］。他們對切削液的適當用量問題進行了探討，在滿足加工需求的前提下，對切削液的濃度、工件材料、刀具參數等問題進行觀察，并研究了對表面粗糙度、切削力和積屑瘤等方面的影響［9］。并通過實驗研究得出了最適當的切削液用量［10］。鑒于磨削加工去除單位材料體積在砂輪/工件界面產生大量的能量，將冷卻效果不足的微量潤滑技術引入磨削加工比其他切削加工方法更富有挑戰性［11］。到目前為止只有很少的幾個研究團隊進行了微量潤滑磨削技術的探索性研究。Baheti等人從環保和生態的角度研究了微量潤滑在磨削加工中的應用前景，研究表明:和傳統的澆注式濕磨相比，微量潤滑磨削磨削液使用成本降低65%，減少設備投資22%，而且通過使用自然降解的合成酯作為潤滑液，最大限度地降低了磨削液對環境和人體的危害［12］。Silva等人研究了干磨削、澆注式濕磨削以及微量潤滑條件下，不同加工模式下加工工件的表面完整性、比磨削能、砂輪磨損對比。結果表明，和澆注式濕磨削相比，微量潤滑提供了有效的潤滑，但冷卻效果明顯不足，加工工件表面完整性惡化［13-14］。Tawakoli等人在平面磨床實驗研究了磨削參數對工件表面質量的影響，和澆注式濕磨相比，在優化磨削用量和供液參數的條件下，工件表面質量提高、切向磨削力及比磨削能降低［15］。Barczak等人利用精密平面磨床實驗研究了微量潤滑磨削和澆注式磨削、干式磨削的磨削功率、磨削力、磨削溫度以及表面粗糙度的對比，結果表明:適宜的比材料去除率，微量潤滑磨削的磨削力、磨削功率優于澆注式磨削，但工件表面粗糙度以及殘余應力不及澆注式磨削［16］。王愛玲教授在精密數控磨床上進行了微量油膜附水滴加工液與乳化液、可溶液及微少量水霧和微量油霧加工液的極小切深(5μm)磨削加工對比試驗，并測量磨削力、表面粗糙度、磨削區溫度和磨削比。研究表明，微量油膜附水滴加工液的冷卻性能不及傳統加工液如乳化液和可溶液，卻具有良好的潤滑性能，在提高加工精度和砂輪壽命方面具有明顯的優勢，但這種加工方法由于微量水滴的換熱能力很有限，因而僅適用于產生低磨削熱量條件下的磨削加工［17］。采用微量潤滑的磨削加工中，與澆注式磨削相比較砂輪的壽命和工件的加工質量明顯降低，工件表面存在著表面燒傷［18］。研究表明:高壓氣流的冷卻效果很有限，滿足不了高磨削區溫度強化換熱的需要，工件的加工質量和砂輪壽命比傳統澆注式磨削明顯降低，說明微量潤滑技術還需要進一步改進。由于固體的導熱系數大于液體的，液體的導熱系數大于氣體的，所以國內外有關學者提出在磨削液中添加固體納米粒子，改善微量潤滑換熱不足的缺陷［18］。B.Shen等人通過實驗研究微量潤滑磨削液中添加MoS2納米粒子后的磨削性能，表明由于納米粒子的潤滑特性和高導熱性使得工件的表面質量和砂輪的使用壽命明顯提高，并通過在微量潤滑磨削液中添加Al2O3或其他納米粒子以及不同濃度的納米粒子做對比研究納米粒子的磨削性能［19-20］。Kalita P.等人通過實驗在微量潤滑磨削液中添加MoS2納米粒子后探討選用不同的磨削液基液對磨削性能的影響等問題［21］。通過在微量潤滑的基礎上添加了納米粒子后，冷卻效果得到改善，納米粒子在砂輪與工件界面提高了潤滑效果。本文主要對干式磨削、澆注式磨削、微量潤滑磨削和納米粒子射流微量潤滑磨削四種冷卻潤滑條件進行試驗，分別從磨削力、磨削G比率、磨削溫度和表面粗糙度方面進行磨削性能評價。

1 實驗設備與條件

磨削實驗采用K-P36數控平面磨床，砂輪使用樹脂結合劑CBN砂輪，尺寸為:300 mm×20 mm×76.2 mm，砂輪粒度為64，最大線速度50 m/s，磨削方式為逆磨。磨削工藝參數為:砂輪線速度Vs=30 m/s、工件進給速度Vw=3 m/min以及磨削深度ap=10μm。工件為含碳量3.5%～3.9%的球墨鑄鐵，工件尺寸為32 mm×12 mm×12 mm，實驗裝備如圖1。采用Thermo Vision A20紅外熱像儀和YDM-Ⅲ99壓電式三向磨削測力儀分別測量磨削溫度和磨削力。實驗測試系統如圖2所示。磨削實驗的冷卻潤滑條件如表1所示。

表1 冷卻潤滑方式性能參數表

2 磨削性能評價

2.1 磨削力對比

通過平面磨削實驗，在砂輪線速度vs=30 m/s，工件進給速度速度vw=3 m/min，切深ap=10μm的工作條件下，隨著砂輪磨削行程次數的增加，獲得4種冷卻條件下對工件單位寬度的切向磨削力Ft和法向磨削力Fn的影響如圖3所示。切向磨削力和法向磨削力是由YDM-Ⅲ99壓電式三向磨削測力儀測得的。將測得結果除以磨削寬度得出單位寬度的比切向磨削力Ft和比法向磨削力Fn，這些數值是砂輪磨削工件每行程測量結果的平均值。

由圖3可看出，澆注式冷卻、微量潤滑和納米粒子射流微量潤滑在整個磨削過程中比切向力和比法向力與干磨削相比都減小了，說明磨削過程中使用磨削液可以減小磨削力。在4種冷卻潤滑條件下，澆注式磨削得到的比磨削力最小，納米粒子射流微量潤滑得到的比磨削力次之，然后是微量潤滑，干磨削得到的比磨削力最大。澆注式磨削借助大量的磨削液帶走磨屑，減少摩擦。納米粒子射流微量潤滑中碳納米管納米顆粒的潤滑特性使砂輪與工件的摩擦力減小，減小磨削力。微量潤滑磨削中僅依靠一層油膜潤滑，潤滑效果明顯不如納米粒子射流微量潤滑。對于干磨削來說由于沒有任何潤滑劑，使其加工過程中產生的比磨削力最大。納米粒子射流微量潤滑產生的比磨削力與澆注式冷卻產生的比磨削力最接近并且最小。在同樣磨削力的情況下，傳統澆注式磨削液用量為100 L/min，微量潤滑用量僅為35 mL/h，納米粒子射流微量潤滑較澆注式冷卻最大的改善就是明顯減少了磨削液的用量。從趨勢上看，隨著磨削行程次數的增加，比磨削力逐漸增大，這主要是由于砂輪的磨損導致的。其中干磨削在砂輪行程達到110次后比磨削力增加最明顯，較大的磨削力會產生大量的熱，使工件表面燒傷，產生殘余拉應力。

切向磨削力與法向磨削力之比Ft/Fn，如圖4。由圖4可知，磨削力比在磨削開始時就降低，最后達到一個穩定值，干磨削穩定在0.15，微量潤滑磨削穩定在0.2，澆注式磨削穩定在0.22，納米粒子射流微量潤滑磨削穩定在0.27。在起始階段磨削力比下降是由于工件溫度上升。干磨削的磨削力比較小，這主要是由于工件的燒傷和相變。納米粒子射流微量潤滑磨削切向力較大而法向力較小，導致磨削力比較大，使加工效率得到提高。這是由于碳納米管納米粒子的潤滑和減磨特性使砂輪與工件界面的摩擦系數減小，減小了法向磨削力。

2.2 磨削G比率對比

磨削G比率是在同一磨削條件下去除工件材料體積與砂輪損耗之比，其表達式為［22］:

式中:V'w為單位寬度單位時間工件磨除體積［mm3/(mm·s)］;V's為單位寬度單位時間砂輪損耗體積［mm3/(mm·s)］。

磨削G比率的大小說明了砂輪與工件界面的潤滑好壞，在同一工作條件下，磨削G比率越大，說明潤滑效果越好，砂輪磨損程度越小［22］。四種冷卻條件下的磨削G比率如圖5。

由圖5可知，澆注式磨削得到的磨削G比率為18。干磨時的磨削G比率最小為13，砂輪與工件直接接觸作用沒有潤滑油膜保護，砂輪磨損嚴重。微量潤滑得到的磨削G比率為16，比干磨削高，但比澆注式磨削低。澆注式磨削使用大流量的磨削液，而微量潤滑使用極其少量的磨削液，僅靠攜帶磨削介質的壓縮氣體的換熱能力很有限，微量潤滑磨削冷卻效果不足導致磨削溫度過高使砂輪磨損嚴重。納米粒子射流微量潤滑得到的磨削G比率最高為35，說明在納米粒子射流微量潤滑條件下砂輪的磨損最小，主要由于納米粒子和磨削液在砂輪和工件表面形成保護膜，增加潤滑減小摩擦，從而大大減小了砂輪的磨損，延長了砂輪的使用壽命。

2.3 磨削溫度對比

磨削過程中磨粒與工件相互滑擦作用，消耗的能量大部分轉化為熱量聚集在磨削區，磨削區溫度過高易使工件出現磨削燒傷、相轉變，產生殘余拉應力和磨削裂紋等現象。在四種冷卻條件下得到的磨削溫度如圖6。

由圖6可知，澆注式冷卻得到的溫升最低，峰值約120℃，干磨削得到的溫升最高，峰值約600℃。兩種條件下得到的溫差將近500℃，說明磨削加工時在磨削液的冷卻作用下可以顯著降低磨削區溫度。兩種微量潤滑冷卻在同樣的流量下得到的溫升峰值比干磨削時低100～150℃，這主要是由于磨削液的冷卻和潤滑性能，兩種微量潤滑磨削溫度介于澆注式和干磨削之間，雖然沒有澆注式冷卻效果那么明顯，但也能傳遞并帶走一些熱量，達到降溫的效果。微量潤滑磨削溫升峰值為500℃，納米粒子射流微量潤滑磨削溫升峰值為450℃。納米粒子射流微量潤滑與微量潤滑兩種條件磨削液用量相同，造成磨削溫度差異的原因主要是由于固體納米粒子的導熱能力大于液體的導熱能力。所以納米粒子射流微量潤滑得到的磨削溫度比微量潤滑得到的磨削溫度要低，這主要歸結于納米粒子的強化換熱和潤滑油膜的形成。

2.4 表面粗糙度對比

磨削過程中的潤滑作用將直接影響表面粗糙度的大小，在4種冷卻方式下，工件表面粗糙度Ra值如圖7。

由圖7可知，澆注式冷卻磨削獲得的表面粗糙度Ra值最小，在垂直于磨削方向Ra值為0.42μm，說明表面質量最好，澆注式可以借助大流量的磨削液帶走磨屑，有高效的去屑能力，減少由磨屑造成的工件表面劃傷，大流量的磨削液還提供砂輪與工件接觸處的潤滑，減小磨削力。干磨削獲得表面粗糙度Ra值最大為1.25μm，表面質量最差。微量潤滑冷卻條件下，借助液膜的潤滑作用，獲得表面粗糙度Ra值為0.93μm，表面質量比干磨削明顯改善。納米粒子射流微量潤滑磨削得到的Ra值為0.57μm，說明納米粒子射流微量潤滑獲得的表面質量介于微量潤滑和澆注式之間。納米粒子射流微量潤滑磨削得到表面質量與微量潤滑相比明顯改善。納米粒子射流微量潤滑獲得的表面質量好于微量潤滑，主要是由于納米粒子的抗磨減磨特性，減小磨削力和摩擦，使磨削區降低溫度，保證了工件的表面質量。與干磨削相比表面質量有很大的改善，與澆注式獲得的表面質量最接近，有待在磨削加工冷卻中取代澆注式冷卻。

3 結語

在干加工、傳統澆注式、微量潤滑以及納米粒子射流微量潤滑4種冷卻方式下進行磨削試驗研究，并將磨削得到的磨削力、磨削G比率、磨削溫度、表面粗糙度進行對比，得出以下結論:

(1)干磨削得到磨削溫度最高，為600℃，微量潤滑得到的次之，比干磨削降低100～150℃，澆注式冷卻得到的磨削溫度最低，為120℃。雖然納米粒子射流微量潤滑磨削溫度不如澆注式的磨削溫度低，但并沒有影響工件的表面質量，干磨削得到的工件表面粗糙度Ra值為1.25μm，微量潤滑磨削為0.93μm，納米粒子射流微量潤滑磨削得到的Ra值為0.57μm，澆注式磨削得到的Ra值為0.42μm，所以納米粒子射流微量潤滑得到的工件表面質量比干磨削明顯提高，并且比較接近澆注式的工件表面質量。

(2)澆注式、微量潤滑和納米粒子射流微量潤滑得到的磨削溫度與干磨削相比有明顯降低，說明磨削加工中使用磨削液可以降低磨削區溫度。微量潤滑和納米粒子射流微量潤滑得到的磨削溫度差異不明顯，這可能是由于在磨削過程中起主導冷卻作用的是磨削液的對流現象而不是傳導，由于磨削液添加納米粒子，增加了液體的傳熱系數，所以納米粒子射流微量潤滑得到的磨削溫度比微量潤滑的磨削溫度要低。

(3)微量潤滑條件下，在砂輪磨粒及工件之間形成一層液膜，增強砂輪和工件界面的潤滑性能，磨削G比率明顯提高。干磨削得到的磨削G比率為13，微量潤滑為16，澆注式磨削為18，納米粒子射流微量潤滑為35，其中納米粒子射流微量潤滑的磨削G比率最高，減小了砂輪的磨損，延長了砂輪的使用壽命，大大提高了磨削加工效率。

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