砂輪磨切中表面活化劑對超聲制備納米霧化液性能的影響

蒙 臻 崔 智 倪 敬 楊永豐

1.杭州電子科技大學機械工程學院，杭州，3100182.杭州電子科技大學浙江省船港機械裝備技術研究重點試驗室，杭州，310018

0 引言

傳統砂輪切割工藝主要利用薄型砂輪對工件進行切割加工[1]，現已被廣泛用于建筑、石油化工和機械冶金等領域。在磨切過程中，砂輪片和金屬工件的劇烈摩擦作用使大部分切屑以火星四濺的方式脫離工件，并產生大量的粉塵，這使得切割過程具有一定的危險性并污染環境。切削液在提高工藝穩定性、延長砂輪使用壽命、提高工件質量[2]等方面具有一定的優勢，并能降低火星和粉塵的危害，但如乳化油類切削液的大量使用反而會危害操作人員的身體健康，還會破壞生態環境[3]。由此，在砂輪切割領域，選擇合理的綠色切削方式，以替代傳統乳化油類切削液，顯得尤為重要。

綠色切削方式主要有微量潤滑(minimal quantity lubrication, MQL)技術和綠色切削液等。GODLEVSKI等提出，微量切削液以霧滴的形式抵達前刀面-切屑和后刀面-已加工表面間的楔形區，然后通過大量的毛細管滲透進入變形區，起到潤滑的作用[4]；DHAR等[5]將MQL技術直接運用于砂輪磨削，相比于干式磨削，可減小5%～15%的磨削力，同時，刀具的使用壽命也得以延長；張修銘等[6]則更深入地分析了MQL參數對磨削加工性能的影響；陳少峰等[7]、ZHANG等[8]、GUO等[9]重點研究了植物性基礎油的潤滑性能；張悅等[10]認為經過超聲波處理之后的切削液粒子直徑減小，有利于切削液進入刀屑間“毛細管”深處，形成潤滑膜，加強切削液在切削過程中的冷卻作用。適用于砂輪磨切機的MQL技術相對較易實現，但上述文獻中所提及的油基切削液，在砂輪切割機高速、高溫的切割環境下容易產生煙霧、易著火。目前,綠色切削應用研究集中于磨削和車削等領域，主要分析綠色切削方式對加工質量的影響，而對提升磨切性能方面的研究還相對較少。選擇合適的綠色切削液成為了綠色磨切工藝應用研究的前提條件。

本課題組在相關應用研究中發現，高水基切削液有著更好的冷卻性能和清洗效果，且不含氯、芳香烴、亞硝酸鈉等有害成分，其相對較為遜色的潤滑性能也可通過添加石墨烯等納米材料進行改善，但石墨烯納米粒子的高表面能使得納米粒子容易凝聚而難以分散在基礎液體中，需添加少量表面活性劑來克服這一問題[11]。蔣淦相等[12]將乳化劑及其他添加劑加入油和水中，制得的切削液具有優異的穩定性、潤滑性以及均勻的粒徑分布。研制適用于砂輪磨切領域的綠色切削液需重點考慮表面活化劑對高水基納米切削液性能的影響。

本文采用超聲攪拌的方法，將高水基溶液，表面活化劑和石墨烯顆粒振蕩成均勻的體系，制備出新型高水基納米添加劑切削液。通過霧化液直噴式微量潤滑系統，分別在干式、高水基溶液、水基溶液+活化劑等潤滑條件下，開展了切割試驗研究。

1 納米切削液霧化磨切試驗

1.1 試驗系統搭建

本文采用微米級數控自動進給砂輪磨切機，搭建圖1所示的試驗系統。該系統主要由砂輪切割機、超聲波發生器、數顯噴霧泵以及三向力傳感器等組成。霧化噴嘴安裝方式見圖2。砂輪切割過程中的切割力數據由三向力傳感器實時采集，其采樣精度為0.1%，量程為±1 kN；該傳感器將采樣信號輸出至INV3018CT采集儀，通過CIONV DASP V10版頻譜分析軟件進行數據分析，采樣頻率為1 kHz。

圖1 砂輪磨切試驗系統圖Fig.1 The test system of cutting-grinding

圖2 噴射裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of spraying

圖1所示的試驗系統所用儀器設備的型號及具體參數如下：

(1)砂輪切割機主體部分為旭威J3G-400A型材切割機。它的主電機功率為3 kW，砂輪片直徑為400 mm，夾鉗角度為0°～45°，空載轉速為2 800 r/min；其中，微米級進給精度采用Siemens 編程軟件控制伺服電機驅動壓桿實現。

(2)水霧直噴系統主要由氣泵和數顯噴霧泵組成。數顯噴霧泵為永盛TZ-2232-ASPP數顯噴霧泵。使用氣壓為500～700 kPa(5～7 kgf/cm3)，適用液體黏度為0～68 mm2/s(0～68 cst)，噴射量為270 mm3/s(16 mL/min)。該系統通過安裝支架固定于砂輪片與工件切割區域上方，噴霧口直接對準砂輪片與工件接觸的區域。

(3)切割力數據采集系統由工件夾具、三向力傳感器、Kistler?5679A數據采集系統(采樣精度為10 bit，最高采樣頻率為5 kHz)以及Dynoware軟件組成。其中，工件夾具安裝在三向力傳感器上，并固定于切割機工作臺。

低鈉血癥是指血鈉濃度<135 mmol/L，并引發一系列臨床癥狀的疾病[1]。正常情況下，機體內鈉離子的攝入與排出處于相對平衡的狀態。隨著年齡增加，調節水鈉平衡機制的衰退，以及感染、心腦血管疾病、缺氧等多種因素導致老年患者經常出現低鈉血癥。低鈉血癥常缺乏特異性臨床表現，易被誤診漏診，預后不良。近年來對低鈉血癥機制等研究逐漸完善。現主要從病因、診斷等方面對低鈉血癥的診治進展予以綜述。

(4)超聲分散(ultrasonic dispersion, UD)裝置采用Rinco-ultrasonics C20-10超聲波發生器。

(5)試驗使用的砂輪片型號為A|F30Q4BF，其中，磨料材料為棕剛玉，粒度為30目，硬度為中硬，磨粒占砂輪體積在54%～58%之間，結合劑為增強型樹脂。砂輪片具體尺寸：直徑400 mm、厚度3.2 mm。所切割的工件為直徑為45 mm的圓棒，材料為45鋼。

1.2 切削液的配制方案

(1)切削液成分和用量的選擇。本文用到的切削液以水為主劑，并在其中添加微量的表面活化劑：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(RO(CH2CH2O)n-SO3Na)陰離子表面活化劑(AES)和石墨烯(GR)。選用上述活化劑的原因在于其碳鏈長度對降低表面張力的效果最好，潤濕性也較好[13]。基于國家標準GB/T 6144—2010和經濟性、實用性的綜合考量，切削液配置方案如表1所示，配置完成后的切削液如圖3所示。

表1 切削液配制方法

圖3 超聲制備切削液Fig.3 The ultrasonic preparation of cutting fluid

(2)未經超聲分散的切削液放置12 h后便會出現分層現象，經超聲分散配制完成后的切削液能夠保持20 d以上不出現分層或沉淀現象。此外，水經過超聲波處理后會生成微量的H2O2[10]。 H2O2具有較強的氧化性，在切割過程中極易與切割金屬發生氧化反應生成金屬氧化物，將切屑和刀具之間的內摩擦狀態轉化為具有氧化膜的機械摩擦狀態，從而減小了刀屑間的摩擦力[10]。超聲的空化作用也使得表面活化劑和石墨烯分散得更均勻，不易“團簇”。超聲制備切削液的性能與合成切削液的國家標準性能的對比見表2，從其外觀、透明度和pH值可知，本文所配制的切削液符合國家標準GB/T 6144—2010。

表2 超聲制備后切削液的性能指標

1.3 試驗方案

實際上，磨切性能最重要的指標就在于磨粒破碎體積與材料去除量的“置換率”，從能量耗散的角度來看，主磨切力是上述指標最直觀的體現。為了分析活化劑對霧化磨切液性能的影響，本文對比研究不同霧化液下的主切割力特性。試驗中，分別設置了干磨切(dry cut-off，DCO)，以及水基霧化液(water-base atomization，WBA)、添加2.5%表面活化劑的水基霧化液(surfactant additive, SA-WBA)、添加0.5%石墨烯的水基霧化液(graphene additive, GR-WBA)和在添加活化劑基礎上進一步添加0.5%石墨烯的水基霧化液(GRSA-WBA)5種潤滑條件的磨切試驗。在各潤滑條件下完全切斷工件20次，共計100次，其中每切割5次更換一次砂輪片。磨切試驗工藝參數如表3所示。

表3 試驗參數

2 霧化磨切試驗結果

在各潤滑條件下測得20組切割力數據，取其中切割力變化最為顯著的階段(0～5 s)，分別疊加并平滑處理，結果如圖4和圖5所示。其中，沿豎直進給方向的分力稱為徑向力Fn，沿水平垂直于進給方向的分力稱為切向力Ft。

圖4 不同潤滑條件下切向切割力Fig.4 The tangential cutting force under different lubrication condition

圖5 不同潤滑條件下徑向切割力Fig.5 The radial cutting force under different lubrication condition

如圖4和圖5所示，隨著時間的增加，切割力曲線都呈現出緩慢上升—迅速上升—緩慢上升的S形變化過程，這主要與砂輪片和工件的接觸角有關。相比于干磨切，各霧化液作用下的切向力Ft和徑向力Fn都不同程度地呈現減小的趨勢。特別是在剛切入工件時，DCO作用下的切割力曲線迅速上升，而其他潤滑條件作用下的切割力曲線變化相對較為平緩。

對比WBA和SA-WBA潤滑條件下的切割力曲線，無論是切向還是徑向切割力都明顯地減小，這說明活化劑在降低切割力均值、抑制切割力突變方面具有較明顯的效果；對比GR-WBA和GRSA-WBA潤滑條件下的切割力曲線，雖然也有所降低，但下降幅度較小，特別是在某些時刻，添加活化劑的霧化液反而使切向切割力增大了。

表4 切割力均值(0～5 s)

3 試驗結果分析與討論

3.1 活化劑對霧化磨切液潤濕性的影響

4種不同霧化液(WBA、SA-WBA、GR-WBA、GRSA-WBA)液滴在砂輪片上的保持狀態如圖6所示(由KEYENCE VW-9000高速顯微攝像系統所攝)，可以發現活化劑作用下液滴潤濕角θ明顯減小。相比WBA，SA-WBA液滴的潤濕角減小了22.2%；相比GR-WBA，GRSA-WBA液滴的潤濕角則減少了24.9%。根據楊淑燕等[14]的研究：潤濕角越小，界面黏附功越大，而固液界面結合能力也越強，潤濕性越強。由此，添加表面活化劑可大幅提升霧化液的潤濕性能。

(a)WBA (b)SA-WBA

(c)GR-WBA (d)GRSA-WBA圖6 不同霧化液滴在砂輪片上的潤濕角Fig.6 The wetting angle of different droplets on the grinding wheel

表面活化劑改變霧化液液滴潤濕角的主要原因在于減小了液滴的表面張力。實際上在GRSA-WBA中，表面活化劑使得石墨烯分散地更均勻和穩定，同時由于石墨烯的表面能較大，故GRSA-WBA液滴的表面能也較大。此外，GRSA-WBA液滴形成的膜厚也較大，固液潤濕性相比其他兩種霧化液更強[3]。經超聲攪拌后，空化作用和能量傳遞效應使得霧化液具有更大的表面能，從而還可有效減小砂輪片表面液滴的潤濕角，因此在不削弱霧化液冷卻性能的前提下，有效提升了潤濕性。

此外，本文所采用的活化劑是陰離子活化劑，在固液界面上具有較強的吸附作用，這使得磨粒與工件接觸時，霧化液與兩表面接觸處的濃度更大，也更容易形成潤滑膜。

3.2 活化劑對霧化磨切液分散性的影響

分別測定室溫下3種霧化液的整體溶液密度和表層溶液密度，結果如表5所示。由表5可知，活化劑分子的吸附作用使得SA-WBA的表層密度比整體密度高約1%；石墨烯顆粒分散不均，使得GR-WBA的表層密度比整體密度高約5.3%；通過添加活化劑，將石墨烯顆粒分散地更加均勻，使得GRSA-WBA的表層密度比整體密度僅高約2.9%。

表5 霧化液密度

霧化磨切液的分散特性主要是指石墨烯顆粒在整體溶液中的分布特性，其分散不均將導致GR-WBA作用結果實質上與SA-WBA相近，這也可從圖4和圖5所示的切割力數據中看出來。添加了活化劑后，雖然有少許活化劑分子由于吸附特性會覆蓋在溶液表面，但大多數活化劑分子可以包裹住石墨烯顆粒，使其穩定懸浮在溶液中。當石墨烯顆粒能夠均勻噴射至磨粒上時，一方面有效提升了磨粒的銳度；另一方面也改善了磨粒與材料之間的摩擦特性。由此，添加表面活化劑可有效改善石墨烯顆粒的分布特性，提高霧化磨切液的穩定性。

3.3 活化劑對磨切力頻譜特性的影響

分別對不同潤滑條件下的切向切割力Ft進行頻譜分析，結果如圖7所示。

(a)干磨切(f0=35.25 Hz) (b)水基霧化液(f0=35.44 Hz)(c)添加活化劑的霧化液(f0=35.30 Hz)

(d)添加石墨烯的霧化液(f0=35.05 Hz) (e)添加石墨烯和活化劑(f0=35.31 Hz)圖7 切向切割力頻譜圖Fig.7 The spectrum of radial cutting force

如圖7所示，無論何種潤滑條件，切向切割力Ft主要在35.3 Hz(砂輪片切割轉速)附近及其倍頻處出現較大峰值，說明切割系統整體較為穩定。但相比于DCO，4種霧化液潤滑條件下的Ft幅值都有不同程度地減小，這說明霧化液有效改善了切割性能。對比WBA和SA-WBA的作用效果可以發現，SA-WBA作用下的Ft峰值進一步減小，而且能量更為集中，這說明表面活化劑進一步改善了切割性能，而且使切割系統更為穩定；對比GR-WBA和GRSA-WBA的作用效果可以發現，GR-WBA作用下出現了非轉速頻率的倍頻(1.4f0和3.6f0)，這是由于石墨烯顆粒表面能較大，當分散不均時，很容易聚集成團并覆蓋在磨粒表面上，從而一定程度上影響了磨粒出刃高度的分布特性。當加入表面活化劑后，GRSA-WBA作用下可以發現能量更為集中，且分布特性與SA-WBA作用類似，這說明添加表面活化劑，使石墨烯顆粒均勻分散后，可以進一步改善切割性能。

4 結論

(1)本文在高水基溶液中添加2.5%表面活化劑和0.5%石墨烯顆粒，經超聲制備出適用于砂輪磨切工藝的霧化切削液。通過磨切試驗發現，相比于干磨切，在活化劑影響下，所制備的切削液在磨切的初始階段可減小64.2%的徑向切割力和60.4%的切向切割力，有效提升了砂輪磨切效率。

(2)進一步分析發現，添加了表面活化劑后，最大可以減小24.9%的霧化液液滴潤濕角，有效提升了霧化液的潤滑性能；此外，還使得石墨烯顆粒在溶液中分散地更加均勻，從而提高了霧化液的穩定性。

(3)對切向力時域數據作頻譜分析發現，添加的表面活化劑進一步改善了磨粒的切割性能，使得切割系統更為穩定。