低溫冷風(fēng)納米粒子微量潤滑磨削軸承鋼試驗研究

張高峰 李景燾 王志剛 陳文新

湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭，411105

0 引言

目前先進(jìn)制造業(yè)追求的是高效率、高精度、高柔性、低消耗、低成本的高效綠色加工[1]，磨削加工以精度高、表面質(zhì)量好、適應(yīng)面廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，特別是對脆硬難加工材料的加工,大多采用磨削加工方式來實現(xiàn)[2-3]。磨削加工是眾多磨粒以負(fù)前角的方式切削工件，進(jìn)而達(dá)到去除材料的目的，因此磨除單位體積材料需消耗大量的能量[4]，這導(dǎo)致磨削界面處產(chǎn)生較大的磨削力及較高的磨削溫度,大部分的磨削熱會傳遞到工件基體中，影響工件的表面質(zhì)量。為了降低磨削過程中的磨削溫度，通常采用大流量的磨削液進(jìn)行澆注式冷卻潤滑，但是澆注式潤滑磨削液利用率極低，產(chǎn)生的大量廢液不僅對環(huán)境和人體造成危害，而且也增加了相應(yīng)的處理成本，所以高速高效綠色磨削成為了研究的熱點。為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約加工成本，干式磨削與低溫冷風(fēng)微量潤滑磨削成為綠色磨削的主要方法之一，在少、無冷卻液狀態(tài)下，如何降低磨削溫度與磨削損傷是綠色磨削所需要解決的重要難題[5]。國內(nèi)外學(xué)者在微量潤滑方面開展了大量研究工作[6-9]。低溫冷風(fēng)微量潤滑(CMQL)技術(shù)是將少量的磨削液霧化后在高壓低溫氣體推動作用下經(jīng)噴嘴噴射入磨削區(qū)域，從而起到冷卻潤滑效果[10]。納米粒子微量潤滑技術(shù)是指在基礎(chǔ)磨削潤滑油液中添加納米級固體顆粒制備成納米粒子潤滑液，借助高壓氣體經(jīng)由噴嘴霧化后射入磨削區(qū)域以實現(xiàn)冷卻潤滑作用[11]，然而，當(dāng)磨削溫度較高時，會降低納米粒子優(yōu)良的抗磨減摩性能，甚至失去潤滑效果[12]。

本文提出了一種既能提高潤滑性能，也可以達(dá)到良好冷卻性能的低溫納米粒子微量潤滑(cryogenic nanoparticles minimum quantity lubrication，Nano-CMQL)方法。工業(yè)中的淬硬軸承鋼對磨削工藝要求高，高磨削溫度會引起磨削損傷，影響零件的抗疲勞性能與使用壽命，因此，本文選用GCr15淬硬軸承鋼材料為磨削試件，在常溫干式、澆注式、CMQL和Nano-CMQL四種不同潤滑條件下對GCr15淬硬軸承鋼進(jìn)行磨削試驗，分別從磨削力、比磨削能、磨削溫度及表面質(zhì)量等方面進(jìn)行對比分析。

1 試驗設(shè)備、材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

磨削試驗在MGK7120X60高精密平面磨床上進(jìn)行，砂輪磨削方向與工作臺移動方向相逆，即逆磨方式。本文采用的是白剛玉陶瓷結(jié)合劑砂輪P200×20×32LWA60L8V；采用重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CTL-30/2冷風(fēng)機(jī)提供低溫冷風(fēng)微量潤滑試驗條件；采用瑞士Kistler9257B三向動態(tài)壓電晶體式測量儀對磨削力進(jìn)行測量；采用美國國家儀器公司的NIPXI-4497與熱電偶測量磨削時的瞬時磨削溫度；采用日立公司JSM-6360掃描電子顯微鏡對磨削后的工件表面形貌進(jìn)行觀測；采用NanoMap 500LS三維表面輪廓儀對工件表面的輪廓高度、粗糙度進(jìn)行測量。

1.2 試驗材料

采用重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CTY-B植物性低溫切削油作為基礎(chǔ)油，其熱物理性能如表1所示。選用MoS2微粒(一種固體潤滑劑且該微粒在微觀結(jié)構(gòu)上呈片狀結(jié)構(gòu)，在摩擦過程中能夠有效降低磨屑或凸起對表面的劃傷，保護(hù)表面)作為抗磨添加劑。當(dāng)納米粒子的粒徑過小時，團(tuán)聚效應(yīng)會更加明顯，當(dāng)粒徑過大時會誘

發(fā)微開裂現(xiàn)象[13]，因此MoS2微粒平均粒徑選為40 nm。硫酸二甲脂作為分散劑，通過兩步法[14]制備出含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米MoS2的潤滑油。

使用HRS-2M型往復(fù)式摩擦磨損試驗機(jī)考察納米潤滑油的摩擦性能，為保證與后續(xù)磨削試驗工件材料的一致性，摩擦磨損試驗的工件選用GCr15淬硬軸承鋼。其中,上試樣為直徑6 mm的鋼珠,下試樣為20 mm×20 mm×10 mm的鋼塊，材質(zhì)均為GCr15淬硬軸承鋼。通過對比不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的摩擦因數(shù)、摩擦磨損試驗后工件的溝槽深度、鋼球的磨斑面積，分析納米MoS2作為低溫切削油CTY-B添加劑的抗磨性能以及減摩效果，并確定抗磨損能力最優(yōu)時的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖1～圖3所示分別是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的摩擦因數(shù)、鋼球的磨斑面積和摩擦磨損試驗后工件的溝槽深度。由圖1可知，MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)w為2.5%時的納米MoS2潤滑油的摩擦因數(shù)最小，從圖2和圖3中可以看出對應(yīng)的磨斑面積和溝槽深度最小，因此本文的磨削試驗中，采用納米MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的潤滑油進(jìn)行低溫冷風(fēng)微量潤滑磨削試驗。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的摩擦因數(shù)Fig.1 Coefficient of friction at different mass fractions

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下鋼球磨斑面積Fig.2 Steel ball wear spot area under different mass fractions

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下摩擦磨損后的工件溝槽深度Fig.3 The groove depth of workpiece after friction and wear under different mass fraction

1.3 試驗方法

磨削試驗前，首先對氧化鋁砂輪進(jìn)行修圓與修銳，確保氧化鋁砂輪良好的磨削性能。為了分析低溫納米粒子微量潤滑油的冷卻潤滑性能，對比常溫干式、澆注式、CMQL和Nano-CMQL四種潤滑工況在不同磨削參數(shù)下的適應(yīng)性，采用單因素試驗方法研究不同磨削參數(shù)下的磨削力、磨削溫度、比磨削能、表面粗糙度及表面形貌等。磨削試驗參數(shù)及冷卻潤滑條件分別見表2、表3。

表2 磨削試驗參數(shù)

表3 冷卻潤滑方式性能參數(shù)表

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 磨削力的影響分析

圖4是在磨削速度為30 m/s、磨削深度為20 μm時，Nano-CMQL下的磨削力實測波動曲線圖。其中，F(xiàn)n為法向磨削力，F(xiàn)t為切向磨削力，F(xiàn)a為軸向磨削力。由圖4可知，磨削力在相對平穩(wěn)階段時仍會出現(xiàn)一定的波動，這與磨粒在砂輪中位置排布、形狀尺寸、機(jī)床主軸的跳動等因素有關(guān)，在后續(xù)分析中以磨削力平穩(wěn)階段的平均值為磨削力值。

圖4 磨削力波動曲線圖Fig.4 Curve of grinding force fluctuation

圖5為法向磨削力隨磨削速度、磨削深度的變化曲線。由圖5可知，不同冷卻潤滑方式下的法向磨削力均隨著磨削深度的增大而增大，這是由于隨著磨削深度的增大，砂輪與工件的接觸弧長增長，同時參與磨削的磨粒增多，且磨粒切削厚度增大，單位時間的磨除量增大，因而法向磨削力隨之變大。對比分析圖5a、圖5b、圖5c可知，

(a)vs=10 m/s

(b)vs=20 m/s

(c)vs=30 m/s圖5 不同條件下法向磨削力曲線圖Fig.5 Curves of normal grinding force under different conditions

常溫干式下的法向磨削力最大，這是由于在磨削界面中磨粒與工件直接接觸，增大了磨粒與工件之間的摩擦。在磨削速度為10 m/s、磨削深度為5 μm時，澆注式磨削下的法向磨削力最小，這是由于砂輪磨削速度及磨削深度較小時，澆注式磨削下的磨削液可以充分進(jìn)入到磨削界面，在砂輪與工件之間形成理想潤滑膜，這層潤滑膜有著良好潤滑減摩效果，故其法向磨削力最小。隨著磨削速度、深度的增大，在磨削區(qū)域周圍會形成“氣障”現(xiàn)象[15]，會極大地阻礙澆注式磨削液的有效注入，而CMQL與Nano-CMQL技術(shù)由于在噴嘴處噴出的是高壓氣-液混合物，可以減輕“氣障”層對磨削液的阻礙，使磨削液到達(dá)砂輪與工件的磨削界面，起到良好的冷卻潤滑效果，同時高壓冷風(fēng)會帶走磨屑，減小磨削區(qū)域砂輪-工件-磨屑三者之間的摩擦，從而減小磨削力，故隨著磨削速度、深度的增加，澆注式磨削下的法向磨削力相較于CMQL和Nano-CMQL條件下的法向磨削力要大。

在磨削速度為30 m/s、磨削深度為20 μm時，常溫干式、澆注式、CMQL、Nano-CMQL的法向磨削力分別為161 N、160 N、131 N、118 N。這是由于Nano-CMQL磨削一方面具有與CMQL條件下相同的冷卻潤滑效果，另一方面納米級MoS2微粒有著良好的吸附性及承載能力，可吸附在磨削界面處，進(jìn)而減小法向磨削力。

2.2 磨削溫度的影響分析

圖6為四種磨削方式在不同磨削參數(shù)下基于熱電偶法測得的磨削溫度的變化曲線。由圖6a、圖6b、圖6c對比分析可知，在磨削速度為10 m/s、20 m/s，常溫干式下的磨削溫度最高，澆注式磨削的磨削溫度最低，隨著磨削深度的增大，CMQL條件下的冷卻性能要比澆注式與Nano-CMQL差；在磨削速度為10 m/s、磨削深度為20 μm時，澆注式磨削的磨削溫度低于Nano-CMQL的磨削溫度；在磨削速度為30 m/s、磨削深度為5 μm時，澆注式、CMQL、Nano-CMQL三種潤滑冷卻方式下的磨削溫度值相差不大，其中澆注式磨削下的磨削溫度最小，隨著磨削深度的增加，常溫干式與澆注式條件下的磨削溫度要大于CMQL和Nano-CMQL的磨削溫度，而Nano-CMQL的磨削溫度相較于CMQL要低。

(a)vs=10 m/s

(b)vs=20 m/s

(c)vs=30 m/s圖6 不同條件下磨削溫度曲線圖Fig.6 Curves of grinding temperature under different conditions

分析原因如下：常溫干式下，砂輪和工件之間的摩擦界面上沒有任何冷卻潤滑介質(zhì)，磨削過程中產(chǎn)生的磨削熱僅有很少一部分被磨屑帶走，余下大部分磨削熱會傳遞到工件上，故而在不同的磨削參數(shù)下，常溫干式下的磨削溫度始終最高，由此說明磨削液在磨削加工中可以有效降低磨削區(qū)域處的磨削溫度；在磨削速度10 m/s、20 m/s時，澆注式磨削通過大量磨削液的對流換熱方式[16]，降低了磨削區(qū)的磨削溫度，因此此時澆注式磨削下的冷卻潤滑效果最優(yōu)。在磨削速度為30 m/s時，因為砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，在磨削區(qū)域外圍會形成一道“氣障層”， 會極大地阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū)域，故磨削溫度上升幅度較大。而在CMQL和Nano-CMQL潤滑條件下，由于高壓低溫冷風(fēng)有著良好的滲透能力，可以有效帶走磨削區(qū)大部分磨削熱及磨屑，改善磨削區(qū)域動態(tài)換熱條件，并使磨削區(qū)域始終處于一個低溫溫度場狀態(tài)，因此在高速磨削時，CMQL 和Nano-CMQL的磨削溫度較低，冷卻性能更好。相較于CMQL，Nano-CMQL技術(shù)在磨削液中加入納米MoS2粒子，由固體換熱理論[17]可知，固體粒子熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于液體與氣體的熱導(dǎo)率，因此Nano-CMQL中的納米MoS2粒子提高了磨削液的導(dǎo)熱能力與換熱能力，增強(qiáng)了能量傳遞過程，有效降低了磨削區(qū)域的磨削溫度。此外在磨削時納米MoS2粒子的表面活性較高，會極易吸附在工件磨削表面形成潤滑膜[18]，減小磨削區(qū)域中砂輪與工件的摩擦，有效降低了摩擦熱，進(jìn)而極大提高了冷卻潤滑性能。

2.3 比磨削能的影響分析

比磨削能是去除單位體積材料所消耗的能量，較小的磨削能代表磨削加工過程更為綠色、節(jié)能。

比磨削能通常用U來表示，其計算公式[19]為

(1)

(a)vs=10 m/s

(b)vs=20 m/s

(c)vs=30 m/s圖7 不同條件下比磨削能柱狀圖Fig.7 Bar charts of specific grinding energy under different conditions

本文的比磨削能值由式(1)計算。圖7所示為四種磨削方式在不同磨削參數(shù)下的比磨削能值。由圖7a、圖7b、圖7c對比分析可知，隨著磨削速度、深度的增大，Nano-CMQL的比磨削能較其他三種潤滑方式的小。這是因為納米MoS2粒子強(qiáng)化了基礎(chǔ)磨削液的換熱性能，使磨削液在磨削區(qū)域內(nèi)保持了較好的低溫流動特性，呈現(xiàn)出較好的潤滑效果，同時納米級MoS2微粒具有較強(qiáng)的吸附性，它吸附在磨削界面處起到類“滾珠”作用，將原本的滑動摩擦轉(zhuǎn)換為滾動摩擦，減小了砂輪與工件之間的摩擦因數(shù)，減小了切向磨削力，從而降低了比磨削能。

2.4 工件表面質(zhì)量分析

圖8～圖10分別是在磨削速度為30 m/s、磨削深度為20 μm時，四種不同潤滑方式下磨削后的工件表面輪廓、表面粗糙度值、表面形貌圖。

(a)常溫干式

(b)澆注式

(c)CMQL

(d)Nano-CMQL圖8 不同潤滑條件下的工件表面輪廓高度 Fig.8 The profile height of workpieces surface under different lubrication conditions

圖9 不同潤滑條件下的表面粗糙度Fig.9 Surface roughness values under different lubrication conditions

(a)常溫干式 (b)澆注式

(c)CMQL (d)Nano-CMQL圖10 不同潤滑條件下的工件表面形貌(vs=30 m/s，ap=20 μm)Fig.10 Surface morphologies of workpieces under different lubrication conditions

由圖8、圖9可知，Nano-CMQL條件下的工件表面形貌較理想，其表面輪廓曲線的紋理致密度及波峰波谷較為均勻，其表面粗糙度Ra值(0.239 μm)和Rsm值(0.026 9 μm)最小，表明在Nano-CMQL條件下工件表面的材料堆積及黏附現(xiàn)象程度減小，表面質(zhì)量較好，這與圖10不同潤滑條件下的工件表面形貌結(jié)果是相一致的。

分析上述現(xiàn)象的原因為：一方面，在磨削加工時，低溫冷風(fēng)良好的滲透能力可以有效進(jìn)入磨削區(qū)域帶走磨削熱及磨屑，從而有效降低磨削溫度，強(qiáng)化了散熱條件，并使磨削區(qū)始終處于一個穩(wěn)定的低溫溫度場狀態(tài)，提高了磨削區(qū)域的冷卻性能。另一方面，Nano-CMQL中納米MoS2粒子具有橢球性，其六方晶系結(jié)構(gòu)由Mo原子與S原子通過共價鍵形成，在磨削時，由于Mo原子與S原子之間的結(jié)合力較強(qiáng)，分子層間的S原子結(jié)合力較弱，當(dāng)分子之間受到剪切力時分子層會發(fā)生斷裂，從而形成滑移面，這決定了納米MoS2粒子具有一定的松散性及延展性[20]。在磨削力的作用下，部分納米MoS2粒子會在磨削區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(反應(yīng)式為Fe+O2+MoS2=FeS+MoO2[21])，進(jìn)而延展成摩擦反應(yīng)復(fù)合薄膜。此外由于納米MoS2粒子具有良好的表面活性，在摩擦過程中納米MoS2粒子會不斷吸附在摩擦反應(yīng)復(fù)合薄膜處。復(fù)合膜不但可以有效減小磨損，提高磨削區(qū)域的潤滑性能，同時還可以在磨損表面起到一定的修復(fù)作用，因此在Nano-CMQL條件下，可以得到較好的表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文采用常溫干式、澆注式、CMQL和Nano-CMQL四種潤滑方式對GCr15淬硬軸承鋼進(jìn)行磨削試驗研究，通過對比法向磨削力、比磨削能、磨削溫度、工件表面輪廓、粗糙度及表面質(zhì)量，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速一定時，法向磨削力隨磨削深度的增大而增大；當(dāng)磨削深度一定時，法向磨削力隨磨削速度的增大而減小。在低速小磨深時，澆注式磨削的法向磨削力較小，而在高速大磨深時，Nano-CMQL能有效減小法向磨削力。

(2)磨削過程中的磨削溫度與磨削速度和磨削深度成正比，但四種潤滑方式的增長幅度不一樣，隨著磨削速度和磨削深度的增大，Nano-CMQL磨削的冷卻性能開始逐漸優(yōu)于其他潤滑方式，在vs=30 m/s，ap=20 μm時，Nano-CMQL與澆注式磨削相比，磨削溫度降低了9.7%。

(3)比磨削能的大小不會隨磨削速度和磨削深度呈現(xiàn)單調(diào)的變化趨勢，在不同的磨削參數(shù)下，不同潤滑方式的磨削加工性能存在明顯差距。在磨削速度為30 m/s、磨削深度為20 μm時，綜合工件表面輪廓曲線、表面粗糙度及表面形貌認(rèn)為，Nano-CMQL磨削條件可以有效減小工件損傷，提高工件表面質(zhì)量。