基于納米流體潤滑的鈦合金車削刀具磨損研究*

呂 娜

(長春職業技術學院 機電學院，吉林 長春 130000)

0 引 言

由于具有密度小、比強度高以及耐腐蝕性好等物理特性，鈦合金材料在航空航天、生物醫療、冶金化工等領域被廣泛應用[1-3]。然而，鈦合金材料也因為較差的導熱特性及較低的彈性模量[4]，導致在加工過程中出現切削溫度高、切削力大的問題，甚至產生粘刀現象，造成刀具出現嚴重的磨損，影響鈦合金工件的加工質量[5]。

在加工過程中，為了有效降低加工區域的溫度，通常使用切削液對刀具和工件接觸的位置進行噴射。與此同時，切削液對降低刀具切削刃的溫度、延長刀具壽命和改善加工表面質量具有顯著的效果[6]。因此，國內外已開發出適宜不同加工材料、不同加工方式的切削液。

文獻[7]通過對冷卻方式進行分類，介紹了低溫微量潤滑在加工中的作用機理，分析了低溫冷風微量潤滑的研究方向。文獻[8]針對鈦合金等難加工材料進行了液氮射流冷卻裝置的研制，并對加工后的切屑微觀形貌進行了深入的研究，發現液氮低溫冷卻加工對斷屑有明顯的改善作用。文獻[9]提出了荷電氣霧潤滑技術，對新型綠色潤滑技術進行了深入研究，從液滴直徑、表面張力、滲透性以及吸附性能方面進行了闡述。文獻[10]提出了靜電噴霧技術對加工中的刀具進行降溫和潤滑，探討了電壓、流量和內外層流體改變對霧化形態的規律，進行了鈦合金銑削實驗,對靜電霧化冷卻效果進行了驗證。

分析發現，目前通過分析切削液特性繼而研究刀具磨損的文獻還較少，因此，可以利用硬質合金刀具易于磨損的特性，對納米流體冷卻和潤滑效果進行研究。

筆者對納米流體的表面張力、粘度和潤滑性進行分析，對鈦合金車削過程中刀具磨損問題進行研究。

1 納米流體特性

1.1 納米流體制備工藝

納米流體是將納米級具有金屬屬性的微粒和基液按照特定的方式和比例進行混合，形成的一種均質穩定的液體。筆者分別以乙二醇和植物油為基液，采用兩步法制備納米流體。為達到納米流體中顆粒物的穩定懸浮目的，在納米流體中添加一定劑量的分散劑后，使用機械攪拌和超聲振動的方式，保持納米流體懸浮的穩定性和分散性。

制備納米流體所使用的納米顆粒為多壁碳納米管，由于碳納米管材料長徑比較大，直徑為5 nm時，長度可達10 μm，因此在基液中具有很強的擾動性能。此外，在納米流體進行冷卻時產生湍流，并且本身碳納米管具有較強的導熱特性，可以進一步增強納米流體的散熱能力。

在使用乙二醇為基液時，筆者選擇十二烷基硫酸鈉作為分散劑；使用植物油為基液時，選擇油酸作為分散劑。在燒杯中對碳納米管和基液進行混合后，使用磁力攪拌器進行持續攪拌30 min，之后在水浴加熱狀態下使用超聲振動，防止碳納米顆粒之間的聚集和沉淀，最后制成的乙二醇碳納米管流體和植物油碳納米流體的體積分數分別為0.04%、0.08%、0.12%、0.16%和0.20%。

1.2 納米流體霧化特性

在毛細滲透的作用下，霧化納米流體可以對切削加工區域進行高效的冷卻和潤滑，液滴直徑和噴射速度直接影響對流換熱程度和毛細滲透作用，而霧化后的液滴直徑和液滴速度，和納米流體的表面張力和粘度有關，因此需要對此進行研究。

受到壓縮空氣的作用，納米流體首先形成液束和較大的破碎液滴，然后產生二級霧化，最終噴射的納米流體分散成霧化液滴。

液滴的變化過程主要受到空氣阻力、表面張力以及液滴黏性的影響。液滴變形形式由韋伯數所決定，即：

(1)

式中：We—韋伯數；ρg—氣體密度；Ud—氣液流速差；D—液滴直徑；σl—液滴表面張力。

在空氣阻力變大后，表面張力將不再能維持液滴的穩定性，液滴破碎，此時有：

(2)

式中：Cd—液滴破碎常數。

將式(1，2)進行整理可得：

(3)

式中：Web—液滴破碎時的韋伯數。

將其代入可得：

(4)

由于納米流體中碳納米管的體積分數很低，不會影響到液體的密度，通過上式可知，表面張力變小以及氣液流速差變大都將導致霧化后的液滴直徑變小。

同時，液滴變形對流體粘度也會產生影響，這一過程可表達為：

(5)

式中：Ohl—歐尼索數，代表液滴表面張力和內部粘度的比值；Rel—雷諾數。

當液滴噴射出來后受到氣流的影響產生振動，其振動圓頻率ω可表示為：

(6)

式中：ρl—流體的密度。

因氣體的密度遠遠小于流體的密度，可忽略不計。液滴表面的剪切應力為：

(7)

式中：μl—流體的動力學粘度系數。

經過進行簡化整理可得：

(8)

根據臨界經驗公式，再對液滴進行判斷[11]，即：

(9)

所以，當We大于Web時，液滴將會發生破裂成霧化狀態，此外當粘度越大時，流體的歐尼索數將越大，臨界韋伯數也將變大，從而導致流體霧化越發困難。因液滴霧化后的直徑大小與氣液流速差和表面張力有關，氣液流速差越大以及表面張力越小，則霧化后的液滴直徑越小。

1.3 納米流體基本性能

筆者使用Drop Meter Element A-60張力測量儀對流體的張力進行測量；將配置好的納米流體通過注射器擠出，對針頭處穩定的液滴進行拍照，最后計算出平均表面張力。

在不同碳納米管的體積分數條件下，測量納米流體的表面張力。碳納米管體積分數對表面張力的影響規律如圖1所示。

圖1 碳納米管體積分數對表面張力的影響規律

由圖1可以看出，在乙二醇基的納米流體和植物油基的納米流體之間，表面張力有著明顯的區別。由于基液本身的差異性，乙二醇基的納米流體表面張力明顯高于植物油基納米流體；從碳納米管體積分數增加的角度看，在布朗運動的作用下，碳納米管和液體分子之間撞擊加劇，細長的碳納米管將不斷進行不穩定運動，并逐漸在氣-液接觸面附近形成富集區，進而導致納米流體表面的張力變小，使得霧化后的液滴直徑隨著碳納米管體積分數的增加而變小。

筆者使用Malvern的流變儀對碳納米管納米流體的粘度進行測量，將配置好的樣品進行3次粘度測量，并取均值。

同樣，筆者測量不同碳納米管體積分數條件下的納米流體粘度。碳納米管體積分數對粘度的影響規律如圖2所示。

圖2 碳納米管體積分數對粘度的影響規律

由圖2可以看出，由于基液粘度本身的差異性，植物油基的納米流體粘度要明顯高出乙二醇基的納米流體；隨著碳納米管體積分數的增加，兩者的粘度都呈逐漸增加的趨勢；當流體的粘度由于碳納米管的引入而增加時，流體在流動時的內摩擦力也會相應的增加，導致流動性能減弱。

此外，碳納米管體積分數變大之后，碳納米管之間也會由于相互的纏繞等情況，增加流體的剪切應力。當碳納米管的體積分數增加導致粘度變大時，臨界韋伯數也將會變大，最終導致流體難以破碎為液滴。

因此，碳納米管的體積分數應保持在一個適當的范圍。

2 實驗設計

由納米流體的基本性能可知，在微量潤滑的條件下，霧化后的微滴將滲透到加工區域的縫隙中進行潤滑，同時降低刀具和工件之間的摩擦力和溫度。

為了對納米流體切削液的性能進行評估，筆者設計不同類型納米流體、不同微量潤滑條件下的硬質合金刀具車削實驗。實驗中使用CG6125C車床作為平臺，對鈦合金工件進行車削。

為了對不同種類的納米流體冷卻性能進行研究，筆者分別選取碳納米管體積分數、噴氣壓強和供液距離作為指標，進行實驗。

實驗中取切削速度為70 m/min，切削深度為50 μm，進給量為10 μm/r，切削距離為10 mm。每組參數在相同條件下進行5次實驗。

具體實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

實驗后使用無水乙醇對硬質合金刀具進行超聲清洗，然后使用激光共聚焦顯微鏡對刀具后刀面形貌進行觀察，測量刀具后刀面的磨損長度作為磨損量，間接地對納米流體切削液的性能進行評估。

車削加工時刀具后刀面磨損情況如圖3所示。

圖3 刀具后刀面磨損情況

從圖3可以看出，加工后的后刀面出現了明顯的粘結磨損現象，并存在嚴重的撕裂磨損帶，這說明在加工中鈦合金材料出現了高溫回彈情況，后刀面對已加工的表面產生了摩擦接觸，導致在接觸區域，鈦合金由于受到高溫高壓的作用而粘結在刀具表面；且當工件在旋轉過程中產生沖擊時，粘接物將帶著刀具基體一同脫落，并造成破壞。

加工后的刀刃上出現了明顯的破損，這是由于霧化噴嘴距離加工區域過近，導致液滴在刀具表面形成反彈，在強大的氣流沖擊下導致切削過程不穩定，形成了崩刃現象(此外，當距離過遠導致冷卻效果較差時，也會出現崩刃現象)。

3 結果與分析

實驗后，筆者對車削加工后刀具的磨損量進行了測量。碳納米管體積分數對磨損量的影響規律如圖4所示。

圖4 碳納米管體積分數對磨損量的影響規律

圖4中：當碳納米管體積分數為0%時，代表采用普通潤滑的加工方式，此時兩種流體的刀具磨損量分別是58 μm和28 μm；當采用納米流體潤滑時，隨著碳納米管體積分數的增加，后刀面的磨損量明顯下降。

當碳納米管的體積分數達到0.16%時，兩種流體的刀具磨損量分別是32 μm和19 μm；刀具磨損量呈現穩定波動情況，這是因為過多地增加碳納米管含量，導致納米流體的吸附性降低，造成納米流體出現較大的粘度和邊界膜出現較差的流動性，此時納米流體的潤滑性將受到嚴重影響。

噴氣壓強對磨損量的影響規律如圖5所示。

圖5 噴氣壓強對磨損量的影響規律

從圖5可以看出，隨著噴氣壓強的增加，后刀面的磨損量幾乎呈線性減小。當噴氣壓強增加時，納米流體從噴嘴噴射的速度相應增加。

由式(4)可知，當流體霧化時液滴直徑將變小，從而對加工區域有更好的滲透效果，加工時的切削刃熱量可得到轉移，降低加工中溫度的最大極值，最終降低了刀具磨損量。

供液距離對磨損量的影響規律如圖6所示。

圖6 供液距離對磨損量的影響規律

從圖6中可以看出，隨著供液距離的增加，后刀面的磨損量出現了先降低后增加的現象，這是由于供液距離在30 mm以下時，霧化噴射的液滴和刀具之前形成了強烈的對流作用，在氣流的強大沖擊下，納米流體在加工區域表面形成的吸附膜被破壞和剝離，影響了冷卻液的潤滑效果。

當供液距離大于70 mm時，由于噴嘴距離加工區域較遠，導致納米流體并不能充分進行潤滑和冷卻，霧化冷卻和對流換熱的作用迅速降低，導致了刀具磨損量最大。

4 結束語

筆者通過對納米流體的表面張力和粘度進行分析，從潤滑與冷卻的角度出發，對切削液的霧化特性進行了研究，并對乙二醇基和植物油基兩種不同的納米流體冷卻液進行了車削加工實驗，總結了碳納米管的體積分數、噴氣壓強，以及供液距離對車削加工實驗中后刀面的磨損情況，主要得出以下結論：

(1)當納米流體的韋伯數超過臨界值后，流體將會破碎成微小液滴，表面張力越大液滴直徑越大，氣液流速差越大液滴直徑越小；

(2)與普通流體潤滑相比，采用納米流體潤滑時，刀具的磨損量大幅減小；其中采用乙二醇基納米流體潤滑時，刀具磨損量最大降低了51.7%，植物油基納米流體潤滑時刀具最大磨損量降低了40.6%；

(3)納米流體的表面張力和碳納米管的體積分數成反比，后刀面的磨損量隨碳納米管體積分數和噴氣壓強的增加而降低，隨供液距離的增加先降低后增加。

因此，在實際加工過程中，采用適當的潤滑參數可有效提高刀具加工時的耐用度，改善加工后的工件表面質量。