外流體基液類型對納米流體同軸靜電霧化切削的影響研究

蘇宇 吳事凱 姜海

摘要：在構建同軸靜電霧化切削試驗平臺的基礎上，以蓖麻油、大豆油、菜籽油、棕櫚油、LB2000及其碳納米管油基納米流體為外流體，以去離子水及其碳納米管水基納米流體為內流體，分析了不同外流體基液類型下同軸靜電霧化荷電性能和復合液滴電潤濕性能，研究了外流體基液類型對納米流體同軸靜電霧化切削的切削力和溫度的影響。結果表明：LB2000適合作為納米流體同軸靜電霧化切削的外流體基液，可有效減小切削力和降低溫度，且以LB2000/水基納米流體為外/內流體時，減力降溫的綜合效果最佳。

關鍵詞：納米流體；同軸靜電霧化；荷電性能；電潤濕性能；霧化切削

中圖分類號：TB383.1；TG501.5

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.07.005

Study on Influences of Base Fluid Type of External Fluid on Nanofluid

Coaxial Electrostatic Atomization Cutting

SU Yu1 WU Shikai1 JIANG Hai2

1.College of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，

Jiangsu，212100

2.Yuanshi New Materials Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu，212100

Abstract： Based on the construction of coaxial electrostatic atomization cutting test platform， taking castor oil， soybean oil， rapeseed oil， palm oil， LB2000 and its carbon nanotube oil-based nanofluid as external fluid， taking deionized water and its carbon nanotube water-based nanofluid as internal fluid， the charging performance of coaxial electrostatic atomization and the electrowetting performance of composite droplets under different types of base fluid of external fluid were analyzed. The effects of base fluid type of external fluid on the cutting force and temperature of nanofluid coaxial electrostatic atomization cutting were studied. Results show that LB2000 is suitable as the base fluid of external fluid for nanofluid coaxial electrostatic atomization cutting， which may effectively reduce the cutting force and temperature， and the comprehensive effects of force reduction and cooling are the best when LB2000/water-based nanofluid used as external/internal fluid.

Key words： nanofluid； coaxial electrostatic atomization； charging performance； electrowetting performance； atomization cutting

0 引言

在金屬切削加工過程中，為了延長刀具使用壽命，提高工件加工質量，需要大量使用切削液。然而這不僅給環境和人體健康帶來了很大危害，而且顯著增加了加工成本。為實現可持續發展，綠色切削已得到了廣泛的關注與研究。微量潤滑（minimum quantity lubrication，MQL）是將壓縮空氣與微量潤滑液混合霧化后噴射至加工區，并對其實施冷卻潤滑的準干式切削技術。作為綠色切削技術的典型代表，MQL技術結合了干式切削和濕式切削的優點，不僅大大減少了潤滑液的使用，而且有效改善了切削性能，在車削、銑削等加工領域得到了廣泛應用［1］。然而在應用時因油霧向工作環境中飄散，仍會給作業人員帶來健康隱患，且冷卻性能亟待提高［2-4］。

各國學者在MQL性能改善方面開展了大量的研究工作。WANG等［5］研究了油膜水滴（oils on water，OoW）和低溫油膜水滴（cryogenic air mixed with oils on water，CAOoW）方法，分析了噴嘴方位和CAOoW溫度對RuT400車削性能的影響，發現外部供給OoW時，同時向前刀面、后刀面噴射效果最佳；降低CAOoW溫度有益于進一步改善切削綜合性能。CAI等［6］將超臨界CO2分別與MQL和OoW結合，進行了干切削、超臨界CO2、超臨界CO2基MQL及超臨界CO2基OoW條件下的鈦合金銑削試驗，結果表明：超臨界CO2基OoW可獲得最低的切削力與溫度及最優的表面質量。WANG等［7］將MoS2、SiO2、金剛石、碳納米管、Al2O3及ZrO2分別分散至基液（棕櫚油）中制成六種納米流體，并以其作為MQL介質進行了鎳基高溫合金的納米流體MQL磨削試驗，發現納米流體MQL潤滑性能均優于MQL，且潤滑性能由低到高依次為：ZrO2、碳納米管、金剛石、MoS2、SiO2、Al2O3。張高峰等［8］結合低溫冷風與納米粒子潤滑油提出了低溫納米粒子微量潤滑（cryogenic nanoparticles minimum quantity lubrication，Nano-CMQL）方法，發現Nano-CMQL能夠有效降低以高速、大磨深磨削GCr15淬硬軸承鋼時的磨削力與溫度。SU等［9］在鈦合金銑削中對比了MQL和靜電霧化潤滑（electrostatic atomization lubrication，EAL）的性能，發現EAL因可控制霧滴向加工區域輸送，進而有效降低刀具磨損，改善工作環境空氣質量，并且以納米流體作為EAL介質時，減少刀具磨損效果更佳。在此基礎上，提出了借助內驅動原理使外流體、內流體形成帶電油膜水滴的同軸靜電霧化（coaxial electrostatic atomization， CEA）方法。研究結果表明，CEA的加工與環保性能均優于EAL［10］。

本文在構建同軸靜電霧化切削試驗平臺的基礎上，分析了以不同植物油為外流體基液下霧化荷電性能和復合液滴電潤濕性能，研究了外流體基液類型對納米流體同軸靜電霧化切削性能的影響。

1 納米流體同軸靜電霧化切削方法

圖1為納米流體同軸靜電霧化切削方法示意圖。在同軸噴嘴與刀具、工件之間建立高壓靜電場，外流體（油或油基納米流體）與內流體（水或水基納米流體）分別通過注射泵輸送至同軸噴嘴接觸荷電，因內流體的靜電弛豫時間遠小于外流體，電荷分布于外內流體之間的界面上，作用于界面上的電場力克服界面張力并通過界面黏性作用使內流體帶動外流體形成同軸射流，射流末端破碎成帶電復合液滴。在電場力的作用下，帶電復合液滴飛向切削區域，到達刀具和工件表面后形成含有水滴的油膜附著層，水滴汽化帶走部分切削熱，油膜在刀具與工件間起潤滑作用，納米顆粒協同傳熱與減摩，進而對切削區進行高效冷卻潤滑。

2 試驗方案

2.1 納米流體制備與物性測試

以直徑10～20 nm、長度小于2 μm的多壁碳納米管為納米顆粒，以去離子水、蓖麻油、棕櫚油、大豆油、菜籽油、LB2000為基液，采用兩步法制備體積分數為0.1%的油基和水基納米流體。制備前先將體積分數轉換為質量分數。使用精密電子天平稱量相應質量的納米顆粒和基液，利用超聲清洗機以100 W超聲功率和2 h振動時間將納米顆粒分散至基液中。在制備多壁碳納米管水基納米流體時還需加入質量分數為0.15%的阿拉伯膠，以獲得良好的分散穩定性。利用NDJ-9S旋轉黏度計測量納米流體的黏度。

2.2 霧化荷電性能與復合液滴電潤濕測試

同軸靜電霧化具有滴、脈動、錐射流及不穩定四種霧化模式，其中錐射流模式可形成連續射流，適用于切削加工時的冷卻潤滑［11］。在圖2所示的同軸靜電霧化切削霧化與荷電試驗平臺上，采用臥式視頻顯微鏡拍攝霧化視頻，觀察霧化形態，確定形成錐射流模式的參數范圍。在錐射流模式下，利用與工件相連的皮安表測量霧滴的霧化電流，計算霧化電流標準差。霧化電流表征同軸靜電霧化荷電性能。霧化電流增大，荷電性能提高，易于改善同軸靜電霧化效果。霧化電流標準差反映霧化電流變化幅度，表征霧化過程穩定性。霧化電流標準差越小，霧化過程越穩定。

接觸角通常用來表征潤濕性能。在圖3所示的電潤濕接觸角測量平臺中，與高壓靜電發生器負極相連的電極針平行放置于絕緣層上方3 mm位置處，且針尖與噴嘴軸線之間的距離為10 mm。利用臥式視頻顯微鏡拍攝復合液滴電潤濕接觸角的變化，并對穩定潤濕時接觸角的大小進行測量。霧化電流和復合液滴電潤濕接觸角測試條件見表1，其中-6.5 kV為20組外/內流體組合形成錐射流的公共電壓。對于以每種植物油為外流體基液時均有油/水、油基納米流體/水、油/水基納米流體、油基納米流體/水基納米流體四種外/內流體組合。以四種外內流體組合下霧化電流與標準差及接觸角的均值作為以對應植物油為外流體基液的同軸靜電霧化電流、標準差及復合液滴電潤濕接觸角。

2.3 切削試驗

圖4所示為在SVMC-2002A數控銑床上搭建的同軸靜電霧化切削試驗平臺。刀具為SANDVIK公司制造的未涂層硬質合金銑刀刀片（R390-11T308M-KM H13A），工件材料為100 mm×80mm×60mm的6061鋁合金。采用Kistler9272測力儀和FLIR A615高精度紅外熱像儀分別測量銑削力和銑削溫度。采用MATLAB軟件分別計算平穩加工時間段內X、Y、Z三個方向銑削力峰值的平均值，銑削合力F=（F2X+F2Y+F2Z）1/2。具體切削試驗條件見表2。

3 結果與分析

3.1 植物油組成與黏度對冷卻潤滑性能的影響

植物油主要由甘油三酯和脂肪酸組成，其中脂肪酸分為飽和脂肪酸、含一個不飽和鍵的單不飽和脂肪酸及含兩個或兩個以上不飽和鍵的多不飽和脂肪酸。不飽和鍵的存在會降低潤滑膜的強度和植物油的氧化穩定性，因此，飽和脂肪酸含

量高的植物油比不飽和脂肪酸含量高的植物油表現出更高的潤滑油膜強度。單不飽和脂肪酸形成的潤滑油膜強度高于多不飽和脂肪酸。另外，由于植物油的總吸附能力隨脂肪酸中的碳原子數增加而增加，脂肪酸碳鏈長度的增加有益于提高油膜強度。

不同植物油的脂肪酸組成見表3［12-14］。從表中可以看出，蓖麻油中的脂肪酸主要為蓖麻油酸（單不飽和脂肪酸），含量超過80%，且蓖麻油酸中含有羧基（COOH）和羥基（OH）兩個極性基團，這使得蓖麻油在金屬表面吸附能力較強，容易形成潤滑油膜。棕櫚油中棕櫚酸（飽和脂肪酸）含量在40%以上，在金屬表面形成的潤滑油膜強度高、氧化穩定性好。大豆油中主要含有油酸（單不飽和脂肪酸）和亞油酸（多不飽和脂肪酸），因而大豆油氧化穩定性差，在空氣中極易發生氧化作用，降低潤滑性能。雖然菜籽油中不飽和脂肪酸含量較高，但芥酸的碳鏈長度達22，這使得菜籽油在金屬表面形成的油膜強度要高于大豆油。

植物油的黏度是影響其冷卻潤滑性能的重要因素。過高黏度的植物油在切削加工區流動阻力過大，流動性能差，不易滲透，而低黏度的植物油可以滲透進切削加工區，帶走熱量并實現潤滑，但隨著黏度的降低，在刀具、工件表面形成的潤滑油膜強度降低。圖5所示為測量的不同植物油及其油基納米流體的黏度。從圖中可以看出，在植物油中加入納米顆粒時，黏度均會增大；蓖麻油及其油基納米流體的黏度為其他植物油及其油基納米流體的10倍以上。

3.2 外流體基液類型對荷電與電潤濕的影響

圖6所示為以不同植物油為外流體基液的同軸靜電霧化電流和標準差對比。從圖中可以看出，以蓖麻油為外流體基液的霧化電流最小，穩定性最低。霧化電流小，霧化效果減弱，形成的霧滴尺寸大、輸送速度慢，易受銑刀周圍空氣流場的影響，難以有效輸送至加工區。霧化穩定性低，亦減小霧滴的有效輸送率，進而影響潤滑性能。以大豆油為外流體基液的霧化電流最大，易形成尺寸小、數量大、速度高的霧滴，有利于發揮其潤滑性能。

以不同植物油為外流體基液的霧化電流由大到小依次為大豆油、菜籽油、棕櫚油、LB2000、蓖麻油，霧化穩定性由強到弱依次為LB2000、棕櫚油、菜籽油、大豆油、蓖麻油。

圖7所示為以不同植物油為外流體基液的復合液滴電潤濕接觸角對比。從圖中可以看出，復合液滴電潤濕接觸角由大到小依次為蓖麻油、棕櫚油、大豆油、菜籽油、LB2000。以LB2000為外流體基液的復合液滴電潤濕接觸角最小，潤濕面積大，容易滲透進切削界面毛細管發揮冷卻潤滑作用。

3.3 外流體基液類型對切削力與溫度的影響

圖8所示為外/內流體組合對切削力和切削溫度的影響。從圖中可以看出，以不同植物油為外流體基液的切削力由小到大依次為LB2000、大豆油、菜籽油、棕櫚油、蓖麻油，切削溫度由低至高依次為LB2000、棕櫚油、菜籽油、大豆油、蓖麻油?？梢姡訪B2000為外流體基液的切削力和切削溫度最低，以蓖麻油為外流體基液的切削力和切削溫度最高。原因在于：以LB2000為外流體基液的霧化穩定性最高，復合霧滴電潤濕接觸角最小，切削加工中復合霧滴輸送穩定，極易滲透至切削區毛細管內，增強冷卻潤滑性能，且LB2000極壓性能好，油膜強度高，抗載荷和沖擊能力強，有效減少刀具與工件之間的摩擦；而以蓖麻油為外流體基液的霧化電流最小，穩定性最差，復合霧滴電潤濕接觸角最大，且蓖麻油黏度過高，這樣復合霧滴難以輸送并滲透至切削區，因此以蓖麻油為外流體基液的切削力和切削溫度最高。

棕櫚油含有40%多的飽和脂肪酸，形成的油膜強度高于大豆油和菜籽油，但以棕櫚油為外流體基液的霧化電流小，復合霧滴電潤濕接觸角大，潤濕面積小，不易滲透切削區毛細管，進而導致以棕櫚油為外流體基液的切削力大于以大豆油、菜籽油為外流體基液的切削力。在油的脂肪酸組成中，棕櫚酸含量越多，油的熱導率越大［15］。棕櫚油中含有較多的棕櫚酸，導熱性能好，因此以棕櫚油為外流體基液的切削溫度要低于以大豆油、菜籽油為外流體基液的切削溫度。

以大豆油為外流體基液的切削力與以菜籽油為外流體基液相近，而切削溫度前者高于后者。大豆油主要含有50%多的亞油酸脂肪酸（多不飽和脂肪酸），這使其在切削潤滑過程中易氧化變質，且在加工表面形成的油膜強度較低；但以大豆油為外流體基液的霧化電流最大，復合霧滴電潤濕性能較好，在電場力作用下復合霧滴極易輸運、滲透到刀具與工件表面，進而切削力降低。菜籽油主要含有35%以上的芥酸（單不飽和脂肪酸），單不飽和脂肪酸相對于多不飽和脂肪酸更穩定，而且芥酸的碳鏈長度最長，潤滑油膜的強度提高，并且以菜籽油為外流體基液的荷電能力與電潤濕性能好，復合霧滴可有效輸運并滲透到加工區，因而切削力減小。油的熱導率隨其亞麻酸脂肪酸含量的增大而減?。?5］。大豆油中亞麻酸脂肪酸含量高于棕櫚油和菜籽油，這使得以大豆油為外流體基液的切削溫度較高。

綜上，與蓖麻油、大豆油、棕櫚油、菜籽油相比，LB2000更適合作為納米流體同軸靜電霧化切削的外流體基液。進一步地，在以LB2000為外流體基液的外/內流體組合中，LB2000/水基納米流體減力降溫綜合效果最佳。這歸因于在去離子水中添加碳納米管提高了同軸靜電霧化荷電性能（圖9），同時對霧化穩定性及復合霧滴電潤濕性能影響小（圖9和圖10），且碳納米管隨復合液滴進入加工區后還可協同強化傳熱與潤滑減摩。雖然以LB2000油基納米流體/水基納米流體為外/內流體的荷電性能和電潤濕性能高于以LB2000/水基納米流體為外/內流體的荷電性能和電潤濕性能（圖9和圖10），但以LB2000油基納米流體/水基納米流體為外/內流體的霧化穩定性相對較差（圖9），且外內流體中的碳納米管在實施冷卻潤滑過程中易于纏繞團聚，降低冷卻潤滑效能，因此LB2000油基納米流體/水基納米流體減力降溫綜合效果不及LB2000/水基納米流體。

4 結論

（1）以不同植物油為外流體基液的霧化電流由大到小依次為大豆油、菜籽油、棕櫚油、LB2000、蓖麻油；霧化穩定性由強到弱依次為LB2000、棕櫚油、菜籽油、大豆油、蓖麻油；復合液滴電潤濕性能由優到劣依次為LB2000、菜籽油、大豆油、棕櫚油、蓖麻油。

（2）與蓖麻油、大豆油、棕櫚油、菜籽油相比，LB2000更適合作為納米流體同軸靜電霧化切削的外流體基液，可更有效地降低切削力與溫度。從減力降溫綜合效果來看，LB2000/水基納米流體為納米流體同軸靜電霧化切削的最優外/內流體組合。

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