納米粒子射流微量潤滑磨削的冷卻性能分析*

張 強 李長河 王 勝

（青島理工大學機械工程學院，山東青島266033）

目前，磨削加工是機械加工行業(yè)最基本、最重要的工藝方法之一。在磨削加工中，磨削液占有重要的地位，因為它具有潤滑、冷卻、清洗、排屑、防銹、降低磨削力和改善工件表面質量等功效，是磨削加工過程不可缺少的生產(chǎn)要素之一。為降低磨削區(qū)溫度，生產(chǎn)上廣泛采用向磨削區(qū)供給大流量磨削液的澆注式供液法。但這種供液方法由于砂輪高速旋轉形成的“氣障”使磨削液進入磨削區(qū)十分困難，實際進入砂輪/工件之間的“有效流量率”僅為噴嘴流量的5% ～40%［1］，大量的磨削液根本無法進入砂輪/工件界面，磨削液只是起到冷卻工件基體的作用，造成磨削燒傷和工件表面完整性惡化;再加上大量供給的磨削液在砂輪與工件楔形間隙形成流體動壓力和流體引入力，使砂輪主軸產(chǎn)生撓度變形，導致實際切深減小。因此這種供液方法不僅使加工工件產(chǎn)生形狀和尺寸誤差，而且大量浪費磨削液，增加供給和處理磨削液的成本，對環(huán)境造成極大的傷害。

為保護環(huán)境、降低成本而有意識地完全停止使用切削液的干切削應運而生。干切削由于拋棄了切削液的使用，其環(huán)保方面的優(yōu)勢是不言而喻的。但由于磨削加工去除單位材料體積所消耗的能量遠比銑削、車削、鉆削等加工方法大得多［2］，在砂輪/工件界面產(chǎn)生如此高的能量密度，僅有不到10%的熱量被磨屑帶走，這些傳入工件的熱量會聚集在表面層形成局部高溫（可達1 000℃以上），因此在磨削加工中完全不使用磨削液，不僅使加工工件表面質量惡化，而且砂輪使用壽命也大幅度降低，甚至報廢失效［3］。固體潤滑磨削雖然在不使用磨削液的同時也能起到一定的潤滑功效，但砂輪/工件界面強大的壓力促使固體潤滑劑進入砂輪表面氣孔，使砂輪喪失切削性能，磨削力增大，工件表面質量下降［4］。

介于澆注式濕磨削和干式磨削之間的微量潤滑技術是在確保潤滑性能和冷卻效果的前提下，使用最小限度的磨削液。微量潤滑技術（MQL）是在高壓氣體中混入微量的潤滑液，靠高壓氣流（0.4～0.65 MPa）混合霧化后進入高溫磨削區(qū)。潤滑液一般采用植物油作為基礎油的烷基酯［5］，具有極好的生物降解性能、潤滑性能以及粘度指數(shù)高、揮發(fā)性低、可再生、生產(chǎn)周期短、環(huán)境擴散少等特點，潤滑液的使用量只有傳統(tǒng)加工方式的千分之幾甚至萬分之幾［6］，大大改善了工作環(huán)境，是一種高效低碳加工技術。高壓氣流起到冷卻、排屑的作用;霧化質點在高溫下很快霧化，吸收大量切削熱，噴嘴高速噴射時，流體膨脹使霧束本身的溫度降低，也可吸收大量熱量，同時霧化流體能吸附在金屬表面上，形成潤滑膜，還能起到一定的潤滑作用。該技術綜合了澆注式磨削和干式磨削的優(yōu)點，潤滑效果與傳統(tǒng)的澆注式磨削幾乎沒有區(qū)別?？墒?，研究表明:高壓氣流的冷卻效果很有限，滿足不了高溫磨削區(qū)強化換熱的需要，工件的加工質量和砂輪壽命比傳統(tǒng)澆注式磨削明顯降低［7］，說明微量潤滑技術還需要進一步改進。

由強化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠大于液體和氣體。常溫下固體材料的導熱系數(shù)要比流體材料大幾個數(shù)量級。由此可以預計，懸浮有金屬、非金屬或聚合物固體粒子的液體的導熱系數(shù)要比純液體大許多。一些學者提出:將納米級固體粒子加入微量潤滑流體介質中制成納米流體，即納米粒子、潤滑液（油、或油水混合物）與高壓氣體混合霧化后以射流形式噴入磨削區(qū)，可望顯著增加流體介質的導熱系數(shù)，提高對流熱傳遞的能力，極大彌補微量潤滑冷卻能力不足的缺陷。此外，納米粒子（是指在三維尺度中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100 nm）的超細微小固體顆粒）在潤滑與摩擦學方面還具有特殊的抗磨減磨和高承載能力等摩擦學特性［8］。這種納米粒子射流微量潤滑不僅具有微量潤滑技術的所有優(yōu)點，并具有更強的冷卻性能和優(yōu)異摩擦學特性，可望有效解決磨削燒傷，提高工件表面完整性，實現(xiàn)高效、低耗、環(huán)境友好、資源節(jié)約的低碳綠色清潔生產(chǎn)。

通過大量搜集、閱讀國內外文獻，本文介紹了納米粒子射流微量潤滑強化換熱機理等相關內容，并且結合實驗研究著重分析它的冷卻性能，并與干磨削、澆注式磨削以及MQL磨削的冷卻性能進行比較，探討納米粒子射流微量潤滑磨削的優(yōu)勢，進一步對其優(yōu)化，以求達到最佳的磨削性能。

1 納米流體的制備

納米流體的制備是納米粒子射流微量潤滑磨削的前提，采用高質量的納米流體能夠獲得良好的冷卻潤滑效果。目前，納米流體的制備方法可分為兩種:單步法和兩步法。其中兩步法的操作較為簡單，應用比較廣泛。

1.1 單步法制備納米流體

單步法制備納米流體是在制備納米顆粒的同時將其分散在基液中，這樣就省去了納米粒子的收集和存放等問題，可以有效避免金屬納米粒子在空氣中發(fā)生氧化反應。

在氣相法制備納米流體的過程中，一般是在低壓的氦、氬等惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成納米粒子，用裝有基液的容器收集納米粒子就得到了納米流體。加熱金屬的方法有電阻加熱法、等離子噴射法、電子束法和激光加熱法等。采用不同的加熱方式，制備的納米粒子的量、大小與分布都不相同。整個過程都是在真空環(huán)境下完成的，可以避免氧化反應，得到的金屬納米粒子的純度高。

與氣相法相比，將納米粒子的液相制備方法直接改進成單步法制備納米流體比較困難。因為液相法中的液相往往本身參與化學反應，不能用制備納米流體的基液來代替，另外液相法中總會包含有其它離子，難以完全去除。因此，采用液相法直接制備納米流體的研究報道并不多見。

一般來說，采用單步法制備納米流體具有粒子純度高、顆粒均勻、分散性好以及懸浮穩(wěn)定性高等優(yōu)點。但是，這種方法費用較高，制備量少，不適于實際的批量生產(chǎn)應用。

1.2 兩步法制備納米流體

兩步法制備納米流體就是將一定比例的納米粒子添加到基液中，然后根據(jù)納米粒子材料的物化性能選擇相應的表面分散劑并輔助以超聲振動，使得納米粒子在基液中均勻穩(wěn)定的分布，形成懸浮穩(wěn)定的納米流體。

兩步法制備納米流體操作簡單方便，幾乎適用于所有種類的納米流體制備。采用此方法可直接在市場上購買不同材料、不同尺寸的納米粒子，直接配制即可。兩步法制備納米流體的關鍵在于如何保證納米粒子在基液中均勻的分布。

納米粒子在液體中形成的分散體系，按照基液的性質可分為極性和非極性兩類分散體系。在選擇分散劑的種類時必須依賴基液的性質，采用與基液性質相適應的表面分散劑或活性劑包覆納米粒子，阻止粒子團聚體的形成，才能夠有效地使納米粒子均勻穩(wěn)定的分散。一般配制油基納米流體時采用的分散劑的種類有:硫酸酯、PEO 硫醇和油酸等［9］。

2 納米流體導熱系數(shù)的影響因素

近年來，國際上若干研究小組測量了不同種類納米流體的導熱系數(shù)，通過測量數(shù)據(jù)可以看出，在液體中添加納米粒子顯著增加了液體的導熱系數(shù)，而不同的納米流體導熱系數(shù)增加程度（knf/kf）不同。納米粒子的體積份額、屬性、尺度、形狀以及納米流體溫度和懸浮穩(wěn)定性都是納米流體導熱系數(shù)的影響因素。本文著重介紹納米粒子的體積份額和粒子大小對納米流體導熱系數(shù)的影響。

2.1 納米粒子體積分數(shù)對納米流體導熱系數(shù)的影響

眾多試驗表明，納米流體的導熱系數(shù)隨著納米粒子的體積分數(shù)的增加而增大。如圖1所示，研究人員在常溫條件下對不同體積分數(shù)的Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)進行了測量。

由圖1可見，雖然Al2O3納米粒子粒徑大小不同，但是所有的Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)都有一個共同的變化趨勢:隨著添加的Al2O3納米粒子的體積分數(shù)的增加，納米流體的導熱系數(shù)都隨之增大。例如，Xie等測量的Al2O3粒徑為42 nm的納米流體，當添加1%體積分數(shù)的Al2O3納米粒子時，Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)比純水增大約2%;而Al2O3的體積分數(shù)提高到4%時，其納米流體的導熱系數(shù)能夠增大14%左右;Masuda等測量的Al2O3粒徑為13 nm的納米流體，當Al2O3體積分數(shù)提高到4%時，其納米流體的導熱系數(shù)增大30%左右。另外，Lee等和Das等分別測量了懸浮有38 nm的Al2O3粒子的Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)，兩組實驗數(shù)據(jù)非常吻合。Al2O3納米粒子的體積份額由1%增大到4%，形成的Al2O3－水納米流體的導熱系數(shù)與水的導熱系數(shù)之比從1.023 增大到 1.1［10］。

2.2 納米粒子粒徑對納米流體導熱系數(shù)的影響

圖2給出了粒徑分別為100 nm和20 nm的Cu納米粒子所形成的兩種Cu－去離子水納米流體的導熱系數(shù)。顯然，納米粒子尺度也是納米流體導熱系數(shù)的影響因素之一。在相同的納米粒子體積份額條件下，懸浮有20 nm的Cu納米粒子的納米流體導熱系數(shù)比懸浮有100 nm的Cu納米粒子的納米流體導熱系數(shù)要大，即粒徑小的納米粒子更有利于改善流體內部的能量傳遞過程。

綜合眾多學者的實驗研究可以得出如下結論:納米顆粒的直徑越小，納米流體的傳熱性能越好。如Masuda［11］和 Lee［12］研究的都是添加 4.3% 體積份額Al2O3納米粒子的Al2O3－水基納米流體，它們的區(qū)別在于粒徑不同，分別是12 nm和33 nm，而實驗結果表明懸浮有12 nm納米粒子的Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)比懸浮有33 nm納米粒子的Al2O3－水基納米流體的導熱系數(shù)高出15%。又如，在相同的5%體積份額條件下，懸浮有28 nm納米粒子的Al2O3－乙二醇納米流體的導熱系數(shù)比懸浮有38 nm納米粒子的Al2O3－乙二醇納米流體的導熱系數(shù)高出約6%。因此，懸浮的納米粒子粒徑越小，對納米流體的導熱系數(shù)強化作用越明顯。

3 納米流體的自然對流換熱及沸騰換熱特性分析

3.1 納米流體自然對流換熱特性分析

納米流體在非零溫度梯度下會發(fā)生自然對流。一般采用流動可視化方法來研究分析固體顆粒懸浮液自然對流流動結構狀況。通用的方法是將納米流體視為一種均勻混合的單相流體，將原來適用于純流體的連續(xù)性方程、運動方程和能量方程直接應用于納米流體，主要涉及的參數(shù)有納米粒子的體積份額、粒子尺寸和流體的平均溫度等。

研究結果表明:納米流體自然對流換熱強度，隨著納米粒子體積分數(shù)的增加而減弱。納米流體的自然對流換熱能力明顯高于純液體，即添加有納米粒子的流體的對流換熱能力明顯增強。并且大多數(shù)的納米流體自然對流主要以湍流為主要的流動形式。

3.2 納米流體沸騰換熱特性分析

近幾年來，一些研究結果表明，在液體中添加一定量的固體顆粒，可使沸騰換熱強化。在液體中加入納米粒子后，沸騰換熱面附近會出現(xiàn)復雜的汽－液－固三相流動系統(tǒng)，納米流體的沸騰換熱特性與納米粒子的屬性、體積分數(shù)、粒徑、基液特性等因素有關。相對于納米流體單相能量傳遞過程，納米流體的沸騰換熱更為復雜，影響因素更多，不確定性因素更突出。以Al2O3－水納米流體沸騰換熱實驗為例，表1列出了Wen 等［13］的實驗結果。

表1 納米流體沸騰換熱實驗結果

表1中hnf是納米流體的沸騰換熱系數(shù)，hf是水的沸騰換熱系數(shù)。由表1可以看出，在Wen的試驗中，4種體積分數(shù)的納米流體沸騰換熱系數(shù)都比較大，添加少量的Al2O3納米粒子可以明顯地提高水的沸騰換熱系數(shù)，能夠提升40%以上，納米流體沸騰換熱的效果十分明顯。另外通過分析可以看出，納米粒子的體積分數(shù)是影響納米流體沸騰換熱的重要因素，偏高的納米粒子體積分數(shù)抑制納米流體的沸騰換熱過程，而偏低時則不如基液的沸騰換熱性能。

根據(jù)Sharp給出的液體泡狀沸騰熱流的計算公式［14］:

式中:k是液體的導熱系數(shù);hfg為液體氣化潛熱;ΔT為加熱面與液體之間的溫差;ρv為液體密度;σ為液體的表面張力;υ1為液體的運動粘度;Ts為液體的飽和溫度;C1、C2為常數(shù)。

由式（1）可以看出，在一定的溫差條件下，液體導熱系數(shù)越大，沸騰換熱的熱流密度越高。在液體中添加納米粒子使得納米流體的導熱系數(shù)增大，能夠強化納米流體的沸騰換熱性能。

4 磨削實驗研究

通過以上對納米流體導熱系數(shù)的實驗研究分析可知，納米流體的導熱系數(shù)要大于相應純液體的導熱系數(shù)。下面結合相關學者的磨削實驗研究，通過與濕磨削、干磨削以及MQL磨削進行比較，分析納米流體的冷卻性能。

劉占瑞［15－16］對納米氧化鋯陶瓷材料進行了平面磨削實驗，對比了各磨削冷卻介質的冷卻性能。實驗采用的磨削工藝參數(shù)為:砂輪線速度Vs=30 m/s，工件進給速度Vw=3 m/min，磨削深度ap=0.005 mm。實驗采用不同的冷卻潤滑工藝:體積分數(shù)5%磨削液濕加工、干加工、純油基（35 mL/h）MQL以及含ZrO2（粒徑90 nm，輸送量35 mL/h）納米MQL。MQL磨削液使用的基油為植物油（菜籽油）。實驗測量的磨削區(qū)溫度與磨削表面深度的關系如圖3所示。

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，干加工的表面溫度最高，能夠達到650℃以上;濕加工的溫度最低約為380℃;而納米粒子射流MQL的磨削溫度為450℃左右，低于MQL的磨削溫度，這說明在微量潤滑介質中加入納米粒子后，其冷卻性能得到了提高。并且納米粒子射流MQL的磨削溫度（450℃）低于氧化鋯陶瓷材料組織轉變的溫度，因此對材料的組織性能不會產(chǎn)生明顯的影響。以上表明納米粒子射流MQL具有較好的冷卻性能。另外，由于工件是納米氧化鋯陶瓷材料，其本身具有絕熱性能，使得熱量難以向工件深處擴散，這就在工件的表面以下形成很高的溫度梯度，在深度Z=0.5 mm處的陶瓷體溫度約為40℃，略高于環(huán)境溫度，當Z＞0.5 mm時，陶瓷體的溫度基本就等于環(huán)境的溫度，即工件表面的陶瓷熱源帶對此深度的陶瓷基體基本沒有影響。

Parash Kalita等人［17］實驗測量了不同的潤滑冷卻條件下，平面磨削球墨鑄鐵的磨削溫度。實驗采用冷卻潤滑方式有:澆注式、MQL、添加微米級顆粒的MQL以及添加納米級顆粒的MQL。添加的固體顆粒為MoS2。磨削參數(shù)如下:砂輪線速度30 m/s，工件進給速度0.06 m/s，磨削深度 10 μm，MQL 輸送流量 2.5 mL/min，澆注式輸送流量為8 450 mL/min。澆注式磨削采用水基磨削液，MQL采用石蠟基磨削油。MQL磨削中，添加的納米級MoS2的質量分數(shù)分別為2%、8%，添加的微米級MoS2的質量分數(shù)為8%。磨削區(qū)溫度是通過嵌入在球墨鑄鐵內部的熱電偶測量的。在不同的冷卻潤滑條件下測量的磨削區(qū)的最高溫度如圖4所示。

由圖4可見，澆注式磨削所測的磨削區(qū)溫度最低，為96℃。使用純石蠟油MQL磨削所測的磨削區(qū)溫度最高，為288℃，高于石蠟油的瞬燃溫度。使用微米級顆粒質量分數(shù)為8%的MQL磨削所測的磨削區(qū)溫度低于純石蠟油MQL的磨削溫度，這說明在微量潤滑介質中添加微米級顆粒后，其冷卻性能得到提高。而使用納米顆粒質量分數(shù)為2%的納米粒子射流MQL磨削所測的磨削區(qū)溫度為175℃，明顯低于使用微米級顆粒MQL所測的磨削區(qū)溫度，這表明在微量潤滑介質中添加納米級粒子的冷卻性能優(yōu)于添加微米級粒子的冷卻性能。使用納米顆粒質量分數(shù)為8%的納米粒子射流MQL磨削所測的磨削區(qū)溫度為160℃，低于使用納米顆粒質量分數(shù)為2%的納米粒子射流MQL的磨削溫度，由此可以發(fā)現(xiàn)納米顆粒的質量分數(shù)對納米流體的冷卻性能有一定的影響。通過實驗研究，對納米顆粒的質量分數(shù)進行優(yōu)化，可進一步增強納米粒子射流MQL的冷卻性能。Parash Kalita等人指出，應用納米流體磨削所測到的較低的磨削區(qū)溫度是由于納米流體導熱系數(shù)、對流傳熱系數(shù)的增大以及納米流體的良好的潤滑作用。其較好的潤滑作用減少了磨削過程中產(chǎn)生的熱量，從而降低了磨削溫度。綜合以上分析可見，納米流體MQL具有較好的冷卻性能。

BIN SHEN等人［18］實驗研究了平面磨削球墨鑄鐵時，供給流量對MQL冷卻性能的影響。實驗用的是體積分數(shù)為5%的水基Cimtech 500合成磨削液。其磨削參數(shù)為:砂輪線速度30 m/s，磨削深度10 μm，砂輪進給速度2 400 mm/min。磨削溫度是通過嵌入在工件內部的熱電偶測量的。實驗中MQL磨削供給的流量分別是 5 mL/min、15 mL/min、30 mL/min，對應不同的供給流量所測的工件表面溫度如圖5所示。

由圖5可見，隨著供給流量的增加，工件表面磨削溫度逐漸降低。當MQL供給流量從5 mL/min增加到30 mL/min時，工件表面最高磨削溫度減少了100℃，比干磨削的工件表面最高溫度低了250℃。這說明供給流量是影響MQL冷卻性能的一個重要因素。適當增加MQL供給流量，可以達到理想的冷卻效果。

BIN SHEN等人也分析了納米粒子射流MQL的冷卻性能，同樣指出增加供給納米流體的流量可以有效降低工件表面磨削溫度，達到理想的冷卻效果。他們還發(fā)現(xiàn)，雖然納米流體具有較好的導熱性能，但是它的對流換熱以及沸騰換熱特性在納米粒子射流MQL磨削中起到更為主要的冷卻作用。因此，需要進一步研究納米流體的對流換熱和沸騰換熱特性，以便更好地了解納米粒子射流MQL磨削冷卻性能的優(yōu)勢。

5 結語

在微量潤滑介質中添加一定量的納米粒子，形成納米流體的導熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)及沸騰換熱系數(shù)都得到提高，其強化換熱能力顯著增強。通過實驗對比了澆注式磨削、干磨削、MQL磨削和納米粒子射流MQL磨削的工件表面溫度，發(fā)現(xiàn)納米粒子射流微量潤滑具有較好的冷卻效果。同時，進一步分析實驗數(shù)據(jù)，還可發(fā)現(xiàn)添加的納米粒子的質量分數(shù)和納米流體的噴射流量對納米粒子射流微量潤滑冷卻效果有很大影響，因此還需要針對以上兩點作進一步的研究，以便實現(xiàn)納米粒子射流微量潤滑最佳的冷卻效果。這種納米粒子射流微量潤滑不僅具有微量潤滑技術的所有優(yōu)點，并且有更強的冷卻性能和優(yōu)異的摩擦學特性，可實現(xiàn)高效、低耗、環(huán)境友好、資源節(jié)約的低碳綠色生產(chǎn)，其發(fā)展前景廣闊。

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