基于靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)的磨削加工性能試驗(yàn)研究

林建斌 呂 濤 黃水泉 胡曉冬 許雪峰

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310014

0 引言

磨削加工往往伴隨著大量的磨削熱生成，易導(dǎo)致工件燒傷和砂輪堵塞，不利于獲得良好的表面加工質(zhì)量[1]，因此，大流量的澆注式冷卻潤(rùn)滑技術(shù)以其優(yōu)異的冷卻性能和良好的潤(rùn)滑性能而被廣泛應(yīng)用于磨削加工。砂輪磨削加工時(shí)，砂輪高速旋轉(zhuǎn)形成的氣流屏障阻礙磨削液進(jìn)入磨削弧區(qū)[2]，研究人員采用高壓噴射法、空氣擋板輔助截?cái)鄽饬鞣╗3]以及徑向射流沖擊強(qiáng)化換熱法[4]等，增加磨削區(qū)磨削液的供給，提高潤(rùn)滑和冷卻效果。與此同時(shí)，磨削液的大量使用對(duì)資源消耗、制造成本和廢液處理等帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，所以開(kāi)發(fā)低消耗、低成本、無(wú)污染的高性能潤(rùn)滑冷卻技術(shù)是研究人員的追求目標(biāo)。

微量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication，MQL)作為環(huán)境友好型潤(rùn)滑技術(shù)的典型代表，在加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5]。MQL技術(shù)利用壓縮空氣將潤(rùn)滑液霧化成微米級(jí)的液滴，在氣動(dòng)力的作用下噴向切削加工區(qū)，起到潤(rùn)滑和冷卻作用[6]。BAHETI等[7]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比傳統(tǒng)的澆注式潤(rùn)滑技術(shù)，MQL加工時(shí)的潤(rùn)滑油使用成本降低了65%，且使用的潤(rùn)滑油具有可自然降解性，顯著降低了對(duì)環(huán)境和人體的危害。嚴(yán)魯濤等[8]分析了MQL銑削加工時(shí)潤(rùn)滑油的滲透機(jī)理及潤(rùn)滑作用對(duì)切削力的影響，發(fā)現(xiàn)MQL系統(tǒng)形成的小粒徑、高速的潤(rùn)滑油液滴具有優(yōu)異的界面滲透性能，可更好地潤(rùn)滑切削加工區(qū)，從而減小了切削力。SADEGHI等[9]研究發(fā)現(xiàn)，油基MQL磨削加工時(shí),壓縮空氣和液滴在加工區(qū)未能起到良好的換熱作用，造成了切削區(qū)熱量的大量堆積，從而導(dǎo)致工件表面燒傷、加工精度低和砂輪壽命縮短。王愛(ài)玲等[10]提出了油膜附水滴的MQL磨削加工方式，研究結(jié)果表明：該MQL技術(shù)可以減小磨削力，但冷卻效果仍不及澆注式磨削。

結(jié)合MQL技術(shù)和靜電噴霧(electrostatic spray, ES)技術(shù)提出的靜電微量潤(rùn)滑(electrostatic minimum quantity lubrication，EMQL)技術(shù)，具有潤(rùn)滑液液滴荷電量減少、荷電液滴表面張力和潤(rùn)濕角減小等特點(diǎn)，可顯著提高潤(rùn)滑液滴在加工區(qū)域的吸附、潤(rùn)濕和滲透性能，改善氣霧的潤(rùn)滑冷卻能力[11]。將EMQL潤(rùn)滑液用量小(100 mL/h以?xún)?nèi))、潤(rùn)濕滲透性好以及良好潤(rùn)滑冷卻性能的技術(shù)特點(diǎn)引入磨削加工中，期望突破傳統(tǒng)MQL技術(shù)在磨削加工應(yīng)用中的局限性。

利用EMQL磨削加工時(shí)，荷電氣霧與工件表面間形成一個(gè)靜電場(chǎng)[12]，該靜電場(chǎng)將影響加工工件表面的顯微組織和微觀性能。相關(guān)研究表明，在靜電場(chǎng)作用下鋁鋰合金的第二相粒子尺寸變小，體積分?jǐn)?shù)減小，球化并呈彌散分布，合金的塑性得到了顯著改善[13]。靜電場(chǎng)可使2E12 鋁合金時(shí)效峰值時(shí)間提前，時(shí)效后的硬度峰值降低[14]，因此，靜電場(chǎng)對(duì)工件表面顯微組織和顯微硬度的影響將成為EMQL應(yīng)用于精密磨削加工的顯著特征。

本文在構(gòu)建靜電微量潤(rùn)滑磨削加工試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了水基潤(rùn)滑液液滴荷電后的荷質(zhì)比β、表面張力γ和潤(rùn)濕角α，考察了采用靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)的磨削加工特性，探究了靜電場(chǎng)對(duì)磨削加工工件表面顯微硬度和顯微組織的影響，進(jìn)而揭示了靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)在磨削加工中的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)

圖1為靜電微量潤(rùn)滑(EMQL)系統(tǒng)工作原理圖。首先，蠕動(dòng)泵將潤(rùn)滑液自?xún)?chǔ)液罐連續(xù)泵至輸液管，壓縮空氣由氣泵送至輸氣管，潤(rùn)滑液和壓縮空氣在氣液匯流板匯合，引入內(nèi)液外氣雙層管。其次，在輸液管出口附近設(shè)置荷電電極，荷電電極與高壓靜電發(fā)生器輸出端(輸出正電或負(fù)電)連接，液管中的潤(rùn)滑液通過(guò)電極接觸荷電。最后，荷電潤(rùn)滑液在壓縮空氣的作用下霧化成荷電液滴，以氣霧的形式噴向磨削加工區(qū)域，起到冷卻和潤(rùn)滑作用。

圖1 靜電微量潤(rùn)滑磨削系統(tǒng)Fig.1 Electrostatic minimum quantity lubrication grinding system

1.2 潤(rùn)滑液荷電性能及潤(rùn)濕滲透性能測(cè)試

荷質(zhì)比是衡量潤(rùn)滑液液滴荷電效果的重要指標(biāo)，采用目標(biāo)網(wǎng)狀法[15]測(cè)量不同荷電電壓條件下潤(rùn)滑液液滴的荷質(zhì)比。試驗(yàn)條件設(shè)置如下：氣壓0.4 MPa，流量50 mL/h，噴霧距離60 mm，相對(duì)濕度75%，室溫22 ℃。采用滴重法[16]測(cè)量不同電壓條件下荷電潤(rùn)滑液的表面張力。采用量角法[17]，利用SM-V3-L電子顯微鏡測(cè)量不同電壓工況下的荷電液滴與憎水油紙的潤(rùn)濕角。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行并平行測(cè)量3次，取平均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

選用Calteche SYN 40全合成潤(rùn)滑液(科爾特石化有限公司)，將其與水按1∶9的質(zhì)量比例制備的水基潤(rùn)滑液作為EMQL的潤(rùn)滑液。

1.3 磨削性能試驗(yàn)

在精密平面磨床(MM7120A，杭州機(jī)床集團(tuán)有限公司)上進(jìn)行基于微量潤(rùn)滑技術(shù)和靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)的磨削力和磨削溫度測(cè)試試驗(yàn)。選用粒度為60目的奧士通白剛玉砂輪。試驗(yàn)前，所有砂輪均使用單點(diǎn)金剛石砂輪修整器進(jìn)行單點(diǎn)修整，且每次試驗(yàn)結(jié)束后均對(duì)砂輪進(jìn)行重新修整，以保證試驗(yàn)基底參數(shù)一致。工件選用45鋼并預(yù)先磨除1 mm厚度，以保證試驗(yàn)中加工表面性能參數(shù)一致，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 磨削性能試驗(yàn)條件

(a)磨削力測(cè)量

(b)磨削溫度測(cè)量圖2 磨削力與溫度測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Grinding force and temperature measuring system

采用測(cè)力儀(Kistler9129A，瑞士奇石樂(lè)儀器股份公司)測(cè)量磨削法向力Fn和切向力Ft，如圖2a所示。每組試驗(yàn)測(cè)量3次數(shù)據(jù)，每次測(cè)量單個(gè)行程的磨削力，將依據(jù)最大值原則獲取的磨削力作為最終的測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)獲得的測(cè)力原始信號(hào)在Dynoware軟件上進(jìn)行濾波頻率為50 Hz的低通濾波處理。圖2b所示為磨削溫度測(cè)量系統(tǒng)，將J型熱電偶(TT-J-30)測(cè)量端固定到距試樣被磨表面2 mm處的測(cè)溫孔內(nèi)進(jìn)行磨削溫度的測(cè)量。依據(jù)上述方法測(cè)得的溫度不是磨削區(qū)的真實(shí)溫度，試驗(yàn)僅用于比較不同電壓下荷電氣霧的換熱特性[18]。熱電偶采集端與測(cè)溫儀(RX4006D，杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司)正負(fù)極對(duì)接。每組測(cè)量2次數(shù)據(jù)并取單次試驗(yàn)所有溫度峰值的平均值作為最終的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用千分表測(cè)量不同技術(shù)條件下砂輪的徑向磨損量，以此計(jì)算磨削比G，每組測(cè)量2次數(shù)據(jù)并取平均值。使用表面粗糙度儀(Mahr Perthometer S2，德國(guó)馬爾集團(tuán))測(cè)量被磨工件的表面粗糙度Ra，每組測(cè)量10次數(shù)據(jù)并取平均值。

采用掃描電子顯微鏡(EVO18，德國(guó)蔡司)觀察不同潤(rùn)滑工況下的磨削表面形貌，利用能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析工件表面的元素組成。同時(shí)，為考察不同靜電場(chǎng)對(duì)磨削工件的表面顯微硬度和顯微組織的影響，需要對(duì)磨削后的工件表面進(jìn)行拋光，采用維氏硬度計(jì)(HV-1000，上海聯(lián)爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司)對(duì)拋光表面進(jìn)行硬度測(cè)試，每組測(cè)量10次數(shù)據(jù)并取平均值。采用蔡司金相顯微鏡分別觀察被磨表面(0μm)和距試樣被磨表面10 μm的工件內(nèi)部平面(10μm)的顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 荷質(zhì)比

荷質(zhì)比表示潤(rùn)滑液液滴荷電量與質(zhì)量的比值，荷質(zhì)比的絕對(duì)值越大，單位質(zhì)量潤(rùn)滑液液滴的荷電量越多。圖3所示為不同荷電電壓下液滴荷質(zhì)比的變化情況，可以看出，在正負(fù)高壓靜電荷電情況下，液滴荷質(zhì)比的絕對(duì)值均隨著電壓絕對(duì)值的增加而逐漸增大。由于靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)采用高壓靜電接觸充電的形式使液滴荷電，在等效電阻(液滴與測(cè)量電阻之和)不變的情況下，液滴的荷電量與電極輸出的充電電壓成正比[19]。

圖3 荷電電壓對(duì)液滴荷質(zhì)比的影響Fig.3 Effect of charge voltage on charge to mass ratio of droplets

2.2 表面張力和潤(rùn)濕角

表面張力和潤(rùn)濕角反映了潤(rùn)滑液的滲透和潤(rùn)濕能力。圖4a所示為潤(rùn)滑液液滴表面張力隨荷電電壓變化的關(guān)系曲線，可以看出，隨著荷電電壓絕對(duì)值的增加，潤(rùn)滑液液滴的表面張力顯著減小。當(dāng)電壓為7 kV和-7 kV時(shí)，液滴的表面張力分別為0.024 N/m和0.020 N/m，相比0 kV時(shí)的表面張力0.047 N/m分別減小了48.7%和52.6%。圖4b所示為液滴潤(rùn)濕角隨荷電電壓變化的關(guān)系曲線，可以看出，當(dāng)電壓為7 kV和-7 kV時(shí)，潤(rùn)濕角分別為54°和55°，比0 kV時(shí)的潤(rùn)濕角68°分別減小了20.6%和19.1%。液滴荷電后，液體表面吸附能力和活性增強(qiáng)，液面分子產(chǎn)生明顯的定向排列，從而展現(xiàn)出了更小的表面張力與潤(rùn)濕角[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明：靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)可顯著減小潤(rùn)滑液液滴的表面張力和潤(rùn)濕角，使其在砂輪-工件接觸區(qū)的滲透性和潤(rùn)濕性相應(yīng)提高，從而利于潤(rùn)滑液在摩擦接觸區(qū)的鋪展，參與冷卻潤(rùn)滑，進(jìn)而改善加工效果[21]。從圖4中還可以看出，在正負(fù)靜電電壓條件下，潤(rùn)滑液液滴表面張力和潤(rùn)濕角的變化趨勢(shì)和數(shù)值較為接近。

(a)表面張力

(b)潤(rùn)濕角圖4 荷電電壓對(duì)液滴的表面張力與潤(rùn)濕角的影響Fig.4 Effect of charged voltage on surface tension and wetting angle of droplets

2.3 磨削力及摩擦因數(shù)

圖5所示為不同荷電電壓對(duì)磨削力的影響，其中電壓為0 kV時(shí)為傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑技術(shù)。由圖5可以看出，在相同試驗(yàn)參數(shù)條件下，法向和切向磨削力均隨著電壓絕對(duì)值的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)電壓為4 kV和-4 kV時(shí)，法向力Fn分別為44.31 N和44.53 N，相比0 kV時(shí)的法向力54.78 N分別減小了19.1%和18.7%。當(dāng)電壓為4 kV和-4 kV時(shí)，切向力Ft分別為19.47 N和23.56 N，相比0 kV時(shí)的切向力38.21 N分別減小了49.0%和38.3%。結(jié)果表明：靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)可改善磨削區(qū)的潤(rùn)滑，展現(xiàn)出了更小的磨削力。

(a)對(duì)法向力的影響

(b)對(duì)切向力的影響圖5 荷電電壓對(duì)磨削力的影響Fig.5 Effect of charge voltage on grinding force

NAVES等[22]研究表明，若潤(rùn)滑液可以有效地滲透進(jìn)加工區(qū)域參與潤(rùn)滑冷卻作用，切削過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力和切削溫度將會(huì)得到有效的控制。在高壓靜電影響下，荷電液滴的表面張力和潤(rùn)濕角均隨著荷電電壓絕對(duì)值的增加而持續(xù)減小，進(jìn)而表現(xiàn)出更好的潤(rùn)濕滲透能力。潤(rùn)濕滲透性能提高的荷電液滴可以更好地發(fā)揮其潤(rùn)滑冷卻作用，有效減小了磨削溫度和磨削力，進(jìn)而改善了加工性能。由圖5可以看出，當(dāng)電壓絕對(duì)值大于4 kV時(shí)磨削力增大，這是因?yàn)樵诟邏红o電的影響下，荷電液滴的表面張力顯著減小，在壓縮空氣強(qiáng)大的剪切作用下，荷電潤(rùn)滑液更易形成小粒徑液滴。小粒徑液滴在輸運(yùn)過(guò)程中更易隨氣流溢出加工區(qū)域[23]，使得真正參與到加工過(guò)程中的潤(rùn)滑液液滴減少，潤(rùn)滑冷卻作用不充分，從而展現(xiàn)出較大的磨削力。此外，過(guò)高電壓也會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的噴霧錐角[24]，加強(qiáng)了潤(rùn)滑液在噴霧過(guò)程中的溢散，從而導(dǎo)致參與潤(rùn)滑冷卻作用的液滴量減少，潤(rùn)滑冷卻作用有所減弱。

圖6所示為不同荷電電壓對(duì)摩擦因數(shù)μ(μ=Ft/Fn)的影響，可以看出，摩擦因數(shù)隨著電壓絕對(duì)值的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)，且當(dāng)電壓為±4 kV時(shí)的摩擦因數(shù)最小。

圖6 荷電電壓對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.6 Effect of charged voltage on friction coefficient

由圖5和圖6可以看出，正電壓條件下的磨削力和摩擦因數(shù)均比負(fù)電壓條件下的磨削力和摩擦因數(shù)小，這可能是因?yàn)樵诓煌o電場(chǎng)作用下，被磨工件表面的顯微硬度和顯微組織發(fā)生了不同的變化。

圖7為在荷電電壓為0 kV和±4 kV條件下的磨削力濾波信號(hào)圖，可以看出，荷電潤(rùn)滑液均有效減小了磨削過(guò)程中的磨削力，從而改善了磨削性能。

2.4 磨削溫度

圖8所示為不同荷電電壓對(duì)磨削溫度的影響，并將傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑技術(shù)獲得的磨削溫度作為基準(zhǔn)。由圖8可以看出，在氣壓和流量不變的條件下，磨削溫度隨著電壓絕對(duì)值的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)電壓為4 kV和-4 kV時(shí)，磨削溫度分別為29.0 ℃和30.5 ℃，比0 kV時(shí)的磨削溫度33.0 ℃分別降低了12.1%和7.6%。液滴荷電后，潤(rùn)濕滲透性得到了有效的改善，有助于潤(rùn)滑液進(jìn)入加工區(qū)進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，相對(duì)減小了磨粒與工件間的摩擦因數(shù)，并減少了能耗，從而減少了磨削熱的產(chǎn)生。與此同時(shí)，滲透性更好的潤(rùn)滑液易與加工區(qū)域的換熱表面充分接觸，提高了潤(rùn)滑液液滴的蒸發(fā)換熱效率，進(jìn)一步降低了磨削溫度。

當(dāng)電壓為±5 kV時(shí)，荷電液滴的表面張力顯著減小，在壓縮空氣的強(qiáng)剪切作用下，荷電潤(rùn)滑液更易形成小粒徑液滴。而小粒徑液滴在輸運(yùn)的過(guò)程中更易隨氣流溢出加工區(qū)域，導(dǎo)致真正參與到加工過(guò)程中的潤(rùn)滑液液滴減少，冷卻作用不充分，從而展現(xiàn)出較高的磨削溫度。從圖8中還可以看出，正電壓條件下的磨削溫度均比負(fù)電壓條件下的磨削溫度低。當(dāng)電壓絕對(duì)值相同時(shí)，正電壓條件下顯示的磨削力均比負(fù)電壓條件下的磨削力小，導(dǎo)致了磨削溫度更低。

(a)法向力

(b)切向力圖7 磨削力濾波信號(hào)圖Fig.7 The filtering signal of grinding force

圖8 荷電電壓對(duì)磨削溫度的影響Fig.8 Effect of charge voltage on grinding temperature

2.5 表面質(zhì)量與磨削比

圖9所示為不同荷電電壓對(duì)表面粗糙度的影響，可以看出，工件表面粗糙度Ra值均隨著電壓絕對(duì)值的增加，呈先減小后增大的趨勢(shì)。其中，當(dāng)電壓為4 kV和-4 kV時(shí)，Ra值分別為0.172 μm和0.183 μm，比0 kV時(shí)的Ra值0.232 μm分別減小了25.8%和21.1%。在磨削過(guò)程中，由于普通砂輪孔隙較大，磨屑會(huì)填滿孔隙，易對(duì)工件造成劃傷。在傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑(U=0 kV)條件下，潤(rùn)滑液液滴的表面張力和潤(rùn)濕角都相對(duì)較大，其在磨削加工過(guò)程中的潤(rùn)濕滲透能力不如靜電微量潤(rùn)滑條件下的潤(rùn)濕滲透能力，從而導(dǎo)致了較差的潤(rùn)滑冷卻能力。由此可知，傳統(tǒng)微量潤(rùn)滑條件下的磨削溫度較高，磨削力較大，導(dǎo)致砂輪磨粒磨損和脫落嚴(yán)重，增加了對(duì)被磨工件表面劃傷的可能性，進(jìn)而降低了磨削精度。靜電微量潤(rùn)滑條件下的荷電潤(rùn)滑液具有更好的潤(rùn)滑冷卻能力，在磨削過(guò)程中表現(xiàn)出了更低的磨損溫度和更小的磨削力，減輕了砂輪磨粒的磨損和脫落，從而得到了更高的表面加工精度。此外，良好的潤(rùn)滑作用會(huì)促使磨屑及脫落的磨粒在工件表面更好地滑移，減少了對(duì)工件的劃傷，從而最終減小了工件表面粗糙度值。從圖9中還可以看出，當(dāng)電壓絕對(duì)值相同時(shí)，正電壓下的表面粗糙度值均比負(fù)電壓下的表面粗糙度值小。

圖9 電壓對(duì)表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of charged voltage on surface roughness

圖10 電壓對(duì)磨削比的影響Fig.10 Effect of charged voltage on grinding ratio

圖10所示為不同荷電電壓下砂輪磨削比的變化情況，可以看出，在氣壓和流量不變的條件下，砂輪磨削比均隨著電壓絕對(duì)值的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)。其中，當(dāng)電壓為4 kV和-4 kV時(shí)，磨削比分別為59.9和57.4，比0 kV時(shí)的磨削比49.6分別增大了20.6%和15.5%，表現(xiàn)出了較好的磨削性能。由于荷電液滴的冷卻潤(rùn)滑性能得到了較大的改善，從而減小了磨粒與工件間的摩擦因數(shù)，避免了磨粒與磨屑間的粘附，減少了砂輪堵塞磨損，使得砂輪可保持銳利的切削作用。從圖10中還可以看出，當(dāng)電壓絕對(duì)值相同時(shí)，正電壓下的磨削比均比負(fù)電壓下的磨削比大。

圖11為在荷電電壓為0 kV和±4 kV條件下工件被磨表面的SEM圖。由圖11a可以看出， 0 kV條件下的工件表面呈現(xiàn)出大量不同深度和寬度的犁溝，表明其磨損機(jī)制為磨粒磨損。同時(shí)，溝槽兩邊因金屬剪切滑動(dòng)而出現(xiàn)較高的凸起，形成相對(duì)較差的加工表面。由圖11b可以看出，-4 kV條件下工件表面的溝槽較淺，且犁溝表面相對(duì)光滑均勻。由圖11c可以看出，4 kV條件下工件表面的劃痕更加均勻、平整，犁溝深度最淺，呈現(xiàn)出較好的加工形貌。

(a)U=0 kV (b)U=-4 kV

(c)U=4 kV圖11 荷電電壓對(duì)工件表面形貌的影響Fig.11 Effect of charged voltage on the surface morphology of workpiece

2.6 顯微硬度和顯微組織

(a)未加工

(b)U=0 kV

(c)U=3 kV

(d)U=-3 kV

(e)U=4 kV

(f)U=-4 kV

(g)U=5 kV

(h)U=-5 kV圖12 表層顯微組織對(duì)比Fig.12 Comparison of surface microstructure

圖12所示為不同電壓對(duì)工件表面的顯微組織的影響，可以看出，工件的顯微組織由鐵素體與珠光體組成，其中白色網(wǎng)狀成分為鐵素體，暗色成分為珠光體(鐵素體與滲碳體的混合體)[25]。采用蔡司金相顯微鏡分別觀察被磨表面(0 μm)和距離試樣被磨表面10 μm的工件內(nèi)部平面(10 μm)的顯微組織。當(dāng)電壓為0 kV時(shí)，工件表面的鐵素體含量較少；當(dāng)電壓為3 kV、4 kV和5 kV時(shí)，顯微組織中白色鐵素體的相對(duì)含量增加；當(dāng)電壓為-3 kV、-4 kV和-5 kV時(shí)，工件表面鐵素體的相對(duì)含量變化不明顯。在正電壓條件下，被磨表面(0 μm)鐵素體的相對(duì)含量比工件內(nèi)層平面(10 μm)鐵素體的相對(duì)含量稍多。結(jié)果表明：在靜電微量潤(rùn)滑條件下，正電壓增加了工件表面鐵素體的相對(duì)含量。這是因?yàn)樵陟o電微量潤(rùn)滑磨削加工過(guò)程中，噴嘴口與工件表面易形成靜電場(chǎng)。當(dāng)高壓靜電發(fā)生器輸出正電壓時(shí)，加工區(qū)形成了電場(chǎng)方向從噴嘴口指向工件表面的靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)與工件表層組織中的空位(一般認(rèn)為空位帶負(fù)電[26])相互作用，導(dǎo)致空位由工件的內(nèi)部沿晶界、位錯(cuò)向表面定向遷移，形成額外的空位流[27]?？瘴煌蟿?dòng)碳原子以復(fù)合體形式向晶界及位錯(cuò)遷移[28]，從而加速了碳原子的擴(kuò)散，加快了表面滲碳體的溶解[29]。若高壓靜電發(fā)生器輸出負(fù)電壓，電場(chǎng)方向則是由工件指向噴嘴口?？瘴慌c該靜電場(chǎng)相互作用，由工件的表面沿晶界向內(nèi)部定向遷移，導(dǎo)致工件被磨表面的碳原子與空位的復(fù)合體結(jié)合量減少。同時(shí)，工件內(nèi)層溫度比表層的溫度低，工件內(nèi)層碳原子的擴(kuò)散速度降低，不易于與空位結(jié)合，滲碳體溶解速率慢。由此可知，正高壓靜電產(chǎn)生的電場(chǎng)加速工件表層的滲碳體的溶解，使鐵素體的相對(duì)含量增加，導(dǎo)致工件表層的顯微硬度降低[30]，而負(fù)高壓靜電產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)工件表層顯微硬度的影響較小。

圖13所示為不同荷電電壓下被磨工件表面顯微硬度的變化，可以看出，當(dāng)荷電電壓值為3 kV、4 kV和5 kV時(shí)，試樣表面的顯微硬度分別為217.0 MPa、216.5 MPa和216.0 MPa，相比于0 kV時(shí)的顯微硬度234 MPa分別降低了約7.3%、7.5%和7.7%。而負(fù)電壓條件下的顯微硬度與0 kV時(shí)的顯微硬度相比，其變化不明顯。

圖13 表層顯微硬度對(duì)比Fig.13 Comparison of surface microhardness

圖14所示為不同荷電電壓作用下被磨工件表面的EDS能譜分析圖和相對(duì)元素含量。相對(duì)0 kV而言，荷電電壓為-4 kV和4 kV時(shí)的碳含量均減少，而在4 kV條件下的碳含量下降最明顯，且荷電電壓為4 kV時(shí)的鐵元素相對(duì)含量也最多。這是由于在正高壓靜電產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，加工工件表面滲碳體的溶解速度加快，進(jìn)而減少了碳原子在工件表面的相對(duì)含量。

(a)U=0 kV

(b)U=-4 kV

(c)U=4 kV圖14 EDS能譜分析Fig.14 EDS energy spectrum analysis

3 結(jié)論

(1)隨著荷電電壓絕對(duì)值的增加，液滴的荷質(zhì)比增大，潤(rùn)濕角和表面張力減小。改善潤(rùn)濕性能的荷電液滴更容易在砂輪和工件表面鋪展，增大了接觸面積，提升了其潤(rùn)滑與換熱能力，從而在一定程度上減小了磨削力和降低了磨削溫度，并提高了磨削比和加工質(zhì)量。

(2)施加正電壓的靜電微量潤(rùn)滑導(dǎo)致工件表面顯微組織中鐵素體的相對(duì)含量增加，工件表層的顯微硬度降低，有利于磨粒的切削過(guò)程，進(jìn)而可提高工件加工質(zhì)量。