基于納米流體潤(rùn)滑的鈦合金車削刀具磨損研究*

呂 娜

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

由于具有密度小、比強(qiáng)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(yī)療、冶金化工等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，鈦合金材料也因?yàn)檩^差的導(dǎo)熱特性及較低的彈性模量[4]，導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)切削溫度高、切削力大的問題，甚至產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，造成刀具出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，影響鈦合金工件的加工質(zhì)量[5]。

在加工過程中，為了有效降低加工區(qū)域的溫度，通常使用切削液對(duì)刀具和工件接觸的位置進(jìn)行噴射。與此同時(shí)，切削液對(duì)降低刀具切削刃的溫度、延長(zhǎng)刀具壽命和改善加工表面質(zhì)量具有顯著的效果[6]。因此，國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出適宜不同加工材料、不同加工方式的切削液。

文獻(xiàn)[7]通過對(duì)冷卻方式進(jìn)行分類，介紹了低溫微量潤(rùn)滑在加工中的作用機(jī)理，分析了低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑的研究方向。文獻(xiàn)[8]針對(duì)鈦合金等難加工材料進(jìn)行了液氮射流冷卻裝置的研制，并對(duì)加工后的切屑微觀形貌進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)液氮低溫冷卻加工對(duì)斷屑有明顯的改善作用。文獻(xiàn)[9]提出了荷電氣霧潤(rùn)滑技術(shù)，對(duì)新型綠色潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)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(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[10]提出了靜電噴霧技術(shù)對(duì)加工中的刀具進(jìn)行降溫和潤(rùn)滑，探討了電壓、流量和內(nèi)外層流體改變對(duì)霧化形態(tài)的規(guī)律，進(jìn)行了鈦合金銑削實(shí)驗(yàn),對(duì)靜電霧化冷卻效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

分析發(fā)現(xiàn)，目前通過分析切削液特性繼而研究刀具磨損的文獻(xiàn)還較少，因此，可以利用硬質(zhì)合金刀具易于磨損的特性，對(duì)納米流體冷卻和潤(rùn)滑效果進(jìn)行研究。

筆者對(duì)納米流體的表面張力、粘度和潤(rùn)滑性進(jìn)行分析，對(duì)鈦合金車削過程中刀具磨損問題進(jìn)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(jí)具有金屬屬性的微粒和基液按照特定的方式和比例進(jìn)行混合，形成的一種均質(zhì)穩(wěn)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(dá)到納米流體中顆粒物的穩(wěn)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(jī)械攪拌和超聲振動(dòng)的方式，保持納米流體懸浮的穩(wěn)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(zhǎng)徑比較大，直徑為5 nm時(shí)，長(zhǎng)度可達(dá)10 μm，因此在基液中具有很強(qiáng)的擾動(dòng)性能。此外，在納米流體進(jìn)行冷卻時(shí)產(chǎn)生湍流，并且本身碳納米管具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱特性，可以進(jìn)一步增強(qiáng)納米流體的散熱能力。

在使用乙二醇為基液時(shí)，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(shí)，選擇油酸作為分散劑。在燒杯中對(duì)碳納米管和基液進(jìn)行混合后，使用磁力攪拌器進(jìn)行持續(xù)攪拌30 min，之后在水浴加熱狀態(tài)下使用超聲振動(dòng)，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?jǐn)?shù)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(xì)滲透的作用下，霧化納米流體可以對(duì)切削加工區(qū)域進(jìn)行高效的冷卻和潤(rùn)滑，液滴直徑和噴射速度直接影響對(duì)流換熱程度和毛細(xì)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(guān)，因此需要對(duì)此進(jìn)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(chǎn)生二級(jí)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?dāng)?shù)所決定，即：

(1)

式中：We—韋伯?dāng)?shù)；ρg—?dú)怏w密度；Ud—?dú)庖毫魉俨?；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(wěn)定性，液滴破碎，此時(shí)有：

(2)

式中：Cd—液滴破碎常數(shù)。

將式(1，2)進(jìn)行整理可得：

(3)

式中：Web—液滴破碎時(shí)的韋伯?dāng)?shù)。

將其代入可得：

(4)

由于納米流體中碳納米管的體積分?jǐn)?shù)很低，不會(huì)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(dǎo)致霧化后的液滴直徑變小。

同時(shí)，液滴變形對(duì)流體粘度也會(huì)產(chǎn)生影響，這一過程可表達(dá)為：

(5)

式中：Ohl—?dú)W尼索數(shù)，代表液滴表面張力和內(nèi)部粘度的比值；Rel—雷諾數(shù)。

當(dāng)液滴噴射出來后受到氣流的影響產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)圓頻率ω可表示為：

(6)

式中：ρl—流體的密度。

因氣體的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流體的密度，可忽略不計(jì)。液滴表面的剪切應(yīng)力為：

(7)

式中：μl—流體的動(dòng)力學(xué)粘度系數(shù)。

經(jīng)過進(jìn)行簡(jiǎn)化整理可得：

(8)

根據(jù)臨界經(jīng)驗(yàn)公式，再對(duì)液滴進(jìn)行判斷[11]，即：

(9)

所以，當(dāng)We大于Web時(shí)，液滴將會(huì)發(fā)生破裂成霧化狀態(tài)，此外當(dāng)粘度越大時(shí)，流體的歐尼索數(shù)將越大，臨界韋伯?dāng)?shù)也將變大，從而導(dǎo)致流體霧化越發(fā)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(guān)，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(cè)量?jī)x對(duì)流體的張力進(jìn)行測(cè)量；將配置好的納米流體通過注射器擠出，對(duì)針頭處穩(wěn)定的液滴進(jìn)行拍照，最后計(jì)算出平均表面張力。

在不同碳納米管的體積分?jǐn)?shù)條件下，測(cè)量納米流體的表面張力。碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)表面張力的影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)表面張力的影響規(guī)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(qū)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?jǐn)?shù)增加的角度看，在布朗運(yùn)動(dòng)的作用下，碳納米管和液體分子之間撞擊加劇，細(xì)長(zhǎng)的碳納米管將不斷進(jìn)行不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并逐漸在氣-液接觸面附近形成富集區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)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?jǐn)?shù)的增加而變小。

筆者使用Malvern的流變儀對(duì)碳納米管納米流體的粘度進(jìn)行測(cè)量，將配置好的樣品進(jìn)行3次粘度測(cè)量，并取均值。

同樣，筆者測(cè)量不同碳納米管體積分?jǐn)?shù)條件下的納米流體粘度。碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)粘度的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)粘度的影響規(guī)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?jǐn)?shù)的增加，兩者的粘度都呈逐漸增加的趨勢(shì)；當(dāng)流體的粘度由于碳納米管的引入而增加時(shí)，流體在流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力也會(huì)相應(yīng)的增加，導(dǎo)致流動(dòng)性能減弱。

此外，碳納米管體積分?jǐn)?shù)變大之后，碳納米管之間也會(huì)由于相互的纏繞等情況，增加流體的剪切應(yīng)力。當(dāng)碳納米管的體積分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致粘度變大時(shí)，臨界韋伯?dāng)?shù)也將會(huì)變大，最終導(dǎo)致流體難以破碎為液滴。

因此，碳納米管的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

為了對(duì)納米流體切削液的性能進(jìn)行評(píng)估，筆者設(shè)計(jì)不同類型納米流體、不同微量潤(rùn)滑條件下的硬質(zhì)合金刀具車削實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用CG6125C車床作為平臺(tái)，對(duì)鈦合金工件進(jìn)行車削。

為了對(duì)不同種類的納米流體冷卻性能進(jìn)行研究，筆者分別選取碳納米管體積分?jǐn)?shù)、噴氣壓強(qiáng)和供液距離作為指標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中取切削速度為70 m/min，切削深度為50 μm，進(jìn)給量為10 μm/r，切削距離為10 mm。每組參數(shù)在相同條件下進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)后使用無水乙醇對(duì)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行超聲清洗，然后使用激光共聚焦顯微鏡對(duì)刀具后刀面形貌進(jìn)行觀察，測(cè)量刀具后刀面的磨損長(zhǎng)度作為磨損量，間接地對(duì)納米流體切削液的性能進(jìn)行評(píng)估。

車削加工時(shí)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(xiàn)了明顯的粘結(jié)磨損現(xiàn)象，并存在嚴(yán)重的撕裂磨損帶，這說明在加工中鈦合金材料出現(xiàn)了高溫回彈情況，后刀面對(duì)已加工的表面產(chǎn)生了摩擦接觸，導(dǎo)致在接觸區(qū)域，鈦合金由于受到高溫高壓的作用而粘結(jié)在刀具表面；且當(dāng)工件在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生沖擊時(shí)，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(xiàn)了明顯的破損，這是由于霧化噴嘴距離加工區(qū)域過近，導(dǎo)致液滴在刀具表面形成反彈，在強(qiáng)大的氣流沖擊下導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定，形成了崩刃現(xiàn)象(此外，當(dāng)距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致冷卻效果較差時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象)。

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)后，筆者對(duì)車削加工后刀具的磨損量進(jìn)行了測(cè)量。碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨損量的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 碳納米管體積分?jǐn)?shù)對(duì)磨損量的影響規(guī)律

圖4中：當(dāng)碳納米管體積分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，代表采用普通潤(rùn)滑的加工方式，此時(shí)兩種流體的刀具磨損量分別是58 μm和28 μm；當(dāng)采用納米流體潤(rùn)滑時(shí)，隨著碳納米管體積分?jǐn)?shù)的增加，后刀面的磨損量明顯下降。

當(dāng)碳納米管的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.16%時(shí)，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(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)情況，這是因?yàn)檫^多地增加碳納米管含量，導(dǎo)致納米流體的吸附性降低，造成納米流體出現(xiàn)較大的粘度和邊界膜出現(xiàn)較差的流動(dòng)性，此時(shí)納米流體的潤(rùn)滑性將受到嚴(yán)重影響。

噴氣壓強(qiáng)對(duì)磨損量的影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 噴氣壓強(qiáng)對(duì)磨損量的影響規(guī)律

從圖5可以看出，隨著噴氣壓強(qiáng)的增加，后刀面的磨損量幾乎呈線性減小。當(dāng)噴氣壓強(qiáng)增加時(shí)，納米流體從噴嘴噴射的速度相應(yīng)增加。

由式(4)可知，當(dāng)流體霧化時(shí)液滴直徑將變小，從而對(duì)加工區(qū)域有更好的滲透效果，加工時(shí)的切削刃熱量可得到轉(zhuǎn)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(duì)磨損量的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 供液距離對(duì)磨損量的影響規(guī)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(xiàn)了先降低后增加的現(xiàn)象，這是由于供液距離在30 mm以下時(shí)，霧化噴射的液滴和刀具之前形成了強(qiáng)烈的對(duì)流作用，在氣流的強(qiáng)大沖擊下，納米流體在加工區(qū)域表面形成的吸附膜被破壞和剝離，影響了冷卻液的潤(rùn)滑效果。

當(dāng)供液距離大于70 mm時(shí)，由于噴嘴距離加工區(qū)域較遠(yuǎn)，導(dǎo)致納米流體并不能充分進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，霧化冷卻和對(duì)流換熱的作用迅速降低，導(dǎo)致了刀具磨損量最大。

4 結(jié)束語

筆者通過對(duì)納米流體的表面張力和粘度進(jìn)行分析，從潤(rùn)滑與冷卻的角度出發(fā)，對(duì)切削液的霧化特性進(jìn)行了研究，并對(duì)乙二醇基和植物油基兩種不同的納米流體冷卻液進(jìn)行了車削加工實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了碳納米管的體積分?jǐn)?shù)、噴氣壓強(qiáng)，以及供液距離對(duì)車削加工實(shí)驗(yàn)中后刀面的磨損情況，主要得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)納米流體的韋伯?dāng)?shù)超過臨界值后，流體將會(huì)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?。?/p>

(2)與普通流體潤(rùn)滑相比，采用納米流體潤(rùn)滑時(shí)，刀具的磨損量大幅減??；其中采用乙二醇基納米流體潤(rùn)滑時(shí)，刀具磨損量最大降低了51.7%，植物油基納米流體潤(rùn)滑時(shí)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?jǐn)?shù)成反比，后刀面的磨損量隨碳納米管體積分?jǐn)?shù)和噴氣壓強(qiáng)的增加而降低，隨供液距離的增加先降低后增加。

因此，在實(shí)際加工過程中，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑參數(shù)可有效提高刀具加工時(shí)的耐用度，改善加工后的工件表面質(zhì)量。