多壁碳納米管/油酸復(fù)合物納米流體車削GCr15鋼的性能研究

關(guān)集俱 高 超 徐正亞 丁云鵬 李 特 許雪峰

1.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，常熟，215500 2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院精密制造工程系，蘇州，215104 3.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310014

0 引言

納米流體是指納米尺度粒子的懸浮液，這一概念由CHOI等[1]在1995年提出。納米流體的添加劑主要有金屬和非金屬納米粒子、碳納米粒子和納米液滴等，基礎(chǔ)液主要有水、乙二醇、油等常用介質(zhì)。納米流體在高效傳熱冷卻技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米粒子能夠較好地改善基礎(chǔ)液的傳熱性能和潤(rùn)滑性能，因此也有學(xué)者將納米流體作為一種切削液引入切削加工領(lǐng)域。常用于制備納米流體切削液的納米粒子有MoS2、SiO2、TiO2等固體潤(rùn)滑劑以及各種碳納米微粒[2-3]。張彥彬等[4]制備了MoS2/CNTs混合型的納米流體切削液，并開展了微量潤(rùn)滑條件下磨削鎳基合金的試驗(yàn)，結(jié)果表明混合型納米流體切削液可能具有“物理協(xié)同效果”，可以得到更小的磨削力、摩擦因數(shù)以及更好的工件表面質(zhì)量。SHARMA等[5]利用碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)制備了油基納米流體切削液，并開展了微量潤(rùn)滑條件下車削AISID2鋼的研究，結(jié)果表明在CNTs的作用下，切削區(qū)域溫度有明顯降低，表面質(zhì)量有所提高且刀具磨損減少。

多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)是由多層石墨片繞旋轉(zhuǎn)中心線卷曲而成的納米管，其兩端有富勒烯半球構(gòu)成的“端蓋”, 內(nèi)部具有中空內(nèi)腔結(jié)構(gòu)[6],它是極好的導(dǎo)熱材料，熱導(dǎo)率可達(dá)6 kW/(m·K)，且具有較好的潤(rùn)滑特性，可在摩擦區(qū)域發(fā)揮類似“微軸承”的潤(rùn)滑作用[7-8]，因此MWCNTs也較適合作為一種切削液添加劑。但MWCNTs本身也具有一定局限性，如它在基礎(chǔ)液中的分散穩(wěn)定性差，容易團(tuán)聚、沉降，導(dǎo)致所制備的納米流體不穩(wěn)定等[9-10]，且其分子中缺少有效潤(rùn)滑的分子基團(tuán)，在苛刻摩擦條件下的潤(rùn)滑作用有限。

MWCNTs的空腔內(nèi)徑在5～50 nm之間，在合適條件下，可以將其他物質(zhì)引入MWCNTs的空腔中以形成復(fù)合物，從而改善其導(dǎo)電性能、磁性能和摩擦性能等[11-12]。因此，本課題組提出將潤(rùn)滑劑填充進(jìn)MWCNTs的空腔內(nèi)制備各種MWCNTs復(fù)合物。內(nèi)部填充法可以在MWCNTs分子內(nèi)部引入更多的潤(rùn)滑成分，更好地改善其潤(rùn)滑特性，在切削加工時(shí)隨著MWCNTs的破裂，可將油酸釋放到切削區(qū)域起到“自潤(rùn)滑”作用。另外，填充時(shí)需要先將MWCNTs的“端蓋”打開，在打開“端蓋”的同時(shí)將羥基、羧基等基團(tuán)鍵合到MWCNTs分子表面[13]，增強(qiáng)了MWCNTs在基礎(chǔ)液中的分散穩(wěn)定性。本文利用MWCNTs/油酸復(fù)合物制備納米流體切削液樣品并開展車削測(cè)試，對(duì)比研究了納米流體對(duì)切削區(qū)域的切削力、切削溫度、工件表面粗糙度以及刀具磨損的影響，并分析了MWCNTs復(fù)合物在切削區(qū)域的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 納米流體切削液的制備與性能測(cè)試

MWCNTs購(gòu)自上海阿拉丁試劑公司，純度為99%、內(nèi)徑為20～50 nm，油酸由天津恒興化學(xué)試劑公司提供，復(fù)合物的制備過程可參考文獻(xiàn)[14]。利用復(fù)合物制備納米流體時(shí)，需采用表面活性劑作為分散劑，本文通過前期試驗(yàn)，優(yōu)選出非離子表面活性劑吐溫-80(TW-80)和陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)的混合物(質(zhì)量比為7∶3)作為復(fù)配型表面分散劑，水基納米流體樣品的配方見表1。組分混合完成后，將混合物在50 ℃條件下機(jī)械攪拌30 min，并經(jīng)1 h的超聲分散后制備出納米流體切削液。制備完成后，對(duì)下述關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)每組樣品進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。

表1 納米流體切削液樣品配方Tab.1 Formulation of nano-cutting fluid

(1)分散穩(wěn)定性：將每組納米流體靜置30 d，每日取1 mL上層液體并稀釋2倍后放入比色皿，利用752N型紫外-可見光光度計(jì)測(cè)試納米流體在500 nm波長(zhǎng)下的吸光度，以吸光度的穩(wěn)定數(shù)值作為判斷納米流體分散穩(wěn)定性的依據(jù)。

(2)導(dǎo)熱性能：利用TC3010L熱導(dǎo)率儀測(cè)定各組樣品的熱導(dǎo)率，每次進(jìn)樣30 mL左右，進(jìn)樣完成后由儀器自動(dòng)測(cè)定熱導(dǎo)率。

(3)潤(rùn)濕性能：納米流體的潤(rùn)濕性以其在GCr15鋼表面的接觸角作為評(píng)價(jià)依據(jù)，采用Kruss DSA25接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量接觸角，每次測(cè)試液滴進(jìn)樣量為2 μL，與GCr15鋼表面接觸15 s左右穩(wěn)定后，通過移動(dòng)試樣臺(tái)使液滴處于最佳顯示狀態(tài)，并測(cè)量讀數(shù)。

1.2 車削試驗(yàn)

車削試驗(yàn)在CAK615型車床上進(jìn)行，采用GCr15軸承鋼作為加工工件，工件尺寸為φ60 mm ×350 mm，試驗(yàn)前所有試件去皮1 mm，刀具選用戴恩卡LF6018涂層刀片；利用奇石樂Kistler9129A 測(cè)力儀測(cè)量切削力，以三向切削力的合力作為切削力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；利用RX4006D測(cè)溫儀測(cè)量切削區(qū)域溫度，測(cè)量時(shí)將直徑為0.5 mm的K型熱電偶粘貼于副后刀面，記錄加工狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的溫度，試驗(yàn)設(shè)備見圖1a。車削時(shí)霧化噴嘴對(duì)準(zhǔn)后刀面上方區(qū)域，如圖1b所示。

(a)切削試驗(yàn)系統(tǒng) (b)加工區(qū)圖1 車削加工試驗(yàn)系統(tǒng)與加工區(qū)Fig.1 Turning experimental system and the cutting area

車削試驗(yàn)方案如下：首先，考察澆注和微量潤(rùn)滑(MQL)兩種工況下普通乳化液、酸處理MWC-NTs納米流體和復(fù)合物納米流體的切削加工性能，如表2中A1～A3組和B1～B3組；其次，在MQL條件下考察酸處理MWCNTs和復(fù)合物納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%、1.1 %時(shí)納米流體的車削加工性能；另外，在相同切削條件下做一組干切的試驗(yàn)。加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n=1000 r/min，進(jìn)給量f=0.05 mm/r，切削深度ap=0.5 mm，工件切削長(zhǎng)度為150 mm，每組進(jìn)行三次試驗(yàn)。利用TR-200粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試表面粗糙度值(Ra)。采用Nikon SMZ745T型顯微鏡觀測(cè)后刀面磨損形貌并測(cè)量磨損量VB值。

表2 車削加工試驗(yàn)方案Tab.2 The scheme of turning test

考慮到切削加工過程中后刀面可能形成了較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑層，因此，在試驗(yàn)結(jié)束后，取干切和乳化液、MWCNTs酸處理納米流體、復(fù)合物納米流體MQL條件下的刀片，利用線切割將后刀面區(qū)域切下，切出的薄片厚度約1 mm，如圖1b所示。并采用Thermo Fisher Nexsa型X射線光電子能譜儀(XPS)對(duì)后刀面磨損區(qū)域的主要元素的結(jié)合能進(jìn)行分析，測(cè)試時(shí)電子通能為80 eV，采用污染碳C1s的結(jié)合能284.8 eV作為內(nèi)標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)與填充率

圖2a和圖2b分別為普通MWCNTs和復(fù)合物的TEM圖像。由圖2a可見石墨片層構(gòu)成的管壁和中空的納米管結(jié)構(gòu)。由圖2b可見復(fù)合物樣品在待觀測(cè)區(qū)域內(nèi)有一段被填充，這在微觀結(jié)構(gòu)上證明油酸被成功填充到MWCNTs管內(nèi)。毛細(xì)管作用是油酸分子被填充進(jìn)MWCNTs空腔的主要驅(qū)動(dòng)力，前提條件是被填充物與納米管之間的作用力足夠大，使二者發(fā)生浸潤(rùn)作用[15]。由Laplace方程推導(dǎo)的液-固界面上接觸角與表面張力的關(guān)系公式以及氣-液界面壓力差的公式如下[16]：

(a)MWCNTs

(b)復(fù)合物圖2 MWCNTs和復(fù)合物的TEM影像[14]Fig.2 TEM images of MWCNTs and composites[14]

cosα=(γsV-γsL)/γ

(1)

Δp=2γcosα/r

(2)

式中，α為液-固界面接觸角；γsV為固-氣界面表面張力；γsL為固-液界面表面張力；γ為液體表面張力；r為曲率半徑。

由式(1)、式(2)可知，接觸角α決定著MWCNTs能否被潤(rùn)滑劑浸潤(rùn)并發(fā)生毛細(xì)作用。當(dāng)α>90°時(shí)，氣-液界面的壓力差Δp為負(fù)值，無法發(fā)生浸潤(rùn)作用；當(dāng)α<90°時(shí)，浸潤(rùn)現(xiàn)象才能發(fā)生，填充作用才能進(jìn)行。只有表面張力小于0.1 N/m的物質(zhì)，如水、乙醇、酸類等才能在一定條件下被填充入MWCNTs管中[17]。油酸表面張力約0.035 N/m，在被溶解到乙醇中后，其表面張力被進(jìn)一步降低，因此更易通過毛細(xì)管作用進(jìn)入MWCNTs管內(nèi)。后續(xù)烘干處理使乙醇揮發(fā)，而管內(nèi)的油酸則得到保留。

圖3a和圖3b所示分別為酸處理MWCNTs、油酸和復(fù)合物的熱重分析(TG)和差熱分析(DSC)結(jié)果。圖3a中，復(fù)合物在150 ℃左右有較明顯的熱失重過程，而酸處理MWCNTs則沒有類似的失重過程，這證明受熱后復(fù)合物中的油酸逸出。復(fù)合物中油酸的填充率η可以根據(jù)相變潛熱公式來計(jì)算[18]：

(a)熱重分析

(b)差熱分析圖3 酸處理MWCNTs、油酸和復(fù)合物的TG與DSC曲線Fig.3 TG and DSC curves of acid treated MWCNTs, oleic acid and composites

η=Hf/Hp

(3)

式中,Hf為復(fù)合物中油酸的相變潛熱，J/g;Hp為相同質(zhì)量油酸的相變潛熱，J/g。

圖3b的DSC曲線中，油酸和復(fù)合物在低溫時(shí)均有一次明顯的相變吸熱過程，該過程中的相變潛熱值可由DSC曲線與基線所圍成的峰面積來計(jì)算，通過計(jì)算可得到復(fù)合物中油酸的相變潛熱為37.85 J/g，相同質(zhì)量油酸的相變潛熱為181.25 J/g，即油酸的填充率為20%左右。

2.2 納米流體的分散穩(wěn)定性和熱物理性能

圖4a所示為制備的不同復(fù)合物含量的納米流體，圖4b所示為酸處理MWCNTs和復(fù)合物納米顆粒的含量對(duì)納米流體吸光度的影響，可見當(dāng)納米粒子含量較少時(shí)，吸光度會(huì)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大逐漸增大，且成一定的線性關(guān)系。而當(dāng)碳管濃度達(dá)到“飽和”濃度(約0.3%左右)后，吸光度的增加不明顯，這是由于部分未被有效分散的碳管發(fā)生沉降。相同含量條件下復(fù)合物的分散穩(wěn)定性要好于酸處理MWCNTs的分散穩(wěn)定性，這應(yīng)歸因于部分暴露在碳管外的油酸分子基團(tuán)與表面活性劑結(jié)合，進(jìn)一步強(qiáng)化了納米粒子的分散效果[19]。

(a)納米流體樣品

(b)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響圖4 所制備的復(fù)合物納米流體和納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米流體吸光度的影響Fig.4 The nanofluids prepared by composites and the influence of mass fraction of nanoparticles on absorbance of nanofluids

MWCNTs的導(dǎo)熱性能好，能夠顯著增強(qiáng)液體工質(zhì)的傳熱性能[20]，將MWCNTs應(yīng)用于切削液的強(qiáng)化換熱具有較高價(jià)值。圖5a所示為納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱導(dǎo)率的影響，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，熱導(dǎo)率會(huì)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，MWCNTs復(fù)合物可使基液的熱導(dǎo)率最高提高110%，而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增大時(shí)，熱導(dǎo)率的增大趨勢(shì)變緩，這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)多余的納米粒子團(tuán)聚、沉降，導(dǎo)致有效傳熱作用的納米粒子減少。圖 5b所示為表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)納米流體潤(rùn)濕性的影響，可見，當(dāng)納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大時(shí)，納米流體接觸角呈先減小后增大的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，MWCNTs經(jīng)酸處理以后，其本身可能具有一定的表面活性，在基液中分散完全后，納米粒子與基液分子間的排斥作用增大了自由表面上的分子間距，從而起到減小表面張力的作用[21]，復(fù)合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會(huì)使納米流體的分散性變差、黏度增大，組分的分子間作用力增大，從而導(dǎo)致接觸角變大。另外，在各種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下復(fù)合物納米流體的導(dǎo)熱性能和潤(rùn)濕性能均優(yōu)于酸處理MWCNTs制備的納米流體，這是由于復(fù)合物具有更強(qiáng)的表面活性，在基礎(chǔ)液中分散更均勻、穩(wěn)定性更好。

(a)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱導(dǎo)率的影響

(b)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)接觸角的影響圖5 納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米流體導(dǎo)熱性能和接觸角的影響Fig.5 Effect of nanoparticle mass fraction on thermal conductivity and contact angle of nanofluid

2.3 澆注條件對(duì)納米流體切削性能的影響

2.3.1切削力與切削溫度

圖6所示為不同切削液和澆注條件對(duì)切削力和切削溫度的影響。圖6a中，與澆注條件相比，不同切削液在MQL條件下的切削力均有一定減小，這主要是MQL條件下切削液是以霧狀的形式供給的，且在供給時(shí)具有較高的速度、壓力和方向性，這更有利于切削液滲入切削加工區(qū)域，達(dá)到較好的減摩效果，減小切削力[22-23]。但也有研究表明，MQL條件下也有切削力不變或增大的情況，這主要與切削條件、切削對(duì)象有關(guān)[24-25]。圖6b中微量潤(rùn)滑時(shí)酸處理MWCNTs和復(fù)合物的切削區(qū)域溫度比澆注條件下的高，這表明試驗(yàn)條件下MQL的冷卻效果不如澆注式冷卻，這是MQL冷卻條件下進(jìn)入切削區(qū)域的換熱介質(zhì)減少的原因。

(a)不同切削液及澆注條件對(duì)切削力的影響

(b)不同切削液及澆注條件對(duì)切削溫度的影響圖6 不同工況條件下加工區(qū)域切削力和切削溫度的變化Fig.6 Variation of cutting force and cutting temperature under different turning conditions

圖6a中，乳化液和酸處理MWCNTs納米流體作用時(shí)的切削力較大，乳化液中減摩劑可以滲入切削加工區(qū)域并起到潤(rùn)滑作用，MWCNTs也可在切削區(qū)域起到類似“微軸承”的效用，因此起到一定的潤(rùn)滑作用[26-28]，而MWCNTs分子結(jié)構(gòu)中缺少有效的潤(rùn)滑基團(tuán)，且其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易在切削區(qū)域反應(yīng)，因此在同等切削條件下其切削力較大。復(fù)合物納米流體作用時(shí)，其切削力比市售乳化液作用時(shí)的切削力減小約15%，這主要是由于復(fù)合物的內(nèi)部含有油酸，切削加工過程中復(fù)合物滲入到切削加工區(qū)域，隨著切削的進(jìn)行，復(fù)合物在切削摩擦區(qū)域被剪切、破壞，其中的油酸分子釋放到切削區(qū)域，促進(jìn)了復(fù)合物的減摩作用，使得復(fù)合物在切削時(shí)切削力減小。圖6b中，與普通乳化液相比，復(fù)合物納米流體作用下的切削溫度降低了約25%左右，這主要是由于MWCNTs本身具有較好的導(dǎo)熱性能，作為添加劑時(shí)顯著提高了納米流體的換熱能力，使切削液可在切削區(qū)域起到較好的導(dǎo)熱作用，因此納米流體作用時(shí)的溫度比普通乳化液作用時(shí)的切削溫度低。與MWCNTs制備的納米流體相比，復(fù)合物制備的納米流體具有更好的冷卻效果，這主要是由于復(fù)合物所制備的納米流體具有更好的導(dǎo)熱性能和潤(rùn)濕性能，潤(rùn)濕性能越好的切削液，在切削區(qū)域的滲透特性越好，從而能更充分地填充切削區(qū)，實(shí)現(xiàn)有效的冷卻與潤(rùn)滑。

2.3.2工件表面粗糙度與刀具磨損

圖7所示為不同切削液和澆注條件對(duì)工件表面粗糙度和后刀面磨損VB值的影響。由圖7可見，在不同納米流體作用下，利用MQL方法加工時(shí)的切削工件表面粗糙度和VB值均比澆注方法加工時(shí)的低，這表明雖然MQL條件下供給的切削液的量較少，但它對(duì)切削區(qū)域的潤(rùn)滑更為有效，因而能獲得更小的工件表面粗糙度，并較好地減少刀具磨損[29-30]。

(a)不同切削液及澆注條件對(duì)表面粗糙度的影響

(b)不同切削液及澆注條件對(duì)刀具磨損的影響圖7 不同工況條件下工件表面粗糙度和刀具磨損的變化Fig.7 Variation of workpiece surface roughness and tool wear under different turning conditions

圖7中，與普通乳化液相比，復(fù)合物納米流體作用下工件表面粗糙度減小了約16%、刀具磨損減小了約22%。這主要是由于MWCNTs具有優(yōu)良的減摩性能，它在減緩摩擦的同時(shí)，能夠在一定程度上隔離刀具和工件，并對(duì)工件表面具有一定的拋光作用，從而降低了工件的表面粗糙度、延緩了刀具磨損。圖8所示為干切、乳化液和兩種納米流體作用條件下刀具后刀面磨損區(qū)域的形貌，可見干切條件下由于缺少潤(rùn)滑，刀具出現(xiàn)了明顯的黏附磨損，乳化液和MWCNTs納米流體作用下后刀面磨損的程度較重，復(fù)合物納米流體作用下刀具磨損則較輕。另外，復(fù)合物納米流體作用下工件能夠獲得最低的表面粗糙度，且能更好地減緩刀具的磨損，這是由于復(fù)合物納米流體具有更好的滲透性能，進(jìn)入切削區(qū)域的納米粒子數(shù)量更多，在切削過程中，復(fù)合物分子結(jié)構(gòu)在切削區(qū)域被破壞，其中的油酸分子被釋放，使得復(fù)合物具有更優(yōu)的潤(rùn)滑性能，從而獲得更好的切削效果。

(a)干切 (b)乳化液

(c)MWCNTs納米流體 (d)復(fù)合物納米流體圖8 干切、乳化液和兩種納米流體作用條件下刀具后刀面的磨損狀況Fig.8 Wear condition of tool flank under the action of dry cutting, emulsion and two kinds of nanofluids

2.4 納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削性能的影響

2.4.1切削力與切削溫度

圖9所示為酸處理MWCNTs和復(fù)合物納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削力、切削溫度的影響，可見，隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，切削力和切削溫度呈現(xiàn)先迅速減小而后再緩慢增大的趨勢(shì)，當(dāng)碳管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%左右時(shí)，能夠獲得最小的切削力和切削溫度值。當(dāng)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，作用在切削摩擦區(qū)域的復(fù)合物粒子較少，切削液不能起到較好的潤(rùn)滑和導(dǎo)熱作用，此時(shí)對(duì)切削區(qū)溫升的改善作用有限；當(dāng)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，納米粒子在基礎(chǔ)液中的分散不穩(wěn)定，復(fù)合物會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚、沉淀等現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入切削區(qū)域的納米粒子減少，反而導(dǎo)致切削區(qū)摩擦加劇。在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，復(fù)合物納米流體均有著更好的潤(rùn)滑和冷卻效果，這是由于復(fù)合物在基礎(chǔ)液中具有更好的分散穩(wěn)定性，所制備的納米流體更均勻、一致，更易滲入切削加工區(qū)域起作用。

(a)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削力的影響

(b)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削溫度的影響圖9 納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響Fig.9 Effect of nanoparticle mass fraction on cutting force and cutting temperature

2.4.2工件表面粗糙度與刀具磨損

圖10所示為酸處理MWCNTs和復(fù)合物納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工件表面粗糙度和刀具磨損的影響?？梢?，隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，工件表面粗糙度和刀具磨損的VB值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%左右時(shí)，納米流體對(duì)改善表面粗糙度、減緩刀具磨損的效果較為明顯。這是由于納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，進(jìn)入切削加工區(qū)域的納米粒子較少，對(duì)切削區(qū)域的潤(rùn)滑、拋光作用有限，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致納米粒子復(fù)合物的團(tuán)聚、沉淀，導(dǎo)致進(jìn)入切削區(qū)域的納米粒子減少，造成切削區(qū)域的潤(rùn)滑不足，也導(dǎo)致工件表面粗糙度變大、刀具磨損加劇。與酸處理MWCNTs制備的納米流體相比，復(fù)合物制備的納米流體對(duì)工件表面粗糙度和刀具磨損的改善效果更為明顯。切削時(shí)，復(fù)合物更易滲入切削加工區(qū)域，起有效作用的納米粒子更多，且切削加工過程中復(fù)合物的分子結(jié)構(gòu)被破壞，其中的油酸分子被釋放在切削區(qū)域，形成了更為充分、復(fù)雜的潤(rùn)滑膜，使得復(fù)合物可能具有更好的潤(rùn)滑效果。

(a)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工件表面粗糙度的影響

(b)納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)后刀面磨損值的影響圖10 納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工件表面粗糙度和刀具磨損值的影響Fig.10 Effect of nano particle mass fraction on workpiece surface roughness and tool wear value

由圖9和圖10發(fā)現(xiàn)，切削力和溫度、粗糙度和刀具磨損的變化量之間成正相關(guān)。納米粒子的添加改善了切削界面的摩擦條件、增強(qiáng)了切削區(qū)的熱傳導(dǎo)，減小了切削力和降低了切削溫度，而切削力的減小和溫度的降低可在一定程度上提高工件表面質(zhì)量、延緩刀具磨損。此外，納米粒子對(duì)工件表面的 “拋光”作用也改善了工件表面質(zhì)量。

3 納米流體的潤(rùn)滑機(jī)理分析

切削加工過程中后刀面可能形成了較為穩(wěn)定的潤(rùn)滑層，因此也有學(xué)者對(duì)刀具磨損的后刀面進(jìn)行表面分析，以確定切削區(qū)域潤(rùn)滑層的性質(zhì)和成分[31-32]。本文對(duì)干切，乳化液、酸處理MWCNTs納米流體和復(fù)合物納米流體微量潤(rùn)滑條件下后刀面磨損區(qū)域的主要元素進(jìn)行了XPS能譜分析，試圖判斷切削區(qū)域潤(rùn)滑層的形成，其中C和O元素的分峰結(jié)果如圖11所示，表3則列出了被測(cè)面上C、O、Fe元素的相對(duì)含量。

表3 刀具磨損面主要元素的相對(duì)含量表Tab.3 Relative content of main elements on wear surface of the tool

(a)干切時(shí)磨損區(qū)域C元素能譜 (b)干切時(shí)磨損區(qū)域O元素能譜

(c)乳化液作用時(shí)磨損區(qū)域C元素能譜 (d)乳化液作用時(shí)磨損區(qū)域O元素能譜

(e)MWCNTs納米流體作用時(shí)磨損區(qū)C元素能譜 (f)MWCNTs納米流體作用時(shí)磨損區(qū)O元素能譜

(g)復(fù)合物納米流體作用時(shí)磨損區(qū)C元素能譜 (h)復(fù)合物納米流體作用時(shí)磨損區(qū)O元素能譜圖11 干切時(shí)和不同納米流體作用下后刀面磨損面上C1s和O1s的XPS能譜Fig.11 XPS spectra of C1s and O1s on the wear surface of the tool under dry cutting and different nanofluids

圖12 復(fù)合物在切削區(qū)域的潤(rùn)滑作用模型Fig.12 Lubrication layer model of composite in cutting area

4 結(jié)論

(1)油酸被成功填充到經(jīng)酸處理的MWCNTs管內(nèi)，填充率約20%，利用復(fù)合物制備的納米流體在分散穩(wěn)定性、傳熱性和潤(rùn)濕性方面均較好。

(2)與普通乳化液相比，利用納米流體在MQL條件下車削加工時(shí)的切削力減小15%，切削溫度降低25%，工件表面粗糙度值減小16%，刀具耐用度提高了22%；復(fù)合物納米流體的切削性能優(yōu)于酸處理MWCNTs制備的納米流體。

(3)復(fù)合物納米粒子提高了納米流體切削液的強(qiáng)化換熱能力，還提高了納米流體的潤(rùn)濕性能；復(fù)合物在滲入切削區(qū)域后，其本身可起到較好的潤(rùn)滑作用，又可將其空腔中的油酸釋放出來，起到進(jìn)一步的潤(rùn)滑效果。