納米碳球切削液的潤滑性能及機理研究

中圖分類號：TB34；TH140 DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.008

Study on Lubricating Performances and Mechanism of Nano-carbon Balls Cutting Fluids

SUN Hao1 LAN Qixin2 YAO Bin^2* LU Jingjing1 ZHANG Jinhui2 PAN Zhirong2 ZHAO Kexin2 1.AECC Harbin Dongan Engine Co.，Ltd.，Harbin，150060 2.School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen，F(xiàn)ujian，361005

Abstract： Nano-carbon balls cutting fluid was applied to the cutting processes of difficult-to-machine aerospace gear steels （15Cr14Co12Mo5Ni2W） ，and the lubrication enhancement effects of nanocarbon particles on the cutting fluid were investigated.Firstly，a cutting force model for metal cutting was established to analyze the relationship between cutting lubrication and cutting forces. Furthermore，through combined friction-wear tests and milling experiments，the lubrication performance of nano-carbon balls cutting fluid was evaluated in terms of friction coefficient，wear volume，friction surface quality，and cuting forces. Compared with the base cuting fluid，when the mass fraction of nano-carbon is reached 0.02% ，the milling forces for the gear steels are decreased by over 10% ，and surface roughness is reduced by more than 15% . Experimental observations reveal that nano-carbon particles on the friction contact surfaces preferentially are adsorbed onto micro-peak regions with higher surface free energy，forming a nano-carbon adsorption film.Lubrication mechanism analysis indicates that this adsorption film may exert a friction-reducing“micro-bearing” effects.

Key words： nano-carbon ball;cutting fluid; lubrication mechanism； miling; difficult-to-cut gear steel

0 引言

難加工金屬材料的切削存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損/破損嚴重等問題，使得切削質量較難控制。切削潤滑是該類材料切削加工的技術瓶頸之一。研究高性能切削液的潤滑特性與機理，對提升難加工金屬材料的切削潤滑技術具有重要意義。

目前，納米切削液得到了越來越多研究者的關注，他們探究了各種納米粒子作為切削液添加劑所能起到的減摩潤滑作用。CETIN等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在304奧氏體不銹鋼切削中，納米銀添加劑使工件粗糙度減小了 15% 左右；SHARMA等[2]的研究工作證實，隨著氧化鋁/石墨烯混合納米顆粒濃度的增大，切削刀具磨損減少，摩擦因數減??；HEGAB等[3]研究指出，多壁碳納米管（MWCNTs）和納米氧化鋁 （Al₂O₃ ）兩種納米切削液能夠使刀具磨損顯著減少。碳納米顆粒具有多種同素異構體，不同異構體具有不同的三維結構和屬性，它們都被運用到潤滑研究中。關集俱等[4]研究表明，相比于普通乳化液，多壁碳納米管/油酸復合物納米流體使GCr15鋼的車削力減小了 15% ，工件表面粗糙度減小了 16% ，刀具耐用度提高了 22% ；姚斌等[5]研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯懸浮切削液能明顯減小硬質合金與45鋼之間的摩擦因數。碳60（C60）獨特的球形結構使其具有很好的抗壓性，顯微硬度高達 18GPa ，熱穩(wěn)定性好，并且C60晶體的硬度隨壓力增大而增大。LI等[6使用分子動力學模擬方法探究了碳基納米顆粒流體的摩擦學性能，分析了C60獨特的減摩機理；YAO等[使用四球式摩擦試驗機研究了洋蔥狀富勒烯的摩擦性能，并發(fā)現(xiàn)洋蔥狀富勒烯作為潤滑液添加劑具有良好的減摩性能;PAN等[8]將碳納米水基切削液和微量潤滑用于鈦合金銑削加工中，使最大銑削力減小了 16% 以上。

在納米切削液潤滑作用機理研究上，HE-GAB等9指出，納米顆粒能夠到達刀具-切屑摩擦界面，并形成一層可以起到減摩和抗磨作用的薄膜。武路鵬[10]則通過對磨損表面進行分析，指出潤滑油中的納米石墨烯在摩擦磨合階段會發(fā)生層間滑移，在成膜階段，則會沉積在摩擦表面起到修補表面的作用；GAJRANI等[11]觀測了刀具和切屑表面的形貌并指出，刀具表面的微織構能夠促進納米切削液的滲透；EWEN等[12]使用非平衡分子動力學模擬方法研究了碳納米顆粒添加劑的摩擦與減摩機制，摩擦力減小 25% 時的模擬結果與試驗觀察結果一致；關集俱等[13]發(fā)現(xiàn)，多壁碳納米管能夠在摩擦潤滑膜中滾動，發(fā)揮“微軸承\(zhòng)"的作用；王德祥等[14]將納米流體用于鎳基合金磨削中發(fā)現(xiàn)，三維球形氧化鋁顆粒起到了“類軸承\(zhòng)"和機械拋光作用；張宇等[15則指出，氧化鋁拋光劃痕增大了潤滑液的浸潤面積，切向磨削力較沒有納米粒子工況減小 6.6% ?，F(xiàn)有納米切削液減摩潤滑作用機制研究主要從切削液的整體作用效果出發(fā)，如石墨潤滑膜理論、滾動摩擦理論等。為了更具體地理解納米粒子的作用機理，在微觀上分析納米切削液的滲透特性和納米粒子在摩擦面上的分布具有重要意義。

15Cr14Co12Mo5Ni2W齒輪鋼具有高強度、高韌性和高表面硬度的特性，可在 450^°C 的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作[16]。該材料雖然具有較好的服役性能，但其切削性能較差，切削加工效率較低[17-18]。目前，15Cr14Co12Mo5Ni2W鋼的使用量越來越大，急需尋求提高該類材料切削加工質量和效率的新方法。在15Cr14Co12Mo5Ni2WA齒輪鋼的切削加工技術研究方面，葉君等[18]從切削刀具和切削工藝參數的角度探究提高材料切削質量和效率的方法；黃景山等[19]分析了切削液在切削接觸區(qū)的作用機理，驗證了切削液中納米粒子的減摩作用；陳凱[20]指出該材料在磨削時存在較嚴重的砂輪黏附和磨損，并評價了材料的磨削加工性。

針對上述納米切削液及難加工齒輪鋼切削技術研究現(xiàn)狀，本文開展了納米碳球切削液作用于15Cr14Co12Mo5Ni2W的摩擦磨損試驗和切削試驗，分析了不同納米碳球質量分數對切削液性能的影響，并對納米碳球切削液的潤滑機理進行了研究，揭示了納米碳球粒子在切削摩擦接觸區(qū)的分布規(guī)律。

1金屬切削變形分析

金屬切削存在三個主要變形區(qū)，變形區(qū)內的材料變形作用構成了切削的本質。在第I變形區(qū)，切削層材料內沿滑移線發(fā)生剪切變形和纖維化，并隨之產生加工硬化；在第Ⅱ變形區(qū)（刀-屑接觸區(qū)），切屑在塑性變形后，沿著前刀面流出的過程中會與前刀面發(fā)生劇烈摩擦；在第Ⅲ變形區(qū)（刀一工接觸區(qū)），反彈的被切工件表面與后刀面發(fā)生劇烈摩擦。

平行面剪切模型[21]描述了第I變形區(qū)，如圖1所示。其中， v 為切削速度， v_c 為切屑流動速度， φ 為主剪切面與切削速度方向的夾角（剪切角）。

根據塑性變形材料的速度場不可壓縮假設，將斜角切削看作是二維切削狀態(tài)的累積，在等效平面（切削速度和切屑速度矢量構成的平面）內分析切削速度 v 、剪切速度 v_s 和切屑速度 v_c 的內在關系[22-23]，可得到切屑速度和切削速度之間的關系如下：

剪切速度可定義為切向剪切速度變化量，表示為

式中： λ_s 為刃傾角； φ_n 為法向剪切角； η_c 為切屑流角； γ_n 為法前角； η_s 為剪切流角。

將工件材料看作黏塑性材料，綜合考慮應力

硬化和熱軟化作用，Johnson-Cook材料模型可以較準確地描述剪切面的材料變形[24-25]。模型方程可表示為

式中： τ 為剪切應力；γ為剪切應變； 為參考剪切應變率； T 為工件的瞬時絕對溫度； T_r 為初始溫度； T_m 為材料的熔化溫度； A 為屈服強度； B 為硬化模量； C 為應變率敏感系數； n 為硬化指數； m 為熱軟化指數。

進一步，將主剪切面上的剪應力假定為均勻分布，剪切力 F_s 可表示為

式中： τ_s 為主剪切面上的剪應力； A 。為主剪切面的面積；

a 為切屑厚度； b 為切屑寬度。

法向剪切角 φ_n 可根據Merchant公式計算：

式中： β 為切削摩擦角。

由式（5）可以發(fā)現(xiàn)，第Ⅰ變形區(qū)的變形與第Ⅱ變形區(qū)的變形緊密相關，摩擦角的變化會直接影響到剪切角。當摩擦角增大時，剪切角減小，切削變形增大，因此，在切削加工中使用具有良好潤滑性能的切削液，以最大程度地減少切削接觸面上的摩擦，對減小切削力具有重要作用。

2摩擦磨損試驗設置

本文使用摩擦磨損試驗機（型號：HENGXUMMUD-5B）和兩種摩擦副開展不同納米碳球質量分數、不同壓力、不同速度下的摩擦磨損試驗，探究切削液的潤滑性能。

2.1 試驗材料

納米碳球切削液使用添加劑和水基切削液制備。添加劑的主要碳納米粒子為球形分子C60，純度為 99.8% ，質量分數為 0.1% 。切削液原液為巴索水基金屬切削液，牌號為Vasco7000。納米碳球切削液的制備分兩步完成。

1）添加劑與切削液原液混合。針對目標質量分數取定量的添加劑溶于切削液原液中，電磁攪拌 20min ，超聲分散 60min ，使添加劑與切削液原液充分混合。

2）切削液乳化。根據 1：19 的體積比將第一步得到的混合溶液加入蒸餾水中，電磁攪拌10min，然后超聲波分散 20min ，使切削液充分乳化。

制備得到納米碳球切削液后，使用動態(tài)光散射納米粒度儀（型號：HORIBASZ-100）測量納米碳球質量分數為 0.02% 的切削液的納米粒子粒徑分布，靜置1d和 10d 后的納米粒徑分布測量結果如表1所示。從檢測結果可知，切削液在靜置10d 后， 0～0.90nm 和 0～1.02nm 范圍內的納米粒子數量有所減少，但所有納米粒子的粒徑依然分布在 0～1.15nm 范圍內。這說明長時間的靜置不會使溶液中的納米粒子發(fā)生嚴重的團聚。

2.2 減摩對比試驗

減摩對比試驗使用銷盤摩擦副探究納米碳球切削液在不同摩擦試驗壓力和摩擦副滑動速度下的性能表現(xiàn)。其中，試驗銷為前述高強度航空齒輪鋼，硬度為 35HRC～38HRC ，銷直徑為 4mm ，下摩擦盤為鎢鋼硬質合金（材料牌號：YG6）?；瑒铀俣?摩擦因數試驗的試驗壓力為 80N ，壓力-摩擦因數試驗的摩擦副滑動速度為 502mm/s 。

2.3 磨損對比試驗

磨損對比試驗使用球盤摩擦副研究納米碳球切削液的降磨性能。其中摩擦球為軸承鋼材料（材料牌號： G（r15） ，硬度為56HRC，鋼球直徑為6.35mm ；下摩擦盤為硬質合金鋼材料YG6。試驗中摩擦磨損試驗機的摩擦速度為 502mm/s （主軸轉速： ，試驗壓力為 80N ，試驗時間為 30min 。每個納米碳球質量分數重復3次以上的耐磨試驗。試驗后，使用超聲波清洗機和酒精溶液清洗摩擦球，然后在光學顯微鏡下測量鋼球磨斑大小。

2.4摩擦副表面質量對比試驗

摩擦表面質量對比試驗的摩擦副為銷盤摩擦副，材料與減摩對比試驗相同。試驗壓力為80N，摩擦速度為 502mm/s ，每組的試驗時間為15min。試驗后，使用形狀測量激光顯微鏡觀察摩擦磨損試驗后的銷摩擦表面，計算摩擦表面的粗糙度。

3難加工齒輪鋼銑削試驗設置

銑削試驗平臺如圖2所示，由數控加工中心、切削力測量系統(tǒng)、切削液供給系統(tǒng)和刀具圖像采集系統(tǒng)組成。平臺可實現(xiàn)銑削力信號采集和切削刀具切削刃圖像的采集。試驗以側面順銑的方式逐層連續(xù)銑削齒輪鋼工件，獲取銑削過程中的切削力數據、切削表面質量數據和刀具磨損數據。試驗用刀具為硬質合金整體立銑刀，刃數為4，直徑為 8.0mm 。試驗工件為前述高強度航空齒輪鋼，材料性能參數如表2所示。試驗的切削工藝參數和切削液的納米碳球質量分數如表3所示。

4試驗結果與分析

4.1 摩擦磨損試驗結果分析

4.1.1 減摩特性分析

減摩對比試驗中納米碳球切削液作用下的摩擦因數與摩擦副滑動速度的關系如圖3所示。從試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，在相同滑動速度下，摩擦因數隨納米碳球質量分數的增大而減小，但減小幅度越來越小。相比于質量分數為 0.03%，0.04% 的摩擦因數平均僅減小了 2.9% 。這說明在摩擦接觸區(qū)，單位體積內的納米碳球粒子質量分數增大，有利于提高切削液的減摩性能。

試驗結果還顯示切削液的減摩效果隨滑動速度變化發(fā)生了變化， 600～1200mm/s 范圍內的摩擦因數減小幅度大于 0～600mm/s 和 1200～

2100mm/s 兩個速度范圍摩擦因數減小幅度。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，速度與摩擦因數的關系曲線呈現(xiàn)出Stribeck曲線[26-27]的特征。這表明隨著摩擦速度的增大，摩擦接觸面上的潤滑狀態(tài)發(fā)生了變化。當 v?600mm/s 時，摩擦因數變化較小，但數值較大 （μgt;0.1） ，可以判斷此時摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)，接觸面上有少量潤滑液，上下摩擦面上的微凸體能充分接觸。當 600mm/sv? 1600時，摩擦因數趨于平穩(wěn) （μlt;0.01） ，摩擦副處于流體動壓潤滑的狀態(tài)，此時摩擦接觸面完全被潤滑膜隔開。

減摩對比試驗中摩擦因數與試驗壓力的對應關系如圖4所示。

由圖4可以看出，在切削液作用下，銷盤摩擦副之間的摩擦因數隨接觸壓力的增大而增大。相比于基礎切削液，質量分數分別為 0.01% 、0.02%.0.03%.04% 的納米碳球切削液摩擦因數分別平均減小了 10.8%.20.0%.25.4% 和30.0% 。相比于基礎切削液，質量分數為 0.02% 的納米碳球切削液在最低 （0.8MPa） 和最高（6.4MPa 試驗壓力下的摩擦因數分別減小了 21.1% 和 20.0% 。這顯示試驗壓力增大不會減弱納米碳球粒子的減摩作用，也說明納米碳球粒子在試驗最高壓力下還能保持良好的分散性，不會發(fā)生嚴重團聚。

4.1.2 降磨特性分析

磨損對比試驗探究的是切削液對摩擦副磨損速率的影響。第一次減摩對比試驗中不同納米碳球質量分數切削液作用下的鋼球磨斑顯微圖見圖5。在顯微鏡下可以觀測到一個明顯的圓形磨斑，磨斑上有方向一致的磨痕。三次試驗的摩擦球平均半徑如表4所示。

試驗結果顯示，磨斑半徑隨納米碳球質量分數的增大而減小，這說明納米碳球粒子可使摩擦副之間的切削作用力減小，微凸體之間的擠壓、切削和耕犁作用變輕，從而使摩擦副的磨損速率減小。根據前述減摩對比試驗，磨損對比試驗參數下，摩擦副潤滑狀態(tài)以邊界潤滑為主，上下接觸面上的微凸體會發(fā)生相互擠壓和滑擦作用。試驗結果說明，納米碳球可以在邊界潤滑狀態(tài)下較好地發(fā)揮降磨作用。另外，磨斑半徑的減小趨勢與摩擦因數減小趨勢相同，說明切削液的減摩和降磨特性具有相關性。

對上述試驗結果作如下原因分析： ① 摩擦接觸面上潤滑膜中的納米碳球粒子減少了微凸體的直接接觸，從而使微凸體之間的擠壓、切削和耕犁作用減弱； ② 納米碳球的存在使摩擦接觸面上的潤滑膜吸附性增強，加強了對摩擦副表面的保護作用。

4.1.3 摩擦表面質量分析

表面質量對比試驗中，在摩擦表面選取多塊典型區(qū)域測量表面粗糙度，對應的表面粗糙度平均值如表5所示，其中， Sa 表示輪廓的算術平均偏差， Sz 表示輪廓的最大高度。可以發(fā)現(xiàn)，納米碳球質量分數越大，表面的粗糙度值越??；粗糙度的遞減幅度越來越小。相比于 w=0.03% ， w= 0.04% 納米碳球切削液作用下的摩擦面粗糙度幾乎沒有減小。

在激光顯微鏡下觀察對比試驗銷摩擦面的形貌特征，結果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)低質量分數（w=0，w=0.005%） 納米碳球切削液作用下的摩擦表面有少量燒灼斑點，如圖中橢圓形區(qū)域所示。

這說明試驗過程中，接觸面上的局部溫度較高，導致鋼球表面產生燒傷。同時，低質量分數納米碳球切削液作用下的摩擦表面有很多因材料剝落而形成的坑點，表面的溝壑比較深，如圖中的方形區(qū)域。這說明摩擦副之間的摩擦力較大，發(fā)生了比較嚴重的擠壓、耕犁和切削的現(xiàn)象。隨著納米碳球質量分數的提高，摩擦面上的摩擦劃痕越來越淺，表面越來越光滑，表面紋理也更加規(guī)整。摩擦表面的粗糙度測量值變化規(guī)律也驗證了上述觀點。這也說明納米碳球質量分數達到一定邊界值后，再提高質量分數對提高磨斑表面質量作用較小。從機理上分析，這主要是因為納米碳球質量分數增大使單位體積內的納米粒子數增多，從而增加了納米粒子發(fā)生相互碰撞和團聚的概率，發(fā)生團聚的納米粒子失去潤滑作用。

4.2 銑削試驗結果分析

當 f_m=150mm/min，n_m=1000r/min 時，不同徑向切深下的試驗銑削力如圖7所示，其中F_x 和 F_y 分別表示水平和豎直方向的切削力。由試驗結果可知，兩個方向的銑削力都隨徑向切深的增大而增大；取各次試驗的平均值，納米碳球質量分數為 0.02% 切削液相對于基礎切削液，水平和豎直方向的切削力分別減小了 11.2% 和13.8% 。

當徑向切深 a_e=0.5mm 時，不同進給速度下的試驗銑削力如圖8所示。由試驗結果可知，兩個方向的銑削力受進給速度的影響較大；質量分數為 0.02% 的切削液相對于基礎切削液，水平和豎直方向的切削力分別平均減小了 18.0% 和17.4% 。

試驗還使用粗糙度輪廓儀測量了不同工藝參數下的表面粗糙度，測量結果如表6所示。試驗結果顯示，納米碳球切削液對銑削加工也能起到減小切削表面粗糙度的作用。三種徑向切深下，相比于基礎切削液，納米碳球切削液作用下的粗糙度分別減小了 21.9%，18.7%，17.1% 。

在一定切削工藝參數（ f_m=250mm/min，a_e=0.8mm，a_p=5.0mm） （2下，刀具磨損試驗以順銑的方式逐層銑削方形工件（工件大?。?150mm×150mm） ，兩種質量分數（ τω=0 . τω=0.02% 切削液作用下的刀具側刃后刀面如圖9所示，其中， B_m 指后刀面平均磨損量。由試驗結果可知，在相同切削長度下，納米碳球切削液 （w=0.02%） 作用下刀刃上的微小崩刃較少，刀刃總體比較平整?；A切削液作用下刀刃上的微小崩刃較多，并隨著切削的進行個別缺口快速擴大，形成較大的刀刃缺口。從磨損值上看，隨著切削長度的增加，兩種切削液作用下的后刀面磨損量相差越來越大。當累積切削長度 l_m =45m 時，相比于基礎切削液，納米碳球切削液作用下的 B_m 值減小了 16.6% ；當 l_m=250m 時，B_m 值則減小了有 17.9% 。試驗結果說明納米碳球切削液有助于減小切削力，減緩刀具磨損，延長刀具使用壽命。

試驗銑削力、粗糙度減小和刀具磨損減少說明納米碳球切削液能夠在立銑刀側銑加工中發(fā)揮潤滑作用，減小刀-屑和刀-工接觸區(qū)的摩擦力。由式（5）可知，摩擦角 β 減小，會使剪切角 φ_n 增大，變形減小，從而導致切削力減小。這也說明納米碳球粒子可以通過吸附、滲透等方式進入到切削接觸區(qū)，減輕刀具與切屑和工件之間的擠壓、耕犁和切削作用，降低接觸面上的溫度。

4.3 納米碳球切削液的潤滑機理分析

摩擦磨損試驗和切削試驗表明，納米碳球切削液比基礎切削液具有更好的減摩潤滑性能，說明納米碳球粒子在摩擦區(qū)發(fā)揮了增強潤滑作用。當溶于切削液中的納米碳球粒子隨切削液一起進入到摩擦區(qū)時，納米碳球將成為潤滑膜的一部分。從潤滑膜的角度分析，切削液中的納米粒子會在摩擦表面沉積形成一層低剪切強度的薄膜[28-29]，有助于減小摩擦副之間的摩擦力。

從接觸面微觀接觸的角度看，摩擦接觸面的微觀表面由連續(xù)的尖峰和低谷構成，受摩擦作用，局部區(qū)域的材料微單元會受到強烈的擠壓、撕裂而產生彈塑性變形，使表面積增大。此時微凸體的表面自由能中包含了彈性能，表面張力在數值上不再等于表面自由能。對于摩擦接觸面，凹凸不平表面的自由能會隨不同區(qū)域的形態(tài)而改變。顯然，表面尖峰會因變形、摩擦作用等原因，所具有的表面自由能更大，從而更容易吸附納米粒子，表面平坦和低谷區(qū)域的分子受摩擦體固相約束更大，變形更小，表面自由能更小。因此，尖峰區(qū)域更容易被一層納米吸附膜覆蓋，而平坦區(qū)域或波谷附近的納米粒子密度較低，主要由切削液填充。

在摩擦副相互運動時，只有突起尖峰之間發(fā)生相互擠壓和滑擦作用，低谷處不發(fā)生摩擦接觸，在切削液滲透到的區(qū)域，低谷會被切削液填充，因此，可以判斷納米碳球粒子主要在產生相互接觸的尖峰區(qū)域發(fā)揮“微軸承\(zhòng)"的減摩作用。使用掃描電子顯微鏡觀察納米碳球切削液作用下的刀具切削接觸面微觀形貌，測量表面不同微區(qū)域的材料成分，試驗觀測到的微觀形貌和測量點如圖10所示。其中方框區(qū)域表示凸起的尖峰點位置，圓框區(qū)域表示低谷或平坦點位置。

尖峰點和低谷點的平均碳元素含量如表7所示。從觀測結果可知，微觀尖峰點上的碳元素質量分數比低谷和平坦點質量分數高出 23.41% ，碳原子數量百分數比低谷和平坦點高出 21.42% 。

這說明碳原子確實在摩擦接觸面上的尖峰點附近發(fā)生了聚集，形成了一層具有減摩作用的潤滑膜。

5結論

本文通過高強度航空齒輪鋼（15Cr14Co12-Mo5Ni2W）的摩擦磨損試驗和切削試驗探究了納米碳球切削液的潤滑性能，分析了納米碳球粒子在摩擦接觸面上的作用機理。研究結論如下：

1）切削液中納米碳球粒子的存在減少了微凸體的直接接觸，使微凸體之間的擠壓、切削和耕犁作用減弱。相比于基礎切削液，質量分數為0.02% 的納米碳球切削液作用下的摩擦因數減小幅度大于 20% ，摩擦副磨損量減小幅度大于10% 。試驗還發(fā)現(xiàn)，納米碳球質量分數的增大會增加納米粒子發(fā)生相互碰撞和團聚的概率，從而減小潤滑性能的提高幅度。相比于質量分數為0.03% 的納米碳球切削液， 0.04% 的納米碳球切削液摩擦因數平均僅減小了 2.9% 。

2）相比于基礎切削液，質量分數為 0.02% 的納米碳球切削液作用下的高強度齒輪鋼銑削力減小了 10% 以上，表面粗糙度減小了 15% 以上。銑削試驗還表明，納來碳球切削液還有助于減緩刀具磨損，延長刀具的使用壽命。

3）納米碳球粒子可以隨切削液一起滲透到摩擦接觸面上，且更容易吸附在表面自由能大的微尖峰區(qū)域，沉積形成一層低剪切強度的薄膜。試驗結果表明，凸起尖峰處的納米碳球粒子含量比低谷和平坦區(qū)域高 20% 以上。摩擦副運動時，尖峰區(qū)域的納米碳球粒子可以起到“微軸承”的作用。

參考文獻：

[1]CETIN M H，KESEN A，KORKMAZ S，et al. Performance Evaluation of the Nano-silver Added Vegetable-oil-based Cutting Fluid in Drilling Process [J]. Surface Topography-Metrology and Properties， 2020，8（2）：025029.

[2]SHARMA A K，TIWARI A K， DIXIT A R，et al. Novel Uses of Alumina/Graphene Hybrid Nanoparticle Additives for Improved Tribological Properties of Lubricant in Turning Operation[J]. Tribology International，2018，119：99-111.

[3]HEGAB H，UMER U，SOLIMAN M，et al. Effects of Nano-cutting Fluids on Tool Performance and Chip Morphology during Machining Inconel 718 [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，96（9/12）：3449-3458.

[4]關集俱，高超，徐正亞，等.多壁碳納米管/油酸復 合物納米流體車削GCr15鋼的性能研究[J].中國 機械工程，2022，33（18）：2205-2214. GUAN Jiju，GAO Chao，XU Zhengya，et al. Study on Turning Performance of GCrl5 Steels with Nanofluids Prepared by Composites of MWCNTs and Oleic Acid[J]. China Mechanical Engineering， 2022，33（18）：2205-2214.

[5］姚斌，何昱超，孫維方，等.石墨烯作為水基半合成 切削液添加劑的硬質合金-鋼材料摩擦學特性分析 [J].國防科技大學學報，2018，40（4）：142-150. YAO Bin，HE Yuchao，SUN Weifang，et al.Graphene as Beneficial Additive to Water Based Semisynthetic Cutting Fluid for Improving Friction Condition between Materials of Carbide and Steel[J]. Journal of National University of Defense Technology，2018，40（4）：142-150.

[6]LIX W，XU X W，ZHOU Y，et al. Insights into Friction Dependence of Carbon Nanoparticles as OilBased Lubricant Additive at Amorphous Carbon Interface[J].Carbon，2019，150：465-474.

[7]YAO Y L，WANG X M，GUO JJ，et al. Tribological Property of Onion-like Fullerenes as Lubricant Additive[J].Materials Letters，2008，62（15）： 2524-2527.

[8] PAN Z R，YAO B，CHEN B Q，et al. Cutting Force Model of Milling Titanium Alloy with C60 Nanofluid Minimum Quantity Lubrication[J]. Journal of Manufacturing Processes，2O23，105：295

[9]HEGAB H，UMERU，ESAWIA，et al.Tribological Mechanisms of Nano-cutting Fluid Minimum Quantity Lubrication：a Comparative Performance Analysis Model[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2020，108（9/ 10）：3133-3139.

[10]武路鵬.含納米石墨烯潤滑油的流變及摩擦學性 能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2020. WU Lupeng. Research on Rheological and Tribological Performance of Graphene-based Lubricants [D].Harbin：Harbin Institute of Technology， 2020.

[11] GAJRANI KK， SUVIN P S， KAILAS S V，et al. Machining of Hard Materials Using Textured Tool with Minimum Quantity Nano-green Cutting Fluid [J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2021，35：410-421.

[12] EWEN JP，GATTINONIC，THAKKAR F M， et al.Nonequilibrium Molecular Dynamics Investigation of the Reduction in Friction and Wear by Carbon Nanoparticles between Iron Surfaces [J]. Tribology Letters，2016，63（3）：38.

[13］關集俱，劉德利，王勇，等．MWCNTs復合物納 米流體的摩擦學性能［J]．摩擦學學報，2020，40 （3）：289-298. GUAN Jiju，LIU Deli，WANG Yong，et al. Tribological Properties of Nanofluid Preparedby Composite of Multi-walled Carbon Nanotube and Oleic Acid[J].Tribology，2020，40（3） ：289-298.

[14］王德祥，張宇，江京亮，等.離子液基和棕櫚油基 納米流體在鎳基高溫合金微量潤滑磨削界面的摩 擦學機理研究[J].機械工程學報，2023，60（19）： 159-171. WANG Dexiang， ZHANG Yu， JIANG Jingliang， et al. Tribological Mechanism on The Grinding Interface of Nickel-base Superalloy under Minimum Quantity Lubrication with Ionic Liquid and Palm Oil Based Nanofluids[J]. Journal of Mechanical Engineering，2023，60（19）：159-171.

[15］張宇，王德祥，郭峰，等.球形納米顆粒在鎳基合 金納米流體微量潤滑磨削界面摩擦學機制的分子 動力學研究[J].中國機械工程，2024，35（3）：445- 456. ZHANG Yu，WANG Dexiang，GUO Feng，et al. Molecular Dynamics Study on Tribological Mechanism of Spherical Nanoparticles on Nickel-based Alloy Grinding Interfaces under Namofluid MQL [J]. Journal of Mechanical Engineering，2O24，35 （3）：445-456.

[16]YUF，CHEN X P， XU HF，et al. Current Status of Metallurgical Quality and Fatigue Performance of Rolling Bearing Steel and Development Direction of High-end Bearing Steel[J].Acta Metallurgica Sinica，2020，56（4）：513-522.

[17]YU XF，SHEN X Y，WANG SS，et al. Effect of Quenching and Tempering Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of CSS-42L Bearing Steel[J]. Journal of Materials Engineering and Performance，2022，31（7）：5458-5466.

[18］葉君，孫浩，王春雷，等.錐齒輪的冷加工方法： CN201910937909.2[P]. 2020-09-29. YE Jun，SUNHao，WANG Chunlei，et al. Cold Working Method of Bevel Gear：CN201910937909. 2[P].2020-09-29.

[19]黃景山，劉國亮，孫浩，等.C60 納米粒子切削液 對15Crl4Co12Mo5Ni2WA齒輪鋼切削特性的影 響研究［J].機械工程學報，2023，59（23）：358- 371. HUANG Jingshan，LIU Guoliang，SUN Hao，et al.Effect of C6o Nanoparticle Cutting Fluid on Cutting Characteristics of 15Crl4Col2Mo5Ni2WA Gear Steel[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2023，59（23）：358-371.

[20]陳凱.CSS-42L合金鋼的磨削加工性研究[D].南 京：南京航空航天大學，2013. CHEN Kai. Grindability of CSS-42L Alloy[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013.

[21]YING S S，F(xiàn)UC T， ZHANG S Q，et al. Numerical and Experimental Investigations on Cutting Force of Broaching Internal Spline Holes[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，120（3/4）：2803-2814.

[22]李炳林.不銹鋼加工中切削力分析預測研究[D]. 武漢：華中科技大學，2012. LI Binglin. Research on Analytical Prediction of Cutting Forces in Stainless Steel Machining[D]. Wuhan：Huazhong University of Science amp; Technology，2012.

[23]康寧.TC4 鈦合金加工的銑削力建模及加工工藝 研究[D].沈陽：東北大學，2019. KANG Ning. Research on Milling Force Modeling and Manufacturing Process of TC4 Titanium Alloy [D]. Shenyang：Northeastern University，2019.

[24]ZHANG H，ZENG HH，YAN R，et al. Analytical Modeling of Cutting Forces Considering Material Softening Effect in Laser-assisted Milling of AerMetloo Steel[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2021，113（1/ 2）：247-260.

[25]NIJINJR，JAGADESH T.Numerical Simulation of the Influence of Tool Geometry on Energy Consumption during Micro Turning of Titanium Alloy [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part E—Journal of Process Mechanical Engineering，2022，236（4）：1411-1420.

[26] WOYDT M，WASCHE R. The History of the Stribeck Curveand Ball BearingSteels：the Role of Adolf Martens[J].Wear，2010，268（11/12）： 1542-1546.

[27] ZHANG HD，YOSHIMI T，F(xiàn)UKUZAWA K，et al.Is the Trend of Stribeck Curves Followed by Nano-lubrication with Molecularly Thin Liquid Lubricant Films？[J]. Tribology International， 2018，119：82-87.

[28] KONG L H，SUN JL，BAO YY. Preparation， Characterization and Tribological Mechanism of Nanofluids[J].RSC Advances，2017，7（21）： 12599-12609.

[29] KHANDEKARS，SANKARMR，AGNIHOTRI V，et al.Nano-cutting Fluid for Enhancement of Metal Cutting Performance [J]. Materials and Manufacturing Processes，2012，27（9） ：963-967.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：孫浩，男，1985年生，研究員級高級工程師。研究方向為航空軸類與精密齒輪制造。姚斌*（通信作者），男，1963年生，教授、博士研究生導師。研究方向為金屬切削機理及先進刀具設計、先進制造工藝及智能制造裝備技術、機床-工藝交互作用機理。E-mail：yaobin@xmu.edu.cn。

本文引用格式：

孫浩，藍啟鑫，姚斌，等.納米碳球切削液的潤滑性能及機理研究[J].中國機械工程，2025，36（4）：715-723.SUNHao，LANQixin，YAOBin，etal.StudyonLubricatingPerformances and Mechanism of Nano-carbon Balls Cutting Flu-ids[J].China MechanicalEngineering，2025，36（4）：715-723.