砂輪磨切中表面活化劑對(duì)超聲制備納米霧化液性能的影響

蒙 臻 崔 智 倪 敬 楊永豐

1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州，3100182.杭州電子科技大學(xué)浙江省船港機(jī)械裝備技術(shù)研究重點(diǎn)試驗(yàn)室，杭州，310018

0 引言

傳統(tǒng)砂輪切割工藝主要利用薄型砂輪對(duì)工件進(jìn)行切割加工[1]，現(xiàn)已被廣泛用于建筑、石油化工和機(jī)械冶金等領(lǐng)域。在磨切過(guò)程中，砂輪片和金屬工件的劇烈摩擦作用使大部分切屑以火星四濺的方式脫離工件，并產(chǎn)生大量的粉塵，這使得切割過(guò)程具有一定的危險(xiǎn)性并污染環(huán)境。切削液在提高工藝穩(wěn)定性、延長(zhǎng)砂輪使用壽命、提高工件質(zhì)量[2]等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，并能降低火星和粉塵的危害，但如乳化油類切削液的大量使用反而會(huì)危害操作人員的身體健康，還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境[3]。由此，在砂輪切割領(lǐng)域，選擇合理的綠色切削方式，以替代傳統(tǒng)乳化油類切削液，顯得尤為重要。

綠色切削方式主要有微量潤(rùn)滑(minimal quantity lubrication, MQL)技術(shù)和綠色切削液等。GODLEVSKI等提出，微量切削液以霧滴的形式抵達(dá)前刀面-切屑和后刀面-已加工表面間的楔形區(qū)，然后通過(guò)大量的毛細(xì)管滲透進(jìn)入變形區(qū)，起到潤(rùn)滑的作用[4]；DHAR等[5]將MQL技術(shù)直接運(yùn)用于砂輪磨削，相比于干式磨削，可減小5%～15%的磨削力，同時(shí)，刀具的使用壽命也得以延長(zhǎng)；張修銘等[6]則更深入地分析了MQL參數(shù)對(duì)磨削加工性能的影響；陳少峰等[7]、ZHANG等[8]、GUO等[9]重點(diǎn)研究了植物性基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑性能；張悅等[10]認(rèn)為經(jīng)過(guò)超聲波處理之后的切削液粒子直徑減小，有利于切削液進(jìn)入刀屑間“毛細(xì)管”深處，形成潤(rùn)滑膜，加強(qiáng)切削液在切削過(guò)程中的冷卻作用。適用于砂輪磨切機(jī)的MQL技術(shù)相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)，但上述文獻(xiàn)中所提及的油基切削液，在砂輪切割機(jī)高速、高溫的切割環(huán)境下容易產(chǎn)生煙霧、易著火。目前,綠色切削應(yīng)用研究集中于磨削和車削等領(lǐng)域，主要分析綠色切削方式對(duì)加工質(zhì)量的影響，而對(duì)提升磨切性能方面的研究還相對(duì)較少。選擇合適的綠色切削液成為了綠色磨切工藝應(yīng)用研究的前提條件。

本課題組在相關(guān)應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，高水基切削液有著更好的冷卻性能和清洗效果，且不含氯、芳香烴、亞硝酸鈉等有害成分，其相對(duì)較為遜色的潤(rùn)滑性能也可通過(guò)添加石墨烯等納米材料進(jìn)行改善，但石墨烯納米粒子的高表面能使得納米粒子容易凝聚而難以分散在基礎(chǔ)液體中，需添加少量表面活性劑來(lái)克服這一問(wèn)題[11]。蔣淦相等[12]將乳化劑及其他添加劑加入油和水中，制得的切削液具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性以及均勻的粒徑分布。研制適用于砂輪磨切領(lǐng)域的綠色切削液需重點(diǎn)考慮表面活化劑對(duì)高水基納米切削液性能的影響。

本文采用超聲攪拌的方法，將高水基溶液，表面活化劑和石墨烯顆粒振蕩成均勻的體系，制備出新型高水基納米添加劑切削液。通過(guò)霧化液直噴式微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，分別在干式、高水基溶液、水基溶液+活化劑等潤(rùn)滑條件下，開展了切割試驗(yàn)研究。

1 納米切削液霧化磨切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本文采用微米級(jí)數(shù)控自動(dòng)進(jìn)給砂輪磨切機(jī)，搭建圖1所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由砂輪切割機(jī)、超聲波發(fā)生器、數(shù)顯噴霧泵以及三向力傳感器等組成。霧化噴嘴安裝方式見圖2。砂輪切割過(guò)程中的切割力數(shù)據(jù)由三向力傳感器實(shí)時(shí)采集，其采樣精度為0.1%，量程為±1 kN；該傳感器將采樣信號(hào)輸出至INV3018CT采集儀，通過(guò)CIONV DASP V10版頻譜分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采樣頻率為1 kHz。

圖1 砂輪磨切試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 The test system of cutting-grinding

圖2 噴射裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of spraying

圖1所示的試驗(yàn)系統(tǒng)所用儀器設(shè)備的型號(hào)及具體參數(shù)如下：

(1)砂輪切割機(jī)主體部分為旭威J3G-400A型材切割機(jī)。它的主電機(jī)功率為3 kW，砂輪片直徑為400 mm，夾鉗角度為0°～45°，空載轉(zhuǎn)速為2 800 r/min；其中，微米級(jí)進(jìn)給精度采用Siemens 編程軟件控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓桿實(shí)現(xiàn)。

(2)水霧直噴系統(tǒng)主要由氣泵和數(shù)顯噴霧泵組成。數(shù)顯噴霧泵為永盛TZ-2232-ASPP數(shù)顯噴霧泵。使用氣壓為500～700 kPa(5～7 kgf/cm3)，適用液體黏度為0～68 mm2/s(0～68 cst)，噴射量為270 mm3/s(16 mL/min)。該系統(tǒng)通過(guò)安裝支架固定于砂輪片與工件切割區(qū)域上方，噴霧口直接對(duì)準(zhǔn)砂輪片與工件接觸的區(qū)域。

(3)切割力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工件夾具、三向力傳感器、Kistler?5679A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(采樣精度為10 bit，最高采樣頻率為5 kHz)以及Dynoware軟件組成。其中，工件夾具安裝在三向力傳感器上，并固定于切割機(jī)工作臺(tái)。

低鈉血癥是指血鈉濃度<135 mmol/L，并引發(fā)一系列臨床癥狀的疾病[1]。正常情況下，機(jī)體內(nèi)鈉離子的攝入與排出處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。隨著年齡增加，調(diào)節(jié)水鈉平衡機(jī)制的衰退，以及感染、心腦血管疾病、缺氧等多種因素導(dǎo)致老年患者經(jīng)常出現(xiàn)低鈉血癥。低鈉血癥常缺乏特異性臨床表現(xiàn)，易被誤診漏診，預(yù)后不良。近年來(lái)對(duì)低鈉血癥機(jī)制等研究逐漸完善。現(xiàn)主要從病因、診斷等方面對(duì)低鈉血癥的診治進(jìn)展予以綜述。

(4)超聲分散(ultrasonic dispersion, UD)裝置采用Rinco-ultrasonics C20-10超聲波發(fā)生器。

(5)試驗(yàn)使用的砂輪片型號(hào)為A|F30Q4BF，其中，磨料材料為棕剛玉，粒度為30目，硬度為中硬，磨粒占砂輪體積在54%～58%之間，結(jié)合劑為增強(qiáng)型樹脂。砂輪片具體尺寸：直徑400 mm、厚度3.2 mm。所切割的工件為直徑為45 mm的圓棒，材料為45鋼。

1.2 切削液的配制方案

(1)切削液成分和用量的選擇。本文用到的切削液以水為主劑，并在其中添加微量的表面活化劑：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(RO(CH2CH2O)n-SO3Na)陰離子表面活化劑(AES)和石墨烯(GR)。選用上述活化劑的原因在于其碳鏈長(zhǎng)度對(duì)降低表面張力的效果最好，潤(rùn)濕性也較好[13]。基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6144—2010和經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性的綜合考量，切削液配置方案如表1所示，配置完成后的切削液如圖3所示。

表1 切削液配制方法

圖3 超聲制備切削液Fig.3 The ultrasonic preparation of cutting fluid

(2)未經(jīng)超聲分散的切削液放置12 h后便會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，經(jīng)超聲分散配制完成后的切削液能夠保持20 d以上不出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象。此外，水經(jīng)過(guò)超聲波處理后會(huì)生成微量的H2O2[10]。 H2O2具有較強(qiáng)的氧化性，在切割過(guò)程中極易與切割金屬發(fā)生氧化反應(yīng)生成金屬氧化物，將切屑和刀具之間的內(nèi)摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)化為具有氧化膜的機(jī)械摩擦狀態(tài)，從而減小了刀屑間的摩擦力[10]。超聲的空化作用也使得表面活化劑和石墨烯分散得更均勻，不易“團(tuán)簇”。超聲制備切削液的性能與合成切削液的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)性能的對(duì)比見表2，從其外觀、透明度和pH值可知，本文所配制的切削液符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6144—2010。

表2 超聲制備后切削液的性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案

實(shí)際上，磨切性能最重要的指標(biāo)就在于磨粒破碎體積與材料去除量的“置換率”，從能量耗散的角度來(lái)看，主磨切力是上述指標(biāo)最直觀的體現(xiàn)。為了分析活化劑對(duì)霧化磨切液性能的影響，本文對(duì)比研究不同霧化液下的主切割力特性。試驗(yàn)中，分別設(shè)置了干磨切(dry cut-off，DCO)，以及水基霧化液(water-base atomization，WBA)、添加2.5%表面活化劑的水基霧化液(surfactant additive, SA-WBA)、添加0.5%石墨烯的水基霧化液(graphene additive, GR-WBA)和在添加活化劑基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加0.5%石墨烯的水基霧化液(GRSA-WBA)5種潤(rùn)滑條件的磨切試驗(yàn)。在各潤(rùn)滑條件下完全切斷工件20次，共計(jì)100次，其中每切割5次更換一次砂輪片。磨切試驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

2 霧化磨切試驗(yàn)結(jié)果

在各潤(rùn)滑條件下測(cè)得20組切割力數(shù)據(jù)，取其中切割力變化最為顯著的階段(0～5 s)，分別疊加并平滑處理，結(jié)果如圖4和圖5所示。其中，沿豎直進(jìn)給方向的分力稱為徑向力Fn，沿水平垂直于進(jìn)給方向的分力稱為切向力Ft。

圖4 不同潤(rùn)滑條件下切向切割力Fig.4 The tangential cutting force under different lubrication condition

圖5 不同潤(rùn)滑條件下徑向切割力Fig.5 The radial cutting force under different lubrication condition

如圖4和圖5所示，隨著時(shí)間的增加，切割力曲線都呈現(xiàn)出緩慢上升—迅速上升—緩慢上升的S形變化過(guò)程，這主要與砂輪片和工件的接觸角有關(guān)。相比于干磨切，各霧化液作用下的切向力Ft和徑向力Fn都不同程度地呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。特別是在剛切入工件時(shí)，DCO作用下的切割力曲線迅速上升，而其他潤(rùn)滑條件作用下的切割力曲線變化相對(duì)較為平緩。

對(duì)比WBA和SA-WBA潤(rùn)滑條件下的切割力曲線，無(wú)論是切向還是徑向切割力都明顯地減小，這說(shuō)明活化劑在降低切割力均值、抑制切割力突變方面具有較明顯的效果；對(duì)比GR-WBA和GRSA-WBA潤(rùn)滑條件下的切割力曲線，雖然也有所降低，但下降幅度較小，特別是在某些時(shí)刻，添加活化劑的霧化液反而使切向切割力增大了。

表4 切割力均值(0～5 s)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 活化劑對(duì)霧化磨切液潤(rùn)濕性的影響

4種不同霧化液(WBA、SA-WBA、GR-WBA、GRSA-WBA)液滴在砂輪片上的保持狀態(tài)如圖6所示(由KEYENCE VW-9000高速顯微攝像系統(tǒng)所攝)，可以發(fā)現(xiàn)活化劑作用下液滴潤(rùn)濕角θ明顯減小。相比WBA，SA-WBA液滴的潤(rùn)濕角減小了22.2%；相比GR-WBA，GRSA-WBA液滴的潤(rùn)濕角則減少了24.9%。根據(jù)楊淑燕等[14]的研究：潤(rùn)濕角越小，界面黏附功越大，而固液界面結(jié)合能力也越強(qiáng)，潤(rùn)濕性越強(qiáng)。由此，添加表面活化劑可大幅提升霧化液的潤(rùn)濕性能。

(a)WBA (b)SA-WBA

(c)GR-WBA (d)GRSA-WBA圖6 不同霧化液滴在砂輪片上的潤(rùn)濕角Fig.6 The wetting angle of different droplets on the grinding wheel

表面活化劑改變霧化液液滴潤(rùn)濕角的主要原因在于減小了液滴的表面張力。實(shí)際上在GRSA-WBA中，表面活化劑使得石墨烯分散地更均勻和穩(wěn)定，同時(shí)由于石墨烯的表面能較大，故GRSA-WBA液滴的表面能也較大。此外，GRSA-WBA液滴形成的膜厚也較大，固液潤(rùn)濕性相比其他兩種霧化液更強(qiáng)[3]。經(jīng)超聲攪拌后，空化作用和能量傳遞效應(yīng)使得霧化液具有更大的表面能，從而還可有效減小砂輪片表面液滴的潤(rùn)濕角，因此在不削弱霧化液冷卻性能的前提下，有效提升了潤(rùn)濕性。

此外，本文所采用的活化劑是陰離子活化劑，在固液界面上具有較強(qiáng)的吸附作用，這使得磨粒與工件接觸時(shí)，霧化液與兩表面接觸處的濃度更大，也更容易形成潤(rùn)滑膜。

3.2 活化劑對(duì)霧化磨切液分散性的影響

分別測(cè)定室溫下3種霧化液的整體溶液密度和表層溶液密度，結(jié)果如表5所示。由表5可知，活化劑分子的吸附作用使得SA-WBA的表層密度比整體密度高約1%；石墨烯顆粒分散不均，使得GR-WBA的表層密度比整體密度高約5.3%；通過(guò)添加活化劑，將石墨烯顆粒分散地更加均勻，使得GRSA-WBA的表層密度比整體密度僅高約2.9%。

表5 霧化液密度

霧化磨切液的分散特性主要是指石墨烯顆粒在整體溶液中的分布特性，其分散不均將導(dǎo)致GR-WBA作用結(jié)果實(shí)質(zhì)上與SA-WBA相近，這也可從圖4和圖5所示的切割力數(shù)據(jù)中看出來(lái)。添加了活化劑后，雖然有少許活化劑分子由于吸附特性會(huì)覆蓋在溶液表面，但大多數(shù)活化劑分子可以包裹住石墨烯顆粒，使其穩(wěn)定懸浮在溶液中。當(dāng)石墨烯顆粒能夠均勻噴射至磨粒上時(shí)，一方面有效提升了磨粒的銳度；另一方面也改善了磨粒與材料之間的摩擦特性。由此，添加表面活化劑可有效改善石墨烯顆粒的分布特性，提高霧化磨切液的穩(wěn)定性。

3.3 活化劑對(duì)磨切力頻譜特性的影響

分別對(duì)不同潤(rùn)滑條件下的切向切割力Ft進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖7所示。

(a)干磨切(f0=35.25 Hz) (b)水基霧化液(f0=35.44 Hz)(c)添加活化劑的霧化液(f0=35.30 Hz)

(d)添加石墨烯的霧化液(f0=35.05 Hz) (e)添加石墨烯和活化劑(f0=35.31 Hz)圖7 切向切割力頻譜圖Fig.7 The spectrum of radial cutting force

如圖7所示，無(wú)論何種潤(rùn)滑條件，切向切割力Ft主要在35.3 Hz(砂輪片切割轉(zhuǎn)速)附近及其倍頻處出現(xiàn)較大峰值，說(shuō)明切割系統(tǒng)整體較為穩(wěn)定。但相比于DCO，4種霧化液潤(rùn)滑條件下的Ft幅值都有不同程度地減小，這說(shuō)明霧化液有效改善了切割性能。對(duì)比WBA和SA-WBA的作用效果可以發(fā)現(xiàn)，SA-WBA作用下的Ft峰值進(jìn)一步減小，而且能量更為集中，這說(shuō)明表面活化劑進(jìn)一步改善了切割性能，而且使切割系統(tǒng)更為穩(wěn)定；對(duì)比GR-WBA和GRSA-WBA的作用效果可以發(fā)現(xiàn)，GR-WBA作用下出現(xiàn)了非轉(zhuǎn)速頻率的倍頻(1.4f0和3.6f0)，這是由于石墨烯顆粒表面能較大，當(dāng)分散不均時(shí)，很容易聚集成團(tuán)并覆蓋在磨粒表面上，從而一定程度上影響了磨粒出刃高度的分布特性。當(dāng)加入表面活化劑后，GRSA-WBA作用下可以發(fā)現(xiàn)能量更為集中，且分布特性與SA-WBA作用類似，這說(shuō)明添加表面活化劑，使石墨烯顆粒均勻分散后，可以進(jìn)一步改善切割性能。

4 結(jié)論

(1)本文在高水基溶液中添加2.5%表面活化劑和0.5%石墨烯顆粒，經(jīng)超聲制備出適用于砂輪磨切工藝的霧化切削液。通過(guò)磨切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于干磨切，在活化劑影響下，所制備的切削液在磨切的初始階段可減小64.2%的徑向切割力和60.4%的切向切割力，有效提升了砂輪磨切效率。

(2)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，添加了表面活化劑后，最大可以減小24.9%的霧化液液滴潤(rùn)濕角，有效提升了霧化液的潤(rùn)滑性能；此外，還使得石墨烯顆粒在溶液中分散地更加均勻，從而提高了霧化液的穩(wěn)定性。

(3)對(duì)切向力時(shí)域數(shù)據(jù)作頻譜分析發(fā)現(xiàn)，添加的表面活化劑進(jìn)一步改善了磨粒的切割性能，使得切割系統(tǒng)更為穩(wěn)定。