水基混合納米流體對內冷卻磨削性能的影響

彭銳濤 彭 興 童佳威 趙林峰 陳美良 賀湘波

湘潭大學機械工程學院，湘潭，411105

0 引言

磨削是生產中重要的加工工藝之一，大多數零件的最終加工質量是通過磨削工藝來保證的[1-2]。在磨削過程中消耗的能量大部分都轉化為熱量，若冷卻不足，則熱量極易在加工區聚集，從而嚴重影響加工質量。在實際加工生產中，通常采取外部噴射磨削液的方法來改善磨削區域的冷卻與潤滑條件，進而提高加工質量[3-4]。然而，傳統的油基磨削液成分多以礦物油為主，其潤滑性能好，但換熱能力差，且難降解[5]，同時，傳統磨削液中所包含的化學添加劑不僅污染環境，而且對工人健康也有危害，因此，尋找一種高效環保的磨削液以實現更好的磨削性能具有重要意義。

水基磨削液因其具有較好的換熱能力而有很大的發展潛力，但其潤滑性能差，加工表面完整性難以保證[6]。據報道[7]，在基液之中添加納米顆粒能進一步增強基液的換熱能力以及改善其潤滑性能，且對環境無害。BAI等[8]配制了水基氧化石墨烯(GO)納米流體，研究結果表明，添加的GO納米顆粒提高了基液的對流傳熱系數，使摩擦因數減小了71%。LYU等[9]提出了一種水基GO/SiO2混合納米流體微量潤滑(MQL)技術，研究其摩擦學和機械加工特性，發現相比于單一納米流體，GO/SiO2混合納米流體能夠顯著減小摩擦因數和減少磨損痕跡，加工性能也得到了改善。SHARMA等[10]將多壁碳納米管(MWCNTs)與Al納米顆粒配制成三種不同體積分數的切削液(0.25%、0.75%和1.2%)，對其摩擦學特性和接觸角進行了測試并研究了在微量潤滑條件下車削AISI 304不銹鋼的性能，研究結果表明，隨著體積分數的增大，切削液的潤滑性能逐步優異；相比于單一Al納米流體，混合納米流體的刀具后刀面磨損和節點溫度分別降低了11%和27.36%。但是，納米顆粒在基液之中極易發生團聚，通常需要添加表面活性劑來提高納米流體的分散穩定性[11]，此外，表面活性劑在高溫下的穩定性差[12]，因此，亟需一種穩定、高效的分散劑以實現納米顆粒的穩定懸浮。離子液體(ILs)因其在高溫下的穩定性很好而得到了人們的廣泛關注[13-14]，且它具有較好的兼容性。據報道[15]，離子液體還能提高基液中其他添加劑的臨界膠束濃度，故將其他表面活性劑與離子液體組成復合添加劑能夠獲得具有高溫穩定性的混合納米流體。

從磨削工藝上來看，盡管通過添加納米顆粒能夠最大限度地改善磨削區冷卻與潤滑條件，但由于磨削過程中氣障效應[16]的存在，磨削液的滲透效率仍難以得到保證。內冷卻技術[17-18]通過對刀具結構進行改進，使得磨削液能夠通過砂輪內部流道直接對磨削區進行沖刷，極大地提高了磨削液的利用率，這對快速降低磨削區溫度有很大的幫助。LI等[19]開發了一種自吸式內冷卻砂輪，研究發現與傳統磨削相比，它可以將磨削表面溫度降低30%以上，磨削效率提高一倍。本課題組[20]提出了一種加壓內冷卻方法，研究結果表明，該方法能夠顯著提高換熱效率以及改善磨削性能。

本文將去離子水作為基液，選擇高導熱的多壁碳納米管(MWCNTs)和潤滑性能優異的二硫化鉬(MoS2)納米顆粒，并選用綠色環保的離子液體(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，[EMIm]BF4)和阿拉伯樹膠(GA)來改善納米顆粒在基液之中的分散穩定性，制備成環境友好型的水基ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體。將所制備的混合納米流體應用到鎳基合金GH4169加壓內冷卻磨削工藝中，探究了混合納米流體在內冷卻條件下對鎳基合金磨削溫度和工件表面完整性的影響，并進一步分析了混合納米流體在磨削區的冷卻潤滑機理。

1 磨削液的制備與表征

1.1 磨削液的制備

本研究采用兩步法[21]制備了不同配比的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統磨削液，其中[EMIm]BF4的質量分數為0.3%， GA的質量分數為1%，MWCNTs與MoS2的質量分數之和為0.3%(MWCNTs與MoS2之間的質量比分別為1∶1、1∶2、1∶3和2∶1)，傳統磨削液采用質量分數為5%的水基半合成切削液(Super-Lu B700)。為了改善MWCNTs在水中的分散性能，首先利用[EMIm]BF4對MWCNTs進行非共價改性，通過π-π作用[22]使[EMIm]BF4吸附在MWCNTs上，再與MoS2混合并添加GA，經磁力攪拌30 min和50oC的恒溫水浴超聲振蕩分散60 min(超聲頻率為40 kHz，功率為180 W)，最終獲得了穩定分散的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體。

1.2 ILs-MWCNTs拉曼表征

純MWCNTs拉曼譜圖中存在兩個較強的峰值，一個為反映MWCNTs無序度和缺陷的D峰(位于1340 cm-1附近)；另一個為反映MWCNTs有序度的G峰(位于1569 cm-1附近)，如圖1所示。其中，兩個峰相對強度的比值ID/IG可表明MWCNTs的無序和缺陷的程度，且該比值越大，MWCNTs的無序和缺陷程度越高。由圖1可知，通過[EMIm]BF4改性后的ID/IG比值顯著增大，這說明添加[EMIm]BF4后，MWCNTs的無序和缺陷程度有所提高。這是因為在超聲波的空化作用和攪拌作用下，[EMIm]BF4和MWCNTs之間形成了π-π作用[23]，使得[EMIm]BF4吸附在MWCNTs表面上，如圖2所示。通過此種非共價改性方式得到的MWCNTs有益于降低MWCNTs的表面能，且[EMIm]BF4呈現出親水特性，以及[EMIm]BF4的空間位阻效應能夠提高[EMIm]BF4和MWCNTs在基液之中的分散性。

圖1 添加[EMIm]BF4前后MWCNTs的拉曼圖譜Fig.1 Raman spectra of MWCNTs before and after [EMIm]BF4 addition

圖2 物理協同強化作用示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical synergistic strengthening effect

1.3 磨削液的摩擦學特性

將上述制備的四組ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統磨削液作為潤滑介質。采用HRS-2M型高速往復摩擦試驗機測定磨削液的摩擦因數。具體試驗條件如下：鋼球材料為GCr15軸承鋼、直徑為6 mm；試樣材料為高溫合金GH4169、尺寸為20 mm×20 mm×10 mm、表面硬度為35～40HRC；試驗溫度為室溫，載荷為90 N，轉速為600 mm/min，時間為30 min。

圖3給出了不同配比混合納米流體的平均摩擦因數，可以看出，與傳統磨削液相比，不同配比混合納米流體的平均摩擦因數較小，當MWCNTs/MoS2的質量比為1∶2時平均摩擦因數最小(0.085)，降幅為22%。這說明添加的納米顆粒能有效改善潤滑性能，并且MWCNTs與MoS2之間的配比對其減摩效果有一定的影響。這主要是因為當MWCNTs占比過高時，其本身的硬度較高且長徑比大，在摩擦過程中可能會破壞潤滑介質所形成潤滑薄膜，進而導致摩擦因數增大[24]；其次，MWCNTs的分子量遠大于MoS2的分子量，易發生團聚從而導致發生沉淀，減弱了其減摩效果。同時，團聚的顆粒會在摩擦所形成的高溫高壓條件下與磨屑形成磨粒，進而造成三體摩擦，這將不利于潤滑[25]。但當MoS2占比過高時，兩種顆粒的協同潤滑效果難以發揮[26]。而當MWCNTs/MoS2的配比為1∶2時，[EMIm]BF4、管狀的MWCNTs及層狀的MoS2三者之間的物理協同強化作用[27]達到最佳(圖3)。在物理協同強化作用下，納米顆粒都表現出優異的潤滑性能，提高了基液的摩擦學性能，將接觸形式由滑動摩擦轉換為滾動摩擦，促使摩擦因數降低，從而表現出最佳的減摩效果。

圖3 不同配比混合納米流體的平均摩擦因數Fig.3 Average friction coefficient of hybrid nanofluids with different proportions

1.4 磨削液的潤濕性能

液體的接觸角大小影響其在表面的鋪展面積，進而會對其換熱和潤滑性能產生影響，因此，接觸角越小，混合納米流體的潤滑效果越優，冷卻性能發揮更加充分。為了探究混合納米流體的不同配比方式對接觸角的變化情況，采用接觸角測量儀250-F1對上述幾組磨削液進行接觸角的測量，基底材料為GH4169。將每個樣品滴在工件表面的5個不同位置并分別測量其接觸角，再取其平均值，如圖4所示，可以看出，添加納米顆粒的混合納米流體接觸角相比于傳統磨削液的接觸角減小了5.87%～13.21%，當混合納米流體的配比為1∶2時接觸角最小。結合摩擦學試驗結果可知，當配比為1∶2時，磨削液的表面鋪展面積最大，有益于在摩擦過程中更好地滲透至摩擦接觸區域中，能夠發揮出最佳的潤滑效果。

圖4 不同配比混合納米流體的接觸角Fig.4 Contact angle of hybrid nanofluids with different proportions

1.5 磨削液的熱物性

磨削液的熱導率和黏度分別會影響磨削液在磨削區的換熱性能和成膜能力，為此，分別采用熱常數分析儀(Hot Disk TPS 2500S，瑞典)和旋轉黏度計(Brookfield DV-Ⅱ+Pro美國)測量了摩擦學和潤濕性能表現最佳(MWCNTs/MoS2質量比為1∶2)的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統磨削液在常溫下的熱導率和黏度，其結果如表1所示，可以看出，混合納米流體的熱導率和黏度均顯著高于傳統磨削液的熱導率和黏度，這表明混合納米流體的換熱性能和成膜能力均優于傳統磨削液。

表1 磨削液的熱物性

2 磨削試驗

2.1 試驗條件

基于上述試驗結果，將換熱與潤滑性能表現最佳(MWCNTs/MoS2質量比為1∶2)的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體作為磨削液，以傳統磨削液為對照組。采用粒度為80目的立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)磨粒，將其電鍍在加壓內冷卻砂輪[18]的磨粒環上，磨粒族為葉序排布(葉序系數為2，磨粒族直徑為2 mm)。砂輪直徑為110 mm， 砂輪高度為78 mm，流道直徑為2 mm，磨粒環寬度為10 mm。如圖5所示，磨削液經外部加壓進入砂輪，再經內流道直接噴射至磨料區。工件材料為GH4169，尺寸為80 mm×20 mm×10 mm。為了方便預埋熱電偶，在工件非加工面的中心線上加工三個等距φ1.5 mm的盲孔，孔深為9.5 mm。

圖5 內冷砂輪磨削示意圖Fig.5 Schematic diagram of internal cooling grinding wheel grinding

磨削試驗在寶雞機床集團VMC650加工中心上進行，該機床主要技術參數包括：最高轉速8000 r/min，主軸功率7.5 kW。磨削工作系統如圖6所示，包括工作臺、供液系統和測溫系統。磨削液在液壓泵加壓后經外轉內刀柄流入砂輪，采用APSM 75 AE自吸泵對磨削液加壓輸送，通過調壓閥和自吸泵進行壓力調節。

(a) 磨削試驗系統示意圖

基于半人工熱電偶法對磨削GH4169時的工件表面溫度進行檢測，如圖7所示。試驗完成后，采用掃描電子顯微鏡(HITACHI SU1510，日本)和超景深三維顯微鏡(VHX-2000C，日本KEYENCE)對工件表面的形貌進行檢測。采用粗糙度儀(MahrMarSurf PS10，德國)測量工件的表面粗糙度，采用顯微硬度計(Micro-586，上海)和單晶應力檢測儀(PROTO LXRD，加拿大)分別對工件表面的顯微硬度和殘余應力進行測試，每塊工件檢測5次，結果取其平均值。

圖7 工作平臺Fig.7 Working platform

2.2 試驗方案

使用ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統磨削液進行磨削試驗，在每組試驗中都使用新的磨料環和工件。磨削參數如表2所示。

表2 磨削參數

3 試驗結果與分析

3.1 磨削溫度

圖8所示為混合納米流體和傳統磨削液對磨削溫度的影響，可以看出，磨削溫度都隨供液壓力的增大而減小。這是因為供液壓力的增大提升了磨削區的有效流量和換熱效果；另一方面，增大供液壓力后磨削液沖刷效果更加明顯，抑制了因磨屑造成的砂輪堵塞而產生的工件摩擦效應，進而降低了磨削溫度。在相同磨削液壓力下，混合納米流體獲得的磨削溫度比傳統磨削液的磨削溫度低。當供液壓力為1MPa時，與傳統磨削液相比，混合納米流體得到的磨削溫度降低了8.1%。這是由于混合納米流體中添加的多種納米粒子具有良好的物理協同作用，使得基液的潤滑和換熱性能得到提升，這不僅有效地減小了磨粒與工件之間的摩擦力，減少了磨削熱的產生，同時帶走了更多的熱量，因此，混合納米流體可以得到更低的磨削溫度。

圖8 冷卻介質對磨削溫度的影響Fig.8 Effect of cooling medium on grinding temperature

3.2 工件表面粗糙度

圖9所示為不同供液壓力下傳統磨削液與混合納米流體所得到的表面粗糙度，可以看出，兩者的表面粗糙度均隨供液壓力的增大而減小。這是因為提高供液壓力可以改善沖刷效果，降低磨屑黏結對工件表面的負面影響。當供液壓力為1 MPa時，混合納米流體的表面粗糙度比傳統磨削液的表面粗糙度減小了21.4%。這是因為傳統磨削液的潤滑效果較差，僅靠自身的潤滑性能不能起到良好的潤滑作用。而混合納米流體具有出色的潤滑性能，在磨削過程中能夠起到減摩的作用，從而減小了磨削力，降低了犁耕效果，因此，在混合納米流體條件下可獲得更小的表面粗糙度。

圖9 冷卻介質對表面粗糙度的影響Fig.9 Effect of cooling medium on surface roughness

3.3 工件表面形貌

通過對工件表面形貌進行分析能較為直觀地表征兩種介質的磨削性能。圖10所示為不同供液壓力下傳統磨削液與混合納米流體所獲得的工件表面形貌。由圖10可知，供液壓力較低時，工件的表面出現了較深的加工紋路，犁溝十分明顯，這是因材料黏結現象而導致其局部產生了凹坑。但隨著供液壓力的增大，工件表面得到了較好的改善，犁溝逐漸變淺、更為光滑規整，材料的黏結現象減弱。這說明提高供液壓力能有效地防止因磨屑黏結而造成的工件表面缺陷，有利于提高加工性能。對比圖中在同一供液壓力時不同冷卻潤滑條件下觀測到的加工表面形貌可以發現，混合納米流體獲得的表面形貌更加規整。這說明混合納米流體有助于改善磨削區潤滑條件，提高表面質量。

(a) 傳統磨削液(p=0.2 MPa) (b) 混合納米流體(p=0.2 MPa)

圖11為供液壓力為1 MPa時兩種冷卻介質的3D形貌圖，可以看出，傳統磨削液條件下，輪廓波動值為11.38 μm，而在混合納米流體的磨削條件下，輪廓波動值減小到了8.433 μm。這是因為磨削液在磨削區的作用機理為邊界潤滑，潤滑效果主要取決于潤滑膜，相比于傳統磨削液，混合納米流體在磨削區更容易形成潤滑膜，從而避免了磨粒與工件之間的直接接觸，納米粒子的存在提高了潤滑膜的承載能力；另一方面，在離子液體與納米粒子之間的物理協同強化作用下，混合納米流體表現出了優異的潤滑性能，可以有效地減小晶粒與工件之間的附著力，并減小加工表面的輪廓波動值[28]。由此可知，在混合納米流體的作用下可獲得更優的表面質量。

(a) 傳統磨削液

3.4 工件表面顯微硬度

在磨削過程中，工件表面經過磨粒的摩擦、犁耕和切削作用后會發生較大的塑性變形，這將導致加工表面的加工硬化[29]。兩種磨削液對顯微硬度影響如圖12所示，可以看出，兩種條件下的工件表面顯微硬度都隨供液壓力的增大而降低。這是由于隨著供液壓力的增大，磨削區換熱和潤滑效果增強，材料的塑性變形有所減弱，磨削溫度也相應降低，從而減弱了加工表面的硬化效應。當供液壓力為1 MPa時，與傳統磨削液相比，混合納米流體的顯微硬度降低了6.56%。這是因為混合納米流體的潤滑和換熱性能都優于傳統磨削液，有效地將磨削熱進行了疏散，減小了磨粒與工件之間的摩擦力，抑制了材料的塑性變形。由此可知，所配制的混合納米流體能夠改善加工表面的加工硬化。

圖12 冷卻介質對表面顯微硬度的影響Fig.12 Effect of cooling medium on surface microhardness

3.5 表面殘余應力

殘余應力主要是源于磨削時的熱應力、材料的相變應力和砂輪與工件切削作用產生的塑性變形，這些都會縮短零件的使用壽命[30]。磨削液的換熱和潤滑效果對工件加工表面上的殘余應力有重要影響。傳統磨削液與混合納米流體所得到的表面殘余應力如圖13所示。由圖13可知，在混合納米流體和傳統磨削液的條件下，工件表面殘余應力均與冷卻液壓力成正相關關系，且均為殘余壓應力。當供液壓力為1 MPa時，混合納米流體條件下的殘余壓應力相比于傳統磨削液條件下的殘余壓應力增大了11.6 MPa。這是由于供液壓力的增大促使磨削液能更好地滲透至磨削區域中，由此可實現更好的換熱和潤滑作用；另一方面，在磨削過程中，殘余拉應力的產生主要依賴于熱力耦合作用，以及在加工過程中工件材料沿磨削進給方向發生的塑性拉伸變形。而納米流體優異的換熱、潤滑性能可降低熱力耦合作用，也降低了工件表面的塑性拉伸變形，從而抑制了殘余拉應力的產生，因此，工件表面表現出了更高的殘余壓應力。這有利于延長工件在服役過程中的疲勞壽命。

圖13 冷卻介質對表面殘余應力的影響Fig.13 Effect of cooling medium on surface residual stress

3.6 混合納米流體作用機理

圖14與表3所示為在兩種潤滑介質條件下加工的工件表面掃描電鏡能譜(SEM-EDS)分析結果。研究發現，在混和納米流體條件下，C元素含量明顯高于傳統磨削液條件下的C元素含量，且出現了微量S元素。這說明所添加的納米顆粒參與了磨削過程中的潤滑行為，起到了較好的潤滑作用，減小了摩擦力。此外，由于傳統磨削液未加入潤滑劑，它僅靠自身的潤滑能力來減少磨粒與工件之間的摩擦，潤滑的能力十分有限。根據EDS分析，納米顆粒在磨削加工過程中會沉積在工件表面的凹坑中，并在磨削區高溫高壓條件下會與工件材料緊密結合，形成連續的填充，從而實現自我修復的效果。

(a) 傳統磨削液

表3 工件表面EDS元素分析(p=1 MPa)

綜上所述，混合納米流體在加壓內冷磨削中的作用機理如圖15所示。混合納米流體通過加壓經砂輪內部流道從流道出口高速噴射進入磨削區，在工件與磨粒之間形成有效的潤滑膜，起到了良好的潤滑作用。此外，混合納米流體中的納米顆粒填補了凹坑，形成連續平坦的潤滑油膜，避免了凹坑受到三體磨損而擴大。同時，高熱導率的混合納米流體能夠迅速帶走磨削區所產生的熱量，進而降低加工表面溫度，因此，在離子液體與納米顆粒的物理協同強化作用下，混合納米流體在磨削區表現出了優異的冷卻與潤滑性能，能較大程度地改善磨削性能。

圖15 混合納米流體在磨削區作用機理示意圖Fig.15 Schematic diagram of the action mechanism of hybrid nanofluids in the grinding zone

4 結論

(1)添加[EMIm]BF4、MoS2、MWCNTs能夠有效地改善潤滑性能， MWCNTs與MoS2的最佳質量比為1∶2，與傳統磨削液相比，ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體的摩擦因數和接觸角分別減小了22%和13.21%。

(2)在同等條件下，混合納米流體表現出了比傳統磨削液更好的換熱效果，在冷卻液壓力為1 MPa時，與傳統磨削液相比，ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體的磨削溫度降低了8.1%。

(3)在相同條件下，相比于傳統磨削液，混合納米流體能夠顯著改善工件的表面質量，當冷卻液壓力為1 MPa時， ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體的表面粗糙度Ra減小了21.4%，顯微硬度降低了6.56%，殘余壓應力增大了11.6 MPa，表面形貌更為光滑規整。

(4)對傳統磨削液和混合納米流體條件下的加工表面進行了EDS分析，研究結果表明，ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體中的納米顆粒在加工過程中能夠填充工件表面凹坑，并且快速帶走磨削區產生的熱量，表現出了優異的冷卻與潤滑性能，有望代替傳統磨削液成為一種高效的綠色磨削液。