張東坤 李長(zhǎng)河 賈東洲 馬宏亮

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島266033)

在機(jī)械加工中，為獲得精確的表面公差和光潔的零件表面，磨削加工是必不可少的，在工業(yè)化國(guó)家的制造業(yè)中磨削占加工成本的20%～25%，磨削加工至關(guān)重要。砂輪與工件接觸并相互滑擦、耕犁作用達(dá)到去除工件材料。在此過程中，去除單位體積的材料需要消耗大量的能量，而這些能轉(zhuǎn)化為熱量集中在磨削區(qū)，熱量聚集會(huì)形成高溫，導(dǎo)致工件熱損傷，如燒傷、裂紋、金相轉(zhuǎn)變等，還會(huì)導(dǎo)致工件變形等影響［1-2］。為降低磨削區(qū)的溫度，澆注式冷卻使用大流量的磨削液澆注砂輪與工件之間的楔形區(qū)，由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)形成的氣障等原因，大量磨削液很難進(jìn)入砂輪和工件界面，實(shí)際進(jìn)入砂輪和工件之間界面的有效流量率僅為5%～40%［3］。磨削過程中大量供給的磨削液發(fā)生側(cè)泄，由于磨削液有效利用率低，必須經(jīng)過回收處理，磨削液購(gòu)買及處理的費(fèi)用在制造加工占總成本中的比重較高，廢液處理耗資巨大，高達(dá)磨削液成本的54%［4］。在加工過程中，磨削液形成霧狀揮發(fā)或滲漏、溢出，會(huì)造成工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化，污染土地和水源，破壞生態(tài)環(huán)境，磨削液受熱揮發(fā)形成的煙霧與人體直接接觸，對(duì)操作工人的健康造成威脅，會(huì)誘發(fā)多種皮膚病和呼吸道、肺部等諸多疾?。?］。為了保護(hù)環(huán)境、降低成本進(jìn)而采取不使用磨削液的干磨削，在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)是顯著的。由于磨削加工去除單位材料所消耗的能量比其他加工要多，因此會(huì)產(chǎn)生大量的熱聚集在磨削區(qū)［6］。僅有10%的熱量被磨削加工中產(chǎn)生的磨屑帶走，熱量聚集形成高溫，沒有磨削液提供潤(rùn)滑和冷卻作用，砂輪磨損較嚴(yán)重，工件的精度和表面完整性惡化。因此開始尋找一種新型的冷卻潤(rùn)滑方式，介于干式加工和澆注式冷卻的微量潤(rùn)滑冷卻加工技術(shù)隨即產(chǎn)生。1996年由美國(guó)密歇根技術(shù)大學(xué)的W.D.Hewson和G.K.Gerow兩位學(xué)者提出微量潤(rùn)滑的概念［7］。微量潤(rùn)滑加工是在高壓氣體中混入微量的潤(rùn)滑液，靠高壓氣流與微量的潤(rùn)滑油相混合霧化后注入高溫磨削區(qū)域。高壓氣流起到冷卻和排屑的作用，潤(rùn)滑液黏附在工件的加工表面，形成一層保護(hù)膜，起到潤(rùn)滑的作用。該技術(shù)綜合了澆注式磨削和干式磨削的優(yōu)點(diǎn)，潤(rùn)滑效果與傳統(tǒng)的澆注式磨削幾乎沒有區(qū)別［8］。他們對(duì)切削液的適當(dāng)用量問題進(jìn)行了探討，在滿足加工需求的前提下，對(duì)切削液的濃度、工件材料、刀具參數(shù)等問題進(jìn)行觀察，并研究了對(duì)表面粗糙度、切削力和積屑瘤等方面的影響［9］。并通過實(shí)驗(yàn)研究得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧浚?0］。鑒于磨削加工去除單位材料體積在砂輪/工件界面產(chǎn)生大量的能量，將冷卻效果不足的微量潤(rùn)滑技術(shù)引入磨削加工比其他切削加工方法更富有挑戰(zhàn)性［11］。到目前為止只有很少的幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了微量潤(rùn)滑磨削技術(shù)的探索性研究。Baheti等人從環(huán)保和生態(tài)的角度研究了微量潤(rùn)滑在磨削加工中的應(yīng)用前景，研究表明:和傳統(tǒng)的澆注式濕磨相比，微量潤(rùn)滑磨削磨削液使用成本降低65%，減少設(shè)備投資22%，而且通過使用自然降解的合成酯作為潤(rùn)滑液，最大限度地降低了磨削液對(duì)環(huán)境和人體的危害［12］。Silva等人研究了干磨削、澆注式濕磨削以及微量潤(rùn)滑條件下，不同加工模式下加工工件的表面完整性、比磨削能、砂輪磨損對(duì)比。結(jié)果表明，和澆注式濕磨削相比，微量潤(rùn)滑提供了有效的潤(rùn)滑，但冷卻效果明顯不足，加工工件表面完整性惡化［13-14］。Tawakoli等人在平面磨床實(shí)驗(yàn)研究了磨削參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響，和澆注式濕磨相比，在優(yōu)化磨削用量和供液參數(shù)的條件下，工件表面質(zhì)量提高、切向磨削力及比磨削能降低［15］。Barczak等人利用精密平面磨床實(shí)驗(yàn)研究了微量潤(rùn)滑磨削和澆注式磨削、干式磨削的磨削功率、磨削力、磨削溫度以及表面粗糙度的對(duì)比，結(jié)果表明:適宜的比材料去除率，微量潤(rùn)滑磨削的磨削力、磨削功率優(yōu)于澆注式磨削，但工件表面粗糙度以及殘余應(yīng)力不及澆注式磨削［16］。王愛玲教授在精密數(shù)控磨床上進(jìn)行了微量油膜附水滴加工液與乳化液、可溶液及微少量水霧和微量油霧加工液的極小切深(5μm)磨削加工對(duì)比試驗(yàn)，并測(cè)量磨削力、表面粗糙度、磨削區(qū)溫度和磨削比。研究表明，微量油膜附水滴加工液的冷卻性能不及傳統(tǒng)加工液如乳化液和可溶液，卻具有良好的潤(rùn)滑性能，在提高加工精度和砂輪壽命方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但這種加工方法由于微量水滴的換熱能力很有限，因而僅適用于產(chǎn)生低磨削熱量條件下的磨削加工［17］。采用微量潤(rùn)滑的磨削加工中，與澆注式磨削相比較砂輪的壽命和工件的加工質(zhì)量明顯降低，工件表面存在著表面燒傷［18］。研究表明:高壓氣流的冷卻效果很有限，滿足不了高磨削區(qū)溫度強(qiáng)化換熱的需要，工件的加工質(zhì)量和砂輪壽命比傳統(tǒng)澆注式磨削明顯降低，說明微量潤(rùn)滑技術(shù)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。由于固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體的，液體的導(dǎo)熱系數(shù)大于氣體的，所以國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者提出在磨削液中添加固體納米粒子，改善微量潤(rùn)滑換熱不足的缺陷［18］。B.Shen等人通過實(shí)驗(yàn)研究微量潤(rùn)滑磨削液中添加MoS2納米粒子后的磨削性能，表明由于納米粒子的潤(rùn)滑特性和高導(dǎo)熱性使得工件的表面質(zhì)量和砂輪的使用壽命明顯提高，并通過在微量潤(rùn)滑磨削液中添加Al2O3或其他納米粒子以及不同濃度的納米粒子做對(duì)比研究納米粒子的磨削性能［19-20］。Kalita P.等人通過實(shí)驗(yàn)在微量潤(rùn)滑磨削液中添加MoS2納米粒子后探討選用不同的磨削液基液對(duì)磨削性能的影響等問題［21］。通過在微量潤(rùn)滑的基礎(chǔ)上添加了納米粒子后，冷卻效果得到改善，納米粒子在砂輪與工件界面提高了潤(rùn)滑效果。本文主要對(duì)干式磨削、澆注式磨削、微量潤(rùn)滑磨削和納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削四種冷卻潤(rùn)滑條件進(jìn)行試驗(yàn)，分別從磨削力、磨削G比率、磨削溫度和表面粗糙度方面進(jìn)行磨削性能評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

磨削實(shí)驗(yàn)采用K-P36數(shù)控平面磨床，砂輪使用樹脂結(jié)合劑CBN砂輪，尺寸為:300 mm×20 mm×76.2 mm，砂輪粒度為64，最大線速度50 m/s，磨削方式為逆磨。磨削工藝參數(shù)為:砂輪線速度Vs=30 m/s、工件進(jìn)給速度Vw=3 m/min以及磨削深度ap=10μm。工件為含碳量3.5%～3.9%的球墨鑄鐵，工件尺寸為32 mm×12 mm×12 mm，實(shí)驗(yàn)裝備如圖1。采用Thermo Vision A20紅外熱像儀和YDM-Ⅲ99壓電式三向磨削測(cè)力儀分別測(cè)量磨削溫度和磨削力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。磨削實(shí)驗(yàn)的冷卻潤(rùn)滑條件如表1所示。

表1 冷卻潤(rùn)滑方式性能參數(shù)表

2 磨削性能評(píng)價(jià)

2.1 磨削力對(duì)比

通過平面磨削實(shí)驗(yàn)，在砂輪線速度vs=30 m/s，工件進(jìn)給速度速度vw=3 m/min，切深ap=10μm的工作條件下，隨著砂輪磨削行程次數(shù)的增加，獲得4種冷卻條件下對(duì)工件單位寬度的切向磨削力Ft和法向磨削力Fn的影響如圖3所示。切向磨削力和法向磨削力是由YDM-Ⅲ99壓電式三向磨削測(cè)力儀測(cè)得的。將測(cè)得結(jié)果除以磨削寬度得出單位寬度的比切向磨削力Ft和比法向磨削力Fn，這些數(shù)值是砂輪磨削工件每行程測(cè)量結(jié)果的平均值。

由圖3可看出，澆注式冷卻、微量潤(rùn)滑和納米粒子射流微量潤(rùn)滑在整個(gè)磨削過程中比切向力和比法向力與干磨削相比都減小了，說明磨削過程中使用磨削液可以減小磨削力。在4種冷卻潤(rùn)滑條件下，澆注式磨削得到的比磨削力最小，納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的比磨削力次之，然后是微量潤(rùn)滑，干磨削得到的比磨削力最大。澆注式磨削借助大量的磨削液帶走磨屑，減少摩擦。納米粒子射流微量潤(rùn)滑中碳納米管納米顆粒的潤(rùn)滑特性使砂輪與工件的摩擦力減小，減小磨削力。微量潤(rùn)滑磨削中僅依靠一層油膜潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果明顯不如納米粒子射流微量潤(rùn)滑。對(duì)于干磨削來(lái)說由于沒有任何潤(rùn)滑劑，使其加工過程中產(chǎn)生的比磨削力最大。納米粒子射流微量潤(rùn)滑產(chǎn)生的比磨削力與澆注式冷卻產(chǎn)生的比磨削力最接近并且最小。在同樣磨削力的情況下，傳統(tǒng)澆注式磨削液用量為100 L/min，微量潤(rùn)滑用量?jī)H為35 mL/h，納米粒子射流微量潤(rùn)滑較澆注式冷卻最大的改善就是明顯減少了磨削液的用量。從趨勢(shì)上看，隨著磨削行程次數(shù)的增加，比磨削力逐漸增大，這主要是由于砂輪的磨損導(dǎo)致的。其中干磨削在砂輪行程達(dá)到110次后比磨削力增加最明顯，較大的磨削力會(huì)產(chǎn)生大量的熱，使工件表面燒傷，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

切向磨削力與法向磨削力之比Ft/Fn，如圖4。由圖4可知，磨削力比在磨削開始時(shí)就降低，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，干磨削穩(wěn)定在0.15，微量潤(rùn)滑磨削穩(wěn)定在0.2，澆注式磨削穩(wěn)定在0.22，納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削穩(wěn)定在0.27。在起始階段磨削力比下降是由于工件溫度上升。干磨削的磨削力比較小，這主要是由于工件的燒傷和相變。納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削切向力較大而法向力較小，導(dǎo)致磨削力比較大，使加工效率得到提高。這是由于碳納米管納米粒子的潤(rùn)滑和減磨特性使砂輪與工件界面的摩擦系數(shù)減小，減小了法向磨削力。

2.2 磨削G比率對(duì)比

磨削G比率是在同一磨削條件下去除工件材料體積與砂輪損耗之比，其表達(dá)式為［22］:

式中:V'w為單位寬度單位時(shí)間工件磨除體積［mm3/(mm·s)］;V's為單位寬度單位時(shí)間砂輪損耗體積［mm3/(mm·s)］。

磨削G比率的大小說明了砂輪與工件界面的潤(rùn)滑好壞，在同一工作條件下，磨削G比率越大，說明潤(rùn)滑效果越好，砂輪磨損程度越?。?2］。四種冷卻條件下的磨削G比率如圖5。

由圖5可知，澆注式磨削得到的磨削G比率為18。干磨時(shí)的磨削G比率最小為13，砂輪與工件直接接觸作用沒有潤(rùn)滑油膜保護(hù)，砂輪磨損嚴(yán)重。微量潤(rùn)滑得到的磨削G比率為16，比干磨削高，但比澆注式磨削低。澆注式磨削使用大流量的磨削液，而微量潤(rùn)滑使用極其少量的磨削液，僅靠攜帶磨削介質(zhì)的壓縮氣體的換熱能力很有限，微量潤(rùn)滑磨削冷卻效果不足導(dǎo)致磨削溫度過高使砂輪磨損嚴(yán)重。納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的磨削G比率最高為35，說明在納米粒子射流微量潤(rùn)滑條件下砂輪的磨損最小，主要由于納米粒子和磨削液在砂輪和工件表面形成保護(hù)膜，增加潤(rùn)滑減小摩擦，從而大大減小了砂輪的磨損，延長(zhǎng)了砂輪的使用壽命。

2.3 磨削溫度對(duì)比

磨削過程中磨粒與工件相互滑擦作用，消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量聚集在磨削區(qū)，磨削區(qū)溫度過高易使工件出現(xiàn)磨削燒傷、相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力和磨削裂紋等現(xiàn)象。在四種冷卻條件下得到的磨削溫度如圖6。

由圖6可知，澆注式冷卻得到的溫升最低，峰值約120℃，干磨削得到的溫升最高，峰值約600℃。兩種條件下得到的溫差將近500℃，說明磨削加工時(shí)在磨削液的冷卻作用下可以顯著降低磨削區(qū)溫度。兩種微量潤(rùn)滑冷卻在同樣的流量下得到的溫升峰值比干磨削時(shí)低100～150℃，這主要是由于磨削液的冷卻和潤(rùn)滑性能，兩種微量潤(rùn)滑磨削溫度介于澆注式和干磨削之間，雖然沒有澆注式冷卻效果那么明顯，但也能傳遞并帶走一些熱量，達(dá)到降溫的效果。微量潤(rùn)滑磨削溫升峰值為500℃，納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削溫升峰值為450℃。納米粒子射流微量潤(rùn)滑與微量潤(rùn)滑兩種條件磨削液用量相同，造成磨削溫度差異的原因主要是由于固體納米粒子的導(dǎo)熱能力大于液體的導(dǎo)熱能力。所以納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的磨削溫度比微量潤(rùn)滑得到的磨削溫度要低，這主要?dú)w結(jié)于納米粒子的強(qiáng)化換熱和潤(rùn)滑油膜的形成。

2.4 表面粗糙度對(duì)比

磨削過程中的潤(rùn)滑作用將直接影響表面粗糙度的大小，在4種冷卻方式下，工件表面粗糙度Ra值如圖7。

由圖7可知，澆注式冷卻磨削獲得的表面粗糙度Ra值最小，在垂直于磨削方向Ra值為0.42μm，說明表面質(zhì)量最好，澆注式可以借助大流量的磨削液帶走磨屑，有高效的去屑能力，減少由磨屑造成的工件表面劃傷，大流量的磨削液還提供砂輪與工件接觸處的潤(rùn)滑，減小磨削力。干磨削獲得表面粗糙度Ra值最大為1.25μm，表面質(zhì)量最差。微量潤(rùn)滑冷卻條件下，借助液膜的潤(rùn)滑作用，獲得表面粗糙度Ra值為0.93μm，表面質(zhì)量比干磨削明顯改善。納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削得到的Ra值為0.57μm，說明納米粒子射流微量潤(rùn)滑獲得的表面質(zhì)量介于微量潤(rùn)滑和澆注式之間。納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削得到表面質(zhì)量與微量潤(rùn)滑相比明顯改善。納米粒子射流微量潤(rùn)滑獲得的表面質(zhì)量好于微量潤(rùn)滑，主要是由于納米粒子的抗磨減磨特性，減小磨削力和摩擦，使磨削區(qū)降低溫度，保證了工件的表面質(zhì)量。與干磨削相比表面質(zhì)量有很大的改善，與澆注式獲得的表面質(zhì)量最接近，有待在磨削加工冷卻中取代澆注式冷卻。

3 結(jié)語(yǔ)

在干加工、傳統(tǒng)澆注式、微量潤(rùn)滑以及納米粒子射流微量潤(rùn)滑4種冷卻方式下進(jìn)行磨削試驗(yàn)研究，并將磨削得到的磨削力、磨削G比率、磨削溫度、表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論:

(1)干磨削得到磨削溫度最高，為600℃，微量潤(rùn)滑得到的次之，比干磨削降低100～150℃，澆注式冷卻得到的磨削溫度最低，為120℃。雖然納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削溫度不如澆注式的磨削溫度低，但并沒有影響工件的表面質(zhì)量，干磨削得到的工件表面粗糙度Ra值為1.25μm，微量潤(rùn)滑磨削為0.93μm，納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削得到的Ra值為0.57μm，澆注式磨削得到的Ra值為0.42μm，所以納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的工件表面質(zhì)量比干磨削明顯提高，并且比較接近澆注式的工件表面質(zhì)量。

(2)澆注式、微量潤(rùn)滑和納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的磨削溫度與干磨削相比有明顯降低，說明磨削加工中使用磨削液可以降低磨削區(qū)溫度。微量潤(rùn)滑和納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的磨削溫度差異不明顯，這可能是由于在磨削過程中起主導(dǎo)冷卻作用的是磨削液的對(duì)流現(xiàn)象而不是傳導(dǎo)，由于磨削液添加納米粒子，增加了液體的傳熱系數(shù)，所以納米粒子射流微量潤(rùn)滑得到的磨削溫度比微量潤(rùn)滑的磨削溫度要低。

(3)微量潤(rùn)滑條件下，在砂輪磨粒及工件之間形成一層液膜，增強(qiáng)砂輪和工件界面的潤(rùn)滑性能，磨削G比率明顯提高。干磨削得到的磨削G比率為13，微量潤(rùn)滑為16，澆注式磨削為18，納米粒子射流微量潤(rùn)滑為35，其中納米粒子射流微量潤(rùn)滑的磨削G比率最高，減小了砂輪的磨損，延長(zhǎng)了砂輪的使用壽命，大大提高了磨削加工效率。

［1］Malkin S.Thermal aspects of grinding，Part 2-surface temperatures and workpiece burn［J］.Trans.ASME，J.for Ind.，1974(92):484.

［2］Torrance A A.Metallurgical effects associated with grinding［C］.Proceeding of the Twelfth International Machine Tool Design and Research Conference，1978:637.

［3］Ebbrell S，Woolley N H，Tridimas Y D，et a1.The effects of cutting fluid application methods on the grinding process［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40(2):209-223.

［4］Heinemann R，Hinduja S，Barrow G，et al.Effect of MQL on the tool life of small twist drills in deep-hole drilling［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(1):1-6.

［5］William E.Lucke.Health＆safety of metalworking fluids:fluid formulation:a view into the future［J］.Lubrication engineering，1996，52(8):596-604.

［6］Malkin S，Guo C.Thermal analysis of grinding［J］.Annals of the CIRP，2007，56(2):760-782.

［7］Hewson W D，Gerow G K.High performance metal working oil:U.S.Patent 5958849［P］.1999-9-28.

［8］橫田秀雄.MQL切削的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.航空精密制造技術(shù)，2004，40(1):24-26.

［9］Itoigawa F，Childs T H C，Nakamura T，et al.Effects and mechanisms in minimal quantity lubrication machining of an aluminum alloy［J］.Wear，2006，260(3):339-344.

［10］Li Changhe，Hou Yali，Li Jingyao，et al.Mathematical modeling and simulation of fluid velocity field in grinding zone with smooth grinding wheel［J］.Adv.Sci.Lett.，2011，4(6-7):2468-2473.

［11］孟廣耀.微量潤(rùn)滑高速磨削若干基礎(chǔ)研究［D］.青島:青島理工大學(xué)，2012.

［12］Baheti U，Guo C，Malkin S.Environmentally conscious cooling and lubrication for grinding［C］.Proceedings of the International Seminar on Improving Machine Tool Performance，1998，2:643-654.

［13］Silva L R，Bianchi EC，Catai RE，et al.Study on the behavior of the minimum quantity lubricant-MQL technique under different lubricating and cooling conditions when grinding ABNT 4340 steel［J］.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2005，27(2):192-199.

［14］Silva L R，Bianchi EC，F(xiàn)usse RY，et al.Analysis of surface integrity for minimum quantity lubricant—MQL in grinding［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47(2):412-418.

［15］Tawakoli T，Hadad M J，Sadeghi M H，et al.An experimental investigation of the effects of workpiece and grinding parameters on minimum quantity lubrication—MQL grinding［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49(12):924-932.

［16］Barczak L M，Batako A D L，Morgan M N.A study of plane surface grinding under minimum quantity lubrication(MQL)conditions［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50(11):977-985.

［17］王愛玲，魏源遷，祝錫晶，等.油膜水滴加工液的磨削性能［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(1):208-211.

［18］姚仲鵬，王瑞君.傳熱學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2003:12-21.

［19］Shen B，Malshe A P，Kalita P，et al.Performance of novel MoS2 nanoparticles based grinding fluids in minimum quantity lubrication grinding［J］.Transactions of NAMRI/SME，2008，36:357-364.

［20］Shen B，Shih A J，Tung S C.Application of nanofluids in minimum quantity lubrication grinding［J］.Tribology Transactions，2008，51(6):730-737.

［21］Kalita P，Malshe A P，Jiang W，et al.Tribological study of nano lubricant integrated soybean oil for minimum quantity lubrication(MQL)grinding［J］.Transactions of NAMRI/SME，2010，38:137-144.

［22］王勝，李長(zhǎng)河，張強(qiáng).納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削性能評(píng)價(jià)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(2):86-89.