彭銳濤 彭 興 童佳威 趙林峰 陳美良 賀湘波

湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭，411105

0 引言

磨削是生產(chǎn)中重要的加工工藝之一，大多數(shù)零件的最終加工質(zhì)量是通過(guò)磨削工藝來(lái)保證的[1-2]。在磨削過(guò)程中消耗的能量大部分都轉(zhuǎn)化為熱量，若冷卻不足，則熱量極易在加工區(qū)聚集，從而嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。在實(shí)際加工生產(chǎn)中，通常采取外部噴射磨削液的方法來(lái)改善磨削區(qū)域的冷卻與潤(rùn)滑條件，進(jìn)而提高加工質(zhì)量[3-4]。然而，傳統(tǒng)的油基磨削液成分多以礦物油為主，其潤(rùn)滑性能好，但換熱能力差，且難降解[5]，同時(shí)，傳統(tǒng)磨削液中所包含的化學(xué)添加劑不僅污染環(huán)境，而且對(duì)工人健康也有危害，因此，尋找一種高效環(huán)保的磨削液以實(shí)現(xiàn)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(fā)展?jié)摿?，但其?rùn)滑性能差，加工表面完整性難以保證[6]。據(jù)報(bào)道[7]，在基液之中添加納米顆粒能進(jìn)一步增強(qiáng)基液的換熱能力以及改善其潤(rùn)滑性能，且對(duì)環(huán)境無(wú)害。BAI等[8]配制了水基氧化石墨烯(GO)納米流體，研究結(jié)果表明，添加的GO納米顆粒提高了基液的對(duì)流傳熱系數(shù)，使摩擦因數(shù)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(rùn)滑(MQL)技術(shù)，研究其摩擦學(xué)和機(jī)械加工特性，發(fā)現(xiàn)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(shù)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?jǐn)?shù)的切削液(0.25%、0.75%和1.2%)，對(duì)其摩擦學(xué)特性和接觸角進(jìn)行了測(cè)試并研究了在微量潤(rùn)滑條件下車(chē)削AISI 304不銹鋼的性能，研究結(jié)果表明，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，切削液的潤(rùn)滑性能逐步優(yōu)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(jié)點(diǎn)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(fā)生團(tuán)聚，通常需要添加表面活性劑來(lái)提高納米流體的分散穩(wěn)定性[11]，此外，表面活性劑在高溫下的穩(wěn)定性差[12]，因此，亟需一種穩(wěn)定、高效的分散劑以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的穩(wěn)定懸浮。離子液體(ILs)因其在高溫下的穩(wěn)定性很好而得到了人們的廣泛關(guān)注[13-14]，且它具有較好的兼容性。據(jù)報(bào)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(fù)合添加劑能夠獲得具有高溫穩(wěn)定性的混合納米流體。

從磨削工藝上來(lái)看，盡管通過(guò)添加納米顆粒能夠最大限度地改善磨削區(qū)冷卻與潤(rùn)滑條件，但由于磨削過(guò)程中氣障效應(yīng)[16]的存在，磨削液的滲透效率仍難以得到保證。內(nèi)冷卻技術(shù)[17-18]通過(guò)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使得磨削液能夠通過(guò)砂輪內(nèi)部流道直接對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行沖刷，極大地提高了磨削液的利用率，這對(duì)快速降低磨削區(qū)溫度有很大的幫助。LI等[19]開(kāi)發(fā)了一種自吸式內(nèi)冷卻砂輪，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)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(nèi)冷卻方法，研究結(jié)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(dǎo)熱的多壁碳納米管(MWCNTs)和潤(rùn)滑性能優(yōu)異的二硫化鉬(MoS2)納米顆粒，并選用綠色環(huán)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(shù)膠(GA)來(lái)改善納米顆粒在基液之中的分散穩(wěn)定性，制備成環(huán)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(yīng)用到鎳基合金GH4169加壓內(nèi)冷卻磨削工藝中，探究了混合納米流體在內(nèi)冷卻條件下對(duì)鎳基合金磨削溫度和工件表面完整性的影響，并進(jìn)一步分析了混合納米流體在磨削區(qū)的冷卻潤(rùn)滑機(jī)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(tǒng)磨削液，其中[EMIm]BF4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%， GA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，MWCNTs與MoS2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和為0.3%(MWCNTs與MoS2之間的質(zhì)量比分別為1∶1、1∶2、1∶3和2∶1)，傳統(tǒng)磨削液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)MWCNTs進(jìn)行非共價(jià)改性，通過(guò)π-π作用[22]使[EMIm]BF4吸附在MWCNTs上，再與MoS2混合并添加GA，經(jīng)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(wěn)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(gè)較強(qiáng)的峰值，一個(gè)為反映MWCNTs無(wú)序度和缺陷的D峰(位于1340 cm-1附近)；另一個(gè)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(gè)峰相對(duì)強(qiáng)度的比值ID/IG可表明MWCNTs的無(wú)序和缺陷的程度，且該比值越大，MWCNTs的無(wú)序和缺陷程度越高。由圖1可知，通過(guò)[EMIm]BF4改性后的ID/IG比值顯著增大，這說(shuō)明添加[EMIm]BF4后，MWCNTs的無(wú)序和缺陷程度有所提高。這是因?yàn)樵诔暡ǖ目栈饔煤蛿嚢枳饔孟?，[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(guò)此種非共價(jià)改性方式得到的MWCNTs有益于降低MWCNTs的表面能，且[EMIm]BF4呈現(xiàn)出親水特性，以及[EMIm]BF4的空間位阻效應(yīng)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(xié)同強(qiáng)化作用示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical synergistic strengthening effect

1.3 磨削液的摩擦學(xué)特性

將上述制備的四組ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統(tǒng)磨削液作為潤(rùn)滑介質(zhì)。采用HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定磨削液的摩擦因數(shù)。具體試驗(yàn)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(yàn)溫度為室溫，載荷為90 N，轉(zhuǎn)速為600 mm/min，時(shí)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(shù)，可以看出，與傳統(tǒng)磨削液相比，不同配比混合納米流體的平均摩擦因數(shù)較小，當(dāng)MWCNTs/MoS2的質(zhì)量比為1∶2時(shí)平均摩擦因數(shù)最小(0.085)，降幅為22%。這說(shuō)明添加的納米顆粒能有效改善潤(rùn)滑性能，并且MWCNTs與MoS2之間的配比對(duì)其減摩效果有一定的影響。這主要是因?yàn)楫?dāng)MWCNTs占比過(guò)高時(shí)，其本身的硬度較高且長(zhǎng)徑比大，在摩擦過(guò)程中可能會(huì)破壞潤(rùn)滑介質(zhì)所形成潤(rùn)滑薄膜，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[24]；其次，MWCNTs的分子量遠(yuǎn)大于MoS2的分子量，易發(fā)生團(tuán)聚從而導(dǎo)致發(fā)生沉淀，減弱了其減摩效果。同時(shí)，團(tuán)聚的顆粒會(huì)在摩擦所形成的高溫高壓條件下與磨屑形成磨粒，進(jìn)而造成三體摩擦，這將不利于潤(rùn)滑[25]。但當(dāng)MoS2占比過(guò)高時(shí)，兩種顆粒的協(xié)同潤(rùn)滑效果難以發(fā)揮[26]。而當(dāng)MWCNTs/MoS2的配比為1∶2時(shí)，[EMIm]BF4、管狀的MWCNTs及層狀的MoS2三者之間的物理協(xié)同強(qiáng)化作用[27]達(dá)到最佳(圖3)。在物理協(xié)同強(qiáng)化作用下，納米顆粒都表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，提高了基液的摩擦學(xué)性能，將接觸形式由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)摩擦，促使摩擦因數(shù)降低，從而表現(xiàn)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(shù)Fig.3 Average friction coefficient of hybrid nanofluids with different proportions

1.4 磨削液的潤(rùn)濕性能

液體的接觸角大小影響其在表面的鋪展面積，進(jìn)而會(huì)對(duì)其換熱和潤(rùn)滑性能產(chǎn)生影響，因此，接觸角越小，混合納米流體的潤(rùn)滑效果越優(yōu)，冷卻性能發(fā)揮更加充分。為了探究混合納米流體的不同配比方式對(duì)接觸角的變化情況，采用接觸角測(cè)量?jī)x250-F1對(duì)上述幾組磨削液進(jìn)行接觸角的測(cè)量，基底材料為GH4169。將每個(gè)樣品滴在工件表面的5個(gè)不同位置并分別測(cè)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(tǒng)磨削液的接觸角減小了5.87%～13.21%，當(dāng)混合納米流體的配比為1∶2時(shí)接觸角最小。結(jié)合摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)配比為1∶2時(shí)，磨削液的表面鋪展面積最大，有益于在摩擦過(guò)程中更好地滲透至摩擦接觸區(qū)域中，能夠發(fā)揮出最佳的潤(rùn)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(dǎo)率和黏度分別會(huì)影響磨削液在磨削區(qū)的換熱性能和成膜能力，為此，分別采用熱常數(shù)分析儀(Hot Disk TPS 2500S，瑞典)和旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(Brookfield DV-Ⅱ+Pro美國(guó))測(cè)量了摩擦學(xué)和潤(rùn)濕性能表現(xiàn)最佳(MWCNTs/MoS2質(zhì)量比為1∶2)的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統(tǒng)磨削液在常溫下的熱導(dǎo)率和黏度，其結(jié)果如表1所示，可以看出，混合納米流體的熱導(dǎo)率和黏度均顯著高于傳統(tǒng)磨削液的熱導(dǎo)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(yōu)于傳統(tǒng)磨削液。

表1 磨削液的熱物性

2 磨削試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，將換熱與潤(rùn)滑性能表現(xiàn)最佳(MWCNTs/MoS2質(zhì)量比為1∶2)的ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體作為磨削液，以傳統(tǒng)磨削液為對(duì)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?cè)诩訅簝?nèi)冷卻砂輪[18]的磨粒環(huán)上，磨粒族為葉序排布(葉序系數(shù)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(huán)寬度為10 mm。如圖5所示，磨削液經(jīng)外部加壓進(jìn)入砂輪，再經(jīng)內(nèi)流道直接噴射至磨料區(qū)。工件材料為GH4169，尺寸為80 mm×20 mm×10 mm。為了方便預(yù)埋熱電偶，在工件非加工面的中心線上加工三個(gè)等距φ1.5 mm的盲孔，孔深為9.5 mm。

圖5 內(nèi)冷砂輪磨削示意圖Fig.5 Schematic diagram of internal cooling grinding wheel grinding

磨削試驗(yàn)在寶雞機(jī)床集團(tuán)VMC650加工中心上進(jìn)行，該機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)包括：最高轉(zhuǎn)速8000 r/min，主軸功率7.5 kW。磨削工作系統(tǒng)如圖6所示，包括工作臺(tái)、供液系統(tǒng)和測(cè)溫系統(tǒng)。磨削液在液壓泵加壓后經(jīng)外轉(zhuǎn)內(nèi)刀柄流入砂輪，采用APSM 75 AE自吸泵對(duì)磨削液加壓輸送，通過(guò)調(diào)壓閥和自吸泵進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

(a) 磨削試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

基于半人工熱電偶法對(duì)磨削GH4169時(shí)的工件表面溫度進(jìn)行檢測(cè)，如圖7所示。試驗(yàn)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(duì)工件表面的形貌進(jìn)行檢測(cè)。采用粗糙度儀(MahrMarSurf PS10，德國(guó))測(cè)量工件的表面粗糙度，采用顯微硬度計(jì)(Micro-586，上海)和單晶應(yīng)力檢測(cè)儀(PROTO LXRD，加拿大)分別對(duì)工件表面的顯微硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，每塊工件檢測(cè)5次，結(jié)果取其平均值。

圖7 工作平臺(tái)Fig.7 Working platform

2.2 試驗(yàn)方案

使用ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體和傳統(tǒng)磨削液進(jìn)行磨削試驗(yàn)，在每組試驗(yàn)中都使用新的磨料環(huán)和工件。磨削參數(shù)如表2所示。

表2 磨削參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨削溫度

圖8所示為混合納米流體和傳統(tǒng)磨削液對(duì)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?yàn)楣┮簤毫Φ脑龃筇嵘四ハ鲄^(qū)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(chǎn)生的工件摩擦效應(yīng)，進(jìn)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(tǒng)磨削液的磨削溫度低。當(dāng)供液壓力為1MPa時(shí)，與傳統(tǒng)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(xié)同作用，使得基液的潤(rùn)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(chǎn)生，同時(shí)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(zhì)對(duì)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(tǒng)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?yàn)樘岣吖┮簤毫梢愿纳茮_刷效果，降低磨屑黏結(jié)對(duì)工件表面的負(fù)面影響。當(dāng)供液壓力為1 MPa時(shí)，混合納米流體的表面粗糙度比傳統(tǒng)磨削液的表面粗糙度減小了21.4%。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)磨削液的潤(rùn)滑效果較差，僅靠自身的潤(rùn)滑性能不能起到良好的潤(rùn)滑作用。而混合納米流體具有出色的潤(rùn)滑性能，在磨削過(guò)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(zhì)對(duì)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(guò)對(duì)工件表面形貌進(jìn)行分析能較為直觀地表征兩種介質(zhì)的磨削性能。圖10所示為不同供液壓力下傳統(tǒng)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(shí)，工件的表面出現(xiàn)了較深的加工紋路，犁溝十分明顯，這是因材料黏結(jié)現(xiàn)象而導(dǎo)致其局部產(chǎn)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(guī)整，材料的黏結(jié)現(xiàn)象減弱。這說(shuō)明提高供液壓力能有效地防止因磨屑黏結(jié)而造成的工件表面缺陷，有利于提高加工性能。對(duì)比圖中在同一供液壓力時(shí)不同冷卻潤(rùn)滑條件下觀測(cè)到的加工表面形貌可以發(fā)現(xiàn)，混合納米流體獲得的表面形貌更加規(guī)整。這說(shuō)明混合納米流體有助于改善磨削區(qū)潤(rùn)滑條件，提高表面質(zhì)量。

(a) 傳統(tǒng)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(shí)兩種冷卻介質(zhì)的3D形貌圖，可以看出，傳統(tǒng)磨削液條件下，輪廓波動(dòng)值為11.38 μm，而在混合納米流體的磨削條件下，輪廓波動(dòng)值減小到了8.433 μm。這是因?yàn)槟ハ饕涸谀ハ鲄^(qū)的作用機(jī)理為邊界潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果主要取決于潤(rùn)滑膜，相比于傳統(tǒng)磨削液，混合納米流體在磨削區(qū)更容易形成潤(rùn)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(rùn)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(xié)同強(qiáng)化作用下，混合納米流體表現(xiàn)出了優(yōu)異的潤(rùn)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(dòng)值[28]。由此可知，在混合納米流體的作用下可獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量。

(a) 傳統(tǒng)磨削液

3.4 工件表面顯微硬度

在磨削過(guò)程中，工件表面經(jīng)過(guò)磨粒的摩擦、犁耕和切削作用后會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，這將導(dǎo)致加工表面的加工硬化[29]。兩種磨削液對(duì)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(qū)換熱和潤(rùn)滑效果增強(qiáng)，材料的塑性變形有所減弱，磨削溫度也相應(yīng)降低，從而減弱了加工表面的硬化效應(yīng)。當(dāng)供液壓力為1 MPa時(shí)，與傳統(tǒng)磨削液相比，混合納米流體的顯微硬度降低了6.56%。這是因?yàn)榛旌霞{米流體的潤(rùn)滑和換熱性能都優(yōu)于傳統(tǒng)磨削液，有效地將磨削熱進(jìn)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(zhì)對(duì)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(yīng)力

殘余應(yīng)力主要是源于磨削時(shí)的熱應(yīng)力、材料的相變應(yīng)力和砂輪與工件切削作用產(chǎn)生的塑性變形，這些都會(huì)縮短零件的使用壽命[30]。磨削液的換熱和潤(rùn)滑效果對(duì)工件加工表面上的殘余應(yīng)力有重要影響。傳統(tǒng)磨削液與混合納米流體所得到的表面殘余應(yīng)力如圖13所示。由圖13可知，在混合納米流體和傳統(tǒng)磨削液的條件下，工件表面殘余應(yīng)力均與冷卻液壓力成正相關(guān)關(guān)系，且均為殘余壓應(yīng)力。當(dāng)供液壓力為1 MPa時(shí)，混合納米流體條件下的殘余壓應(yīng)力相比于傳統(tǒng)磨削液條件下的殘余壓應(yīng)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(qū)域中，由此可實(shí)現(xiàn)更好的換熱和潤(rùn)滑作用；另一方面，在磨削過(guò)程中，殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生主要依賴(lài)于熱力耦合作用，以及在加工過(guò)程中工件材料沿磨削進(jìn)給方向發(fā)生的塑性拉伸變形。而納米流體優(yōu)異的換熱、潤(rùn)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(yīng)力的產(chǎn)生，因此，工件表面表現(xiàn)出了更高的殘余壓應(yīng)力。這有利于延長(zhǎng)工件在服役過(guò)程中的疲勞壽命。

圖13 冷卻介質(zhì)對(duì)表面殘余應(yīng)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(jī)理

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

(a) 傳統(tǒng)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(nèi)冷磨削中的作用機(jī)理如圖15所示?；旌霞{米流體通過(guò)加壓經(jīng)砂輪內(nèi)部流道從流道出口高速?lài)娚溥M(jìn)入磨削區(qū)，在工件與磨粒之間形成有效的潤(rùn)滑膜，起到了良好的潤(rùn)滑作用。此外，混合納米流體中的納米顆粒填補(bǔ)了凹坑，形成連續(xù)平坦的潤(rùn)滑油膜，避免了凹坑受到三體磨損而擴(kuò)大。同時(shí)，高熱導(dǎo)率的混合納米流體能夠迅速帶走磨削區(qū)所產(chǎn)生的熱量，進(jìn)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(xié)同強(qiáng)化作用下，混合納米流體在磨削區(qū)表現(xiàn)出了優(yōu)異的冷卻與潤(rùn)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(qū)作用機(jī)理示意圖Fig.15 Schematic diagram of the action mechanism of hybrid nanofluids in the grinding zone

4 結(jié)論

(1)添加[EMIm]BF4、MoS2、MWCNTs能夠有效地改善潤(rùn)滑性能， MWCNTs與MoS2的最佳質(zhì)量比為1∶2，與傳統(tǒng)磨削液相比，ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體的摩擦因數(shù)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(xiàn)出了比傳統(tǒng)磨削液更好的換熱效果，在冷卻液壓力為1 MPa時(shí)，與傳統(tǒng)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(tǒng)磨削液，混合納米流體能夠顯著改善工件的表面質(zhì)量，當(dāng)冷卻液壓力為1 MPa時(shí)， 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(yīng)力增大了11.6 MPa，表面形貌更為光滑規(guī)整。

(4)對(duì)傳統(tǒng)磨削液和混合納米流體條件下的加工表面進(jìn)行了EDS分析，研究結(jié)果表明，ILs-MWCNTs/MoS2混合納米流體中的納米顆粒在加工過(guò)程中能夠填充工件表面凹坑，并且快速帶走磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量，表現(xiàn)出了優(yōu)異的冷卻與潤(rùn)滑性能，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)磨削液成為一種高效的綠色磨削液。