蔡中偉，孫玉利，徐朋沖，盛一，杜紅雨，左敦穩(wěn)，西川尚宏,,4

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2.南京星合精密制造研究院有限公司，江蘇 南京 211106；3.南京華測達精密機械有限公司，江蘇 南京 211106；4.巖手大學，日本 巖手 020-8551)

0 引言

磨削液被廣泛應用于金屬的磨削加工中，其主要的作用有冷卻、潤滑、清洗和防銹[1]。然而，磨削液中蘊含了大量的有毒、有害物質(zhì)。為改善磨削液的冷卻潤滑性能，會往磨削液中加入各種添加劑，如具有毒性的亞硝酸鈉防銹劑、苯酚類殺菌劑、甲醛類化合物等[2]。在磨削加工中，磨削液會因濺射、霧化而進入空氣中，人一旦接觸或者吸入就有可能導致身體不適甚至危害健康。同時，磨削液不合理的處理和排放會對環(huán)境造成嚴重的污染。磨削液的使用、維護和廢液處理需要花費大量的開銷。據(jù)統(tǒng)計，磨削液的成本占據(jù)了加工成本的16%，而刀具的成本只占4%[3]。隨著人們環(huán)保意識的加強，國家和地方政府都下達了嚴厲的監(jiān)管措施來限制機械加工行業(yè)污染物的排放[4]。2015年國家出臺了《中國制造2025》戰(zhàn)略，其中明確指出要全面推行綠色制造，加大節(jié)能環(huán)保技術、工藝和裝備的研發(fā)力度，加快制造業(yè)綠色改造升級。不論是從環(huán)保、健康還是經(jīng)濟的角度出發(fā)，減少或不使用磨削液已成為機械加工行業(yè)的發(fā)展方向[5]。

目前，在減少磨削液的使用方面人們已展開了深入的研究，主要成果有：干磨削、微量潤滑技術、低溫冷風磨削、液氮冷卻磨削、固體潤滑技術等。

1 綠色磨削加工技術

1.1 干磨削

干磨削是不使用任何磨削液的磨削加工技術，即在加工過程中不使用磨削液，在源頭上杜絕了磨削液帶來的危害，但沒有磨削液的參與，使得磨削變得困難。如何降低磨削熱和如何使磨削熱快速散發(fā)出去是干磨削加工的關鍵問題[6]。TAWAKOLI T等[7]使用超聲輔助磨削對100Cr6鋼進行了干磨削實驗研究，發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)磨削，超聲振動磨削可以消除工件的熱損傷，提高磨削比，顯著減小磨削力。圖1為超聲輔助磨削實物圖。工件通過變幅桿與換能器連接并在超聲波發(fā)生器的作用下產(chǎn)生橫向振動。

圖1 超聲輔助磨削實物圖

傅玉燦等[8]將熱管技術應用于干磨削中，發(fā)現(xiàn)熱管砂輪具有較強的強化換熱能力，可以將磨削區(qū)溫度控制在60 ℃以下。圖2為熱管砂輪工作原理圖，砂輪內(nèi)部存在一個環(huán)形空腔，在注入工作介質(zhì)后抽空封裝。磨削過程中熱量通過外圓面進入砂輪內(nèi)腔，致使蒸發(fā)端液膜受熱蒸發(fā)，發(fā)生相變。氣化的工作介質(zhì)在壓差的作用下進入冷凝端，并釋放熱量重新液化。之后在離心力的作用下回流至蒸發(fā)端，以此往復循環(huán)。由于內(nèi)腔中的工作介質(zhì)處于低壓真空的環(huán)境中，使得這種相變更加迅速，磨削熱通過砂輪被快速地散發(fā)出去。

圖2 熱管砂輪工作原理圖

丁蘭英等[9]使用六方氮化硼和石墨作為固體潤滑劑研制出了附有潤滑涂層的碳化硅砂輪，并用于對鈦合金的干磨削實驗。發(fā)現(xiàn)與無潤滑涂層的砂輪相比，磨削溫度減少了11%～40%。NADOLNY K等[10]使用浸漬砂輪和低溫壓縮空氣的方法用于干磨削加工，研究發(fā)現(xiàn)：減小了砂輪的體積磨損；磨削比提高了4倍以上；砂輪壽命延長了5倍。

在干磨削過程中，磨削熱是制約其應用的關鍵因數(shù)。人們已采取超聲振動、熱管換熱和開發(fā)自潤滑砂輪等方法降低磨削熱、提高加工性能，但其在實際推廣應用上還需進行深入的研究。

1.2 微量潤滑技術

傳統(tǒng)的澆注式潤滑不但對磨削液的需求量巨大，而且由于磨削弧區(qū)產(chǎn)生的氣流屏障會阻礙磨削液的滲入，使冷卻潤滑效果降低[11]。微量潤滑技術(MQL)是將微量的潤滑油與壓縮空氣混合霧化后，以氣霧的形式噴射至加工區(qū)域，這使得磨削液能夠突破氣障層，對磨削區(qū)進行有效的冷卻潤滑。MQL技術對潤滑油的需求量僅為30～150 mL/h，只占傳統(tǒng)澆注式用量的1‰。由于MQL僅使用極微量的潤滑油，因此又被稱為“準干式切削”[12]。

圖3顯示了磨削時砂輪周圍的空氣流動，其主要分為沿砂輪的空氣邊界層和沿工件的反向氣流[13]。

圖3 砂輪周圍的氣流屏障

圖4為某公司生產(chǎn)的微量潤滑系統(tǒng)示意圖，由氣源提供的高壓氣體經(jīng)電磁換向閥后，一部分通過節(jié)流閥輸出，一部分推動氣動可變排量泵排出潤滑油，潤滑油與高壓氣體混合霧化后由噴嘴噴出。潤滑油的霧化原理如圖5所示。外環(huán)腔通高速壓縮空氣，中腔通低速潤滑油。潤滑油受到高速氣體的碰撞、摩擦等作用而被離散成大量的細小顆粒[14]。

考慮路面使用情況，為了高效利用面層構造，得出了一些典型病害指數(shù)，以及車痕碾壓痕跡的深度標準，詳細的步驟操作流程見圖1。路面結構層中面層的改造，為了高效利用面層構造，必須認真按照圖示的步驟和流程進行。

圖4 微量潤滑系統(tǒng)

圖5 潤滑油霧化原理圖

AWALE A S等[15]研究了MQL的最佳霧化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)射流壓力0.4 MPa、流量200 mL/h、加工間距40 mm時霧化效果最好，加工效果最佳。SATO B K等[16]研究了MQL不同油水比例對磨削性能的影響，發(fā)現(xiàn)油水比例為1∶5時，可獲得與傳統(tǒng)濕加工相似的表面質(zhì)量。JAVARONI R L等[17]使用帶冷卻砂輪清洗射流(CWCJ)的MQL對aisi4340淬硬鋼進行磨削加工，發(fā)現(xiàn)CWCJ+MQL可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕磨削，改善了砂輪過熱和氣孔堵塞問題。SHARMIN I等[18]對MQL噴嘴進行了改進，研制出帶有適當擴散段和收斂段的4孔噴嘴，可以將切削液更均勻地輸送到磨削區(qū)。賈東洲等[19]提出了氣輔式靜電霧化MQL的方法，發(fā)現(xiàn)液體荷電后的霧化性能得到顯著提高。毛聰?shù)萚20]對MQL平面磨削接觸區(qū)的換熱機理進行了研究，建立了換熱系數(shù)數(shù)學模型。黃向明等[21]將MQL應用在40Cr鋼的磨削強化中，發(fā)現(xiàn)MQL磨削的強化層深度略小于干磨削，但工件表面顯微硬度更高，表面粗糙度更低。張高峰等[22]使用低溫冷風和納米粒子進一步改善MQL的冷卻潤滑效果，發(fā)現(xiàn)其能有效減小磨削力，降低磨削溫度，尤其適合高速、大磨深的磨削加工。

微量潤滑技術兼具了潤滑油的冷卻潤滑特性和油耗量小的綠色經(jīng)濟特性，引起了研究者的廣泛關注。目前研究的重點有提高MQL的霧化性能、配制合適的霧化介質(zhì)、MQL和其他冷卻潤滑方式的復合等。

1.3 液氮冷卻磨削

液氮冷卻磨削是將液氮作為冷卻介質(zhì)噴射到加工區(qū)域，對工件和工具進行冷卻的加工方法。采用液氮冷卻磨削降低了磨削區(qū)局部溫度和砂輪的磨損，使磨粒處于銳利狀態(tài)，減小耕犁、劃擦和塑性變形，降低了磨削力。同時，利用材料的低溫脆化可以解決一些難加工材料的可加工性問題[23]。液氮氣化后作為一種惰性氣體可以對工件和砂輪磨粒起到保護作用，防止其氧化。氮氣是一種清潔、安全的氣體，液氮揮發(fā)后可以直接排放到大氣中而不產(chǎn)生任何環(huán)境污染[24]。

圖6為液氮冷卻磨削實物圖，將液氮通過噴嘴直接噴射到砂輪和工件表面，從而減低磨削溫度，提高加工性能。

圖6 液氮冷卻磨削實物圖

MANIMARAN G等[25]研究了液氮冷卻對316不銹鋼磨削性能的影響，發(fā)現(xiàn)相比于干磨削和濕磨削，使用液氮磨削可以將磨削力分別降低37%和13%，表面粗糙度分別降低59%和32%。REDDY P P等[26]發(fā)現(xiàn)液氮磨削可以提高磨削比，延長砂輪使用壽命，但其需要更高的主軸功率，同時發(fā)現(xiàn)了顯著的尺寸誤差。BALAN A S S等[27]發(fā)現(xiàn)液氮磨削使磨削區(qū)溫度降低，減小了材料的熱塑性變形從而提高了由機械塑性變形產(chǎn)生的壓縮殘余，提高了表面殘余壓應力，工件疲勞壽命得到提升。BEN FREDJ N等[28]從可加工性、表面完整性和耐腐蝕性三個角度出發(fā)評價了液氮磨削、干磨削和濕磨削對奧氏體304鋼的影響。發(fā)現(xiàn)液氮磨削產(chǎn)生最低的磨削溫度，表面粗糙度降低了40%以上，加工硬化程度更高，殘余拉應力更低，具有更好的抗應力腐蝕開裂和抗點蝕能力，低溫有助于通過剪切去除材料，限制了磨削表面的損傷。宋宏文[29]將液氮用于鈦合金的磨削加工，在液氮磨削下提高了磨削速度、進給量和砂輪一次修整時間，加工效率是常規(guī)磨削的1.5～2倍。但由于液氮和周圍環(huán)境溫差較大，容易產(chǎn)生氣霧，影響加工穩(wěn)定性。

液氮冷卻磨削的研究主要針對于其強大的冷卻能力和對難加工材料的低溫改性能力，但其經(jīng)濟成本較高，僅在各高校實驗室中有少量應用。

1.4 低溫冷風磨削

采用-10 ℃～-100 ℃的低溫壓縮空氣噴射在加工區(qū)域的磨削技術，通常會在加工時混入微量潤滑油用于進一步改善潤滑性能。該技術起源于日本，由橫川和彥教授最早提出，其后引起了全世界各國學者的廣泛關注[30]。僅使用微量潤滑油很難在高溫下發(fā)揮潤滑效果，刀具磨損較為嚴重。低溫冷風可以有效改善加工區(qū)域的高溫化，從而抑制潤滑油的高溫失效問題。同時使用低溫冷風加微量潤滑油則可以顯著改善切削性能，提高刀具使用壽命。

圖7為橫川和彥設計的冷風供應系統(tǒng)[31]，由空氣壓縮機提供的常溫空氣經(jīng)過濾干燥后由液氮換熱器冷卻，并供應至磨削區(qū)。

圖7 冷風供應系統(tǒng)

CHOI H Z等[32]運用低溫冷風技術對主軸材料SCM21進行外圓磨削，發(fā)現(xiàn)低溫冷風不僅可以有效減小工件熱缺陷，還可以解決環(huán)境污染問題。相比于濕磨削，低溫冷風磨削獲得更低的工件表面粗糙度和更高的圓度。XIAO K Q等[33]發(fā)現(xiàn)低溫冷風在小磨削深度時表現(xiàn)出良好的冷卻效率，但隨著磨削深度的增加，低溫冷風的效果變差。使用低溫冷風的同時使用植物油可以獲得更好的表面質(zhì)量和更低的殘余應力。OHMORI S 等[34]對低溫冷風影響磨削溫度的機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著冷風壓力的升高，砂輪修整間隔和冷卻效果獲得了提升。上海理工大學的劉業(yè)鳳教授對低溫冷風磨削進行了深入的研究，其自主研發(fā)的低溫冷風供給系統(tǒng)采用兩級復疊式蒸氣壓縮制冷可產(chǎn)生-40 ℃～-80 ℃的低溫。后續(xù)加工實驗表明低溫冷風磨削可以達到傳統(tǒng)磨削的精密標準，能夠替代傳統(tǒng)磨削加工[35-37]。商執(zhí)億等[38]發(fā)現(xiàn)低溫冷風磨削相比于干磨削，工件表面金相組織變化深度降低了1～1.5倍，有效抑制了磨削燒傷，獲得更好的磨削質(zhì)量。勞奇成等[39]將低溫冷風用于鏟齒磨削中，發(fā)現(xiàn)低溫冷風降低了磨削溫度，提高了刀具使用壽命。趙恒華等[40]使用二氧化碳作為低溫冷風，對比了外冷與內(nèi)冷兩種冷卻方式對磨削區(qū)溫度的影響。

低溫冷風磨削的潤滑能力不足，僅適合小切深的磨削加工。降低冷風溫度、提高冷風壓力可以在一定程度上改善加工效果，但這增加了設備的負擔和能源的消耗。

1.5 固體潤滑技術

固體潤滑技術是將固體介質(zhì)作為潤滑劑加入到摩擦接觸面上用以降低摩擦磨損的潤滑技術。常用的固體潤滑材料有石墨、二硫化鉬、氟化鈣等。這類材料具有層狀結構，剪切強度低，易于粘附在工件表面等特點，非常適合磨削面的潤滑[41]。其優(yōu)秀的減摩性、耐磨性、寬溫特性和時效性使其很早就被應用于潤滑領域[42]。

AGARWAL S等[43]使用石墨和二硫化鉬作為固體潤滑劑，將其通過送粉器直接輸送到加工區(qū)域。實驗研究表明，使用固體潤滑劑顯著降低了切向磨削力，提高了零件表面質(zhì)量，是一種綠色環(huán)保的加工技術。圖8為其設計的送粉器示意圖。固體潤滑劑粉末裝在上料斗內(nèi)，由低速同步電機帶動旋轉(zhuǎn)閥使粉末緩慢流入下料斗并進入螺旋給料機中，最終輸送到加工區(qū)域。其中，電機速度控制器可控制潤滑劑輸出流量。三角木塊連接在高速電機上起到振動器的作用，幫助潤滑劑順利流出。

圖8 送粉器示意圖

SHAJI S等[44]使用細石墨粉和水溶性油混合成糊狀，通過外部輸送裝置將糊狀潤滑劑涂在砂輪工作面上用以磨削區(qū)的冷卻潤滑。研究發(fā)現(xiàn)，該冷卻潤滑方式降低了磨削力、比能和溫度，但由于沒有適當清洗和潤滑劑的涂覆不均勻易導致砂輪堵塞。為尋找更好的潤滑劑輸送方式，SHAJI S等[45]通過在砂輪的成型階段摻雜石墨和 CaF2的方式開發(fā)了固體潤滑劑模制樹脂砂輪。研究發(fā)現(xiàn)該方法改善了砂輪與工件的摩擦，起到了良好的潤滑效果，但隨著固體潤滑劑添加量的提高，潤滑效果趨于飽和?；粑膰萚46]通過靜電噴涂的原理將固體潤滑劑粉末噴涂到砂輪表面，研制出了具有潤滑涂層的砂輪。在對鈦合金的磨削實驗表明，相比于普通砂輪，磨削溫度降低了200 ℃。張嵐等[47]采用內(nèi)噴固體潤滑劑的方法對砂輪和工件的接觸面進行潤滑。圖9為內(nèi)噴固體潤滑劑砂輪結構圖，將固體潤滑劑粉末輸送至砂輪的內(nèi)腔，并通過砂輪端面的微孔析出從而進入到磨削區(qū)。

圖9 內(nèi)噴固體潤滑劑砂輪結構圖

趙勁波等[48]將CaF2與聚醚醚酮粉末混合、壓制、燒結后制備成自潤滑節(jié)塊，并將其植入砂輪中。在磨削過程中，自潤滑節(jié)塊在磨削力和熱應力的作用下析出CaF2，從而對磨削區(qū)進行潤滑。

固體潤滑技術的關鍵是如何將固體潤滑劑有效地送入磨削區(qū)域，形成穩(wěn)定的潤滑膜層。目前的主要方法有外部裝置輸送法、內(nèi)噴固體潤滑劑法和基于自潤滑砂輪的摻雜法、涂層法與潤滑節(jié)塊法等。

2 結語

1)干磨削加工由于不使用磨削液，杜絕了磨削液帶來的危害。但同時磨削環(huán)境惡化、工件燒傷和砂輪壽命降低等問題制約了其在生產(chǎn)加工中的應用。開發(fā)高性能砂輪、改善加工參數(shù)、使用超聲輔助等方式可以在一定程度上提高干磨削的加工能力。

2)MQL是最有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)澆注式加工的技術。目前的研究重點是改善霧化性能、優(yōu)化工藝參數(shù)、尋找合適的潤滑介質(zhì)及用量等。MQL的冷卻潤滑效果還有待進一步提高，因存在冷卻潤滑不充分、潤滑油高溫失效等問題。MQL帶來的懸浮物顆粒對人體有害，需要采取必要的措施對其進行隔離。

3)液氮磨削的冷卻能力較強，可以解決難加工材料的磨削加工。但其經(jīng)濟成本較高，不利于推廣。使用液氮加工會使周圍環(huán)境變得潮濕，易引發(fā)機床生銹。

4)低溫冷風磨削的冷卻介質(zhì)為常見的空氣，不需要額外的存儲。但其冷風供應系統(tǒng)較為復雜，設備噪聲較大。低溫冷風的潤滑性能不足，只適合于小切深的磨削加工。

5)固體潤滑技術的主要作用是降低接觸面的摩擦，其本身并不具備清洗、排屑的能力，需要配備砂輪清洗設備以進一步改善其加工性能。如何使固體潤滑劑有效地進入磨削區(qū)域，形成穩(wěn)定的潤滑膜層是影響潤滑效果的關鍵問題。

鑒于上述綠色磨削加工技術的局限性，目前很難徹底取代傳統(tǒng)澆注式加工。隨著研究的不斷深入，綠色磨削加工技術的優(yōu)勢正在不斷凸顯，未來前景可觀。