中圖分類號(hào)：TG156

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.011 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Experimental Study of Ultrasonic Vibration Assisted Turning Titanium Alloys with Nanofluid MQL

ZHENG Jintao MA Haoran WANG Jin LIU Guoliang* School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao， Shandong，266520

Abstract：By combining the ultrasonic vibration assisted cutting with nanofluid MQL，ultrasonic vibration assisted turning experiments were conducted for titanium alloys with different vibration directions and cutting speeds. The synergistic mechanism among diamond，graphene， diamond/graphene composite nanofluids and ultrasonic vibration was analysed. The results show that all modes of ultrasonic vibration may reduce the main cutting force and increase the compressive residual stress， but the ultrasonic vibration in depth of cut direction may enlarge surface roughness. During the ultrasonic vibration asssted cutting，graphene nanosheets may generate interlayer shear effect and enhance heat transfer，thus reducing the cuting forces，decreasing the values of surface roughness，and increasing the compressive residual stresses. The dominant effects of diamond nanoparticles are scratching and polishing under the conditions of high-speed cuttng and vibrations in feed direction，which may reduce the values of surface roughness of Ra to 50% . Diamond/graphene composite nanofluid exhibites balanced performances and reduces the main cutting force and surface roughness than that of palm oil in all three cutting modes， namely the speed-depth of cut direction eliptical ultrasonic vibration-assisted low-speed cutting，the speed-depth of cut direction eliptical ultrasonic vibration-assisted high-speed cutting and the speed-feed direction elliptical ultrasonic vibration-assisted cutting. The maximum reductions of main cutting force and Ra were both larger than 20% ：

Key words：ultrasonic vibration；minimum quantity lubrication（MQL）；nanofluid; titanium alloy；turning

0 引言

切削液被廣泛應(yīng)用于切削加工過程，用于減小切削力、降低切削溫度、延長(zhǎng)刀具壽命并改善加工表面完整性等[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)澆注式冷卻潤(rùn)滑在成本和環(huán)境等方面的缺陷越來越受到關(guān)注。例如，澆注式冷卻潤(rùn)滑難以將切削液輸運(yùn)進(jìn)人切削區(qū)域，切削液利用率較低，為了達(dá)到較好的冷卻潤(rùn)滑效果，切削液用量大，切削液成本占到總制造成本的 7～17%^[2-3] ;礦物油基切削液對(duì)人體健康和環(huán)境生態(tài)具有巨大的威脅[4]。因此，研究更加綠色高效的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)已成為切削加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。

近年來，研究人員陸續(xù)提出了干切削、微量潤(rùn)滑（minimum quantity lubrication，MQL）切削、低溫切削等新型綠色切削加工技術(shù)[5-7]。干切削完全避免了切削液的使用，但惡劣的切削工況會(huì)導(dǎo)致刀具的快速磨損，進(jìn)而破壞加工表面完整性[8]。低溫切削是在加工過程中采用液氮、液態(tài)二氧化碳或低溫氣體作為冷卻劑，既具有高效的冷卻性能，又不會(huì)產(chǎn)生污染物[9]，但這些低溫流體的潤(rùn)滑性能有限，且成本相對(duì)較高。相比之下，MQL是將壓縮氣體與少量切削液混合形成高速噴射的霧滴以提高切削液進(jìn)入切削區(qū)的效率，可以在獲得較好潤(rùn)滑效果的同時(shí)顯著減少切削液的消耗[10]。

然而，較小的切削液流量限制了MQL技術(shù)的潤(rùn)滑和冷卻性能，難以滿足難加工材料的高速切削加工需求。為此，研究人員提出通過在切削液中加人適量納米顆粒形成納米流體來提高M(jìn)QL液滴的導(dǎo)熱和潤(rùn)滑性能，即納米流體微量潤(rùn)滑技術(shù) （nanofluid minimum quantity lubrica-tion，NMQL）[1]。目前，研究人員已經(jīng)研究了Al₂O₃ 、石墨烯、CNTs、 TiO₂ ！ MoS₂ 、hBN、 Ag 、ZnO，F(xiàn)e₂O₃，SiO₂ 和金剛石等納米流體在車削、銑削、鉆孔和磨削等不同加工方法下的切削性能[11-16]。研究發(fā)現(xiàn)，這些納米顆粒/納米片因其形狀和結(jié)構(gòu)特征的不同而具有不同的潤(rùn)滑和冷卻性能。 Al₂O₃ 和金剛石納米顆粒通過將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦來降低刀具-切屑/工件的摩擦因數(shù)[11-12]。 MoS₂ 和石墨烯具有層狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的沉積成膜性能，可以將兩個(gè)滑動(dòng)的金屬表面轉(zhuǎn)化為分子層的相對(duì)滑移，從而降低摩擦因數(shù)[15]。此外，石墨還具有極高的導(dǎo)熱性，可以顯著降低切削溫度[16]。為了獲得更好的潤(rùn)滑和冷卻性能，研究人員設(shè)計(jì)和測(cè)試了包含多種納米顆粒的復(fù)合納米流體。SHARMA等[17]以 Al₂O₃ 和石墨烯作為復(fù)合納米流體對(duì)AISI304鋼進(jìn)行了NMQL車削，取得了較好的效果。

切削加工中，刀具與工件/切屑密切接觸，形成封閉的切削區(qū)，納米流體氣霧射流難以直接進(jìn)入刀具-切屑/刀具-工件界面，冷卻潤(rùn)滑效果有限，這是NMQL加工工藝急需解決的制約因素。近年來，超聲振動(dòng)加工技術(shù)（ultrasonicvibrationassistedmachining，UVAM）在車削、磨削、銑削和鉆孔等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[18-19]。刀具的高頻振動(dòng)可以將連續(xù)切削過程轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇加工過程，從而降低切削溫度，減小切削力和刀具磨損，提高加工表面的完整性。此外，超聲振動(dòng)可以打破封閉的切削區(qū)并產(chǎn)生泵送現(xiàn)象，從而顯著提高切削液的有效利用率。因此，將UVAM與NMQL相結(jié)合有望產(chǎn)生協(xié)同增效，提高難加工材料的切削加工性能。HOANG等[20]將石墨烯NMQL與超聲振動(dòng)深孔鉆削工藝（UVAD）相結(jié)合，對(duì)AISISUS304不銹鋼進(jìn)行加工，獲得了較傳統(tǒng)鉆削更長(zhǎng)的刀具壽命和更好的加工質(zhì)量。GAO等[21]在超聲振動(dòng)磨削（UVAG）過程中采用了多種類型復(fù)合納米流體的微量潤(rùn)滑技術(shù)，證明NMQL和UVAG的結(jié)合可以進(jìn)一步降低磨削溫度，減小磨削力和摩擦因數(shù)。

現(xiàn)有研究表明，超聲振動(dòng)加工技術(shù)與納米流體微量潤(rùn)滑技術(shù)具有良好的結(jié)合潛力，因此，本研究將超聲振動(dòng)車削技術(shù)（ultrasonicvibration as-sistedturning，UVAT）與NMQL技術(shù)相結(jié)合，開展了超聲輔助納米流體微量潤(rùn)滑車削鈦合金的實(shí)驗(yàn)研究，以采用金剛石、石墨烯和金剛石/石墨烯復(fù)合納米流體作為微量潤(rùn)滑介質(zhì)，在速度-切深方向橢圓超聲輔助低速切削、速度-切深方向橢圓超聲輔助高速切削和速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削三種工藝下開展了實(shí)驗(yàn)，從切削力、加工表面完整性和刀具磨損等方面對(duì)比分析了超聲振動(dòng)與納米流體對(duì)切削過程的協(xié)同作用機(jī)理。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)置與方案

所有切削實(shí)驗(yàn)均在CAK3665數(shù)控車床上進(jìn)行，采用自行研制的二維橢圓超聲振動(dòng)裝置進(jìn)行切削，如圖1所示，該裝置采用偏心圓錐式變幅桿將壓電陶瓷產(chǎn)生的軸向超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向和豎向的二維橢圓振動(dòng)，軸線和豎直方向振幅分別為

5μm 和 4.6μm ，超聲振動(dòng)頻率為 39.35kHz ，相位差為 90^° 。加工刀具使用肯納CCMT060204菱形硬質(zhì)合金刀片，刀尖圓弧半徑為 0.4mm ，刀具安裝在超聲變幅桿上后，前角 γ_?0 、后角 α₀ 和刃傾角 K_r 分別為 0^°，7^° 和 5^° 。實(shí)驗(yàn)所用工件材料為Ti6Al4V鈦合金（寶鈦集團(tuán)有限公司），力學(xué)性能如表1所示。

為研究超聲振動(dòng)與納米流體對(duì)切削過程的協(xié)同作用機(jī)理，本研究設(shè)計(jì)了速度-切深方向橢圓超聲輔助低速切削、速度-切深方向橢圓超聲輔助高速切削以及速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削三種超聲振動(dòng)切削工藝，分別如圖2所示。將金剛石納米流體微量潤(rùn)滑（DN-MQL）、石墨烯納米流體微量潤(rùn)滑（GN-MQL）、金剛石/石墨烯復(fù)合納米流體微量潤(rùn)滑（DN + GN-MQL）分別應(yīng)用于上述三種超聲振動(dòng)切削工藝，并設(shè)置了棕櫚油微量潤(rùn)滑（MQL）超聲振動(dòng)切削和無振動(dòng)濕切削（乳化液澆注式潤(rùn)滑，Wet）工藝作為對(duì)照，共開展了15組實(shí)驗(yàn)，如表2所示。低速或高速表示切削速度低于或高于刀具-工件分離的臨界切削速度 0 v₀=2πf_uA_v，f_u 為超聲振動(dòng)頻率； A_v 為豎直方向超聲振幅）。

微量潤(rùn)滑工藝采用金兆節(jié)能科技有限公司生產(chǎn)的KS-2106微量潤(rùn)滑供油系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便。采用高壓空氣將納米流體霧化形成高速運(yùn)動(dòng)的氣霧射流，然后噴向加工區(qū)域進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，其中潤(rùn)滑油流量為 60mL/h ，氣體壓力為 0.7MPa 。納米流體均以棕櫚油作為基液，納米粒子的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5% ，金剛石/石墨烯復(fù)合納米流體中金剛石納米顆粒與石墨烯納米片的質(zhì)量比為 1：1 。石墨烯納米片的長(zhǎng)度為 1～3 μm ，厚度為 1～5nm ；金剛石納米顆粒接近球形，直徑為 50nm 。納米流體的制備采用兩步法：先

在基液中加入一定量的納米顆粒/納米片和司班-80分散劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為納米顆粒/納米片質(zhì)量的20% ）；然后在 42kHz，240 W的條件下進(jìn)行60min的超聲處理。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過超聲處理后，納米顆粒/納米片可以均勻地分散在棕櫚油中。

在切削過程中，用YDC-Ⅲ89B型壓電測(cè)力儀測(cè)量各切削工況下切削速度和切削深度方向上的切削力。車削加工結(jié)束后，使用KEYENCEVK-X1000激光顯微鏡觀察加工表面及刀具后刀面形貌，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對(duì)加工表面及刀具后刀面的形貌和組分進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)激光顯微鏡測(cè)量結(jié)果，分析獲取加工表面粗糙度指標(biāo) Ra （算術(shù)平均表面粗糙度）和 Rz （最大峰谷高度）。采用加拿大ProtoLXRD型X射線殘余應(yīng)力儀測(cè)量加工工件表面速度方向的殘余應(yīng)力。為了減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，每次切削都使用新刀片進(jìn)行，并對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行3次及以上的測(cè)量，計(jì)算其平均值作為最終結(jié)果。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 速度-切深方向橢圓超聲輔助低速切削

速度-切深方向橢圓超聲輔助低速（ v=30 m/min 切削條件下，不同潤(rùn)滑方式的切削力、表面粗糙度和殘余應(yīng)力如圖3所示。相比于無振動(dòng)車削，刀具施加橢圓超聲振動(dòng)后，切削過程的切深抗力和加工表面粗糙度均有較為明顯的增大，超聲輔助切削表面的 Ra 值大多接近甚至超過0.6μm ，而無振動(dòng)濕切削的 Ra 值約為 0.4μm 。但是，橢圓超聲輔助切削不僅減小了主切削力，而且顯著增大了加工表面殘余壓應(yīng)力，超聲輔助棕櫚油微量潤(rùn)滑切削表面的殘余壓應(yīng)力值接近無振動(dòng)濕切削表面的兩倍。

實(shí)驗(yàn)中采用的切削速度低于超聲振動(dòng)切削的刀-屑分離臨界切削速度 v₀（v₀=2πf_uA_v=68.2 m/min，f_u=39.35kHz，A_v=4.6μm） ，刀具和工件/切屑周期性分離，可以避免刀具與工件/切屑持續(xù)接觸帶來的應(yīng)力和熱量累積，減小刀具與工件/切屑之間的摩擦力及黏結(jié)，從而使主切削力減小。但是，刀具沿切深方向振動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)工件已加工表面的彈性回復(fù)層造成沖擊，產(chǎn)生額外的沖擊抗力，所以超聲振動(dòng)切削條件下的切深抗力更大。

刀具對(duì)工件表面的超聲沖擊作用除了產(chǎn)生更大的切深抗力外，還會(huì)促使被沖擊區(qū)域工件表層材料產(chǎn)生更大的塑性變形。一方面會(huì)在加工表面產(chǎn)生周期性紋理微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生額外的殘留高度，導(dǎo)致表面粗糙度的增大；另一方面會(huì)在工件表層材料中引入更大的機(jī)械應(yīng)力，表現(xiàn)為更大的殘余壓應(yīng)力。圖4所示為無振動(dòng)低速（ v=30m/min） 濕切削與速度-切深方向橢圓超聲輔助棕櫚油微量潤(rùn)滑低速切削所獲得的加工表面形貌，可以看出，超聲振動(dòng)切削表面存在大量均勻分布的凹坑形微結(jié)構(gòu)。

圖3中的結(jié)果還顯示，超聲振動(dòng)切削中，不同微量潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)加工性能也有顯著的影響。棕櫚油微量潤(rùn)滑工況獲得了最大的切削力、加工表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力。相比之下，采用不同類型納米流體進(jìn)行微量潤(rùn)滑均可以減小切削力和加工表面粗糙度，證明各類型納米粒子的引人均起到了良好的減摩潤(rùn)滑效果。

橢圓超聲輔助低速切削過程中，刀具與工件/切屑周期性分離，納米流體霧滴可以高效地進(jìn)入切削區(qū)，攜帶大量的納米粒子/納米片進(jìn)入刀具-切屑/刀具-工件界面，充分發(fā)揮其減摩潤(rùn)滑作用，降低摩擦力以及減少刀具對(duì)已加工表面的劃擦和黏結(jié)，實(shí)現(xiàn)切削力和表面粗糙度的減小。圖5和圖6所示分別為金剛石和石墨烯納米流體微量潤(rùn)滑條件下的切削表面形貌及能譜測(cè)試結(jié)果。由圖5可知，工件已加工表面吸附有白色球形顆粒，能譜測(cè)試顯示其富含碳元素，可以判定其為金剛石納米粒子，其粒徑不超過 100nm ，與實(shí)驗(yàn)采用的金剛石納米粒子的粒徑也一致。圖6的結(jié)果顯示，工件表面嵌入黑色斑塊呈片狀，主要成分為碳元素，可以判斷其為貼敷在工件表面的石墨烯納來片。上述結(jié)果表明，金剛石納米粒子與石墨烯納米片均進(jìn)人了刀具/工件切削界面，可以起到減摩潤(rùn)滑的作用，使得切削力和表面粗糙度減小。

橢圓超聲輔助低速切削過程中，潤(rùn)滑工況良好，切削溫度較低，難以引起工件表層材料的塑性變形及劇烈相變，所以熱應(yīng)力和相變應(yīng)力可以忽略不計(jì)，由切削力主導(dǎo)的機(jī)械應(yīng)力是加工表面殘余應(yīng)力的主要成因，因此，相比于棕櫚油微量潤(rùn)滑條件，采用納米流體進(jìn)行微量潤(rùn)滑后，加工表面的殘余壓應(yīng)力也隨著切削力的減小而減小。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，三種不同類型納米流體中，金剛石納米流體微量潤(rùn)滑獲得了最小的主切削力，表現(xiàn)出了更好的減摩潤(rùn)滑效果，但該條件下的切深抗力大于石墨烯和復(fù)合納米流體潤(rùn)滑工況，加工表面殘余壓應(yīng)力和粗糙度 Ra 值也較大；石墨烯納米流體和金剛石/石墨烯復(fù)合納米流體可以更有效地減小加工表面粗糙度，其中，復(fù)合納米流體微量潤(rùn)滑條件下的 Ra 和 Rz 值均小于其余微量潤(rùn)滑工況。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[22]中采用無振動(dòng)磨削實(shí)驗(yàn)研究獲得的結(jié)果不一致，其結(jié)果顯示，相比于氧化鋁等三維顆粒形結(jié)構(gòu)的納米材料，具有二維層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯潤(rùn)滑性能更好，導(dǎo)致了最大的切向力下降百分比。

圖5中的結(jié)果證明，金剛石納米粒子進(jìn)入了刀具/工件切削界面，并且憑借本身的高硬度在切削過程中保持了其原本的三維球形結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中刀具相對(duì)于工件沿切深方向和速度方向做橢圓運(yùn)動(dòng)，存在水平方向速度分量。當(dāng)?shù)毒呦蚬ぜ砻孢\(yùn)動(dòng)并接觸工件表面散布的金剛石納米粒子時(shí)，刀具相對(duì)于工件的水平運(yùn)動(dòng)分量會(huì)促使金剛石納米粒子產(chǎn)生“類軸承”的作用，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，極大地減小摩擦力，從而有效減小主切削力，如圖7所示。但是，刀具相對(duì)于工件的徑向沖擊會(huì)將納米粒子向工件材料內(nèi)部擠壓，產(chǎn)生額外的切深抗力。相比于石墨烯納米片，金剛石納米粒子被擠入深度更大，產(chǎn)生的額外抗力也就更大，因此它導(dǎo)致的切深抗力較大。更大的切深抗力會(huì)導(dǎo)致工件表層材料更大的塑性變形，從而引人更大的機(jī)械應(yīng)力，最終表現(xiàn)為更大的殘余壓應(yīng)力。

二維層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯納米片主要依靠層間剪切效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)刀具與切屑/工件之間的減摩增潤(rùn)。石墨烯的分子結(jié)構(gòu)如圖8所示，分子層間作用力較弱。當(dāng)工件表面的石墨烯納米片承受超聲振動(dòng)刀具的斜向沖擊時(shí)，會(huì)隨著刀具與工件的相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生層間剪切行為。由于石墨烯分子層間的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于工件材料的剪切強(qiáng)度，所以可以減小刀具/工件界面的摩擦力，減小切削力。圖6中工件表面貼敷的石墨烯納米片邊長(zhǎng)為 20～ 30μm ，遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)所采用的石墨烯納米片尺寸（邊長(zhǎng) 1～3μm ），而且顏色呈現(xiàn)中間深，邊緣淺。工件表面石墨烯納米片的面積增大，除了發(fā)生圖9所示的重疊團(tuán)聚以外，層間剪切效應(yīng)的發(fā)生也是其重要成因之一。

為了更清晰地分析金剛石與石墨烯納米粒子在刀具/工件界面的減摩機(jī)理，采用LAMMPS平臺(tái)對(duì)超聲輔助納米流體微量潤(rùn)滑切削過程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，利用OVITO對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行

可視化，建立的分子動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示。工件材料設(shè)定為Ti-A1-V三組分合金的簡(jiǎn)化模型。Ti、Al和 ΔV 原子的比例分別為 90%.6% 和 4% .三種元素隨機(jī)分布在工件中。工件尺寸為 30nm× 11nm×5nm 。將整個(gè)工件模型沿 Z 軸正方向依次劃分為邊界層、恒溫層和牛頓層。邊界層和恒溫層的厚度均為 0.5nm 。以立方氮化硼（CBN）單晶作為刀具材料，設(shè)定其 X 方向速度為 50m/s，Z 方向速度為 -10m/s ，以模擬橢圓振動(dòng)刀具向工件表面運(yùn)動(dòng)的斜向沖擊過程。分別以金剛石和石墨烯納米流體為潤(rùn)滑液進(jìn)行模擬，時(shí)長(zhǎng)均為0.225ns。由圖11所示的模擬結(jié)果可知，金剛石納米粒子在刀具與工件界面產(chǎn)生了滾動(dòng)和滑移，模擬過程中金剛石納米粒子的位移約為 6.2nm ，旋轉(zhuǎn)角度約為 260^° ；石墨烯納米片在工件表面產(chǎn)生了約7.5nm 的位移，同時(shí)發(fā)生了一定的層間剪切。分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果證明了上述對(duì)金剛石和石墨烯納米粒子在超聲振動(dòng)切削界面減摩增潤(rùn)機(jī)理的分析是準(zhǔn)確的。

由上述分析可知，文獻(xiàn)［22]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中石墨烯納米片的減摩效果優(yōu)于三維球形納米粒子，與本文結(jié)果相反，主要是由加工方式的不同導(dǎo)致的。石墨烯納米片的層間剪切滑移主要由刀具與工件水平方向的相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。超聲振動(dòng)切削過程中，刀具與工件的接觸是瞬時(shí)過程，相比于無振動(dòng)磨削過程，刀具與工件接觸時(shí)間較短，水平方向相對(duì)滑移距離短。由圖6和圖9的結(jié)果可知，石墨烯納米片會(huì)相互重疊，在工件表面形成較大面積的片層。當(dāng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樾毕虻某曊駝?dòng)刀具沖擊工件表面時(shí)，大面積且柔軟易變形的石墨烯納米片會(huì)包覆在刀具切削刃表面一起運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致超聲振動(dòng)切削刀具-工件界面石墨烯納米片的層間剪切滑移不如磨削過程中磨粒-工件界面充分，減小摩擦因數(shù)的作用效果不夠顯著。相反，超聲振動(dòng)切削中刀具與工件的分離可以使金剛石納米粒子更多地進(jìn)入刀具/工件切削界面，并自由分布在工件表面。當(dāng)?shù)毒呦蚬ぜ砻孢\(yùn)動(dòng)并接觸工件表面散布的金剛石納米粒子時(shí)，刀具相對(duì)于工件的水平運(yùn)動(dòng)分量會(huì)促使金剛石納米粒子產(chǎn)生“類軸承”的作用，變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，極大地減小摩擦力，從而有效減小主切削力。磨削過程中，砂輪與工件持續(xù)緊密接觸，三維納米粒子難以高效進(jìn)入加工界面，部分?jǐn)D入砂輪/工件界面的粒子也更多地被擠壓進(jìn)入工件表面，而難以自由分散在工件表面進(jìn)行滾動(dòng)，“類軸承”作用難以充分發(fā)揮。因此，兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同是超聲振動(dòng)與納米流體協(xié)同作用的典型效果之一。

但是，包覆在切削刃表面或鋪展貼敷在工件表面的石墨烯納米片層可有效減少刀具對(duì)工件表面的劃擦以及刀具-工件材料的黏結(jié)，從而減小加工表面粗糙度。金剛石納米粒子體積較小，對(duì)工件表面的保護(hù)作用不如石墨烯納米片，所以導(dǎo)致其表面粗糙度大于石墨烯納米流體和復(fù)合納米流體潤(rùn)滑工況。

2.2速度-切深方向橢圓超聲輔助高速切削

速度-切深方向橢圓超聲輔助高速（ m/min） 切削條件下，不同潤(rùn)滑方式的切削力、表面粗糙度和殘余應(yīng)力如圖12所示。

對(duì)比速度-切深方向橢圓超聲輔助低速和高速切削的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，切削速度提高后，刀具超聲振動(dòng)以及不同潤(rùn)滑條件對(duì)加工性能的影響規(guī)律有一定的變化。首先，高速切削工況下，刀具超聲振動(dòng)引起的主切削力減小效應(yīng)減弱，導(dǎo)致MQL工況下的主切削力甚至大于無振動(dòng)濕切削工況，而不同類型納米流體微量潤(rùn)滑切削條件下的切削力雖然較MQL工況小，但減幅較小，主切削力的減幅均不超過 10N ，證明納米流體相比于棕櫚油的減摩增潤(rùn)效果減弱。其次，高速切削條件下，超聲輔助微量切削技術(shù)均可以較無振動(dòng)濕切削工藝產(chǎn)生更光滑的表面，而且超聲輔助金剛石納米流體微量潤(rùn)滑技術(shù)獲得了最小的表面粗糙度。最后，高速切削條件下，刀具超聲振動(dòng)依然可以增大加工表面的殘余壓應(yīng)力，但低速切削中獲得最大表面殘余壓應(yīng)力的MQL工況的加工表面殘余壓應(yīng)力反而較各納米流體微量潤(rùn)滑工況小，復(fù)合納米流體微量潤(rùn)滑條件下獲得了最大的殘余壓應(yīng)力。

不同切削速度下，刀具超聲振動(dòng)以及不同潤(rùn)滑條件對(duì)加工性能的影響規(guī)律變化主要是由切削區(qū)工況變化導(dǎo)致的。速度-切深方向橢圓超聲輔助高速 （v=100m/min） 切削條件下，切削速度超過了刀-屑分離的臨界速度 ，刀具和切屑之間的分離特性會(huì)消失，刀具與切屑持續(xù)接觸，導(dǎo)致超聲振動(dòng)減小摩擦力的效果減弱。

此外，刀具與切屑的持續(xù)接觸還會(huì)阻礙微量潤(rùn)滑射流進(jìn)入切削區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)入切削界面的納米粒子數(shù)量下降，直接降低納米流體的作用效果。而且，隨著切削速度的提高，切削區(qū)工件材料變形加劇，產(chǎn)熱量增大，刀具與工件材料黏結(jié)加劇，會(huì)使刀具-工件界面的接觸狀態(tài)隨時(shí)變化，進(jìn)入其中的納米粒子/納米片均可能被黏附的材料所包裹或壓制，難以充分發(fā)揮其減摩作用。金剛石納米粒子更多的嵌人刀具/工件界面，被刀具推動(dòng)產(chǎn)生劃擦作用，而不是滾動(dòng)以產(chǎn)生滾珠減摩效應(yīng)，而石墨烯納米片的層間剪切程度也會(huì)受到限制，進(jìn)一步降低納米流體的減摩增潤(rùn)效應(yīng)，導(dǎo)致切削力的減幅較小。圖13所示為速度-切深方向橢圓超聲輔助石墨烯納米流體微量潤(rùn)滑高速 min）切削的刀具后刀面形貌及能譜測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，刀具后刀面存在大面積的工件材料黏附。

隨著切削速度的提高，雖然刀具超聲振動(dòng)以及微量潤(rùn)滑工藝減小切削力的效果有所減弱，但對(duì)加工表面粗糙度卻起到了改善作用。對(duì)比圖3b和圖12b中濕切削加工表面的粗糙度可以看出，隨著切削速度的提高，加工表面粗糙度急劇惡化。這主要是因?yàn)楦咚偾邢鬟^程較高的切削溫度導(dǎo)致刀具-工件界面黏結(jié)嚴(yán)重，使加工表面產(chǎn)生了大量的撕裂損傷和黏結(jié)碎屑。而刀具上施加的速度-切深方向超聲振動(dòng)雖然在高速切削中不能使刀具與切屑分離，但可以導(dǎo)致刀具與工件周期性分離，從而減少刀具后刀面與工件表面的持續(xù)摩擦生熱，削弱加工表面材料側(cè)流及黏結(jié)，并高頻撕裂初步黏結(jié)的刀具和工件，減小材料黏結(jié)對(duì)加工表面形貌的損傷，提高表面光潔度，所以，在高速切削條件下，超聲輔助微量切削工藝均產(chǎn)生了比無振動(dòng)濕切削工藝更光滑的表面。

相比于棕櫚油微量潤(rùn)滑，納米流體更高的導(dǎo)熱性能以及納米粒子在刀具-工件界面的滾動(dòng)、滑移等減摩作用也有利于降低切削區(qū)工件表面的溫度，減弱刀具-工件黏結(jié)，提高表面質(zhì)量。

相比于石墨烯納米片的層間剪切行為發(fā)生于納米片內(nèi)部，受刀具-工件材料黏結(jié)影響較小，金剛石納米粒子的滾珠效應(yīng)完全依賴于刀具-工件之間的相對(duì)滑動(dòng)，刀具后刀面的材料黏結(jié)會(huì)顯著削弱金剛石粒子的滾動(dòng)能力，使其嵌入工件或刀具表面的黏結(jié)材料中，并被刀具帶動(dòng)在工件表面劃擦，所以金剛石納米流體在高速切削中的減摩效果不如低速切削中的減摩效果。如圖3a和圖12a所示，低速切削中，金剛石納米流體獲得了最小的主切削力，而高速切削中其主切削力大于石墨烯納米流體和復(fù)合納米流體。但是，金剛石納米粒子在工件表面的劃擦也會(huì)產(chǎn)生微加工效應(yīng)，對(duì)工件表面的黏結(jié)材料等進(jìn)行去除，從而較其余類型納米流體產(chǎn)生更光滑的加工表面。

隨著切削速度的提高，加工表面切削溫度顯著上升，還會(huì)在工件表層產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力從而誘發(fā)殘余壓應(yīng)力，與機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的殘余壓應(yīng)力相互抵消，共同決定最終加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。本文實(shí)驗(yàn)中，無振動(dòng)高速濕切削表面的殘余拉應(yīng)力（圖12c）即為過高的切削溫度導(dǎo)致的熱應(yīng)力占據(jù)了主要地位而導(dǎo)致的。

向刀具施加超聲振動(dòng)后，刀具對(duì)工件表面的沖擊作用可以增大表層材料的塑性變形，產(chǎn)生更大的機(jī)械應(yīng)力；刀具與工件的周期性分離不僅可以直接減緩熱量累積，配合微量潤(rùn)滑技術(shù)還可以使氣霧射流更好地對(duì)切削表面進(jìn)行冷卻，可以有效降低切削溫度，減小熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力超過熱應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)地位，在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

相比于納米流體微量潤(rùn)滑工況，棕櫚油微量潤(rùn)滑工況雖然產(chǎn)生了較大的切削力，但其潤(rùn)滑及冷卻效率較差，切削溫度較高，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力抵消機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致最終的加工表面殘余壓應(yīng)力反而更小。相比之下，復(fù)合納米流體的導(dǎo)熱性能卓越，可以保證切削區(qū)較低的切削溫度，降低熱應(yīng)力影響，獲得了最大的殘余壓應(yīng)力。

2.3 速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削

進(jìn)給方向超聲振動(dòng)切削是近年來提出的一種新型加工技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是以超過刀具-切屑分離臨界速度的切削速度實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削，獲得切削力減小、表面完整性提高等優(yōu)良效果[23]。本文對(duì)速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削工況下超聲振動(dòng)與納米流體的協(xié)同作用機(jī)理進(jìn)行研究。根據(jù)張翔宇等[23]的研究結(jié)果，進(jìn)給方向超聲振動(dòng)切削實(shí)現(xiàn)刀具與切削區(qū)周期性分離的必要條件是進(jìn)給速率小于兩倍的進(jìn)給方向超聲振幅，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的進(jìn)給率為 6μm/r ，小于進(jìn)給方向振幅 5μm 的兩倍。

在速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削條件下，不同潤(rùn)滑方式的切削力、表面粗糙度和殘余應(yīng)力如圖14所示。可以看出，對(duì)刀具施加速度-進(jìn)給方向橢圓超聲振動(dòng)后，切深抗力均較無振動(dòng)切削工況增大，除金剛石納米流體微量潤(rùn)滑工況外，主切削力總體減小，同時(shí)，超聲振動(dòng)切削表面的粗糙度較無振動(dòng)切削表面減小，殘余壓應(yīng)力增大。

對(duì)比不同微量潤(rùn)滑工況的結(jié)果可以看出，采用納米流體作為潤(rùn)滑介質(zhì)較純棕櫚油顯著增大切深抗力和加工表面殘余壓應(yīng)力，并減小加工表面粗糙度。除金剛石納米流體外，石墨烯納米流體和復(fù)合納米流體較棕櫚油具有更小的主切削力。

金剛石納米流體在速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削過程中表現(xiàn)出了與其余切削方式下不同的性能，獲得了最大的切削力、最大的加工表面殘余壓應(yīng)力和最小的表面粗糙度。

在速度-進(jìn)給方向橢圓超聲振動(dòng)切削中，刀具切削刃與工件已加工表面持續(xù)接觸，僅僅是刀尖圓弧與切削區(qū)過渡表面周期性接觸與分離，因此，納米粒子難以直接進(jìn)入刀具-工件界面，而是在刀具背離進(jìn)給方向振動(dòng)時(shí)進(jìn)人刀尖圓弧與過渡表面之間。當(dāng)?shù)毒呦蜻M(jìn)給方向振動(dòng)時(shí)，進(jìn)人刀尖圓弧前端的納米粒子會(huì)被刀具擠壓碾人工件表面（圖15），產(chǎn)生額外的切深抗力，導(dǎo)致三種納米流體微量潤(rùn)滑條件的切深抗力均大于Wet和MQL工況，表明超聲振動(dòng)切削與納米粒子的協(xié)同作用也可能產(chǎn)生負(fù)面效果，需要針對(duì)性地進(jìn)行研究。

由于刀具后刀面與工件的持續(xù)接觸，所以進(jìn)入刀具-工件界面的納米粒子大多被擠壓碾人工件表面。在此情況下，金剛石納米粒子難以產(chǎn)生滾動(dòng)減摩效應(yīng)，反而會(huì)作為硬質(zhì)點(diǎn)阻礙刀具運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生額外的切削力，導(dǎo)致其主切削力最大。而石墨烯納米片層間剪切效應(yīng)發(fā)生在內(nèi)部，仍然可以產(chǎn)生減摩潤(rùn)滑效果，從而減小石墨烯納米流體和復(fù)合納米流體潤(rùn)滑條件下的主切削力。

在速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削過程中，刀具不存在相對(duì)于工件表面的徑向沖擊，所以不會(huì)產(chǎn)生周期性凹坑微結(jié)構(gòu)從而額外增大加工表面粗糙度，進(jìn)給方向振動(dòng)的刀具會(huì)反復(fù)碾壓已加工表面以及刀具兩次進(jìn)給之間的殘留區(qū)域，產(chǎn)生往復(fù)熨壓效應(yīng)，使加工表面更加光滑。施加納米流體后，石墨烯納米片可以鋪展在刀具-工件界面并產(chǎn)生層間剪切效應(yīng)，減小刀具對(duì)已加工表面的劃傷和黏結(jié)損傷，進(jìn)一步減小表面粗糙度，而金剛石納米粒子更可以與刀具超聲協(xié)同效應(yīng)，在刀具推動(dòng)下可以對(duì)工件表面產(chǎn)生微加工形成拋光效應(yīng)，從而較其余加工工況產(chǎn)生更光滑的加工表面。

在速度-進(jìn)給方向橢圓超聲輔助切削條件下，進(jìn)給量極小，材料去除率較低，因此，雖然切削速度較高，切削熱依然被控制在一定范圍內(nèi)，加工表面熱應(yīng)力的影響較小，切削力主導(dǎo)的機(jī)械應(yīng)力是加工表面殘余應(yīng)力的主要成因，因此不同潤(rùn)滑方式的加工表面均獲得了殘余壓應(yīng)力。

相比于無振動(dòng)切削過程，進(jìn)給方向振動(dòng)導(dǎo)致的刀具與切削區(qū)周期性分離可以進(jìn)一步減弱切削熱的累積，并強(qiáng)化冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)切削區(qū)的冷卻效果，使加工表面的熱應(yīng)力更小，從而獲得了更大的加工表面殘余壓應(yīng)力。同時(shí)，相比于棕櫚油微量潤(rùn)滑，采用納米流體進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí)，一方面其冷卻效率更高，可以更有效減小熱應(yīng)力；另一方面，納來粒子被擠壓時(shí)產(chǎn)生更大的切深抗力（圖14a），導(dǎo)致更大的機(jī)械應(yīng)力，從而共同增大了加工表面的殘余壓應(yīng)力。金剛石納米流體微量潤(rùn)滑加工表面較大的殘余壓應(yīng)力也主要?dú)w因于該工況下更大的切削力。

3結(jié)論

1）速度-切深方向橢圓超聲輔助低速切削條件下，刀具與工件/切屑周期性分離，可以減小主切削力。但超聲振動(dòng)刀具對(duì)工件表面存在沖擊作用，會(huì)增大切深抗力、表面粗糙度和殘余壓應(yīng)力。橢圓超聲振動(dòng)有利于金剛石納米粒子的滾珠效應(yīng)和石墨烯納米片層間剪切效應(yīng)的發(fā)揮，使納米流體潤(rùn)滑工況下的切削力和表面粗糙度都小于棕櫚

油潤(rùn)滑工況下的切削力。

2）速度-切深方向橢圓超聲輔助高速切削條件下，刀具-切屑不再分離，超聲振動(dòng)的減摩效果降低，但可以抑制切削溫度上升并削弱加工表面材料黏結(jié)，從而提高加工表面光潔度并在加工表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。納米粒子的減摩增潤(rùn)效應(yīng)被高速切削導(dǎo)致的刀具表面材料黏結(jié)所削弱，但其增強(qiáng)換熱的效果依然可以增大加工表面殘余壓應(yīng)力。

3）速度-進(jìn)給方向橢圓超聲振動(dòng)可以減小主切削力和表面粗糙度并增大加工表面殘余壓應(yīng)力。該工藝下刀具與已加工表面持續(xù)接觸，納米粒子容易被擠壓進(jìn)入工件表面從而增大切深抗力，但石墨烯納米片依然可以產(chǎn)生減摩和促進(jìn)換熱的效果，從而減小主切削力和表面粗糙度并增大殘余壓應(yīng)力。

4）金剛石納米流體在速度-切深方向橢圓超聲輔助低速切削中可以有效發(fā)揮滾珠效應(yīng)以減小主切削力，但在速度-進(jìn)給方向超聲振動(dòng)和較高切削速度條件下以劃擦運(yùn)動(dòng)為主，減摩效果較弱，但可以產(chǎn)生拋光效應(yīng)，減小加工表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)：

[1]SAID Z，GUPTA M，HEGAB H，et al.A Comprehensive Review on Minimum Quantity Lubrication（MQL）in Machining Processes Using Nanocutting Fluids[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2Ol9，105： 2057-2086.

[2] AMIRILSAS，RAHIMEA，SYAHRULLAILS. A Review on Ionic Liquids as Sustainable Lubricants in Manufacturing and Engineering：Recent Research，Performance，and Applications[J]. Journal of Cleaner Production，2017，168：1571-1589.

[3] YILDIRIMCV，SARIKAYA M，KIVAK T，et al. The Effect of Addition of hBN Nanoparticles to Nanofluid-MQL on Tool Wear Patterns，Tool Life， Roughness and Temperature in Turning of Ni-based Inconel 625[J]. Tribology International，2019， 134：443-456.

[4] ABDR E，DORAIRAJU H.Evaluation of Mist Flow Characteristic and Performance in Minimum Quantity Lubrication（MQL）Machining[J].Measurement，2018，123：213-225.

[5] LIU Guoliang，ZHENG Jintao，HUANG Chuanzhen， et al.Coupling Effect of Micro-textured Tools and Cooling Conditions on the Turning Performance of Aluminum Alloy 6o61[J]. Advances in Manufacturing，2023，11（4）：663-681.

[6]ZHAO Guolong，XIN Lianjia，LI Liang，et al. Cutting Force Model and Damage Formation Mecha nism in Milling of 70wt% Si/Al Composite[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2023，36（7）：114-128.

[7]LIU Kuo，ZHANG Jie，LI Jian，et al. Experiment Study of Surface Formation Mechanism during Cryogenic Turning of PEEK[J]. Journal of Manufacturing Processes，2023，104：322-333.

[8]SIRIN S，SARIKAYA M，YILDIRIM C V，et al. Machinability Performance of Nickel Alloy X-750 with SiAlON Ceramic Cutting Tool under Dry， MQL and HBN Mixed Nanofluid-MQL[J]. Tribology International，2021，153：106673.

[9]ALBERTELLI P，STRANO M，MONNO M. Simulation of the Effects of Cryogenic Liquid Nitrogen Jets in Ti6Al4V Milling[J]. Journal of Manufacturing Processes，2023，85：323-344.

[10]HE Tao，LIU Niancong，XIA Long，et al. Progress and Trend of Minimum Quantity Lubrication （MQL）：a Comprehensive Review[J]. Journal of Cleaner Production，2023，386：135809.

[11]GUPTA M K，JAMIL M，WANG Xiaojuan，et al. Performance Evaluation of Vegetable Oil-based Nano-cutting Fluids in Environmentally Friendly Machining of Inconel-8oo Alloy[J]. Materials， 2019，12（17）：2792.

[12]YILDIRIM C V. Experimental Comparison of the Performance of Nanofluids，Cryogenic and Hybrid Cooling in Turning of Inconel 625[J]. Tribology International，2019，137：366-378.

[13] DARSHAN C，JAIN S，DOGRA M，et al. Machinability Improvement in Inconel-718 by En hanced Tribological and Thermal Environment Using Textured Tool[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2019，138：273-285.

[14] MUSAVI S H，DAVOODI B，NIKNAM S A. Effects of Reinforced Nanoparticles with Surfactant on Surface Quality and Chip Formation Morphology in MQL-turning of Superalloys[J]. Journal of Manufacturing Processes，20l9，40：128- 139.

[15] DAS A，PRADHAN O，Patel S K，et al. Performance Appraisal of Various Nanofluids during Hard Machining of AISI 4340 Steel[J]. Journal of Manufacturing Processes，2019，46 ：248-270.

[16] LIMS K，AZMI W H，JAMALUDIN A S，et al. Characteristics of Hybrid Nanolubricants for MQL Cooling Lubrication Machining Application [J]. Lubricants，2022，10（12）：350.

[17] SHARMA A K，TIWARI A K，DIXIT A R，et al. Novel Uses of Alumina/Graphene Hybrid Nan- oparticle Additives for Improved Tribological Properties of Lubricant in Turning Operation[J]. Tribology International，2018，119：99-111.

[18] NI Chenbing，ZHULida. Investigation on Machi- ning Characteristics of TC4 Alloy by Simultaneous Application of Ultrasonic Vibration Assisted Mill- ing（UVAM） and Economical-environmental MQL Technology[J]. Journal of Materials Processing Technology，2020，278;116518.

[19] KUMAR M N，SUBBUSK，KRISHNA P V，et al. Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining： a Review [J].Procedia Engineering，2014.97：1577-1586.

[20] HOANG T D，NGO Q H， CHU N H，et al. Ul- trasonic Assisted Nano-fluid MQL. in Deep Drilling of Hard-to-cut Materials[J]. Materialsand Manu- facturing Processes，2022，37（6）：712-721.

[21] GAO Teng，ZHANG Xianpeng，LI Changhe，et al. Surface Morphology Evaluation of Multi-angle2D Ultrasonic Vibration Integrated with Nanofluid Minimum Quantity Lubrication Grinding[J]. Jour- nal of Manufacturing Processes，2020，51：44-61.

[22] 王德祥，張宇，江京亮，等.離子液基和棕櫚油基 納米流體在鎳基高溫合金微量潤(rùn)滑磨削界面的摩擦學(xué)機(jī)理研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，60（19）：159-171.WANG Dexiang，ZHANG Yu，JIANG Jingliang， et al. Study on Tribological Mechanism of Ionic Liquid and Palm Oil Based Nanofluids in Micro- lubricated Grinding Interface of Nickel-based High- temperature Alloys[J]. Journal of Mechanical En- gineering，2024，60（19）：159-171.

[23] 張翔宇，路正惠，彭振龍，等.鈦合金的高質(zhì)高效 超聲振動(dòng)切削加工[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021.57（5）：133-147.ZHANG Xiangyu，LU Zhenghui，PENG Zhen long， et al. High Quality and High Efficiency Ul- trasonic Vibration Machining of Titanium alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57（5）：133-147.

（編輯袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：鄭金潘，男，1998年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槌曒o助納米流體微量潤(rùn)滑車削技術(shù)。E-mail：zhengjintao_2024@163.com。劉國(guó)梁*（通信作者），男，1990年生，博士、教授。研究方向?yàn)楦咝阅芫G色加工技術(shù)。E-mail：liuguoliang@qut.edu.cn.本文引用格式：

鄭金滔，馬浩然，王進(jìn)，等.超聲輸助納米流體微量潤(rùn)滑車削鈦合金實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2025，36（4）：743-752.

ZHENG Jintao，MA Haoran， WANG Jin， et al. Experimental Study of Ultrasonic Vibration Assisted Turning Titanium Alloys with Nanofluid MQL[J]ChinaMechanical Engineering， 2025，36（4）：743-752.