CN101760285B

CN101760285B - 纳米磨削工艺及纳米磨削液

Info

Publication number: CN101760285B
Application number: CN 201010004222
Authority: CN
Inventors: 李长河; 侯亚丽; 刘占瑞; 杜超; 房赞; 赵婷婷
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2030-01-11
Also published as: CN101760285A

Abstract

本发明属于一种机械加工的方法和材料，即一种纳米磨削工艺及纳米磨削液。其纳米磨削工艺是将固体物质的纳米级颗粒施加到磨削过程中。纳米磨削液是由固体物质的纳米级粒子和液体磨削液混合而成。本发明的有益效果是：纳米磨削液和现有水基或油基磨削液相比，其磨削区的温度、表面粗糙度、磨削阻力、磨具损耗等指标均大幅度降低，加工质量和经济效益显著提高，因而具有较高的应用价值和市场前景。

Description

纳米磨削工艺及纳米磨削液

技术领域

本发明属于一种机械加工的方法和材料，即一种纳米磨削工艺及纳米磨削液。

背景技术

磨削是重要的精密加工方法，它主要用来提高工件表面精度和表面完整性。但是磨削过程中切屑层厚度比较薄，与切削相比相差几十倍至几百倍，如此小的切削厚度会使其比切削力非常大，比能很高，产生大量的热量，其中大约60％-95％的热量被传入工件，仅有不到10％的热量被切屑带走。这些传入工件的热量在磨削过程中常来不及传入工件深处，而聚集在工件表面层形成局部高温。工件表面温度常可高达1000℃以上，在表面层形成极大的温度梯度(可达600-1000℃/mm)，所以磨削的热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。特别是当温度在界面上超过某一临界值时就会引起表面的热损伤(表面的氧化、烧伤、残余应力和裂纹)，其结果将会导致零件的抗磨损性能降低，应力锈蚀的灵敏性增加、抗疲劳性变差，从而降低零件的使用寿命和工作可靠性。同时，磨削周期中工件的累积温升，也导致工件产生尺寸精度和形状精度误差。此外，磨削热会加剧砂轮的磨损，导致加工成本的提高。

为了消除或降低磨削热的影响，人们采用流动导热介质参与磨削过程，达到了带走热量的目的。目前采用的流体导热介质主要有液体和气体两种。气体主要是冷气喷射。液体有液氮和磨削液等，其中，应用最广的是磨削液。目前使用的磨削液可以分为两大类：即油基磨削液和水基磨削液。油基磨削液一般是在各种纯矿物油中加入极性添加剂等成份，为了环保的目的，也有采用植物油做主要成份的。水基磨削液又分为乳化液和溶解液两种，乳化磨削液为油和水的乳化液，溶解磨削液是在水中加入可溶性的合成润滑剂形成的溶解液。磨削液的功能主要有以下四个方面：润滑作用；冷却作用；清洗作用；防锈作用等。油基磨削液润滑性能优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好。

由常识可知，物质的导热性能与物质的密度有关，一般来说，密度越大导热性能越好。由此可以推论固体物的导热性能优于液体。可是，由于固体物质流动性差，既难于参与磨削过程，又很难带走热量，所以还没有得到重视。

发明内容

本发明的目的是提供一种固体介质参与磨削过程的磨削工艺。

本发明的又一目的是提供一类有固体颗粒参与，既有优越的导热性能，又有良好的流动性能的磨削介质。

本发明的另一目的是提供一种纳米磨削介质的制造方法。

上述目的是由以下技术方案实现的：提供一种纳米磨削工艺，其特点是：将固体物质的纳米级颗粒施加到磨削过程中。

提供一种纳米磨削液，其特点是：这种纳米磨削液是由固体物质的纳米级粒子和液体磨削液混合而成。

所说的固体物质是金属物质。

所说的金属物质是铜或铝或锌。

所说固体物质是氧化物。

所说的氧化物是氧化铝或氧化锌或氧化锆。

所说的纳米级固体粒子的粒度在1-100nm之间，纳米粒子的体积百分数含量为1-10vol％。

所说的纳米级固体粒子的粒度为60nm。

所说液体磨削液是水基磨削液。

所说液体磨削液是油基磨削液。

所说的纳米磨削液的加工方法是在纳米粒子和磨削液的混合液内添加稳定剂后，再采用超声波振动，得到稳定的悬浮液。

本发明的有益效果是：采用纳米磨削液的磨削过程和现有水基或油基磨削液相比，其磨削区的温度、表面粗糙度、磨削阻力、磨具损耗等指标均大幅度降低，加工质量和经济效益显著提高，因而具有较高的应用价值和市场前景。

具体实施方式

为了验证纳米磨削液的效果，我们做了大量实验。纳米磨削液和现有磨削液的对比实验，纳米磨削液的配方优选，包括材料、粒度、含量、配制方法等。现从中选出两个具体实验和一个实验资料统计数据来进行说明。

实验一：

a.实验目的：

考查纳米粒子磨削液和现有磨削液的磨削质量的差别。

b.实验准备：

本实验在斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床完成。采用CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，宽度为20mm。三相压电式磨削力测量仪(YDM-III99)，表面形貌仪(Talysurf)，红外热像仪(Thermovision A20M)。加工工件材料选用表面未经过处理的100mm×80mm×20mm 45#钢，硬度(HB)为230。纳米固体粒子选用Al₂O₃，直径大小为60nm。

c.实验方案：

本实验总共分为4组.

第1组采用目前应用较多的乳化水基磨削液；

第2组所用磨削液是在第1组实验所使用的水基磨削液基础上再添加体积分数为4vol％，直径大小为60nm的Al₂O₃纳米固体粒子，并在所得到的混合液内添加稳定剂，采用超声波振动的方式，得到稳定的悬浮状水基纳米磨削液；

第3组采用目前应用较多的油基磨削液，由矿物油中加入乳化剂、清洗剂、稳定剂、防锈剂等表面活性剂在一定温度下配制而成；

第4组采用的磨削液类型是在第3组实验所用的磨削液基础之上添加体积含量为4vol％的直径大小同样为60nm的Al₂O₃纳米固体粒子，并在所得到的混合液内添加稳定剂，采用超声波振动的方式，得到稳定的悬浮油基纳米磨削液。

这里的稳定剂为饱和脂肪酸，添加体积百分数含量为0.1-1vol％。超声波振动为通用的超声波振动装置，依靠1.6-2万次/分钟高频振动实现纳米粒子与磨削液的均匀混合。每组实验都采用相同的磨床和相同加工参数。磨削加工工艺参数：砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：W字形磨削，工作台移动速度：4m/min，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。整个实验的过程中，供液量均为40L/min。

d实验数据：

磨削区温度、法向切削力、切向切削力、表面粗糙度、砂轮磨损量、工件表面形貌等。实验数据见表1：

表1磨削加工实验测量数据

注：1.F_t：切向磨削力；F_n法向磨削力，单位：N/mm。

2.G比率为单位时间内去除材料的体积V与砂轮磨损体积V_w的比值，即G＝V/V_w。

3.工件表面形貌是通过对第1组和第2组加工的工件取样，对工件的表面组织进行电子扫描电镜观察，证明使用水基纳米磨削液进行磨削加工的工件表面质量明显优于传统水基磨削液加工质量。

e.实验结果分析：

一.数据对比：

1.纳米磨削液的导热性能明显提高。在磨削加工工艺参数完全相同的状况下，第2组磨削区的稳定温度比第1组降低了58℃，降幅达39％。第4组的磨削区温度比第3组降低了39℃，降幅达24％。说明纳米磨削液中的纳米粒子能够有效的吸收磨削热量，使工件的温度下降。

2.纳米磨削液的磨削质量明显提高。第2组比第1组的表面粗糙度降低17％，第4组比第3组的表面粗糙度降低14％。

3.纳米磨削液使磨削应力明显降低。第2组比第1组的切向应力和法向应力分别下降了26％和33％，第4组比第3组的切向应力和法向应力分别下降了30％和29％，说明磨削热传入砂轮的比率降低，砂轮保持锋锐时间增加。

4.纳米磨削液的磨具磨损明显降低。第2组比第1组的G比率提高46％，第4组比第3组的G比率提高了74％，说明纳米磨削液的润滑效果也有大幅度的提升，。

5.在防锈和清洗方面，纳米磨削液和传统磨削液性能持平。

二.机理分析：

纳米磨削液的良好磨削性能，首先来自于自身的传热性能，由于能够携带大量热能流动，而产生了的冷却、润滑等一系列优点。而纳米粒子的导热能力可能来源于以下几方面：

1.纳米磨削液跟传统磨削液相比，由于粒子与粒子、粒子与液体间的相互作用及碰撞，流动层流边界层被破坏，传热热阻减小，流动湍流强度得到增强，使得传热增加。

2.在相同粒子体积含量下，纳米粒子的表面积和热容量远大于毫米或微米级的粒子，因此纳米磨削液的导热系数大幅度增加。

3.由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，纳米粒子强烈的布朗运动有利于其保持稳定悬浮而不沉淀，可减小流动摩擦阻力系数，起到抗磨损的作用。

三.结论：

纳米磨削液的应用效果是可以肯定的。

实验二

a.实验目的：

本实验的目的是研究纳米粒子的大小以及纳米粒子添加体积分数的多少对磨削液导热系数的影响。

b.实验准备：

本实验同样在斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床完成。采用CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，宽度为20mm。三向压电式磨削力测量仪(YDM-III99)，表面形貌仪(Talysurf)，红外热像仪(Thermovision A20M)。加工工件材料选用表面未经过处理的50mm×100mm×20mm 45#钢，硬度(HB)为230。纳米固体粒子选用Al₂O₃。

c.实验设计：

在本实验过程中，选用Al₂O₃纳米粒子直径大小分别为20nm，40nm，60nm。体积分数为2vol％，4vol％，8vol％。研究纳米磨削液的传热系数的变化。

磨削加工工艺参数：砂轮线速度为45m/s，磨削方式为W字形磨削，工作台移动速度4m/min，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程。

实验数据见表2：

表2实验数据表

d.实验结果分析：

纳米粒子的体积份额和特性对纳米流体的导热系数有很大的影响。目前用理论的方法难以精确地描述纳米流体的导热系数，必须通过实验来确定纳米流体的导热系数。

根据表2可知，实验(1)、(2)、(3)组磨削区温度依次降低为138℃、120℃、112℃。此结果表明：在添加的纳米粒子大小相同时，随着纳米体积分数的增加，纳米磨削液的导热性能相应的增强，导热系数的提高，使得纳米磨削液在经过磨削区的时候所带走的有效热量增加，这样流入工件的热量就相应的减少。可见纳米磨削液中纳米粒子的体积分数的提高，能够有效提高磨削液的导热能力。

实验(4)、(5)、(6)对比可知，纳米直径的大小影响磨削液的导热系数，添加直径60nm的纳米粒子的油基磨削液比添加20nm纳米粒子的磨削液导热系数高。说明添加纳米粒子的直径较大时纳米磨削液的导热能力比较强。通过其他实验和统计分析得知，在纳米粒径超过100nm时导热系数增长趋缓，结合本实验(1)(2)(3)和(4)(5)(6)组磨削液稳定性指标的对比可知：添加体积含量为4vol％，直径大小为60nm的纳米粒子的综合指标为最优。

实验三

为了证明本方法应用的广泛性及实用性，发明人在不同基液磨削液中添加不同种类、不同尺寸、不同体积分数的纳米粒子，对纳米磨削的加工质量、表面完整性、磨削液稳定性以及生产成本等方面作了大量的实验工作，并且经过统计归纳得到了表3的数据：

综上可见：纳米磨削液具有很强的导热能力，对于加工工件的表面质量有很大的提高，在磨削加工领域中的应用前景十分的广阔。

Claims

1.一种采用纳米磨削液的纳米磨削工艺，其特征是，将固体物质的纳米级颗粒施加到磨削过程中：

它采用斯来福临K-P36精密数控平面磨床完成，采用CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，宽度为20mm；三相压电式磨削力测量仪以及表面形貌仪、红外热像仪；加工工件材料选用表面未经过处理的100mm×80mm×20mm 45#钢，硬度(HB)为230；

首先在矿物油中加入乳化剂、清洗剂、稳定剂、防锈剂制成油基磨削液，在该磨削液基础之上添加体积含量为4vol％的直径大小同样为60nm的Al₂O₃纳米固体粒子，并在所得到的混合液内添加稳定剂，采用超声波振动的方式，得到稳定的悬浮油基纳米磨削液；

其中，稳定剂为饱和脂肪酸，添加体积百分数含量为0.1-1vol％；超声波振动为通用的超声波振动装置，依靠1.6-2万次/分钟高频振动实现纳米粒子与磨削液的均匀混合；

然后进行磨削，磨削加工工艺参数：砂轮线速度为：45m/s，磨削方式：W字形磨削，工作台移动速度：4m/min，采用手动进给加工方式，切削深度5μm/每行程；整个磨削的过程中，供液量均为40L/min。