CN104263466A - 一种纳米磁性切削液及其制备和应用 - Google Patents

一种纳米磁性切削液及其制备和应用 Download PDF

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王灵玲
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Abstract

本发明涉及一种纳米磁性切削液及其制备和应用，切削液原料包括Fe3O4纳米磁颗粒、表面活性剂、机械基础油。制备：在无氧环境下，将Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂混合，搅拌充分使磁颗粒被充分包裹，再加入机械基础油，搅拌均匀，滤除沉降物，即得。应用于铣削钛合金。本发明使刀具切削区的切削阻力、刀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

一种纳米磁性切削液及其制备和应用
技术领域
本发明属于切削液及其制备和应用领域，特别涉及一种纳米磁性切削液及其制备和应用。
背景技术
目前，在切削钛合金时，常采用的冷却/润滑方式有水基、氮气介质、空气油雾介质、氮气油雾介质、低温氮气射流、微量润滑、过热水蒸气等。在高切削温度产生蒸汽的阻挡下，切削冷却液往往不能到达刀尖部位，对刀具磨损的抑制作用不能有效发挥，使传统的冷却润滑方法往往并不能取得预期的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米磁性切削液及其制备和应用，本发明的纳米磁性切削液和现有油基切削液相比，其切削区的切削阻力、刀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。
本发明的一种纳米磁性切削液，所述切屑液原料包括Fe3O4纳米磁颗粒、表面活性剂、机械基础油，其中Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂约1-2g:2-5ml混合，稳定溶液(Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂的总和)与机械基础油的体积比为1:15到1:5。所述表面活性剂为油酸C18H34O2。所述Fe3O4纳米磁颗粒为亲油性Fe3O4纳米磁颗粒；机械基础油为5号白油、32号机械基础油等。
所述亲油性Fe3O4纳米磁颗粒的粒径为10-20nm。
本发明的一种纳米磁性切削液的制备方法，包括：
无氧条件下，将Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂混合，搅拌充分使磁颗粒被充分包裹，再加入机械基础油，搅拌均匀，滤除沉降物，即得纳米磁性切削液。
所述搅拌充分的时间为3-10h。
本发明的纳米磁性切削液的应用，其特征在于：纳米磁性切削液用于铣削钛合金，铣削参数采用主轴转速1000r/min～5000r/min，根据粗加工与精加工要求设定相应的进给量和背吃刀量。切削液喷嘴指向刀具的前刀面，压力约为0.15MPa，常温，出油量约为19L/min。外界施加与刀具前刀面滑痕垂直的梯度磁场，效果更佳。
有益效果
本发明的纳米磁性切削液和现有油基切削液相比，其切削区的切削阻力、刀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。
附图说明
图1为实验测量系统框图；
图2为不同条件下50Hz处的幅值；
图3为刀片前、后刀面在不同切削液条件下的SEM照片，其中(a)为纯5号白油切削液条件下刀具的刃口磨损情况，(b)含有Fe3O4纳米磁颗粒的5号白油条件下刀具的磨损情况，(c)使用(b)同样浓度的切削液，再施加梯度磁场的磨损情况。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂混合，搅拌充分使磁颗粒被充分包裹，再加入机械基础油，搅拌均匀，滤除沉降物，即得纳米磁性切削液，其中Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂约1:2(g:ml)混合，得到的稳定溶液与机械基础油的体积比为1:15。
实施例2
将Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂混合，搅拌充分使磁颗粒被充分包裹，再加入机械基础油，搅拌均匀，滤除沉降物，即得纳米磁性切削液，其中Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂约1:2(g:ml)混合，得到的稳定溶液与机械基础油的体积比为1:5。
实施例3
分别对采用纯机械基础油、无外加磁场的纳米磁性切削液和施加梯度磁场下的纳米磁性切削液三种不同情况下的电流信号进行测量。采用如图1所示实验测量系统，使用HFR-EKA霍尔电流传感器采集铣床主轴电机的电流信号，采样频率为50000Hz，并将信号输到示波器，示波器型号为Tektronix DPO4034B。
实验采用电流法监测铣削力，并结合傅里叶变换的信号处理方法，从含有各种噪声信号的工作电流中提取出切削力特征，对刀具与工件之间的摩擦情况进行分析。
切削在数控摇臂铣床上完成，型号为XK6325B，主轴电机为变极多速三相异步电动机，频率为50Hz。采用φ10的TIALN涂层硬质合金刀，切削试样为Ti6Al4V。切削参数为转速3000r/min，进给量1500mm/min，背吃刀量1mm，顺铣。切削液喷嘴指向刀具前刀面，出油量约为19L/min，常温，压力约为0.15MPa。
1.不同切削液条件下的切削力分析：
当切削力发生变化时，必然会使电机的驱动力矩发生变化，驱动力矩和输入电机电流成比例关系。电流大小会直接影响傅里叶变换的谐波分量幅值。由此，我们可以根据电流信号傅里叶变换的谐波分量幅值大小来观察机床刀具切削力的变化情况。
图2为不同条件下50Hz处的幅值，可以看出采用纳米磁性切削液的幅值总体较32号切削油低，而且标准差也较低。说明采用纳米磁性切削液，主轴电机电流较小，其变化离散性也较小，电流稳定。由此，可以推断使用纳米磁性切削液时，刀具与工件之间的铣削力较小，而且较稳定。
同样使用纳米磁性切削液，在没有外磁场作用和施加梯度磁场两种情况下的润滑效果。从图2可以看出没有外磁场作用时，切削初期由于纳米磁性切削液充分接触切削加工部位，润滑效果明显。但是，在实验编号为5到8之间，其电流信号傅里叶变换的谐波分量幅值比32号切削油的还要大，说明加工时，当磁性微粒不能大量有效地到达切削部位，润滑效果下降。施加梯度磁场时，图2显示其幅值持续较低，说明能使其润滑效果持续稳定。
2.刀具磨损与切削液条件的关系
将机械基础油改为5号白油，其他的实验条件及实验方案与上相同。使用日本电子的JSM-6510扫描电镜观察三种条件下的刀具磨损情况，如图3所示。
可看出铣削钛合金相同加工量后，(a)纯5号白油切削液条件下刀具的刃口磨损最严重，(b)含有Fe3O4纳米磁颗粒的5号白油也有少量磨损，(c)使用(b)同样浓度的切削液，再施加梯度磁场的磨损极少。

Claims (7)

1.一种纳米磁性切削液，其特征在于：所述切屑液原料包括Fe3O4纳米磁颗粒、表面活性剂、机械基础油，其中Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂比例为1-2g:2-5ml，Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂的总和与机械基础油的体积比为1:15-1:5。
2.根据权利要求1所述的一种纳米磁性切削液，其特征在于：所述表面活性剂为油酸C18H34O2。
3.根据权利要求1所述的一种纳米磁性切削液，其特征在于：所述Fe3O4纳米磁颗粒的粒径为10-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米磁性切削液，其特征在于：所述Fe3O4纳米磁颗粒为亲油性Fe3O4纳米磁颗粒；机械基础油为5号白油、32号机械基础油中的一种。
5.一种如权利要求1-4任一所述的纳米磁性切削液的制备方法，包括：
无氧条件下，将Fe3O4纳米磁颗粒与表面活性剂混合，搅拌充分使磁颗粒被充分包裹，再加入机械基础油，搅拌均匀，滤除沉降物，即得纳米磁性切削液。
6.根据权利要求1-4任一所述的纳米磁性切削液的应用，其特征在于：纳米磁性切削液用于铣削钛合金。
7.根据权利要求6所述的一种纳米磁性切削液的应用，其特征在于：所述铣削钛合金的具体工艺参数为：铣削参数采用主轴转速1000r/min～5000r/min，切削液喷嘴指向刀具的前刀面，压力约为0.15MPa，常温，出油量约为19L/min，外界施加与刀具前刀面滑痕垂直的梯度磁场。
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