CN112958848A - 富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法 - Google Patents

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黄景山
刘国亮
王山城
孙浩
许浩
朱常锋
曹新城
蓝启鑫
王希
陈彬强
蔡志钦
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Xiamen Funa New Material Technology Co ltd
Xiamen University
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Xiamen Funa New Material Technology Co ltd
Xiamen University
AECC Harbin Dongan Engine Co Ltd
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Abstract

富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，涉及机械加工方法和切削油。通过分散耦合方法制备富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油，施加在高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中，刀具与工件接触面间滚动/滑动混合摩擦，降低切削力/切削热。富勒烯纳米球粒子切削油包含富勒烯纳米球粒子0.002％～0.038％；原切削油98.00％～99.48％；分散耦合剂0.50％～2.00％。主要用于齿轮插齿刀可实现的切削加工物理特性金属材质场景。富勒烯纳米球粒子随切削油渗入插齿刀具与工件或切屑接触面间，以滚代滑地改变原有摩擦作用形式，降低切削刀具前后刀面磨损，减少刀具崩刃现象、延缓刀具使用寿命，提高生产效率。

Description

富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法
技术领域
本发明属于机械加工方法和切削油领域，具体是涉及一种富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法。
背景技术
球状富勒烯C60是由60个碳原子相结合而形成的稳定分子，C60分子是目前发现的三维空间中存在的最对称和最圆的分子，这种高度的对称性使得球面上的碳原子能分摊一定的外部压力，单分子C60不仅十分稳定，还异常坚固，理论预测一个C60分子的体积模量可以高达800～900GPa。由于富勒烯C60结构为球形空心球结构颗粒，其悬浮在切削油中被嵌入刀具与工件的接触摩擦面间受到挤压推动易发生滚动,这样可以改变刀具与工件接触面间的摩擦特性并延缓刀具磨损。
航空发动机系统齿轮传动件使用的一些高性能齿轮钢材料硬度偏高(HRC48～52)，加工中插齿刀具前后刀面极易磨损，造成刀具寿命短，而且还容易出现“崩刃”现象，较难保证被加工件精度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述高性能齿轮钢材料的插削加工技术难题，提供主要用于齿轮插齿刀可实现的切削加工物理特性金属材质场景，降低切削刀具前后刀面磨损，减少刀具出现“崩刃”现象、延缓刀具使用寿命，提高生产效率的一种富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法。
本发明包括以下步骤：
1)通过分散耦合方法制备富勒烯纳米球粒子切削油；
2)将富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油，施加在高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中，刀具与工件接触面间滚动/滑动混合摩擦，以降低切削力/切削热。
在步骤1)中，所述富勒烯纳米球粒子切削油由原切削油、富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂组成；按重量百分比：富勒烯纳米球粒子0.002％～0.038％；原切削油98.00％～99.48％；分散耦合剂0.50％～2.00％；其中，富勒烯纳米球粒子的成分比例根据具体的插齿刀具与工件材料特性、通过针对性的摩擦磨损试验和大数据分析进行调整；
所述制备富勒烯纳米球粒子切削油的具体步骤可为：在常温条件下，将原切削油、富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂进行2～5h的电磁搅拌混合，并经过1～3h的超声波振动，制备得到稳定的富勒烯纳米球粒子切削油；
所述富勒烯纳米球粒子的颗粒直径为1.1～1.3nm，分子呈中空心球型结构，密度为1.60～1.68g/cm3；所述原切削油的密度为0.8～0.9g/cm3；优选所述富勒烯纳米球粒子的颗粒直径可为1.2nm左右，密度可为1.65g/cm3；所述原切削油的密度可为0.869g/cm3。
在步骤2)中，所述高性能齿轮钢材料的硬度可达HRC48～52；所述将富勒烯纳米球粒子切削油施加在高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中的具体方法可为：在齿轮插削加工前，将富勒烯纳米球粒子切削油加入到插削机床切削液循环系统，富勒烯纳米球粒子切削油中的富勒烯纳米球粒子随切削油渗入插齿刀具与工件或切屑接触面间，刀具与工件接触面间滚动/滑动混合摩擦，从而降低切削力/切削热。
本发明针对齿轮插齿刀具可实现的切削加工物理特性金属材料，提供一种能降低切削刀具前后刀面磨损，减少刀具出现“崩刃”现象、延缓刀具使用寿命的高性能齿轮钢插削工艺使用方法，提高生产效率。该方法主要用于齿轮插齿刀可实现的切削加工物理特性金属材质场景。富勒烯纳米球粒子随切削油渗入插齿刀具与工件或切屑接触面间，“以滚代滑”地改变原有摩擦作用形式(以球滚动摩擦替换滑动摩擦)。
本发明的工作原理如下：
溶于切削油均匀搅拌后的富勒烯纳米球粒子密度更接近水和原切削油的密度，因此容易通过分散耦合制备方法悬浮于切削油中、随切削油渗入刀具与工件或切屑接触面间；富勒烯纳米球粒子具有高的抗压强度，经过静压摩擦试验可承受几百GPa的摩擦表面压强；且富勒烯纳米球粒子耐高温，其碳笼结构分子具有高的热稳定性，熔点达3000℃以上。将富勒烯纳米球粒子切削油施加到高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中，富勒烯纳米球粒子随切削油渗入插齿刀具与工件或切屑接触面间，“以滚代滑”地改变原有摩擦作用形式(以球滚动摩擦替换滑动摩擦)。
与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：
本发明提供富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油的工艺使用方法。本发明利用“以滚代滑”的摩擦作用形式改变刀具与工件接触面间的摩擦特性(滚动/滑动混合摩擦代替滑动摩擦)，从而降低切削力/切削热，将含有纳米球粒子冷却切削油渗入到切削过程II变形区和III变形区之间以改变摩擦特性，从而降低切削力。航空发动机系统齿轮传动件使用的一些高性能齿轮钢材料硬度偏高，使用本发明所述供富勒烯纳米球粒子切削油能显著降低切削刀具前后刀面磨损，减少刀具出现“崩刃”现象、延缓刀具使用寿命，在高性能齿轮钢插削工艺中应用可明显提高生产效率。本发明为高性能齿轮钢零件的制造工艺技术提供技术支撑。本发明可用于齿轮插齿刀可实现的切削加工物理特性金属材质场景。
附图说明
图1为富勒烯纳米球粒子在金属切削过程中对三个变形区的作用原理图。
图2为富勒烯纳米球粒子切削油在高性能齿轮钢插削过程中的应用示意图。
图3为本发明提供的富勒烯纳米球粒子切削油润滑下与未添加富勒烯纳米球粒子的切削油润滑下的插削过程中径向切削力对比图。其中，(a)为原切削油；(b)为富勒烯纳米球粒子切削油。
图4为本发明提供的富勒烯纳米球粒子切削油润滑下与未添加富勒烯纳米球粒子的切削油润滑下的插削过程中轴向切削力对比图。其中，(a)为原切削油；(b)为富勒烯纳米球粒子切削油。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明实施例首先提供一种富勒烯纳米球粒子切削油，其特点是：溶于切削液均匀搅拌后的富勒烯纳米球粒子的颗粒直径是1.2nm左右，其分子呈中空心球型结构，密度为1.65g/cm3，更接近水(密度：1.00g/cm3)和原切削油(密度：0.869g/cm3)的密度，因此容易通过分散耦合制备方法悬浮于切削油中、随切削油渗入刀具与工件或切屑接触面间；富勒烯纳米球粒子具有高的抗压强度，经过静压摩擦试验可承受几百GPa的摩擦表面压强；且富勒烯纳米球粒子耐高温，其碳笼结构分子具有高的热稳定性，熔点达3000℃以上。
富勒烯纳米球粒子切削油由原切削油、富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂组成，在常温条件下，制备富勒烯纳米球粒子切削油时，需要把以上成分在使用前进行2h的电磁搅拌混合，并经过1h的超声波振动，保证混合充分均匀，从而制备得到稳定的富勒烯纳米球粒子切削油。
富勒烯纳米球粒子切削油的成分重量比组成是：
富勒烯纳米球粒子：0.002％～0.038％；
切削油：98.00％～99.48％；
分散耦合剂：0.50％～2.00％。
富勒烯纳米球粒子切削油的富勒烯纳米球粒子成分比例根据具体的插齿刀具与工件材料特性、通过针对性的摩擦磨损试验和大数据分析最终确定。
本发明以原切削油作为基础油，添加富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂混合制备为富勒烯纳米球粒子切削油，原料易得，均可采用市售商品。其中，原切削油可采用32号机械油,富勒烯纳米球粒子可采用市售富勒烯C60。
本发明还提供一种富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特点是：将制备成的富勒烯纳米球粒子切削油施加到高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺。
所述高性能齿轮钢的硬度可高达HRC48～52。
本发明可将富勒烯纳米粒子用于高性能齿轮钢切削油中。纳米球粒子的存在将切屑与刀具之间部分的滑动摩擦转化为滚动摩擦，如图1所示，将含有纳米球粒子的冷却切削油渗入到切削过程II变形区和III变形区之间以改变摩擦特性。在II变形区降低切屑与前刀面间的摩擦系数、在III变形区降低切屑与后刀面间的摩擦系数，从而减小切屑形成过程中的摩擦角、增大剪切角、降低切屑的变形系数，在切屑形成过程中减小工件刀具受到的切削力及切削力波动，从而减少加工刀具前后刀面的磨损、延缓刀具使用寿命、促进工件精度的保持。
下面实施例将结合附图以插齿为例详细描述本发明，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
按比例将富勒烯纳米球粒子、原切削油和微量耦合剂进行混合，利用大功率搅拌器在常温条件下进行2h的电磁搅拌混合，并经过1h的超声波振动，准确配制得到100L稳定悬浮的富勒烯纳米球粒子切削油。
将制备成的100L富勒烯纳米球粒子切削油添加到插齿机的切削油循环系统中。内花键工件材料为齿轮钢，硬度高达HRC48～52。如图1和2所示，在高性能齿轮钢齿轮插削过程中，富勒烯纳米球粒子被注入到内花键工件和插齿刀之间，渗入到切削过程II变形区和III变形区，将工件切屑与插齿刀之间部分的滑动摩擦转化为滚动摩擦，以改变摩擦特性。
富勒烯纳米球粒子切削油与原切削油下的插削力对比图如图3、4所示。可见，富勒烯纳米球粒子对插削力的降低改善十分显著，这将利于减少加工刀具前后刀面的磨损、延缓刀具使用寿命、促进工件精度的保持。
以上详细描述本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.富勒烯纳米球粒子切削油，其特征在于由原切削油、富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂组成。
2.如权利要求1所述富勒烯纳米球粒子切削油，其特征在于按重量百分比：富勒烯纳米球粒子0.002％～0.038％；原切削油98.00％～99.48％；分散耦合剂0.50％～2.00％。
3.富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过分散耦合方法制备如权利要求1所述富勒烯纳米球粒子切削油；
2)将富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油，施加在高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中，刀具与工件接触面间滚动/滑动混合摩擦，以降低切削力/切削热。
4.如权利要求3所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于在步骤1)中，所述富勒烯纳米球粒子切削油的制备方法为：在常温条件下，按比例将原切削油、富勒烯纳米球粒子、分散耦合剂进行电磁搅拌混合，并经过超声波振动，制备得到稳定的富勒烯纳米球粒子切削油。
5.如权利要求4所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于所述电磁搅拌混合的时间为2～5h。
6.如权利要求4所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于所述超声波振动的时间为1～3h。
7.如权利要求4所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于所述富勒烯纳米球粒子的颗粒直径为1.1～1.3nm，分子呈中空心球型结构，密度为1.60～1.68g/cm3；所述原切削油的密度为0.8～0.9g/cm3。
8.如权利要求7所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于所述富勒烯纳米球粒子的颗粒直径为1.2nm，密度为1.65g/cm3；所述原切削油的密度为0.869g/cm3。
9.如权利要求3所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于在步骤2)中，所述高性能齿轮钢的材料硬度为HRC48～52。
10.如权利要求3所述富勒烯纳米球粒子切削油的齿轮插削工艺使用方法，其特征在于在步骤2)中，所述将富勒烯纳米球粒子切削油作为高性能齿轮钢切削油，施加在高性能齿轮钢的齿轮插削加工工艺中的具体方法为：在齿轮插削加工前，将富勒烯纳米球粒子切削油加入到插削机床切削液循环系统，富勒烯纳米球粒子切削油中的富勒烯纳米球粒子随切削油渗入插齿刀具与工件或切屑接触面间，刀具与工件接触面间滚动/滑动混合摩擦，从而降低切削力/切削热。
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