磨削加工冷卻潤滑現(xiàn)狀及展望

2017-11-29 作者：潤滑油情報網(wǎng)   來源：

隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，工程材料種類也在不斷增加。一些難加工材料，如鈦合金、高溫合金、難熔金屬及非金屬新型材料在軍工、航天等領域得到大量應用，同時也對其表面質(zhì)量和性能提出了更高的要求。磨削加工因其加工精度高、對工件材料適應性強等特點，被廣泛應用于當前加工行業(yè)。但磨削加工去除單位體積的材料所消耗的能量遠遠大于車、銑、鉆等其他機加工形式。磨削加工產(chǎn)生的能量大部分轉化為熱能，然而磨削加工中磨粒與工件的接觸時間短，形成的磨屑體積又非常小，僅能帶走加工過程中不到10%的熱量，70%～95%的熱量都會聚集在工件和砂輪表面，這無疑將會大大降低砂輪使用壽命和零件表面精度；同時工件表面聚集的熱量會產(chǎn)生熱應力，并最終影響加工表面質(zhì)量及其使用性能�；�于磨削區(qū)高溫高壓這一事實，國內(nèi)外專家學者對磨削區(qū)的冷卻潤滑展開了大量的研究工作。

澆注式潤滑
澆注式潤滑采用向磨削區(qū)連續(xù)灌溉大量磨削液的方法進行冷卻潤滑。磨削液冷卻作用可以大大降低磨削區(qū)溫度，使其低于砂輪軟化溫度，同時能夠減少由于熱量導致的磨粒磨損和工件材料粘附等現(xiàn)象。磨削液潤滑作用可以有效降低磨削力，提高工件表面質(zhì)量。此外，磨削液還具有清洗磨屑和防銹作用。

磨削加工過程中所使用的磨削液種類繁多，當前工業(yè)中常將磨削液分為水溶性磨削液與非水溶性磨削液兩類，非水溶性磨削液也稱為油基磨削液。水基磨削液冷卻性能優(yōu)良，成本較低，但潤滑性能并不理想，并且對黑色金屬材料具有一定的腐蝕性。油基磨削液是在礦物油中添加極壓劑、脂肪潤滑劑、黏度改性劑以及摩擦改性劑等添加劑合成的，油基磨削液潤滑性能較為理想，但價格較高且冷卻性能較差。

澆注式潤滑磨削液用量非常大，據(jù)統(tǒng)計美國年消耗各類切削液37.9萬噸，價值6.1億美元。磨削液成本往往占生產(chǎn)加工總成本的16%，而刀具成本僅占總成本的2%～4%。磨削液除經(jīng)濟成本較高外，還對環(huán)境和人體有較大危害，由于其生物降解能力差，且含有大量化學添加劑，一旦流入土壤或湖泊會發(fā)生長期滯留，造成嚴重污染；此外，磨削液產(chǎn)生的油霧會嚴重危害操作人員的身體健康，如增加引發(fā)食道癌、胃癌、胰腺癌、前列腺癌、結腸癌和直腸癌的風險。

干式磨削
基于磨削液經(jīng)濟成本較高且對環(huán)境和人體具有危害這一事實，學者們提出在保證工件表面質(zhì)量和砂輪壽命前提下廢除磨削液的使用。干式磨削加工對砂輪要求較高，應用于干式磨削加工的砂輪應具有較高的硬度和耐磨性，常用磨粒材料包括立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及聚晶金剛石(PCB)，通常價格較高。同時干式磨削加工對工件材料要求較高，需硬度適中且傳熱性能較好。

雖然干式磨削加工避免了磨削液的使用，有效降低了加工成本，也杜絕了磨削液對環(huán)境和人身健康的危害，但由于磨削區(qū)高溫高壓的特性，以及干式磨削對砂輪和工件材料較高的要求，限制了其在加工生產(chǎn)中的應用。

微量潤滑
基于澆注式潤滑對環(huán)境和人身健康危害較大且經(jīng)濟成本高，干式磨削約束條件多、實際應用范圍小的加工生產(chǎn)實際，相關學者們提出了準干式磨削，也稱為微量潤滑(Minimum Quantity Lubricant，MQL)。微量潤滑具體是指，將微量潤滑基油混入壓縮空氣中，并依靠高壓氣流進行混合霧化后噴入磨削區(qū)進行冷卻潤滑。

微量潤滑依靠高壓氣流達到磨削區(qū)冷卻和磨屑清洗的目的。高壓氣流能夠有效通過砂輪周邊的氣障層進入磨削區(qū)，并有效增加磨削區(qū)及周邊環(huán)境的對流換熱作用，從而降低磨削區(qū)溫度。同時壓縮空氣流能夠帶走加工中產(chǎn)生的磨屑，防止砂輪堵塞。微量潤滑依靠進入到磨削區(qū)的潤滑基油形成潤滑油膜，實現(xiàn)磨粒與工件表面之間的潤滑。澆注式潤滑磨削液耗量為單位砂輪寬度60 L/h，而微量潤滑加工中單位砂輪寬度磨削液消用量僅為30 mL/h～100 mL/h。雖然微量潤滑大大降低了磨削液的使用量，但其潤滑效果并沒有降低，一些工況下甚至強于澆注式潤滑。

為進一步提高磨削加工對環(huán)境的友好性，降低磨削液對環(huán)境和人身健康的危害，學者們以各類植物油作為基礎油進行了研究。王要剛等通過對比研究多種植物油微量潤滑磨削加工性能，得到不同植物油微量潤滑和澆注潤滑條件下的摩擦因數(shù)、比磨削能等磨削性能評價參數(shù)，結果表明蓖麻酸含量較高的蓖麻油以及棕櫚酸含量較高的棕櫚油更具有作為切削液使用的潛力。微量潤滑采用可降解的植物油作為潤滑基油，能夠有效降低磨削液維護及后處理成本，也避免了其對環(huán)境和人身健康的危害。相比于干式磨削，雖然高壓氣流增強了磨削區(qū)及周邊環(huán)境的對流換熱，但冷卻作用往往并不能達到要求，特別是對于難加工材料。

納米流體微量潤滑
基于強化換熱理論，向微量潤滑基油中添加固體顆粒，能夠有效增加其換熱能力，從而降低磨削區(qū)溫度。隨著納米粒子材料科學的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)納米粒子相比于微米級和準微米級粒子具有獨特的性能，納米粒子具有粒徑小、表面能高、導熱系數(shù)大等特征�；�于上述研究事實，提出了納米流體微量潤滑。所謂納米流體微量潤滑，是向微量潤滑基油中添加一定量由納米粒子制成的納米流體，再利用高壓氣流將其霧化后攜帶進入到磨削區(qū)進行冷卻潤滑。

研究發(fā)現(xiàn)，潤滑基油中的納米粒子進行無規(guī)則擴散、熱擴散運動和布朗運動，納米粒子的這些微運動使其與基油之間存在微對流現(xiàn)象。微對流有效提高了基油和納米粒子間的能量交換，提高了基油導熱系數(shù)。當納米粒子與潤滑基油充分混合后，在納米粒子表面會形成一層幾個原子厚度的液膜，液膜內(nèi)分子受到納米粒子表面原子排列的影響，其傳熱特性趨向于固相，這層液膜的導熱系數(shù)遠大于基油液體本身的導熱系數(shù)。帶有液膜的納米粒子增加了有效傳熱體積，進而增強了納米粒子潤滑基油整體的傳熱性能。納米粒子吸附能力極強，易在摩擦表面形成沉積膜，這層物理沉積膜的強度比基油形成的潤滑膜的強度高，可有效地將摩擦表面間的微凸體隔離開，將微凸體間的碰撞和犁溝作用轉化為納米粒子間的相互作用，即將摩擦副之間的滑動摩擦轉化為粒子間的滾動摩擦，提高潤滑膜的摩擦性能。

目前大量研究發(fā)現(xiàn)，納米流體微量潤滑磨削加工，在大多數(shù)加工工況下，無論是潤滑性能還是冷卻性能均能滿足要求，甚至優(yōu)于澆注式潤滑，且較澆注式潤滑具有更好的經(jīng)濟性能和環(huán)境友好性能。

總結與展望
微量潤滑技術經(jīng)過快速發(fā)展，目前已經(jīng)在工業(yè)領域廣泛應用，但納米流體微量潤滑目前使用并不多。雖然微量潤滑和納米流體微量潤滑，在大多數(shù)加工過程中能夠取代澆注式潤滑，大大降低了經(jīng)濟成本和對環(huán)境和人身健康的危害，但對于難加工材料磨削加工，納米流體微量潤滑仍存在能力不足問題，需要進一步研究探索。

為了提高潤滑基油的環(huán)境友好性能，當前對植物油作為潤滑基油展開了大量研究工作。研究發(fā)現(xiàn)植物油雖然具有十分優(yōu)良的生物降解能力，但潤滑能力和冷卻能力仍存在一定不足，且植物油在磨削區(qū)高溫情況下易氧化。因此，對于植物油的潤滑改性、黏度改性和抗氧化性能改性成為亟待解決的問題。微量潤滑及納米流體微量潤滑加工過程中，噴嘴霧化后的油霧易于飄散，對周邊環(huán)境及人身健康會產(chǎn)生一定影響，也會降低潤滑基油的有效利用率，因此，噴嘴霧化后油霧進入磨削區(qū)過程中，霧滴可控輸送也成為需要解決的問題。