磨削加工冷却润滑现状及展望

2017-11-29 作者：润滑油情报网   来源： 网友评论 0 条

随着工业技术的不断发展，工程材料种类也在不断增加。一些难加工材料，如钛合金、高温合金、难熔金属及非金属新型材料在军工、航天等领域得到大量应用，同时也对其表面质量和性能提出了更高的要求。磨削加工因其加工精度高、对工件材料适应性强等特点，被广泛应用于当前加工行业。但磨削加工去除单位体积的材料所消耗的能量远远大于车、铣、钻等其他机加工形式。磨削加工产生的能量大部分转化为热能，然而磨削加工中磨粒与工件的接触时间短，形成的磨屑体积又非常小，仅能带走加工过程中不到10%的热量，70%～95%的热量都会聚集在工件和砂轮表面，这无疑将会大大降低砂轮使用寿命和零件表面精度；同时工件表面聚集的热量会产生热应力，并最终影响加工表面质量及其使用性能。基于磨削区高温高压这一事实，国内外专家学者对磨削区的冷却润滑展开了大量的研究工作。

浇注式润滑
浇注式润滑采用向磨削区连续灌溉大量磨削液的方法进行冷却润滑。磨削液冷却作用可以大大降低磨削区温度，使其低于砂轮软化温度，同时能够减少由于热量导致的磨粒磨损和工件材料粘附等现象。磨削液润滑作用可以有效降低磨削力，提高工件表面质量。此外，磨削液还具有清洗磨屑和防锈作用。

磨削加工过程中所使用的磨削液种类繁多，当前工业中常将磨削液分为水溶性磨削液与非水溶性磨削液两类，非水溶性磨削液也称为油基磨削液。水基磨削液冷却性能优良，成本较低，但润滑性能并不理想，并且对黑色金属材料具有一定的腐蚀性。油基磨削液是在矿物油中添加极压剂、脂肪润滑剂、黏度改性剂以及摩擦改性剂等添加剂合成的，油基磨削液润滑性能较为理想，但价格较高且冷却性能较差。

浇注式润滑磨削液用量非常大，据统计美国年消耗各类切削液37.9万吨，价值6.1亿美元。磨削液成本往往占生产加工总成本的16%，而刀具成本仅占总成本的2%～4%。磨削液除经济成本较高外，还对环境和人体有较大危害，由于其生物降解能力差，且含有大量化学添加剂，一旦流入土壤或湖泊会发生长期滞留，造成严重污染；此外，磨削液产生的油雾会严重危害操作人员的身体健康，如增加引发食道癌、胃癌、胰腺癌、前列腺癌、结肠癌和直肠癌的风险。

干式磨削
基于磨削液经济成本较高且对环境和人体具有危害这一事实，学者们提出在保证工件表面质量和砂轮寿命前提下废除磨削液的使用。干式磨削加工对砂轮要求较高，应用于干式磨削加工的砂轮应具有较高的硬度和耐磨性，常用磨粒材料包括立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及聚晶金刚石(PCB)，通常价格较高。同时干式磨削加工对工件材料要求较高，需硬度适中且传热性能较好。

虽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，也杜绝了磨削液对环境和人身健康的危害，但由于磨削区高温高压的特性，以及干式磨削对砂轮和工件材料较高的要求，限制了其在加工生产中的应用。

微量润滑
基于浇注式润滑对环境和人身健康危害较大且经济成本高，干式磨削约束条件多、实际应用范围小的加工生产实际，相关学者们提出了准干式磨削，也称为微量润滑(Minimum Quantity Lubricant，MQL)。微量润滑具体是指，将微量润滑基油混入压缩空气中，并依靠高压气流进行混合雾化后喷入磨削区进行冷却润滑。

微量润滑依靠高压气流达到磨削区冷却和磨屑清洗的目的。高压气流能够有效通过砂轮周边的气障层进入磨削区，并有效增加磨削区及周边环境的对流换热作用，从而降低磨削区温度。同时压缩空气流能够带走加工中产生的磨屑，防止砂轮堵塞。微量润滑依靠进入到磨削区的润滑基油形成润滑油膜，实现磨粒与工件表面之间的润滑。浇注式润滑磨削液耗量为单位砂轮宽度60 L/h，而微量润滑加工中单位砂轮宽度磨削液消用量仅为30 mL/h～100 mL/h。虽然微量润滑大大降低了磨削液的使用量，但其润滑效果并没有降低，一些工况下甚至强于浇注式润滑。

为进一步提高磨削加工对环境的友好性，降低磨削液对环境和人身健康的危害，学者们以各类植物油作为基础油进行了研究。王要刚等通过对比研究多种植物油微量润滑磨削加工性能，得到不同植物油微量润滑和浇注润滑条件下的摩擦因数、比磨削能等磨削性能评价参数，结果表明蓖麻酸含量较高的蓖麻油以及棕榈酸含量较高的棕榈油更具有作为切削液使用的潜力。微量润滑采用可降解的植物油作为润滑基油，能够有效降低磨削液维护及后处理成本，也避免了其对环境和人身健康的危害。相比于干式磨削，虽然高压气流增强了磨削区及周边环境的对流换热，但冷却作用往往并不能达到要求，特别是对于难加工材料。

纳米流体微量润滑
基于强化换热理论，向微量润滑基油中添加固体颗粒，能够有效增加其换热能力，从而降低磨削区温度。随着纳米粒子材料科学的发展，发现纳米粒子相比于微米级和准微米级粒子具有独特的性能，纳米粒子具有粒径小、表面能高、导热系数大等特征。基于上述研究事实，提出了纳米流体微量润滑。所谓纳米流体微量润滑，是向微量润滑基油中添加一定量由纳米粒子制成的纳米流体，再利用高压气流将其雾化后携带进入到磨削区进行冷却润滑。

研究发现，润滑基油中的纳米粒子进行无规则扩散、热扩散运动和布朗运动，纳米粒子的这些微运动使其与基油之间存在微对流现象。微对流有效提高了基油和纳米粒子间的能量交换，提高了基油导热系数。当纳米粒子与润滑基油充分混合后，在纳米粒子表面会形成一层几个原子厚度的液膜，液膜内分子受到纳米粒子表面原子排列的影响，其传热特性趋向于固相，这层液膜的导热系数远大于基油液体本身的导热系数。带有液膜的纳米粒子增加了有效传热体积，进而增强了纳米粒子润滑基油整体的传热性能。纳米粒子吸附能力极强，易在摩擦表面形成沉积膜，这层物理沉积膜的强度比基油形成的润滑膜的强度高，可有效地将摩擦表面间的微凸体隔离开，将微凸体间的碰撞和犁沟作用转化为纳米粒子间的相互作用，即将摩擦副之间的滑动摩擦转化为粒子间的滚动摩擦，提高润滑膜的摩擦性能。

目前大量研究发现，纳米流体微量润滑磨削加工，在大多数加工工况下，无论是润滑性能还是冷却性能均能满足要求，甚至优于浇注式润滑，且较浇注式润滑具有更好的经济性能和环境友好性能。

总结与展望
微量润滑技术经过快速发展，目前已经在工业领域广泛应用，但纳米流体微量润滑目前使用并不多。虽然微量润滑和纳米流体微量润滑，在大多数加工过程中能够取代浇注式润滑，大大降低了经济成本和对环境和人身健康的危害，但对于难加工材料磨削加工，纳米流体微量润滑仍存在能力不足问题，需要进一步研究探索。

为了提高润滑基油的环境友好性能，当前对植物油作为润滑基油展开了大量研究工作。研究发现植物油虽然具有十分优良的生物降解能力，但润滑能力和冷却能力仍存在一定不足，且植物油在磨削区高温情况下易氧化。因此，对于植物油的润滑改性、黏度改性和抗氧化性能改性成为亟待解决的问题。微量润滑及纳米流体微量润滑加工过程中，喷嘴雾化后的油雾易于飘散，对周边环境及人身健康会产生一定影响，也会降低润滑基油的有效利用率，因此，喷嘴雾化后油雾进入磨削区过程中，雾滴可控输送也成为需要解决的问题。