CN102267098A - 一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种机械加工的方法，即一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法。碳纳米管纳米粒子和磨削介质混合制成纳米流体，将纳米流体以射流形式喷入到磨削区，碳纳米管纳米粒子会带走高温磨削区大量的磨削热，从而增强了磨削介质的冷却性能，弥补了微量润滑冷却能力的不足；同时由于碳纳米管还具有极高的韧性，管壁具有石墨层的六边形结构，因此具有优异的润滑性能，保持了微量润滑的性质和优势，且增加了磨削液的润滑面积，有效减小了砂轮与工件、砂轮与切屑之间的摩擦，延长砂轮的寿命，获得了加工质量高、成本低、无污染的积极效果，具有较高的应用价值和市场前景。
Description
技术领域
本发明属于一种机械加工的方法，即一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法。
背景技术
镍基合金先进材料因其比重小、比强度高、耐热性和耐腐蚀性好而广泛用于航空发动机重要零件如压气机风扇叶片、机匣等，这些关键零件加工质量的优劣对发动机整体性能和效率影响很大。镍基金合金是典型的难加工材料，这类工件材料具有较大的高温强度、低的导热系数、加工硬化严重、易同刀具材料发生化学反应等特点.使得其磨削加工性较差，在磨削加工中磨削温度高，刀具磨损快，因此研究这类难加工材料的磨削加工问题显得越来越重要。
镍基合金磨削加工去除单位材料体积所消耗的能量远大于其它材料的加工，在磨削区产生大量的热，这些热传散在切屑、刀具和工件上。磨削热效应对工件表面质量和使用性能影响极大。特别是当温度在砂轮/工件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、残余拉应力和裂纹)，其结果将会导致零件的抗磨损性能降低，抗疲劳性能变差，从而降低了零件的使用寿命和工件可靠性。此外，磨削周期中工件的累积温升，导致工件尺寸精度、形状精度误差和砂轮的使用寿命降低。因此，有效控制磨削区的温度降低工件表面热损伤，是研究镍基合金磨削机理和提高被磨零件表面完整性的重要课题。
目前，镍基合金磨削加工大量使用磨削液，也称作浇注式磨削，对环境和工人健康伤害很大。由于环保要求，润滑液的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，高达磨削液成本的54％，使人们不得不对磨削液作重新评价。德国对汽车制造厂作过调查，得到的结果是：工具费用只占加工成本的2％-4％；但与磨削液有关的费用，却占成本的7％-17％，是工具费用的3-5倍。机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力只占20％，与冷却润滑有关的能量消耗却占53％。这说明由于“环保和低碳”的要求，磨削液的廉价优势已不存在，已经变成影响生产发展的障碍。
为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用磨削液的镍基合金干式磨削应运而生。镍基合金干式磨削由于抛弃了磨削液的使用，其环保方面的优势是不言而喻的。但由于磨削加工去除单位材料体积所消耗的能量远比铣削、车削、钻削等加工方法大得多，在砂轮/工件界面产生如此高的能量密度，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量会聚集在表面层形成局部高温，因此在镍基合金磨削加工中完全不使用磨削液，不仅使加工工件表面质量恶化，而且砂轮使用寿命大幅度降低，甚至报废失效。
微量润滑技术是在确保润滑性能和冷却效果的前提下，使用最小限度的磨削液。镍基合金微量润滑磨削是在高压气体中混入微量的润滑剂，靠高压气流混合雾化后进入高温磨削区。高压气流起到冷却、排屑的作用，润滑油黏附在工件的加工表面，形成一层保护膜，起到微量润滑的作用。可是，研究表明：高压气流的冷却效果很有限，满足不了镍基合金高磨削区温度强化换热的需要，工件的加工质量和砂轮寿命明显降低。
由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于液体和气体。常温下固体材料的导热系数要比液体、气体等流体材料大几个数量级甚至更高。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：镍基合金磨削既有固体粒子参与磨削介质的强化换热，又使磨削介质中的固体粒子有良好的流动性能和稳定性能。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固体粒子，因此纳米流体的导热能力将大幅度增加。再加上纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于流体分子，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，具有优异的流动性能、稳定性能和成份均一性能。此外，纳米粒子优良的润滑特性又有助于提高磨削砂轮/工件界面的摩擦学特性，降低磨削力和磨削比能，使磨削区温度进一步降低。碳纳米管常温下的导热系数是铜的80倍，铝的140倍，比其他纳米固体粒子有更大的强化传热潜力；此外，碳纳米管还具有极高的韧性，结构与石墨和C60相似，其管壁具有石墨层的六边形结构，因此具有优异的润滑性能。将碳纳米管加入磨削介质中制成纳米流体，然后纳米流体在高压气体携带作用下，以射流的形式喷入到磨削区的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法。
上述目的是由以下技术方案实现的：提供一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特点是：将碳纳米管加入到磨削介质中制成纳米流体，纳米流体在高压气体携带作用下，以射流的形式喷入到磨削镍基合金的磨削区中。
所说的碳纳米管的长度和直径之比是20∶1-1000∶1。
所说的纳米流体中碳纳米管的体积含量为11％-20vol％。
所说的磨削介质为LB1000可降解合成润滑油。
所说的纳米流体的消耗量为单位砂轮宽度20-160ml/h。
所说的镍基合金为GH4145，硬度为HB330-400。
所说的纳米流体的制备方法是在纳米粒子和磨削介质的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂后，再采用1.6-2万次/分钟高频振动得到稳定的悬浮液。
本发明的有益效果是：由于碳纳米管纳米粒子导热系数高，纳米流体以射流形式喷入到高温磨削区时，碳纳米管纳米粒子会带走大量的磨削热，从而增强了磨削介质的冷却性能，弥补了微量润滑的冷却能力的不足。同时由于碳纳米管还具有极高的韧性，管壁具有石墨层的六边形结构，因此还具有优异的润滑性能，保持了微量润滑的性质和优势，且增加了磨削液的润滑面积，有效减小了砂轮与工件、砂轮与切屑之间的摩擦，延长砂轮的寿命，获得了加工质量高、成本低、无污染的积极效果。采用碳纳米管射流磨削镍基合金工艺和浇注式磨削、干式磨削、微量润滑磨削相比，其磨削区的温度、表面粗糙度、磨削阻力、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。
具体实施方式
为了证明碳纳米管射流磨削镍基合金工艺方法的有效性，我们做了碳纳米管射流磨削镍基合金工艺与浇注式磨削、干式磨削、微量润滑磨削对比实验，下面仅提供典型实验情况：
实验条件：斯来福临(SCHLEIFRING)K-P36精密数控平面磨床，CBN砂轮，砂轮参数：直径300mm，粒度：240#，砂轮线速度65m/s，进给量0.5m/min；切削深度1.5mm。试验用的镍基合金材料牌号：GH4145，其硬度为HB330-400。用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)分别测量磨削力、加工表面微观形貌和磨削区温度。
实验设计：①浇注式磨削：磨削介质为LB1000可降解合成润滑油，消耗量为单位砂轮宽度5400ml/h，供液喷嘴压力为0.45Mpa；②干式磨削：不加注任何磨削介质；③微量润滑磨削：磨削介质为LB1000可降解合成润滑油，消耗量为单位砂轮宽度85ml/h，供液喷嘴压力为6.5Mpa；④碳纳米管射流磨削：磨削介质为LB1000可降解合成润滑油，纳米流体中碳纳米管纳米粒子的体积含量为16％，碳纳米管纳米粒子的长度和直径之比是120∶1，纳米流体的消耗量为单位砂轮宽度85ml/h，供液喷嘴压力为6.5Mpa。纳米流体的制备方法是在纳米粒子和磨削介质的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂后，再采用1.6-2万次/分钟高频振动得到稳定的悬浮液。
实验结果如表1所示：
表1镍基合金不同磨削介质磨削方式技术指标对比
注：1.Ft：切向切削力；Fn法向切削力，单位：N/mm。
2.G比率为单位时间内去除材料的体积V与刀具磨损体积Vw的比值，即G＝V/Vw。
实验结果分析：
一.数据对比：
1.碳纳米管纳米流体的导热性能明显提高。在镍基合金磨削实验条件完全相同的状况下，磨削区温度峰值：碳纳米管射流磨削＜浇注式磨削＜微量润滑磨削＜干式磨削，碳纳米管射流磨削和浇注式磨削镍基合金的磨削区最高温度都没有超过磨削烧伤的临界温度，说明碳纳米管纳米粒子能够有效的吸收磨削区热量，使工件的温度下降。
2.碳纳米管射流磨削的表面质量明显提高。碳纳米管射流磨削的表面粗糙度Ra值明显低于其它磨削介质加工。
3.碳纳米管射流磨削的磨削阻力明显降低，说明切削热传入刀具的比率降低，刀具保持锋锐时间增加。
4.碳纳米管射流磨削的刀具磨损明显降低。G比率越高，刀具磨损越低，说明碳纳米管不仅具有很好换热能力，而且还具有性能优异的润滑性能。
5.在防锈和清洗方面，碳纳米管射流磨削和传统浇注式磨削性能持平。
6.处理磨削介质成本方面，碳纳米管射流磨削方式处理磨削介质成本比干式磨削稍高，但远远低于浇注式磨削。
二.机理分析：
碳纳米管射流磨削的良好切削性能，首先来自于碳纳米管强大的传热性能，由于能够携带磨削区产生大量的磨削热，降低了磨削区温度。再加上碳纳米管优异的润滑特性，降低了磨削力和刀具磨损。碳纳米管导热和润滑能力来源于以下几方面：
1.碳纳米管纳米流体和磨削介质相比，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，因此纳米切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。
4.碳纳米管常温下的导热系数是铜的80倍，铝的140倍，比其他纳米固体粒子有更大的强化传热潜力。
5.碳纳米管还具有极高的韧性，结构与石墨和C60相似，其管壁具有石墨层的六边形结构，因此具有优异的润滑性能。
三.结论：
和现有镍基合金磨削加工方式对比，碳纳米管射流磨削方式的应用效果明显，具有显著的优越性。
Claims (7)
1.一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：将碳纳米管加入到磨削介质中制成纳米流体，纳米流体在高压气体携带作用下，以射流的形式喷入到磨削镍基合金的磨削区中。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的碳纳米管的长度和直径之比是20∶1-1000∶1。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的纳米流体中碳纳米管的体积含量为11％-20vol％。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的磨削介质为LB1000可降解合成润滑油。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的纳米流体的消耗量为单位砂轮宽度20-160ml/h。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的镍基合金为GH4145，硬度为HB330-400。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米管射流磨削镍基合金的工艺方法，其特征在于：所说的纳米流体，其制备方法是在纳米粒子和磨削介质的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂后，再采用1.6-2万次/分钟高频振动得到稳定的悬浮液。
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