张 强 李长河 王 胜

（青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033）

目前，磨削加工是机械加工行业最基本、最重要的工艺方法之一。在磨削加工中，磨削液占有重要的地位，因为它具有润滑、冷却、清洗、排屑、防锈、降低磨削力和改善工件表面质量等功效，是磨削加工过程不可缺少的生产要素之一。为降低磨削区温度，生产上广泛采用向磨削区供给大流量磨削液的浇注式供液法。但这种供液方法由于砂轮高速旋转形成的“气障”使磨削液进入磨削区十分困难，实际进入砂轮/工件之间的“有效流量率”仅为喷嘴流量的5% ～40%［1］，大量的磨削液根本无法进入砂轮/工件界面，磨削液只是起到冷却工件基体的作用，造成磨削烧伤和工件表面完整性恶化;再加上大量供给的磨削液在砂轮与工件楔形间隙形成流体动压力和流体引入力，使砂轮主轴产生挠度变形，导致实际切深减小。因此这种供液方法不仅使加工工件产生形状和尺寸误差，而且大量浪费磨削液，增加供给和处理磨削液的成本，对环境造成极大的伤害。

为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用切削液的干切削应运而生。干切削由于抛弃了切削液的使用，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［2］，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（可达1 000℃以上），因此在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，而且砂轮使用寿命也大幅度降低，甚至报废失效［3］。固体润滑磨削虽然在不使用磨削液的同时也能起到一定的润滑功效，但砂轮/工件界面强大的压力促使固体润滑剂进入砂轮表面气孔，使砂轮丧失切削性能，磨削力增大，工件表面质量下降［4］。

介于浇注式湿磨削和干式磨削之间的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。微量润滑技术（MQL）是在高压气体中混入微量的润滑液，靠高压气流（0.4～0.65 MPa）混合雾化后进入高温磨削区。润滑液一般采用植物油作为基础油的烷基酯［5］，具有极好的生物降解性能、润滑性能以及粘度指数高、挥发性低、可再生、生产周期短、环境扩散少等特点，润滑液的使用量只有传统加工方式的千分之几甚至万分之几［6］，大大改善了工作环境，是一种高效低碳加工技术。高压气流起到冷却、排屑的作用;雾化质点在高温下很快雾化，吸收大量切削热，喷嘴高速喷射时，流体膨胀使雾束本身的温度降低，也可吸收大量热量，同时雾化流体能吸附在金属表面上，形成润滑膜，还能起到一定的润滑作用。该技术综合了浇注式磨削和干式磨削的优点，润滑效果与传统的浇注式磨削几乎没有区别。可是，研究表明:高压气流的冷却效果很有限，满足不了高温磨削区强化换热的需要，工件的加工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低［7］，说明微量润滑技术还需要进一步改进。

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流体材料大几个数量级。由此可以预计，悬浮有金属、非金属或聚合物固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大许多。一些学者提出:将纳米级固体粒子加入微量润滑流体介质中制成纳米流体，即纳米粒子、润滑液（油、或油水混合物）与高压气体混合雾化后以射流形式喷入磨削区，可望显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力，极大弥补微量润滑冷却能力不足的缺陷。此外，纳米粒子（是指在三维尺度中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）的超细微小固体颗粒）在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减磨和高承载能力等摩擦学特性［8］。这种纳米粒子射流微量润滑不仅具有微量润滑技术的所有优点，并具有更强的冷却性能和优异摩擦学特性，可望有效解决磨削烧伤，提高工件表面完整性，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产。

通过大量搜集、阅读国内外文献，本文介绍了纳米粒子射流微量润滑强化换热机理等相关内容，并且结合实验研究着重分析它的冷却性能，并与干磨削、浇注式磨削以及MQL磨削的冷却性能进行比较，探讨纳米粒子射流微量润滑磨削的优势，进一步对其优化，以求达到最佳的磨削性能。

1 纳米流体的制备

纳米流体的制备是纳米粒子射流微量润滑磨削的前提，采用高质量的纳米流体能够获得良好的冷却润滑效果。目前，纳米流体的制备方法可分为两种:单步法和两步法。其中两步法的操作较为简单，应用比较广泛。

1.1 单步法制备纳米流体

单步法制备纳米流体是在制备纳米颗粒的同时将其分散在基液中，这样就省去了纳米粒子的收集和存放等问题，可以有效避免金属纳米粒子在空气中发生氧化反应。

在气相法制备纳米流体的过程中，一般是在低压的氦、氩等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成纳米粒子，用装有基液的容器收集纳米粒子就得到了纳米流体。加热金属的方法有电阻加热法、等离子喷射法、电子束法和激光加热法等。采用不同的加热方式，制备的纳米粒子的量、大小与分布都不相同。整个过程都是在真空环境下完成的，可以避免氧化反应，得到的金属纳米粒子的纯度高。

与气相法相比，将纳米粒子的液相制备方法直接改进成单步法制备纳米流体比较困难。因为液相法中的液相往往本身参与化学反应，不能用制备纳米流体的基液来代替，另外液相法中总会包含有其它离子，难以完全去除。因此，采用液相法直接制备纳米流体的研究报道并不多见。

一般来说，采用单步法制备纳米流体具有粒子纯度高、颗粒均匀、分散性好以及悬浮稳定性高等优点。但是，这种方法费用较高，制备量少，不适于实际的批量生产应用。

1.2 两步法制备纳米流体

两步法制备纳米流体就是将一定比例的纳米粒子添加到基液中，然后根据纳米粒子材料的物化性能选择相应的表面分散剂并辅助以超声振动，使得纳米粒子在基液中均匀稳定的分布，形成悬浮稳定的纳米流体。

两步法制备纳米流体操作简单方便，几乎适用于所有种类的纳米流体制备。采用此方法可直接在市场上购买不同材料、不同尺寸的纳米粒子，直接配制即可。两步法制备纳米流体的关键在于如何保证纳米粒子在基液中均匀的分布。

纳米粒子在液体中形成的分散体系，按照基液的性质可分为极性和非极性两类分散体系。在选择分散剂的种类时必须依赖基液的性质，采用与基液性质相适应的表面分散剂或活性剂包覆纳米粒子，阻止粒子团聚体的形成，才能够有效地使纳米粒子均匀稳定的分散。一般配制油基纳米流体时采用的分散剂的种类有:硫酸酯、PEO 硫醇和油酸等［9］。

2 纳米流体导热系数的影响因素

近年来，国际上若干研究小组测量了不同种类纳米流体的导热系数，通过测量数据可以看出，在液体中添加纳米粒子显著增加了液体的导热系数，而不同的纳米流体导热系数增加程度（knf/kf）不同。纳米粒子的体积份额、属性、尺度、形状以及纳米流体温度和悬浮稳定性都是纳米流体导热系数的影响因素。本文着重介绍纳米粒子的体积份额和粒子大小对纳米流体导热系数的影响。

2.1 纳米粒子体积分数对纳米流体导热系数的影响

众多试验表明，纳米流体的导热系数随着纳米粒子的体积分数的增加而增大。如图1所示，研究人员在常温条件下对不同体积分数的Al2O3－水基纳米流体的导热系数进行了测量。

由图1可见，虽然Al2O3纳米粒子粒径大小不同，但是所有的Al2O3－水基纳米流体的导热系数都有一个共同的变化趋势:随着添加的Al2O3纳米粒子的体积分数的增加，纳米流体的导热系数都随之增大。例如，Xie等测量的Al2O3粒径为42 nm的纳米流体，当添加1%体积分数的Al2O3纳米粒子时，Al2O3－水基纳米流体的导热系数比纯水增大约2%;而Al2O3的体积分数提高到4%时，其纳米流体的导热系数能够增大14%左右;Masuda等测量的Al2O3粒径为13 nm的纳米流体，当Al2O3体积分数提高到4%时，其纳米流体的导热系数增大30%左右。另外，Lee等和Das等分别测量了悬浮有38 nm的Al2O3粒子的Al2O3－水基纳米流体的导热系数，两组实验数据非常吻合。Al2O3纳米粒子的体积份额由1%增大到4%，形成的Al2O3－水纳米流体的导热系数与水的导热系数之比从1.023 增大到 1.1［10］。

2.2 纳米粒子粒径对纳米流体导热系数的影响

图2给出了粒径分别为100 nm和20 nm的Cu纳米粒子所形成的两种Cu－去离子水纳米流体的导热系数。显然，纳米粒子尺度也是纳米流体导热系数的影响因素之一。在相同的纳米粒子体积份额条件下，悬浮有20 nm的Cu纳米粒子的纳米流体导热系数比悬浮有100 nm的Cu纳米粒子的纳米流体导热系数要大，即粒径小的纳米粒子更有利于改善流体内部的能量传递过程。

综合众多学者的实验研究可以得出如下结论:纳米颗粒的直径越小，纳米流体的传热性能越好。如Masuda［11］和 Lee［12］研究的都是添加 4.3% 体积份额Al2O3纳米粒子的Al2O3－水基纳米流体，它们的区别在于粒径不同，分别是12 nm和33 nm，而实验结果表明悬浮有12 nm纳米粒子的Al2O3－水基纳米流体的导热系数比悬浮有33 nm纳米粒子的Al2O3－水基纳米流体的导热系数高出15%。又如，在相同的5%体积份额条件下，悬浮有28 nm纳米粒子的Al2O3－乙二醇纳米流体的导热系数比悬浮有38 nm纳米粒子的Al2O3－乙二醇纳米流体的导热系数高出约6%。因此，悬浮的纳米粒子粒径越小，对纳米流体的导热系数强化作用越明显。

3 纳米流体的自然对流换热及沸腾换热特性分析

3.1 纳米流体自然对流换热特性分析

纳米流体在非零温度梯度下会发生自然对流。一般采用流动可视化方法来研究分析固体颗粒悬浮液自然对流流动结构状况。通用的方法是将纳米流体视为一种均匀混合的单相流体，将原来适用于纯流体的连续性方程、运动方程和能量方程直接应用于纳米流体，主要涉及的参数有纳米粒子的体积份额、粒子尺寸和流体的平均温度等。

研究结果表明:纳米流体自然对流换热强度，随着纳米粒子体积分数的增加而减弱。纳米流体的自然对流换热能力明显高于纯液体，即添加有纳米粒子的流体的对流换热能力明显增强。并且大多数的纳米流体自然对流主要以湍流为主要的流动形式。

3.2 纳米流体沸腾换热特性分析

近几年来，一些研究结果表明，在液体中添加一定量的固体颗粒，可使沸腾换热强化。在液体中加入纳米粒子后，沸腾换热面附近会出现复杂的汽－液－固三相流动系统，纳米流体的沸腾换热特性与纳米粒子的属性、体积分数、粒径、基液特性等因素有关。相对于纳米流体单相能量传递过程，纳米流体的沸腾换热更为复杂，影响因素更多，不确定性因素更突出。以Al2O3－水纳米流体沸腾换热实验为例，表1列出了Wen 等［13］的实验结果。

表1 纳米流体沸腾换热实验结果

表1中hnf是纳米流体的沸腾换热系数，hf是水的沸腾换热系数。由表1可以看出，在Wen的试验中，4种体积分数的纳米流体沸腾换热系数都比较大，添加少量的Al2O3纳米粒子可以明显地提高水的沸腾换热系数，能够提升40%以上，纳米流体沸腾换热的效果十分明显。另外通过分析可以看出，纳米粒子的体积分数是影响纳米流体沸腾换热的重要因素，偏高的纳米粒子体积分数抑制纳米流体的沸腾换热过程，而偏低时则不如基液的沸腾换热性能。

根据Sharp给出的液体泡状沸腾热流的计算公式［14］:

式中:k是液体的导热系数;hfg为液体气化潜热;ΔT为加热面与液体之间的温差;ρv为液体密度;σ为液体的表面张力;υ1为液体的运动粘度;Ts为液体的饱和温度;C1、C2为常数。

由式（1）可以看出，在一定的温差条件下，液体导热系数越大，沸腾换热的热流密度越高。在液体中添加纳米粒子使得纳米流体的导热系数增大，能够强化纳米流体的沸腾换热性能。

4 磨削实验研究

通过以上对纳米流体导热系数的实验研究分析可知，纳米流体的导热系数要大于相应纯液体的导热系数。下面结合相关学者的磨削实验研究，通过与湿磨削、干磨削以及MQL磨削进行比较，分析纳米流体的冷却性能。

刘占瑞［15－16］对纳米氧化锆陶瓷材料进行了平面磨削实验，对比了各磨削冷却介质的冷却性能。实验采用的磨削工艺参数为:砂轮线速度Vs=30 m/s，工件进给速度Vw=3 m/min，磨削深度ap=0.005 mm。实验采用不同的冷却润滑工艺:体积分数5%磨削液湿加工、干加工、纯油基（35 mL/h）MQL以及含ZrO2（粒径90 nm，输送量35 mL/h）纳米MQL。MQL磨削液使用的基油为植物油（菜籽油）。实验测量的磨削区温度与磨削表面深度的关系如图3所示。

通过图3可以发现，干加工的表面温度最高，能够达到650℃以上;湿加工的温度最低约为380℃;而纳米粒子射流MQL的磨削温度为450℃左右，低于MQL的磨削温度，这说明在微量润滑介质中加入纳米粒子后，其冷却性能得到了提高。并且纳米粒子射流MQL的磨削温度（450℃）低于氧化锆陶瓷材料组织转变的温度，因此对材料的组织性能不会产生明显的影响。以上表明纳米粒子射流MQL具有较好的冷却性能。另外，由于工件是纳米氧化锆陶瓷材料，其本身具有绝热性能，使得热量难以向工件深处扩散，这就在工件的表面以下形成很高的温度梯度，在深度Z=0.5 mm处的陶瓷体温度约为40℃，略高于环境温度，当Z＞0.5 mm时，陶瓷体的温度基本就等于环境的温度，即工件表面的陶瓷热源带对此深度的陶瓷基体基本没有影响。

Parash Kalita等人［17］实验测量了不同的润滑冷却条件下，平面磨削球墨铸铁的磨削温度。实验采用冷却润滑方式有:浇注式、MQL、添加微米级颗粒的MQL以及添加纳米级颗粒的MQL。添加的固体颗粒为MoS2。磨削参数如下:砂轮线速度30 m/s，工件进给速度0.06 m/s，磨削深度 10 μm，MQL 输送流量 2.5 mL/min，浇注式输送流量为8 450 mL/min。浇注式磨削采用水基磨削液，MQL采用石蜡基磨削油。MQL磨削中，添加的纳米级MoS2的质量分数分别为2%、8%，添加的微米级MoS2的质量分数为8%。磨削区温度是通过嵌入在球墨铸铁内部的热电偶测量的。在不同的冷却润滑条件下测量的磨削区的最高温度如图4所示。

由图4可见，浇注式磨削所测的磨削区温度最低，为96℃。使用纯石蜡油MQL磨削所测的磨削区温度最高，为288℃，高于石蜡油的瞬燃温度。使用微米级颗粒质量分数为8%的MQL磨削所测的磨削区温度低于纯石蜡油MQL的磨削温度，这说明在微量润滑介质中添加微米级颗粒后，其冷却性能得到提高。而使用纳米颗粒质量分数为2%的纳米粒子射流MQL磨削所测的磨削区温度为175℃，明显低于使用微米级颗粒MQL所测的磨削区温度，这表明在微量润滑介质中添加纳米级粒子的冷却性能优于添加微米级粒子的冷却性能。使用纳米颗粒质量分数为8%的纳米粒子射流MQL磨削所测的磨削区温度为160℃，低于使用纳米颗粒质量分数为2%的纳米粒子射流MQL的磨削温度，由此可以发现纳米颗粒的质量分数对纳米流体的冷却性能有一定的影响。通过实验研究，对纳米颗粒的质量分数进行优化，可进一步增强纳米粒子射流MQL的冷却性能。Parash Kalita等人指出，应用纳米流体磨削所测到的较低的磨削区温度是由于纳米流体导热系数、对流传热系数的增大以及纳米流体的良好的润滑作用。其较好的润滑作用减少了磨削过程中产生的热量，从而降低了磨削温度。综合以上分析可见，纳米流体MQL具有较好的冷却性能。

BIN SHEN等人［18］实验研究了平面磨削球墨铸铁时，供给流量对MQL冷却性能的影响。实验用的是体积分数为5%的水基Cimtech 500合成磨削液。其磨削参数为:砂轮线速度30 m/s，磨削深度10 μm，砂轮进给速度2 400 mm/min。磨削温度是通过嵌入在工件内部的热电偶测量的。实验中MQL磨削供给的流量分别是 5 mL/min、15 mL/min、30 mL/min，对应不同的供给流量所测的工件表面温度如图5所示。

由图5可见，随着供给流量的增加，工件表面磨削温度逐渐降低。当MQL供给流量从5 mL/min增加到30 mL/min时，工件表面最高磨削温度减少了100℃，比干磨削的工件表面最高温度低了250℃。这说明供给流量是影响MQL冷却性能的一个重要因素。适当增加MQL供给流量，可以达到理想的冷却效果。

BIN SHEN等人也分析了纳米粒子射流MQL的冷却性能，同样指出增加供给纳米流体的流量可以有效降低工件表面磨削温度，达到理想的冷却效果。他们还发现，虽然纳米流体具有较好的导热性能，但是它的对流换热以及沸腾换热特性在纳米粒子射流MQL磨削中起到更为主要的冷却作用。因此，需要进一步研究纳米流体的对流换热和沸腾换热特性，以便更好地了解纳米粒子射流MQL磨削冷却性能的优势。

5 结语

在微量润滑介质中添加一定量的纳米粒子，形成纳米流体的导热系数、对流换热系数及沸腾换热系数都得到提高，其强化换热能力显著增强。通过实验对比了浇注式磨削、干磨削、MQL磨削和纳米粒子射流MQL磨削的工件表面温度，发现纳米粒子射流微量润滑具有较好的冷却效果。同时，进一步分析实验数据，还可发现添加的纳米粒子的质量分数和纳米流体的喷射流量对纳米粒子射流微量润滑冷却效果有很大影响，因此还需要针对以上两点作进一步的研究，以便实现纳米粒子射流微量润滑最佳的冷却效果。这种纳米粒子射流微量润滑不仅具有微量润滑技术的所有优点，并且有更强的冷却性能和优异的摩擦学特性，可实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色生产，其发展前景广阔。

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