复合纳米自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷的试验研究.pdf
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1、宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期复合纳米自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷的试验研究汤熊1 张松辉2 张晓红2 李伟3 郭兵4(1 岳阳职业技术学院机电工程学院,岳阳 414000)(2 湖南理工学院机械工程学院,岳阳 414006)(3 湖南大学机械与运载工程学院,长沙 410082)(4 哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001)文摘 提出一种复合纳米自润滑金刚石砂轮的制备方法,并对制备的砂轮进行SiC陶瓷的磨削试验,分析砂轮表面不同质量分数的复合纳米颗粒对磨削性能的影响。使用MoS2、TiO2纳米颗粒作为自润滑砂轮基底的填充材料,采用复合纳米自润滑金刚石砂轮和传统金刚石
2、砂轮进行磨削对比试验,研究复合纳米自润滑金刚石砂轮的润滑机制。研究结果表明,复合纳米自润滑金刚石砂轮自释放的纳米颗粒有效地参与了磨削区间的润滑,砂轮的法相力、切向力降低,提升了工件表面质量。在磨削深度为28 m内,复合纳米自润滑金刚石砂轮的具体表现为法向磨削力降低18.6%38.7%、切向磨削力降低11.2%28.6%,工件表面粗糙度降低13.9%41.5%。根据本试验所得数据,当砂轮表面复合纳米颗粒质量分数为8%时,润滑性能和工件表面质量最佳。关键词 纳米颗粒,自润滑,磨削力,表面质量,砂轮磨损中图分类号:TG580 DOI:10.12044/j.issn.1007-2330.2024.01
3、.007Experimental Research on Grinding of SiC Ceramics by Composite Nanometer Self-lubricating Diamond Grinding WheelTANG Xiong1 ZHANG Songhui2 ZHANG Xiaohong2 LI Wei3 GUO Bing4(1 School of Mechanical and Electrical Engineering,Yueyang Vocational Technology College,Yueyang 414000)(2 College of Mechan
4、ical Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006)(3 College of Mechanical and Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082)(4 School of Mechanical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001)AbstractThis paper proposed to prepare a composite nanometer se
5、lf-lubricating diamond grinding wheel,and conducted a grinding test of SiC ceramics,and analyzed the influnence of the composite nanometer self-lubricating diamond grinding wheel with different mass fractions of composite nanoparticle on grinding performance.In this paper,nano-MoS2,TiO2 particles we
6、re selected as the filling materials,and a composite nano self-lubricating diamond grinding wheel and a traditional grinding wheel were used for comparison grinding experiments.At the same time,the lubrication mechanism of the composite nano-self-lubricating diamond grinding wheel was studied.The re
7、sults show that the self-released nanoparticles of the grinding wheel effectively participate in the lubrication of the grinding area,reduce the normal and tangential force on the grinding wheel,and improve the surface quality of the workpiece.In the grinding depth of 2-8 m,the specific performance
8、is that the normal and tangential grinding forces of the composite nano self-lubricating diamond grinding wheel are effectively reduced by 18.6%-38.7%,11.2%-28.6%,and the surface roughness is reduced by 13.9%-41.5%.When the mass fracture of composite nanoparticles is 8%,the performance and surface q
9、uality of the workpiece are the best.Key words Nanoparticles,Self-lubricating,Grinding force,Surface quality,Grinding wheel wear simulation0 引言SiC陶瓷具有一系列优越的化学和物理性质,如收稿日期:2022-01-04基金项目:国家重点研发计划(2018YFB2001400);国家自然科学基金项目(51875200);湖南省自然科学杰出青年基金项目(2021JJ10031);湖南省教育厅项目(18C1773)第一作者简介:汤熊,1976年出生,在职研究生
10、,高级工程师,主要从事机械设计与制造的研究工作。E-mail: 56宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期强度高、抗氧化、耐腐蚀、耐高温、耐磨损等,在航空航天、机械工程、国防军工等领域被广泛应用1-3。由于SiC陶瓷硬度高、强度大、断裂韧度低等特点,为SiC陶瓷产品的加工带来诸多不便4-5。从产品的生产效率和表面质量的角度考虑,目前SiC陶瓷的加工主要是依托磨削加工技术6-10。相较于其他机械加工,磨削加工具有加工表面精度高、质量好等优点。但由于砂轮表面的磨料随机分布,且砂轮与工件接触面积过大,容易导致磨削区出现磨削热、应力裂纹等缺陷,进而影响工件的表面质量以及加速砂轮的磨损11-12
11、。为有效降低磨削区温度,提升砂轮与工件间的润滑效果,传统做法是在工件表面加入磨削液。虽然浇注式磨削液的加入能降低部分磨削产生的磨削热,但仍存在磨削区内部未能与磨削液充分接触而进行热对流、有效利用率低等问题,亦不符合绿色生产要求。因此,有学者提出了微量流体润滑技术(MQL)。MQL技术是指高压气体与微量润滑液混合形成两相流,润滑液经雾化后,将润滑液和高压气流(400650 kPa)喷入高温磨削区。MQL 技术是一种高效、低碳的加工技术13-14,但MQL高压气流的冷却性能依旧有限,难满足磨削区高温环境下的热交换,仍需进一步发展15。近年来,许多学者将具有优异润滑性能的纳米颗粒应用于磨削加工领域,
12、提出纳米微量流体润滑技术(NMQL),并对大量纳米材料进行了相关研究。王要刚16通过模拟实验研究了多种纳米颗粒的摩擦学特性,结果发现:添加了纳米颗粒的磨削液均表现出优异的减摩抗磨效果,其中添加了Al2O3纳米颗粒的磨削液,润滑效果最佳,磨削产生的磨削力最低。MAO 等17通过与微量润滑(MQL)磨削相比,使用纳米流体的微量润滑(NMQL)磨削,在降低磨削力和表面粗糙度方面,显示出优异的磨削性能。KALITA等18研究了MoS2纳米颗粒的摩擦学特性,并进行了MoS2纳米流体微量润滑磨削铸铁和 EN24 合金钢试验。通过分析磨削过程的磨削力、摩擦因数、磨削比等工艺参数,结果表明MoS2纳米颗粒具有
13、减摩抗磨的特性,在扫描电镜和能谱检测下,证实砂轮表面存在MoS2润滑膜。KUMAR等19分别进行了干磨条件下、纳米微量流体润滑(NMQL)磨削条件下磨削加工Si3N4陶瓷,对比结果发现,纳米颗粒的加入显著提高了研磨力、表面粗糙度降低,有助于减少亚表面的损伤。GAO等20进行了不同润滑条件下的磨削实验,研究NMQL的CFRP可磨性。结果表明,与干磨相比,NMQL条件下工件加工表面进给与纤维方向的表面粗糙度均有降低。虽然微量纳米流体润滑技术应用到磨削加工时能够有效降低工件表面的温度,提升磨削加工的润滑效果,但是在实际磨削加工中,由于砂轮表面“气障层”的阻碍和磨削区的封闭性,包含纳米颗粒的雾滴目前还
14、难以即时有效地注入磨削区核心部位21。关于纳米颗粒在磨削区内变成纳米润滑膜对磨削时砂轮与工件界面的润滑机理没有明确解释。基于此,为了实现磨削区内纳米颗粒的即时响应润滑,提高工件加工表面质量,本文对复合纳米自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷试验进行研究。主要探讨复合纳米颗粒的润滑机理和改性作用,阐明自润滑金刚石砂轮磨削SiC陶瓷的材料去除机理,揭示砂轮中自主释放的纳米颗粒对磨削液的有效施加、容屑及排屑的作用效果。1 纳米自润滑砂轮设计制备1.1 复合纳米颗粒选择纳米 MoS2、TiO2颗粒作为高标准的空间固体润滑剂,在高真空、高温、高压、高载等的特殊条件下仍具备抗磨减摩等优异的润滑性能,被广泛应用于
15、各类机械加工中,能有效提高工件的加工表面质量,降低机械设备的磨损22-23。三明治结构的纳米MoS2颗粒层与层之间的S原子以微弱的范德华力相连接,而SMo之间是以较强的共价键相互连接,正因为这种层状结构使得纳米MoS2颗粒抗剪切强度较低,容易产生滑离而得到较低的摩擦因数24-25。TiO2是一种无机纳米半导体材料,具有较好的自润滑性能和热稳定性,当TiO2的粒径减小到纳米级时,单位质量的纳米TiO2颗粒中所含原子所需的原子配位数将不足,这将导致纳米材料表面结构的缺陷,从而提高其表面活性,使其更容易与其他原子结合26-27。本文提出将纳米MoS2颗粒与纳米TiO2颗粒以质量1 1的比例添加到金刚
16、石砂轮结合剂的方法,进一步研究复合纳米颗粒的互补润滑机制。1.2 纳米自润滑砂轮自润滑机制在磨削过程中砂轮与工件的摩擦,会使结合剂中的复合纳米颗粒随结合剂的脱落自释放至磨削核心区域,实现磨削区的润滑,减少刮擦,实现温升的减少。由于MoS2分子结构呈层状特点,磨削时结合剂中的MoS2的分子层在砂轮表面不断重叠、卷曲形成了具有石榴波纹结构的致密薄层。随着这些石榴波纹结构薄层不断堆积,纳米MoS2颗粒的延展性也随之提高。因此,在磨削过程中,受外力的作用下,自释放到磨削核心区域的纳米MoS2颗粒在工件摩擦表面拉伸形成一层物理薄 57宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期膜,达到磨削区的润滑效果
17、。同时,MoS2具有较高的表面活性,释放的纳米MoS2颗粒可以快速地吸附在工件摩擦表面,并随磨削工作的不断进行,磨削区的纳米MoS2颗粒也随之补充与更新,保持了磨削区的润滑效果。此外,纳米MoS2颗粒的添加还增强了磨削区传热能力,进一步地提升了磨削区的润滑效果。在磨削过程中,砂轮结合剂中的纳米TiO2颗粒随着磨削区工件摩擦表面温度的升高呈现出熔融态、烧结态,最终在砂轮与工件表面间形成一层耐高温、机械强度高、扩散性好的纳米陶瓷膜。由于纳米TiO2颗粒中悬空键的存在及其结构缺陷,表面的高活性使其容易与其他原子相结合,TiO2这一特性使之与同在磨削区的MoS2迅速结合形成一层纳米复合薄膜。而纳米复合
18、薄膜的存在使得金刚石砂轮表面的磨粒被覆盖,降低磨削区内砂轮与工件的干摩擦,有效地降低了磨削力。同时磨削区还存在部分松散状态的纳米TiO2颗粒,对减少粒子间的应力以及循环过程引起的结构和体积的微小应变起到了一定的作用。此外,纳米MoS2和TiO2粒子还具有明显的催化协同作用、小尺寸效应和宏观量子隧穿效应。这些效应可以使纳米 MoS2和 TiO2粒子产生沉积渗流效应,深入材料附近的不饱和键和不饱和键的电子云中。纳米MoS2和TiO2颗粒与高分子材料结合,形成三维网状结构,从而提高材料的力学性能。本文拟采用纳米S-MoS2-TiO2固体润滑剂复合方法,实现不同纳米固体润滑剂之间的互补效果。MoS2和
19、TiO2纳米粒子物理协同的微观结构图如图1所示。1.3 纳米自润滑砂轮制备提出的纳米自润滑砂轮制备方法是选用金刚石为磨料、青铜为结合剂、一定质量分数的复合纳米颗为填充材料,然后将这三者均匀混合倒入 200 mm20 mm5 mm的砂轮模具中压制烧结成型。制备砂轮选用的纳米颗粒是平均粒径为 400 nm的 MoS2和500 nm的TiO,复合的质量分数分别是6%、8%、10%。新型砂轮结构示意图如图2所示。2 试验设备及材料磨削实验在MGK7120数控高精度平面磨床上进行,采用测力仪(Kistler9257B)测量磨削力,磨削实验装置如图3所示。试验中选取型号为JB-5C的精密轮廓仪对加工完成的
20、SiC陶瓷开展粗糙度的检测,如图4所示。JB-5C的精密轮廓仪属于高精度触针式的表面粗糙度检测仪器,能够运用在对平面、斜面以及球面等相关元件的表层粗糙度检测。该检测设备操作简易、检测精度高。磨削后选用超景深三维显微镜(VHX-5000)观察表面形貌,如图5所示。超景深三维显微镜存在超高倍率、超高分辨率的优势,像素点可达到5.4107,颜色的再现水平显著,高倍镜头的放大倍率最高可至5 000倍,适用于观察陶瓷表面。所用的磨削加工材料为SiC陶瓷,其性能参数如表1所示。图1MoS2和TiO2纳米粒子物理协同作用的微观结构Fig.1Microstructure of physical synergi
21、stic interaction between MOS2 and TiO2 nanoparticles图2复合纳米自润滑砂轮结构示意图Fig.2Schematic diagram of nano-composite self-lubricating grinding wheel 金刚石砂轮 测力仪 SiC 陶瓷 图3磨削实验装置Fig.3The apparatus of grinding experiment 58宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期3 结果与讨论3.1 磨削力3.1.1 纳米颗粒质量分数对磨削力的影响在磨削过程中,纳米颗粒质量分数对磨削力的影响如图6所示。若砂轮的
22、转速过快,磨削区砂轮的压力会导致冷却液被强制挤出,纳米颗粒无法正常发挥作用,或砂轮转速过慢导致纳米颗粒凝聚,磨屑无法及时排除,故选用砂轮速度 vs=30 m/s,工件进给速度vm=3 000 mm/min,切削深度ap=2 m。由磨削实验数据所得,具有纳米颗粒砂轮的法向磨削力和切向磨削力均低于传统的金刚石砂轮,砂轮纳米颗粒质量分数为8%时,法向磨削力比传统金刚石砂轮低25.0%,切向磨削力比传统金刚石砂轮低26.2%。其原因是,在砂轮旋转过程中,青铜结合剂中的纳米颗粒因为与陶瓷表面之间的摩擦会发生脱落,球形结构的SMoS2在摩擦力的剪切作用下被剥离,转化成片状纳米MoS2,延展成润滑膜。此外,
23、砂轮磨削过程中会产生大量热量,而MoS2在高于280 会与氧气发生反应,纳米颗粒会在热表面上分解并与摩擦表面反应以形成MoO3氧化膜,化学方程式如下所示。2MoS2+7O2=2MoO3+4SO2(1)通过使用XRD衍射仪对磨屑成分进行分析,磨屑的内容物包含MoO3,生成的MnO3改善了摩擦表面的润滑性,减小了砂轮与工件之间的干摩擦,降低了磨削力,如图7所示。此外,实验结果发现浓度为10%的金刚石砂轮产生的磨削力与普通金刚石砂轮产生的磨削力相近。一是因为纳米颗粒添加质量分数太高,砂轮的硬度降低,砂轮磨损程度加快,从而导致磨削力相应增大;二是因为高浓度的纳米颗粒会导致不规则的团簇,与磨屑颗粒缠绕在
24、一起,堵塞砂轮,造成工件表面润滑膜的损坏,加剧砂轮表面团簇与试样表面间的摩擦。(a)法向磨削力(b)切向磨削力图6纳米颗粒质量分数对磨削力的影响Fig.6Influence of nano-particle mass fraction on grinding force表1SiC陶瓷性能参数Tab.1Performance parameters of SIC ceramics密度/tm-33.18弯曲强度/MPa700硬度/HV1 700断裂韧度/MPam1/23.9弹性模量/GPa350图4精密粗糙度轮廓仪Fig.4Precision roughness profiler图7纳米颗粒在热表面
25、上分解并与摩擦表面反应形成氧化膜Fig.7The nanoparticles decompose on the hot surface and react with the frictional surface to form an oxide film图5超景深三维显微镜Fig.5Ultra-depth 3D microscope 59宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期3.1.2 磨削深度对磨削力的影响在砂轮转速 vs为 30 m/s,工件进给速度 vm为3 000 mm/min 的条件下,切削深度 ap为 28 m,在磨削过程中,磨削力会随磨粒切削深度的变化而变化,如图8所示。
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