植物油基纳米粒子射流微量润滑磨削机理与磨削力预测模型及实验验证

发布时间：2020-08-02 10:49

【摘要】：纳米粒子射流微量润滑磨削技术是一种高效、低耗、清洁、低碳的精密加工生产新方式,新工艺最大限度增加了微量润滑磨削的换热能力和润滑性能,解决了微量润滑换热能力不足的技术瓶颈,为微量润滑在新型材料、难加工材料的磨削加工应用开辟了一条新途径。然而,纳米粒子射流微量润滑磨削主要存在以下瓶颈问题:以植物油为基础油的磨削区油膜形成机理、纳米流体物理性能对减摩抗磨及换热机理的评价工艺评价体系、低速/高速磨削工况下的材料去除机理、不同润滑工况对磨粒切削成屑的力学行为影响等科学本源问题还未解决,更无法在技术应用中实现冷却润滑性能的主动参数化控制。针对以上瓶颈问题,论文开展了植物油基纳米粒子射流微量润滑磨削机理的研究工作,对植物油作为微量润滑基础油、混合纳米粒子微量润滑等新工艺的磨削区摩擦学特性和强化换热特性进行了理论研究和实验验证,并且对低速/高速磨削工况下的材料去除机理和力学行为进行了揭示,以此为基础建立了磨削力模型。论文主要包括以下内容:(1)揭示了以植物油作为纳米粒子射流微量润滑基础油的磨削机理,研究了不同植物油分子结构和纳米流体物理特性对磨削区成膜机理及减摩抗磨特性的影响规律,分析了砂轮/工件楔形空间纳米流体边界层换热机理及影响因素,建立了植物油纳米流体对磨削区冷却润滑性能影响的评价体系,为植物油的应用提供了理论依据;进行了45钢工件材料磨削加工实验,观测磨削力、比磨削能、磨削热、工件表面粗糙度等磨削性能参数验证规律;(2)揭示了不同纳米粒子分子式结构对磨削机理的影响机制,针对难加工材料高温镍基合金的磨削加工,率先提出混合纳米粒子微量润滑磨削的新方法,揭示混合纳米粒子“物理协同作用”对磨削区的减摩抗磨增益机理;进一步探索混合纳米粒子的配比对“物理包覆”现象的影响并得出最优纳米流体参数;以典型混合纳米粒子MoS_2/CNTs作为研究对象进行高温镍基合金GH4196 NMQL磨削加工实验并对润滑性能进行评价;(3)揭示了不同质量分数对纳米流体物理特性影响机制,结合植物油和混合纳米粒子的优异性能,进一步提出植物油基混合纳米粒子射流微量润滑磨削加工方法,探索了不同纳米流体浓度对纳米流体物理特性(粘度、接触角)的影响机制,采用工件表面形貌自相关分析方法对工件表面形貌微观特性进行分析,定量表征工艺参数对磨削性能和工件表面质量的影响规律;(4)揭示了砂轮/工件楔形约束空间材料去除机理及基本力学行为,率先建立了基于材料断裂去除及塑性堆积原理的磨削力模型;揭示了磨削区动态有效磨粒干涉材料运动学机理并建立了动态有效磨粒切削深度计算公式,结合单颗磨粒磨削力模型实现不同润滑工况下(干磨削、微量润滑、纳米粒子射流微量润滑)的磨削力精准预测;进行了不同磨削参数和润滑工况下的磨削加工实验并测量磨削力,对磨削力模型预测结果进行了验证;(5)研究了不同润滑工况下“速度效应”对材料去除行为的影响机理,建立了单颗磨粒干涉材料运动学公式及磨屑三维模型,探究了磨屑剪切滑移区变形机理及应变率的变化规律;揭示了应变率强化效应、应变硬化效应和热软化效应耦合作用下的磨屑形成机制和塑性堆积机理;进行了不同磨削速度、不同润滑工况(干磨削、微量润滑、纳米粒子射流微量润滑)下的单颗磨粒切削实验,观测磨屑形态、切削效率和磨削力对理论进行验证。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG580.1
【图文】：

传统浇注式润滑引起的问题如图 1-1 所示。图1-1 传统浇注式润滑存在的问题Fig. 1-1 Concerns of using traditional cutting fluids in machining

目前研究者们以减少切削液用量/摒弃切削液、采用“绿色介质”代替切削液两种思路为基本依据，提出了多种绿色加工方法，如图 1-2 所示。图1-2 不同绿色制造方法及特点Fig. 1-2 Different kinds of green manufacturing method and there characteristics1.2.1 干式磨削加工干式切削技术作为一种绿色加工技术，最早应用于汽车工业。最初，德国Aachen 工业大学的 F. Klocke 教授于 1997 年 CIRP 会议上对“干切削”进行了主题报告，报告称：干式加工在机械加工中的成功应用，为绿色加工技术带来了新

机械、日发精机、雷德数控等。a) 滚齿加工 b）铝合金薄壁件铣削加工图1-3 纳米粒子射流微量润滑技术应用典型案例Fig. 1-3 Typical application cases of nanofluids minimum quantity lubrication随着本项目技术的逐渐成熟，在金属加工的应用领域也在不断的扩展。早期和国外同行一样只能应用于铝合金的锯切加工；随着纳米粒子射流微量润滑技术的进一步开发，目前已经完全成熟地应用于齿轮加工的滚齿、铣齿、插齿、剃齿等，还成熟应用于车削、攻丝、铣孔等难加工的领域。特别是成功应用于航空航天、轨道交通、高端零部件精密制造等行业。典型应用效果如图 1-3 所示。表1-1 冲压生产线/冲压加工工艺技术应用效果Table 1-1 Technology application effect of stamping process项目 传统润滑方式 纳米粒子射流微量润滑润滑剂消耗（kg/天） 17/台 180ml/台刀具使用寿命（天） 170 260润滑剂支出（万元） 330/年 4.3/年工作环境 脏乱差、油烟严重 安全、整洁后处理 废液处理经济支出大 无后处理表1-2 插齿加工工艺技术应用效果Table 1-2 Technology application effect of gear s

【参考文献】

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本文编号：2778407