赵绪峰¹, 于天彪¹, 李长河², 王宛山¹
1. 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 青岛理工大学 机械与汽车工程学院, 山东 青岛 266520
收稿日期：2018-07-22
基金项目：辽宁省重点实验室项目(LZ2015038)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N170307009)。
作者简介：赵绪峰(1989-)，男，山东诸城人，东北大学博士研究生;
于天彪(1968-)，男，吉林榆树人，东北大学教授，博士生导师；;
李长河(1966-)，男，内蒙古通辽人，青岛理工大学教授，博士生导师;
王宛山(1946-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。

摘要：为了研究磨削碳纤维复合材料(CFRPs)时, 纳米二硫化钼(MoS₂)含量对纳米微量润滑效果的影响, 制备了不同质量分数(0%, 3%, 6%, 9%, 12%)的纳米MoS₂和棕榈油混合液, 作为纳米微量润滑油液, 对碳纤维复合材料进行磨削加工.使用光学显微镜, 观测分析碳纤维复合材料的表面粗糙度、表面形貌.使用测力仪对磨削力进行测量, 并通过磨削力计算出磨削力比.最后对纳米(MoS₂)在纳米微量润滑磨削过程中的作用机理进行了阐述.结果表明, 当纳米(MoS₂)质量分数为9%时磨削力比最低, 为0.063 2, 表面粗糙度R_a值最小, 为1.86 μm, 且表面碳纤维损伤最小.
关键词：碳纤维复合材料纳米二硫化钼纳米微量润滑磨削磨削力表面粗糙度表面形貌
Effect of Nano MoS₂Concentrations on Nano Minimum Quantity Lubrication in CFRPs Grinding
ZHAO Xu-feng¹, YU Tian-biao¹, LI Chang-he², WANG Wan-shan¹
1. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. School of Mechanical & Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China
Corresponding author: YU Tian-biao, E-mail: tbyu@mail.neu.edu.cn
Abstract: To investigate the effect of nano MoS₂ concentration on minimum quantity lubrication(MQL)in grinding carbon fiber reinforced plastics(CFRPs), the grinding experiments of CFRPs were carried out with lubricating oils of various concentrations(0%, 3%, 6%, 9%, and 12%)of nano MoS₂ in palm oil. The surface roughness and morphology of the CFRPs were studied by optical microscopy. The grinding forces were measured by dynamometer, and the grinding force ratio was calculated and analyzed. Also, the CFRPs grinding mechanism with MQL of various nano MoS₂ concentrations was explained. The results show that when the mass fraction of nano MoS₂ reaches 9%, the grinding force ratio reaches the lowest value of 0.063 2, and the quality of surface roughness with R_a of 1.86 μm and surface morphology of CFRPs are both better than those with other concentrations.
Key words: CFRPsnano MoS₂MQL grindinggrinding forcesurface roughnesssurface morphology
碳纤维复合材料的出现是为了弥补单一传统材料在加工后物理、化学和力学性能的不足^[1]; 目前, 因其具有高比模量、高比强度、高阻尼, 以及优良的几何稳定性和抗损伤能力, 被广泛应用于航空航天、交通运输、军工生产等领域^[2-3].但是碳纤维复合材料因为其各向异性, 并且在加工时更易出现热损伤^[2-3], 一直以来被业界认为是一种难加工材料.日益增长的碳纤维复合材料的应用需求和其加工的局限性引发了学术界和工业界对碳纤维复合材料精密加工的探索.
磨削是加工碳纤维复合材料的有效方式^[4].高航等设计了一种磨料群可控排布杯型砂轮, 以克服砂轮磨削碳纤维复合材料时出现的材料分层和砂轮堵塞现象^[5].Sasahara等使用内部冷却端面砂轮对碳纤维复合材料进行磨削加工, 与铣削加工相比, 表面粗糙度的数值下降了50%, 并且碳纤维复合材料没有出现分层现象^[6].Wang等使用旋转超声振动端面磨削对碳纤维复合材料进行加工, 结果发现低频超声振动功率或者更高的工具旋转速度使工件表面粗糙度值更低^[7]; 但是在磨削加工过程中依然存在碳纤维复合材料烧伤的现象^[8].
本文在碳纤维复合材料的磨削加工中使用一种新型的添加纳米MoS₂的纳米流体微量润滑液, 对磨削加工后碳纤维复合材料的表面粗糙度、表面形貌, 以及磨削过程中的磨削力和磨削力比进行分析, 并对纳米MoS₂在纳米流体微量润滑中的作用进行探讨.
1 实验材料和实验方法本次实验所选用的碳纤维复合材料的尺寸为5 mm×60 mm×30 mm.平均尺寸为50 nm的MoS₂以不同的质量分数(0, 3%, 6%, 9%, 12%)添加到棕榈油中作为纳米流体微量润滑油液.
选用K-P36精密数控平面磨床, 使用陶瓷结合剂碳化硅砂轮, 粒度为80目(180 μm).砂轮的尺寸为20 mm×?76.2 mm×?300 mm.纳米微量润滑磨削系统加工参数如表 1所示.磨削方向与碳纤维的朝向呈0°角.
表 1(Table 1)

表 1 纳米微量润滑磨削系统实验参数Table 1 Experimental parameters for nano MQL grinding system 磨削参数 值 砂轮速度vs/(m·s-1) 30 进给速度vw/(mm·min-1) 3 000 切削深度ap/μm 15 纳米微量润滑流速/(mL·h-1) 50 纳米微量润滑气压/MPa 0.6 纳米微量润滑喷嘴与砂轮距离/mm 12 纳米微量润滑喷嘴角度/(°) 15

表 1 纳米微量润滑磨削系统实验参数 Table 1 Experimental parameters for nano MQL grinding system

加工时使用YDM-Ⅲ99 3D测力仪对法向和切向的磨削力进行数据采集.使用奥林巴斯光学显微镜DXS510观测表面形貌和表面粗糙度.
2 结果与讨论2.1 磨削力结果分析图 1是含不同纳米MoS₂质量分数的纳米微量润滑油液在20个磨削过程中计算得出的法向磨削力和切向磨削力的平均值.从图中可以看出, 法向磨削力的变化趋势是先降后升再降.平均法向磨削力的标准误差范围为15.62~24.45 N.当纳米MoS₂质量分数为3%时, 法向磨削力最小, 为191.04 N; 当MoS₂质量分数为9%时, 法向磨削力最大, 为287.23 N.另一方面, 切向磨削力变化趋势为先降后升.平均切向磨削力的标准误差范围为2.12~4.68 N.当MoS₂质量分数为0时, 切向磨削力最大, 为21.72 N; 当MoS₂质量分数为3%时, 切向磨削力最小, 为17.21 N.
图 1(Fig. 1)

图 1 纳米MoS2质量分数与磨削力关系Fig.1 Relationship between mass fraction of nano MoS2 and grinding force

图 2是含不同纳米MoS₂质量分数的纳米微量润滑磨削过程中的磨削力比.磨削力比的计算公式^[9]为
图 2(Fig. 2)

图 2 纳米MoS2质量分数与磨削力比关系Fig.2 Relationship between mass fraction of nano MoS2 and grinding force ratio

(1)

式中, F_t和F_n分别是平均切向磨削力和平均法向磨削力.
随着纳米MoS₂在微量润滑油液中的质量分数的升高, 磨削力比的变化趋势与平均法向磨削力的变化趋势相反.标准误差的变化范围为0.010 4~0.033 6.当质量分数为9%时磨削力比最低, 为0.063;当质量分数为12%时磨削力比最高, 为0.107.
2.2 表面粗糙度分析图 3是含不同纳米MoS₂质量分数的纳米微量润滑油液时碳纤维磨削表面的粗糙度R_a.随着纳米MoS₂质量分数的变化, R_a的变化趋势与磨削力比的变化趋势相同, R_a的标准误差范围在0.47~0.73.当纳米MoS₂质量分数为3%时表面粗糙度最差, 为3.23 μm; 当纳米MoS₂质量分数为9%时表面粗糙度最佳, 为1.86 μm.这种情况也出现在文献[9]中, Zhang等^[9]指出当磨削力比最小时, 表面粗糙度达到最低值.
图 3(Fig. 3)

图 3 纳米MoS2质量分数与碳纤维复合材料表面粗糙度Ra关系Fig.3 Relationship between mass fraction of nano MoS2 and surface roughness Ra

2.3 表面形貌分析本次实验的磨削方向与碳纤维朝向平行.从图 4中可以看出, 工件表面并没有烧伤、毛刺、分层、纤维拔出现象.从图 4a中可以看出被剪断的碳纤维随机分布在工件表面, 并有少量粉碎的碳纤维残留在工件表面; 从图 4b中可以看出碳纤维出现了严重的剪断现象并伴有大量粉碎碳纤维残留在工件表面; 从图 4c中可以看出碳纤维的剪断现象比图 4b少, 粉碎碳纤维残留现象有所减轻; 从图 4d中可以看出碳纤维剪断现象比图 4c更少且程度减轻, 工件有大量保存完整的碳纤维; 与图 4d相比, 从图 4e中可以看出, 碳纤维的剪断现象明显加重.
图 4(Fig. 4)

图 4 含不同质量分数纳米MoS2的纳米微量润滑磨削过程中碳纤维复合材料的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of CFPRs ground with lubricating oil containing different mass fractions of nano MoS2 (a)—0; (b)—3%; (c)—6%; (d)—9%; (e)—12%.

2.4 纳米MoS₂在纳米微量润滑中的作用在磨削过程中, 每一次材料去除行为可以看成是单颗磨粒单方向切割工件的行为, 如图 5所示.当纳米MoS₂质量分数达到3%时, 润滑油膜的形成被抑制, 少量纳米MoS₂在切削刃的前端积聚, 这种现象在文献[1]中有过描述, 如图 5b所示.在这种情况下, 与纳米MoS₂质量分数为0时的磨削相比, 碳纤维复合材料的表面形貌较差, 磨削力比升高, 表面粗糙度较差; 此外, 磨粒与碳纤维复合材料的接触状态从滑动摩擦转变为滚动摩擦, 法向和切向磨削力相应减小, 如图 2、图 5a和图 5b所示.
图 5(Fig. 5)

图 5 含不同质量分数纳米MoS2的纳米微量润滑磨削过程中磨粒与碳纤维复合材料的接触区Fig.5 Contact areas of CFPRs ground with lubricating oil containing different mass fractions of nano MoS2 (a)—0; (b)—3%; (c)—6%; (d)—9%; (e)—12%.

当纳米MoS₂的质量分数达到6%时, 少部分纳米MoS₂在磨削过程中从磨粒的前端被推挤到磨粒与碳纤维复合材料的接触区内, 促进了接触区内润滑油膜的产生^[10], 如图 5c所示.
当纳米MoS₂的质量分数达到9%时, 磨削力比最低, 表面形貌达到最佳, 表面粗糙度值最低.这是因为有更多的纳米MoS₂从磨粒前端被推挤到磨粒与工件的接触区, 与微量润滑油相配合形成了一个完整的润滑油膜, 提升了磨粒与工件的磨削和摩擦润滑性能, 如图 5d所示.
当纳米MoS₂的质量分数达到12%时, 过多的纳米MoS₂进入到磨粒和工件的接触区, 破坏了润滑油膜; 与纳米MoS₂质量分数为9%时相比, 磨削力比大幅提升, 工件的表面粗糙度值增加, 表面形貌质量变差, 如图 5e所示.
基于以上分析可以推断, 在纳米微量润滑油液中添加一定质量分数的纳米MoS₂颗粒可以提升碳纤维复合材料的磨削性能, 但是添加过多的纳米MoS₂颗粒, 会降低碳纤维复合材料的磨削质量.
3 结论1) 当纳米MoS₂质量分数为9%时, 磨削力比最小, 为0.063.
2) 当纳米MoS₂质量分数为9%时, 碳纤维复合材料的磨削表面粗糙度值最低, R_a为1.86 μm.
3) 当纳米MoS₂的质量分数为9%时, 碳纤维复合材料磨削表面的纤维剪断现象最少, 碳纤维完整性最高.
4) 含纳米MoS₂的微量润滑磨削机制表明, 当纳米MoS₂质量分数达到9%时具有最佳的润滑油膜和摩擦特性.
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