电渗效应对水基切削液在刀-...渗透润滑影响机理的实验研究_冯伯华.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.320 电渗效应对水基切削液在刀-屑界面渗透润滑影响 机理的实验研究*冯伯华1,2 栾志强1,2 张若冲1,2 夏 雨1,2 姚伟强1 胡晓冬1,2 许雪峰1,2 (1.浙江工业大学机械工程学院 杭州 310014；2.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室 杭州 310023)摘要：切削区毛细管润滑理论在解释切削液刀-屑界面渗透发挥润滑作用时主要考虑大气压力和毛细力，未关注切削区荷电粒子发射所引起的切削液电动效应。切削区电学效应所产生的电场足以诱发切削液产生电渗流。基于此，首次探究了电渗效应对水基切削液渗透机理的影响，揭示了电渗添加剂、毛细管材料和轴向电场对切削液电渗特性的影响规律。通过测量切削区间隙中的荷电粒子发射强度，掌握了切削区毛细管两端自激轴向电场的变化特性。结果表明，切削液在切削区存在电渗效应且与工件材料和荷电粒子发射强度相关。车削 AISI 304 不锈钢时，电渗促进型切削液润滑下的切削力相比于纯去离子水和电渗抑制型切削液润滑时分别降低了 31.1%和 44.3%。刀具刃口的扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和能谱分析(Energy dispersive spectroscopy,EDS)显示，随切削液电渗性能提高，切削刃的磨损形式由粘附磨损转变为微崩刃，表明电渗效应与切削液的渗透及切削性能呈正相关。研究结果对于了解电渗效应对切削液渗透机理的影响，完善毛细润滑理论，以及最终提高切削液使用效率有重要参考价值。关键词：电渗效应；电渗流；荷电粒子；水基切削液；切削性能 中图分类号：TG519 Experimental Study on Influence Mechanism of Electroosmotic Effect on the Penetration and Lubrication of Water-based Cutting Fluid at Tool-chip Interface FENG Bohua1,2 LUAN Zhiqiang1,2 ZHANG Ruochong1,2 XIA Yu1,2 YAO Weiqiang1 HU Xiaodong1,2 XU Xuefeng1,2(1.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014;2.Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology of Ministry of Education and Zhejiang Province,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310023)Abstract：The micro-capillary lubrication theory explained lubricant penetration into the toolchip interface under the action of atmospheric pressure and capillary force without considering the electrokinetic effect caused by triboelectrification.The axial electric field generated by the electrical effect in the cutting contact zone was enough to trigger the electroosmotic flow of cutting fluid.Based on this,the effect of electroosmosis on the penetration mechanism of water-based cutting fluid was explored for the first time,and the effects of electroosmosis additives,capillary materials and axial electric field on the electroosmosis characteristics of cutting fluid were also revealed.The variation of self-excited axial electric field at both ends of capillary in cutting zone was investigated by 国家自然科学基金(52275468)、浙江省基础公益研究计划(Y23E050073)和国家重点研发计划(2020YFB2010600)资助项目。20220508 收到初稿，20230107 收到修改稿 月 2023 年 5 月 冯伯华等：电渗效应对水基切削液在刀-屑界面渗透润滑影响机理的实验研究 321 measuring the emission intensity of charged particles.The results showed that the cutting fluid has electroosmosis effect in the cutting zone,which related to the property of workpiece material and the emission intensity of charged particle.Compared with pure deionized water and electroosmotic suppressant cutting fluid,the cutting force lubricated with electroosmotic promoter cutting fluid was reduced by 31.1%and 44.3%respectively when cutting AISI 304.Moreover,the scanning electron microscopy(SEM)and energy dispersive spectroscopy(EDS)analyses on the tool edges using the above fluids showed a transfer from adhesive wear to micro breakage,which demonstrated that the electroosmosis effect has a positive relationship with the penetration of cutting fluid and the cutting performance.The results presented in this study are of great significance for understanding electroosmosis effect on the lubricant penetration mechanism to perfect the micro-capillary lubrication theory and provide reference for improving the efficiency of cutting fluid.Key words：electrokinetic effect；electroosmotic flow；charged particle；water-based cutting fluid；cutting performance 0 前言 应用切削液主要目的包括提高工件表面质量，减少刀具磨损以及提升生产效率等。加工过程中，切削液在大气压力和毛细力影响下通过刀-屑界面毛细管动态网络向切削区内部渗透1；切削液的使用可减小第二剪切区刀-屑间的粘结距离，从而降低剪切力2；此外，切屑自身裂缝是切削液渗透的另一入口，可加快第一剪切区热量的消散3。REHBINDER 效应指出添加剂与微裂纹的相互作用可促进工件材料的去除4-5；MARANGONI 效应产生的毛细力驱使切削液远离高温区域，导致反向渗透6。然而，现有研究中切削液渗透机理主要基于大气压力和表面张力驱动效应。为进一步完善毛细渗透润滑理论，作者提出一种新颖的由切削过程中发射的荷电粒子诱发的切削液电动渗透效应。HWANG 等7-8采用透明刀具对纯铅、纯铝和纯铜等材料进行切削加工，探究了刀-屑接触区毛细管网络对润滑液渗透的影响。研究结果表明刀-屑接触区存在成束毛细管，润滑液由此向内渗透并润湿接触界面，促进润滑膜的形成7,9。此外，切削过程中第一剪切区存在工件剪切和断裂现象，在刀具、切屑和已加工表面间的主摩擦区和次摩擦区均发生了较高接触压力的摩擦相互作用，可引起接触面的摩擦生电和毛细管中的荷电粒子发射现象10-11。刀具和工件材料功函数差异、碎片转移方向和固有缺陷(如空穴、微裂纹等)均可影响摩擦生电性能12-14。此外，由摩擦产生的摩擦生电电势还与材料电阻率相关，绝缘金刚石刀具划擦绝缘聚合物时，该电势可达 1 kV 以上15；而电阻相对较低的铁(盘)-碳钢(销)摩擦生电电势仅为几十微伏，且随碳含量的增加，销的带电极性由随机向负电性转变16。摩擦生电电势可在接触区狭缝中形成径向强电场，初始低能电子在此电场下加速轰击中性分子而导致不同极性荷电粒子向外发射，引起电子雪崩并伴随有摩擦微等离子体的产生17。接触区狭缝中所发射荷电粒子强度通常需要在真空或特殊气氛条件下利用通道电子倍增器进行测量18-19，且在不同材料中的发射强度规律为绝缘体半导体导体20。对于复杂工况，可利用法拉第离子收集器辅助外部偏置电压的方法来捕获特定极性的荷电粒子21。GOVINDARAJ11的研究表明荷电粒子发射特性与工件材料的力学和电学性能紧密相关。目前为止，与材料和加工参数紧密相关的荷电粒子在刀-屑/工件接触区所产生的自激轴向电场特征却鲜有研究。事实上，荷电粒子可通过影响摩擦副表面所形成润滑膜性质而在减少摩擦和磨损方面发挥重要作用22。此外，作者通过四球摩擦磨损试验研究表明，不同电渗性能润滑液可影响磨损表面摩擦膜的形成23-24。因此，了解切削区自激电学性能与切削液电渗的关联，进一步探讨自激电学性能差异对切削液渗透机理的影响至关重要。当溶液与固体接触时，离子特性吸附效应或固体表面基团解离使得表面电荷一般为负电性，并形成双电层(包括扩散层和固定层)25-26。毛细管电渗是电场作用于固/液界面双电层中扩散层离子而产生的一种溶液电动效应27。所产生电渗流使溶液本体相对固定毛细管壁面朝确定方向移动，通常应用于液相色谱分离和电动微泵等领域28-29。CHEN 等30研究了高压电渗泵在微柱液相色谱中的应用，并设计了一款对于纯水和甲醇可输出压力至少为5 MPa，稳定流量在 1 L/min 的电渗泵。其研究表明，通过调节毛细管两端的轴向驱动电场可定量控制电渗流的流量和压力。仲武等31研究发现，在直径 25 m 毛细管两端施加 800 V/cm 轴向电场后，去离子水可产生约 11 mm/s 的电渗流，这与基于刀-屑接触区毛细管渗透模型得到的研究结果相类 似32。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 322 切削液在刀-屑接触区毛细管中的电驱动渗透性能主要取决于毛