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纳米流体作为切削液磨削EN-31(GCr15)钢的相关分析作者：V. Vasu1，*， K. Manoj Kumar2，*（收稿2011年8月13;收纳2011年9月22;网上发表2011年11月3日。）摘要：磨削需要高的特定能量 ，以便在砂轮工作件上开发高温界面。高温通过诱导拉伸残余应力，燃烧，和微裂缝削弱工件质量。磨削温度的控制是通过提供有效的冷却和润滑实现。由于巨大的发热和散热不当，传统的洪水冷却往往是无效的，本文论述了用TRIM E709乳化剂与氧化铝纳米颗粒降低磨削区产生的热量的调查 。科学家发明了一种实验装置, 并做了详细比较用干燥完成，TRIM E709乳化剂和TRIM E709乳化剂含氧化铝纳米颗粒在温度分布和表面光洁度方面磨削EN-31钢。结果表明,随着氧化铝纳米颗粒的加入，表面粗糙度和热渗透性减少。关键词:磨削;氧化铝纳米颗粒;温度分布;表面粗糙度;EN-31钢引文：V. Vasu and K. Manoj Kumar,“纳米流体作为切削液磨EN-31(GCr15)钢的相关分析”， 微纳米快报. 3（4），209-214（2011）。 引言磨削是一种研磨材料去除工艺，它被广泛应用于需要精细公差和光滑饰面制造的组件。磨削过程中会在工件轮界面产生极端高温和高切削力1。冷却和润滑是必要的，以保护工件和砂轮从工件燃烧，转换阶段,不良的残余拉伸应力,裂缝,降低疲劳强度，热变形和不准确的地方1-2。当切削液被施加到磨削区，它首先将经受核沸腾，从而提高工件与流体之间的热传导率。随着温度的进一步升高，工件和流体之间产生的蒸汽膜，其充当绝缘体，防止热传导到流体。其结果是，工件温度快速升高并燃烧表面的材料3。洪水冷却的替代方法是最小量润滑（MQL）或使用固体润滑剂。如果MQL冷却液不会蒸发的话，那么它因磨削热与洪水冷却有相似的结果4。固体润滑油在磨削过程中表现良好，具有较高的温度，无毒，易于应用和成本效益5,6。没有良好的固体润滑效果,还有一个需要冲刷作用和工具清洗的比传统液体润滑更缺乏吸引力的方法。由于新兴的纳米技术，高导热流体称为“纳米流体”已经出现。纳米流体是被设计在基础液颗粒（10-100纳米）的胶体悬浮液7。纳米流体作为冷却剂的适用性主要是由于纳米粒子包裹体增强的热物理性质8。本文通过在切割组合不同的进给速度深度加工EN-31钢，观察环保型TRIM E709乳化剂悬浮纳米氧化铝对表面粗糙度和散热效果的影响。纳米流体的合成 纳米氧化铝是由碳酸铝铵液相合成法9制备（AACH）其次是热分解（煅烧）。纳米流体是由氧化铝纳米颗粒混合成一种乳化剂TRIM E709连续使用电磁搅拌器搅拌约8小时如图一(c)所示。(a)实验装置示意图 （b）温度指示器（c）磁力搅拌器 （d）TRIM E709乳化剂 （e）EN-31钢工作件图1.实验装置及设备。实验过程图1所示为当前研究的实验装置，初始100 *120 *120立方毫米的EN-31钢块加工切割组合在不同进给速度深度使用兰巴磨削机（见表1和2）在干燥条件下，湿（乳化剂TRIM E709）条件下与乳化剂的TRIM E709，用1的Al2O3纳米流体条件来研究主要在相对于表面粗糙度和散热对工件材料的加工特性的作用。根据全因子设计的实验总数为9，通过采取三个不同的环境三个层次的饲料和深度。全因子设计的实验设计如表3所示。温度测量是通过使用J型的热电偶，如图1(e)所示，从距离所有工件的边缘5mm并入。表4显示了砂轮工件界面温度在不同的环境条件下表面粗糙度的实验结果。从表4中所示的结果，可以发现，乳化剂+氧化铝纳米颗粒表现出在表面粗糙度和界面温度比干燥和普通乳化剂的条件下有所降低。表1 控制因素及其水平控制因素因素水平1 2 3饲料（mm/s） 100 150 200 切割深度（m） 25 50 75表2 研磨机规格磨削方式 表面研磨 磨床 兰巴机液压平面磨床最大行程长度 750mm最大横向进给 235mm工作区域 450mm*200mm砂轮 Al2O3(AA 46 K5 V8)砂轮尺寸 250mm*25mm*76.2mm砂轮转速 1400RPM环境 干，湿 1%Al2O3 工件材料 EN-31钢修整工具 单点金刚石工具表3 全因子实验阵列。运行命令 饲料,VWP(mm/sec) 切割深度,d(m)1 100 252 100 503 100 754 150 255 150 506 150 757 200 258 200 509 200 75表4 实验结果 温度，T() 粗糙度，RA（m）运行命令 干切削 湿切削 湿式切削1% 氧化铝 干切削 湿切削 湿式切削1% 氧化铝1 145 118 92 1.03 0.77 0.572 149 121 99 1.06 0.79 0.603 154 126 103 1.11 0.79 0.634 146 119 98 1.02 0.76 0.575 157 128 109 1.04 0.82 0.626 163 134 114 1.14 0.89 0.687 160 129 108 1.12 0.93 0.698 166 136 114 1.16 0.96 0.789 170 143 120 1.17 0.98 0.81有限元模型有限模型提出了砂轮的矩形热源长度等于砂轮和工件之间的几何接触长度LC，如图2所示。热源沿工件表面的速度等于沿磨削区的工作速度，LC的计算使用公式为（1）。 L c= dWd (1)图2.磨削过程的命名法在湿式磨削过程中，磨削区所产生的热量传递到芯片，磨削液，轮和工件上。热输入的长度由公式2给出是接触长度的一半2。 Lh = LC2 (2) 冷却是通过对流边界条件来模拟。顶面和冷却液的对流传热系数，侧表面和底表面的空气对流换热系数（h=11.43 w/m2k）。PLANET55（2维，四边形，4-节点）元素用来啮合工件，在加工区域有更多的密度和减少远离切削区,为更好的温度分布并减少计算时间。25m，50m，75m的不同深度工件的网格细节，如表5所示。 表5不同切削深度的单元网格划分序号 切削深度m 节点编号 元素编号1 25 2236 21252 50 1196 11253 75 1326 1250顶面采用雷诺兹，普朗特和努塞尔数传热系数计算, 其余三面采用空气对流。纳米流体的对流换热系数的计算是通过使用表6给出的纳米颗粒和基液的公式（3）和热物理特性计算。纳米流体的热物理性能10是通过使用公式(5-7)计算。一个平板流动流体的传热系数可以计算为湍流：N unf=0.453Renf0.5Prnf0.333层流： (3) N unf=0.332Renf0.5Prnf0.333其中Renf和Prnf定义为： Renf=n fV Ln f ， Prnf=cnf nfknf (4)密度、比热和纳米流体的粘度是nf=kp（1-）f (5)Cp,nf= （cp）p+(1-)(cp)fnf (6)nf=f(1+39.112+533.92) (7)式中，是颗粒体积分数,下标nf，p和f分别对应于纳米流体，颗粒和基液。结果与讨论图3显示了温度的变化，图4给出了在不同的冷却液环境下不同的进给量和切削深度的表面粗糙度。不同的控制因素和切削环境的表面粗糙度和界面温度变化的讨论如下。表6切削液性能性能 Al2O3 乳化切削液 1的纳米Al2O3切削液密度（kg/m3） 3970 931 961.39粘度 (NS/m2) - 0.274 0.3958比热 (J/kg-k) 770 4198 4056.4电导率(W/m-k) 40 0.883 0.908图3不同切削环境下温度的变化图4不同切削环境下表面粗糙度的变图5温度分布 （a）进给= 200毫米/秒，切削深度= 25微米（第一行）（b）进给= 150毫米/秒，切削深度= 50微米（第二行）（c）进给= 100毫米/秒，切削深度= 75微米（第三行）砂轮工件界面温度 金属切削温度的主要部分主要是在砂轮工件界面温度（切削温度），这是由于砂轮磨损和工件表面质量等，由于磨损对金属切削区的切削温度敏感。从图3干燥加工，乳化剂和乳化剂+ 1%氧化铝纳米颗粒在不同进给速度下和确定增加的切削深度，进给速度下的砂轮工件界面温度平均温度像往常一样增加，由于增加切削能源输入。然而，相比与干燥和普通乳化条件，也正是看到了乳化剂+ 1%的Al2O3纳米流体使界面降低。这可能是由于乳化剂+ Al2O3纳米流体的更高热物理性质。表面粗糙度 工件的表面粗糙度是通过泰勒霍普森surtronic 3+粗糙度测量仪与0.01m分辨率轮廓仪来测量，导线长度0.25毫米，横向速度1mm /秒。图4表明：随着进给速度的增加，表面粗糙度增大，表面粗糙度随切削深度的增加而增加。图中35%-40%的乳化剂+ 1的Al2O3颗粒条件下，表面粗糙度降低。这可能是由于生成更密集的磨削区温度,导致残余应力的发展,微裂纹和工件表面回火，从而降低普通乳化剂通过添加Al2O3纳米颗粒而增加的导热系数和传热系数。温度分布有限元传热模型已被用来估计在实际研磨应用中的能量分配。有限元传热模型跟踪温度在工件上的时间分布，而不是只是一个稳态解。因此，用热电偶测量的温度响应，是在时域可以匹配的有限元传热模型的能量分配在工件上。图5表明，相比于干燥和普通的乳化剂，能量分配是乳化剂+ Al2O3纳米流体减少。结论由于在磨削区产生的热能量巨大，为了避免工件热损伤，一个新的切削液, TRIM E709乳化剂含Al2O3纳米颗粒，已经开发出来用以提高磨削EN-31钢传热。本次调查的主要结论可以概括如下： 相比于干燥和普通的乳化剂，通过使用TRIM E709乳化剂与Al2O3纳米颗粒，砂轮工件温度降低20至30%。 表面光洁度也明显提高，主要得益于通过TRIM E709乳化剂与Al2O3纳米颗粒的应用，减少砂轮表面的磨损和伤害。 有限元法磨削模型被用来模拟能量分配，在干燥，普通乳化剂，乳化剂1%的Al2O3纳米流体中，我们发现EN-31钢磨削降低能量分配和表面的Al2O3纳米粗糙度。参考 1 E. Brinksmeier, C. Heinzel and M. Wittmann, AnnualCIRP, 48, 581 (1999).2 S. Malkin, R. B. Anderson, Trans. ASME, J. Eng.Ind. 96, 1184 (1974).3 T. D. Howes, Annual. CIRP, 39, 313 (1990).4 L. R. Silva, E. C. Bianchi, R.Y. Fusse, R. E.Catai, T.V. Franca and P. R. Int. J. Machine Tools M. 47, 412 (2007).5 S. Shaji and V. Radhakrishan, Int. J. machine tools M. 42, 733 (2002).6 M. Alberts, K. Kalaitzidou and S. Melkote, Int. J. Machine Tools M. 49, 966 (2009).7 J. A. Eastman, S. R. Phillpot, S. U. S. Choiand P. Keblinski