碳纳米管复合物纳米流体切削液改善工件表面加工质量的试验研究
【】为了提高水基切削液的润滑与冷却效果，本文提出将润滑添加剂硫化异丁烯填充到碳纳米管(CNTs)内制备一种复合物，再以这种复合物为添加剂制备一种纳米流体切削液。与普通切削液比，本文所制备纳米流体切削液中的复合物能显著强化切削液的导热性能，且复合物在切削液中具有良好的分散性，更容易渗入到切削区域，其中的润滑添加剂释放后可起到更好的润滑作用，从而提高加工表面质量、降低刀具磨损。本文的主要内容如下首先，选取一种极压润滑添加剂—硫化异丁烯（T321），开展T321填充CNTs的工艺研究，并对所制备的复合物进行表征；其次，开展纳米流体切削液的配方设计，研究纳米流体的分散稳定性、渗透性等相关热物性特征，并通过摩擦学试验研究了纳米流体切削液的润滑性能；最后，通过基本的圆柱车削和平面铣削试验，研究切削液的加工性能，并利用所制备的纳米流体切削液，进行一种化妆品瓶注塑模具的实际加工，评价其实际切削效果。通过本毕业设计的前期试验，制备了一种实用环保型纳米流体切削液的样品，该切削液提高同等工况下切削加工的质量、降低刀具磨损，提升了切削液的品质。
目 录
引 言 1
一、碳纳米管复合物的制备 3
（一）所用材料与设备 3
（二）制备步骤 3
（三）复合物的结构表征 4
二、纳米流体切削液的制备与热物性能 8
（一）材料与设备 8
（二）制备与测试步骤 9
（三）纳米流体的分散稳定性 9
（四）纳米流体的导热性能 12
（五）纳米流体的黏度特性 14
三、纳米流体切削液的摩擦学性能测试 16
（一）材料与设备 16
（二）试验方案 16
（三）摩擦试验结果分析 17
四、纳米流体切削液的基本切削加工性能的试验 21
（一）基本圆柱车削加工试验 21
（二）基本平面铣削加工试验 24
五、纳米流体切削液应用于注塑模具零件加工的试验 27
（一）零件介绍 27
（二）加工工艺分析 28
（三）利用纳米流 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
体切削液进行加工的过程 31
（四）表面质量检验结果 37
（五）加工问题总结与分析 38
总 结 39
参考文献 40
致谢 42
毕业课题取得成果 43
引 言
切削加工是机械制造的重要组成部分。随着我国制造业实施产品创新、产业结构升级和智能制造步伐的加快，切削加工技术在加工质量、加工效率和降低成本方面都面临提升的需要。工件的表面质量，作为加工质量的一个重要指标，主要是指零件表面在加工后的状态，如表面粗糙度、表面的残余应力和表层硬化程度等。工件表面质量对材料或零件的使用性能有显著影响，如表面粗糙度能够影响材料的疲劳强度和零件的配合、表面残余应力易导致零件表面易产生裂纹等。加工过程中切削液的使用，通过影响摩擦力、切削热以及减少切屑粘结在加工表面上，会对加工表面粗糙度、表层硬度、残余应力等产生重要影响，合适的切削液对提高工件表面质量和刀具耐用度等有很好的作用。
切削液具有润滑、冷却、渗透和清洗等功能，其中润滑作用是指其渗入加工区域，以减少前刀面与切屑、后刀面与已加工面之间的摩擦，防止刀具与切屑间粘着的功能。切削液还可以通过热传导、对流、汽化热起冷却作用，有效的将已产生的切削热迅速从切削区域带走，从而有效降低切削温度、提高加工质量和刀具耐用度。
随着纳米技术的兴起，有采用固体纳米粒子取代润滑添加剂，制备水基（油基）纳米流体切削液的做法。与普通的切削液相比，纳米流体具有很强的强化冷却性能，对于降低切削区温度、改善刀具磨损、提高表面质量都有较好的作用。用于制备纳米流体切削液的纳米材料主要有两类：纳米固体润滑剂（如MoS2、PbS等）和碳纳米微粒（如纳米石墨、金刚石等）。然而这些纳米流体所用的纳米粒子添加剂尚存在以下缺点：
（1）碳纳米粒子在高速、重载切削工况下的承载能力不强。由于碳纳米粒子表面没有活性化学基团或元素，在剧烈的摩擦条件下无法与金属生成化学反应膜起有效的润滑作用，限制了其在切削加工领域的应用。
（2）固体润滑剂纳米粒子的导热性差（如石墨为160 w/mK，二硫化钼为24.85 w/mK），冷却散热性差，且摩擦系数较高，减摩性能不如油性的润滑添加剂。
（3）固体纳米粒子在水中没有溶解性，在切削区域的渗透性能差，难以充分发挥润滑、冷却作用。切削液通过毛细管作用渗入切削区域，水的粘度小，渗透性好，若能将润滑添加剂能够溶解在水中，随水一起渗入切削区域，将能更加有效的发挥作用。
（4）纳米粒子在纳米流体中容易团聚，分散性差。纳米流体具有巨大的界面能，分子间的引力易使纳米粒子聚集成束或缠绕，且其表面是相对惰性的，在水基切削液中的分散度低，影响其导热性能。
本次毕业设计所制备的CNTs与T321的复合物，可以提高切削液的导热能力、减摩和极压性能。碳纳米管复合物在水基切削液中具有一定的溶解性、良好的分散稳定性，还可以提高切削液的渗透性，达到强化切削区域润滑和冷却效果的目的，在一定程度上克服了上述纳米粒子的缺点。
本次毕业设计首先开展上述CNTs复合物及其纳米流体切削液的制备方法的研究。首先，利用毛细管作用原理，将T321填充到经酸化处理的CNTs的内腔中，形成一维纳米复合材料；再以该碳纳米管复合物为添加剂，通过机械搅拌、超声振动的方法制得一种水基纳米流体切削液，并测定切削液的导热性、分散稳定性、渗透性等技术性能指标。最后，再利用所制备的纳米流体切削液开展实际切削加工试验。切削加工时，CNTs复合物随水基液渗入到切削加工区域，因剧烈摩擦，所述的碳纳米管被挤压、变形并破裂，所述的润滑添加剂释放到加工面上起润滑作用（如右图1所示），从而提高加工表面质量、降低刀具磨损。
本毕业设计的内容来源于指导教师的科研项目，得到了国家自然科学基金青年基金（51805345）和江苏省自然科学青年基金项目（BK20170373）的资金支持。在校学习期间，本人利用课余及假期时间协助指导教师开展相关试验工作，并共同撰写科研论文；在企业顶岗实习期间，本人协助导师在实习企业开展纳米流体切削液样品的实际加工试验，并取得较好效果。
碳纳米管复合物的制备
本章主要探索CNTs与T321复合物的制备过程。首先，通过酸化处理将碳纳米管的端盖打开，同时可在端面键上引入羧基、羟基等具有一定活性的基团，以增加碳纳米管在基础液中的分散稳定性；通过机械球磨的方法将碳纳米管截断，使其具有合适的长径比；其次，通过机械搅拌、超声的方法，将油性剂或极压剂填充到经酸化处理的碳纳米管的内腔中；最后，利用相关分析测试设备对所制备的复合物进行表征，验证复合物的形成以及填充率。
目 录
引 言 1
一、碳纳米管复合物的制备 3
（一）所用材料与设备 3
（二）制备步骤 3
（三）复合物的结构表征 4
二、纳米流体切削液的制备与热物性能 8
（一）材料与设备 8
（二）制备与测试步骤 9
（三）纳米流体的分散稳定性 9
（四）纳米流体的导热性能 12
（五）纳米流体的黏度特性 14
三、纳米流体切削液的摩擦学性能测试 16
（一）材料与设备 16
（二）试验方案 16
（三）摩擦试验结果分析 17
四、纳米流体切削液的基本切削加工性能的试验 21
（一）基本圆柱车削加工试验 21
（二）基本平面铣削加工试验 24
五、纳米流体切削液应用于注塑模具零件加工的试验 27
（一）零件介绍 27
（二）加工工艺分析 28
（三）利用纳米流 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
体切削液进行加工的过程 31
（四）表面质量检验结果 37
（五）加工问题总结与分析 38
总 结 39
参考文献 40
致谢 42
毕业课题取得成果 43
引 言
切削加工是机械制造的重要组成部分。随着我国制造业实施产品创新、产业结构升级和智能制造步伐的加快，切削加工技术在加工质量、加工效率和降低成本方面都面临提升的需要。工件的表面质量，作为加工质量的一个重要指标，主要是指零件表面在加工后的状态，如表面粗糙度、表面的残余应力和表层硬化程度等。工件表面质量对材料或零件的使用性能有显著影响，如表面粗糙度能够影响材料的疲劳强度和零件的配合、表面残余应力易导致零件表面易产生裂纹等。加工过程中切削液的使用，通过影响摩擦力、切削热以及减少切屑粘结在加工表面上，会对加工表面粗糙度、表层硬度、残余应力等产生重要影响，合适的切削液对提高工件表面质量和刀具耐用度等有很好的作用。
切削液具有润滑、冷却、渗透和清洗等功能，其中润滑作用是指其渗入加工区域，以减少前刀面与切屑、后刀面与已加工面之间的摩擦，防止刀具与切屑间粘着的功能。切削液还可以通过热传导、对流、汽化热起冷却作用，有效的将已产生的切削热迅速从切削区域带走，从而有效降低切削温度、提高加工质量和刀具耐用度。
随着纳米技术的兴起，有采用固体纳米粒子取代润滑添加剂，制备水基（油基）纳米流体切削液的做法。与普通的切削液相比，纳米流体具有很强的强化冷却性能，对于降低切削区温度、改善刀具磨损、提高表面质量都有较好的作用。用于制备纳米流体切削液的纳米材料主要有两类：纳米固体润滑剂（如MoS2、PbS等）和碳纳米微粒（如纳米石墨、金刚石等）。然而这些纳米流体所用的纳米粒子添加剂尚存在以下缺点：
（1）碳纳米粒子在高速、重载切削工况下的承载能力不强。由于碳纳米粒子表面没有活性化学基团或元素，在剧烈的摩擦条件下无法与金属生成化学反应膜起有效的润滑作用，限制了其在切削加工领域的应用。
（2）固体润滑剂纳米粒子的导热性差（如石墨为160 w/mK，二硫化钼为24.85 w/mK），冷却散热性差，且摩擦系数较高，减摩性能不如油性的润滑添加剂。
（3）固体纳米粒子在水中没有溶解性，在切削区域的渗透性能差，难以充分发挥润滑、冷却作用。切削液通过毛细管作用渗入切削区域，水的粘度小，渗透性好，若能将润滑添加剂能够溶解在水中，随水一起渗入切削区域，将能更加有效的发挥作用。
（4）纳米粒子在纳米流体中容易团聚，分散性差。纳米流体具有巨大的界面能，分子间的引力易使纳米粒子聚集成束或缠绕，且其表面是相对惰性的，在水基切削液中的分散度低，影响其导热性能。
本次毕业设计所制备的CNTs与T321的复合物，可以提高切削液的导热能力、减摩和极压性能。碳纳米管复合物在水基切削液中具有一定的溶解性、良好的分散稳定性，还可以提高切削液的渗透性，达到强化切削区域润滑和冷却效果的目的，在一定程度上克服了上述纳米粒子的缺点。
本次毕业设计首先开展上述CNTs复合物及其纳米流体切削液的制备方法的研究。首先，利用毛细管作用原理，将T321填充到经酸化处理的CNTs的内腔中，形成一维纳米复合材料；再以该碳纳米管复合物为添加剂，通过机械搅拌、超声振动的方法制得一种水基纳米流体切削液，并测定切削液的导热性、分散稳定性、渗透性等技术性能指标。最后，再利用所制备的纳米流体切削液开展实际切削加工试验。切削加工时，CNTs复合物随水基液渗入到切削加工区域，因剧烈摩擦，所述的碳纳米管被挤压、变形并破裂，所述的润滑添加剂释放到加工面上起润滑作用（如右图1所示），从而提高加工表面质量、降低刀具磨损。
本毕业设计的内容来源于指导教师的科研项目，得到了国家自然科学基金青年基金（51805345）和江苏省自然科学青年基金项目（BK20170373）的资金支持。在校学习期间，本人利用课余及假期时间协助指导教师开展相关试验工作，并共同撰写科研论文；在企业顶岗实习期间，本人协助导师在实习企业开展纳米流体切削液样品的实际加工试验，并取得较好效果。
碳纳米管复合物的制备
本章主要探索CNTs与T321复合物的制备过程。首先，通过酸化处理将碳纳米管的端盖打开，同时可在端面键上引入羧基、羟基等具有一定活性的基团，以增加碳纳米管在基础液中的分散稳定性；通过机械球磨的方法将碳纳米管截断，使其具有合适的长径比；其次，通过机械搅拌、超声的方法，将油性剂或极压剂填充到经酸化处理的碳纳米管的内腔中；最后，利用相关分析测试设备对所制备的复合物进行表征，验证复合物的形成以及填充率。
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