纳米流体应用于机械加工领域的研究进展

王勇，关集俱，，徐正亚，李特，高超，许雪峰

1苏州工业职业技术学院精密制造工程系；2常熟理工学院机械工程学院；3浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室

1 引言

切削加工过程中，切削液被注入切削加工区域起到冷却和润滑等作用，从而降低切削区域温度、提高工件质量和减缓刀具磨损等[1，2]。常见切削液主要有油基和水基两种，通常会在基础液中加入润滑剂、防腐剂和防锈剂等添加剂满足加工需求[3]，合适的切削液对切削加工质量、加工效率、刀具寿命等都有显著影响。传统切削液由于在成分和配方等方面受到限制，其在冷却和润滑等方面的性能提升空间十分有限，且传统切削液中含硫、磷、氯等元素的添加剂，对环境和人员健康具有一定危害[4]。因此，开发性能优良的绿色环保型切削液是未来的发展趋势。

纳米流体是按照一定比例将各种纳米粒子分散到基础液中所形成的悬浮液[5]。近年来，国内外学者将纳米流体应用到切削加工领域，取得了良好的加工效果[6，7]。与传统切削液相比，纳米流体具有更好的导热性能以及较好的摩擦学性能，能更好地降低切削温度和进一步提高基础液的润滑性能[8，9]。因此，作为一种能较好实现冷却、润滑作用且环境友好的加工方法，基于纳米流体的切削加工技术具有良好的应用前景。本文综述了近年来利用纳米流体进行切削加工的研究状况，探讨了其中的关键问题，展望了未来发展趋势。

2 纳米流体的制备方法与性能

2.1 纳米流体的制备方法

纳米流体中纳米粒子的粒径在纳米级别，与毫米、微米级的粒子相比，粒子间的布朗运动能使其不易沉淀，可以得到更优的悬浮性流体，但由于粒径在纳米级时，纳米粒子的比表面积增大，导致纳米粒子的表面能极高，容易造成纳米粒子团聚，形成的较大团聚体在重力作用下沉淀[10]。因此，纳米流体的制备不是简单的固-液混合，必须采用合适的方法使纳米颗粒均匀、稳定地分散于基液中。

常见的纳米流体制备方法主要有一步法和两步法两种。一步法是指利用气相法、液相法和球磨法等方法制备纳米粒子的同时将粒子直接分散到基础液中，纳米粒子和纳米流体的制备同时完成[11]。两步法是先按一定比例将纳米粒子和基础液(油、水等)直接混合，再根据纳米粒子的性能添加一定量的分散剂，并施加超声振动和机械搅拌使其分散，使得纳米粒子在基础液中均匀且稳定分布，得到具有良好悬浮稳定性的纳米流体[12]。如宫乐[13]利用两步法制备了添加石墨和碳纳米管粒子的植物油基纳米流体并应用于切削加工，静置实验表明，纳米流体的悬浮稳定性较好。

2.2 纳米流体的导热性能

切削加工时切削区域产生大量热量，造成切削区域温度升高，直接影响刀具的磨损情况、使用寿命、工件的加工精度和表面质量。因此，切削加工时需要选用合适的切削介质及时带走切削区域热量。由于纳米颗粒的加入提高了基液的导热系数，利用其作为切削介质时能更显著地降低切削区域温度，因而引发国内外研究者广泛关注。

Li Xiaoke等[14]将SiC纳米颗粒添加到导热油中，利用油酸作为分散剂，通过机械搅拌和超声分散制备SiC纳米流体，并比较了不同体积分数和温度的油基纳米流体导热系数，结果表明，SiC纳米流体的导热系数随纳米粒子体积分数的增加而增大，当体积分数小于0.6%时，导热系数随温度升高变化不大，当体积分数超过0.6%时，温度升高会导致导热系数明显增大(见图1)。Saidur R.等[15]和Kakac S.等[16]通过研究发现，与传统切削液相比，纳米流体的导热能力更好，而且纳米流体的导热性能强化是其在各种应用中获得更好性能的一个重要因素。Srikant R.R.等[17]通过研究发现，在切削液中加入纳米粒子可以改善其冷却性能，并估算出所需最佳纳米粒子浓度为6wt.%。He Y.等[18]通过研究发现，在基础液中添加纳米粒子可以改善热传导性，且随着颗粒浓度的增加和粒径的减小，导热性增大。Choi S.U.S.等[19]通过研究表明，在基液中添加多壁碳纳米管(MWCNT)，纳米流体的热导率提升显著，与基液相比可提高150%～200%。

图1 SiC纳米粒子质量分数对纳米流体导热系数的影响

2.3 纳米流体的摩擦学性能

纳米流体的摩擦学特性对其在切削区域的润滑和冷却作用十分关键，良好的减摩特性对降低切削温度及延缓刀具磨损等具有重要意义。Wang B.G.等[20]研究了采用功能化多壁碳纳米管制备的水基纳米流体的摩擦学性能，结果显示，纳米流体在800N 压力下具有更好的减摩作用，功能化多壁碳纳米管会填补摩擦表面的微间隙，沉淀在摩擦表面并形成一个自组装薄膜，从而为表面提供保护。彭锐涛等[21]使用离子液体[EMIm]BF4分散MWCNTs，再以[EMIm]BF4-阿拉伯树胶(GA)为添加剂分散二硫化钼(MoS2)，最后将二者的水溶液复合配比得到复合纳米流体，并对不同纳米颗粒配比的复合纳米流体的润湿性能和摩擦学性能进行测试，结果表明，MWCNTs和MoS2质量分数分别为0.6%和1.2%时复合纳米流体的铺展成膜能力和减摩抗磨性能最佳，XPS分析表明，MWCNTs和MoS2共同参与摩擦并在基底成膜，由此实现了协同高效润滑。

图2为纳米颗粒的润滑机制，目前一般认为纳米微粒在摩擦界面起到“微轴承”、“微钢球”的支撑作用[22]。Li Xiaodong等[23]研究了C60作为固体润滑剂的作用机理，认为其具有表面能低、化学稳定性高和分子链稳定的特点，在摩擦过程中容易沉积在摩擦金属表面形成沉积膜，且球形结构使其可以在摩擦副间自由滚动，起减摩抗磨作用。

图2 纳米粒子的润滑作用机理

2.4 纳米流体的润湿性能

纳米流体的表面张力越低其润湿性能以及在切削加工区域的渗透性能越好。Manojkumar K.等[24]将多壁碳纳米管加入葵花油中研磨AISI52100钢时发现，所制备的纳米流体具有更好的润湿性，降低了砂轮磨损并改善了工件表面质量。Kumar R.等[25]研究了添加单壁碳纳米管对基液表面张力的影响，证明纳米粒子的粒径越小，所制备纳米流体的表面张力越低。Tanvir S.等[26]研究了添加碳纳米管和Al2O3纳米流体的表面张力，结果表明，添加碳纳米管和分散剂能够减小流体表面张力，而添加Al2O3纳米粒子则起相反作用。李碧[27]研究了纳米石墨、MoS2的水基和油基纳米流体切削液的热物性能，证明加入少量纳米颗粒使体系的表面张力减小，电导率增加，超声时间对上述热物性能也有影响。

3 纳米流体在典型切削加工中的应用

3.1 在车削加工中的应用

应用于车削加工领域时，纳米流体具有较好的切削加工性能。Rao S.N.等[28]利用碳纳米管(CNT)纳米流体进行微量润滑(MQL)车削，测试了切削温度和刀具磨损的变化情况，并与干切削和以水作为切削介质的加工方式进行对比，结果表明，利用纳米流体进行加工时，刀具初始磨损速率和初始切削温度上升较快，随着切削的进行，刀具磨损值和切削温度逐渐趋于稳定，切削温度随CNT浓度的增加而降低；当CNT浓度达到2%时，切削温度明显降低，且刀具磨损值显著减小；当CNT浓度继续增加时，磨损率保持稳定。Khandekar S.等[29]利用含量为1%的Al2O3纳米流体车削加工AISI4340工件，实验测试了三种切削条件(干式、传统切削液和Al2O3纳米流体)下Al2O3纳米流体相对于其他两种加工方式的优势，结果表明：与纯水和传统切削液相比，在基础液中添加1%的Al2O3纳米粒子能够增强其润湿性能；使用Al2O3纳米流体可产生小而分散的碎屑，为切削区域带来了更好的润滑和冷却效果；纳米流体还降低了刀具磨损，改善了切屑在刀具上的黏附现象；与传统切削液加工和干式加工相比，使用Al2O3纳米流体进行加工时，切削力分别降低了30%和50%，加工工件平均表面粗糙度分别降低了28.5%和54.5%(见图3)。

图3 使用纳米流体进行车削时的切削力和工件表面粗糙度的变化

Prasad M.M.S.等[30]研究了MQL条件下利用石墨纳米流体车削AISI1040钢的性能，结果表明，随着石墨纳米粒子浓度增加，纳米流体的pH值、黏度和导热系数都会增加，且加工时工件表面粗糙度、刀具磨损、切削温度和切削力均出现降低；当纳米石墨浓度为0.3%且MQL流速为15mL/min时，切削性能最佳。韩聪聪[31]利用金刚石刀具进行了纳米流体微量润滑条件下车削钛合金的实验，结果表明，纳米流体能够有效抑制金刚石刀具磨损程度，在体积分数为0.2%的碳纳米管—黄豆油纳米流体切削条件下，钛合金工件加工表面粗糙度值最小。

Sayuti M.等[32]研究了SiO2纳米流体硬态车削AISI 4140钢时的加工性能，所用刀具为涂层硬质合金刀具，试验利用田口法对纳米粒子浓度、气压和喷嘴方向进行了优化，结果表明，当SiO2浓度为0.5wt.%、气压为2bar及喷嘴方位角为60°时，刀具磨损最小；当SiO2浓度为0.5wt.%、较低气压及喷嘴方位角为30°时，工件表面质量最佳。Roy S.等[33]利用Al2O3和MWCNT纳米流体，通过双喷射MQL系统对AISI钢进行高速车削，结果表明，切削加工时3vol.%的Al2O3和1vol.%的MWCNT纳米流体能显著降低切削力，而在降低工件残余拉伸应力方面，MWCNT纳米流体比Al2O3纳米流体更有效。邵维范[34]使用纳米流体雾化喷射的冷却方式改善了车削加工环境，提高了钛合金表面的加工质量和金刚石刀具的耐用度，结果表明，车削钛合金时，使用雾化纳米流体喷射方式的降温效果良好，切屑和刀具表面最高温度分别为168℃和142℃，相比普通冷却方式的温度下降了约70%。

3.2 在铣削加工中的应用

纳米流体应用于铣削时也能取得较好的加工效果。Lee P.H.等[35]在端面铣削中使用了MoS2纳米流体，并对比传统冷却方式和冷风切削，证明采用MoS2纳米流体进行微量润滑加工可以减少切削力，并得到更优的工件表面质量。Rahmati B.等[36]采用MoS2纳米流体在立式加工中心端铣Al6061-T6合金，并对其表面形貌进行了研究，基础油中MoS2纳米粒子的浓度分别为0.0wt.%，0.2wt.%，0.5wt.%和1.0wt.%，结果表明，由于在加工区域的滚动、填充和抛光作用，润滑剂中的MoS2纳米颗粒提高了加工表面质量，MoS2纳米颗粒浓度为0.5wt.%时，表面质量最优，当浓度增加到1wt.%以上时，表面质量有所下降。

Marcon A.等[37]制备了水基石墨纳米流体切削液，并以微量润滑的方式用于H13模具钢微铣削，结果表明，纳米流体冷却润滑条件可以明显减小切削力，且对工件有良好的抛光作用。Sayuti M.等[38]制备了洋葱状富勒烯C60的油基纳米流体切削液，并开展了铣削硬质铝合金航空件的研究，结果证明，添加C60可以降低21.99%的铣削力，切削表面粗糙度可以提高46.32%，C60在切削摩擦界面充当“纳米滚球”，从而起到降低切削力和减小刀具磨损的作用。

Sayuti M.等[39]还对新型SiO2纳米流体润滑作用下铣削Al6061-T6的表面形貌进行了研究，SiO2的浓度分别为0.0wt.%，0.2wt.%，0.5wt.%和1.0wt.%。结果表明，增加SiO2纳米粒子浓度促进了刀—屑界面保护膜的生长，加工表面形成的薄膜提高了工件表面质量，降低了切削温度和切削力(见图4)。董兰等[40]以Ti- 6Al- 4V为工件材料，棉籽油为微量润滑基础油，将6种不同纳米粒子(Al2O3，MoS2，SiO2，CNTs，SiC和石墨)以1.5%的质量分数用二步法配制成纳米流体，并进行微量润滑铣削，通过对铣削力、铣削瞬时温度、表面粗糙度值及表面微观形貌进行实验评价表明，添加SiO2纳米粒子的纳米流体铣削力较大，但铣削时工件的温度最低，说明SiO2纳米粒子的冷却能力在这些纳米粒子中最强；SiO2和Al2O3纳米流体铣削工件时，切削温度快速下降且能降到较低值，同时在Al2O3和SiO2纳米粒子作用条件下都能达到较好的表面粗糙度值；与纯棉籽油相比，加入Al2O3纳米粒子时工件的表面粗糙度值降低了66.7%。刘运宇[41]在蓖麻油基础液中添加纳米粒子，进行的镍基高温合金铣削加工实验结果表明，纳米流体可以起到更好的冷却减磨作用，在高速铣削时，纳米流体依然可以发挥较好的性能。

图4 SiO2纳米粒子浓度对切削力、切削温度和工件表面粗糙度的影响

3.3 在磨削加工中的应用

磨削加工过程中产生的热量多，磨削区域温度升高快，由于纳米流体具有较强的换热性能，因此作为切削液在磨削加工领域中得到了充分研究。Shen B.等[42]研究了MQL条件下利用MoS2纳米流体磨削铸铁工件时的性能，结果表明，与不含MoS2纳米粒子基础油浇注式润滑相比，添加MoS2纳米粒子的CANMIST油、石蜡油和大豆油纳米流体在磨削加工时的磨削力分别降低27%，21%和9%，砂轮寿命提高46%，35%和15%。Alberts M.等[43]研究了纳米石墨纳米流体磨削工具钢时的性能，探讨了石墨类型、粒径和浓度对加工过程中磨削力和表面质量等的影响，结果表明，与较小的纳米颗粒(1μm)相比，较大的纳米颗粒(15μm)在降低表面粗糙度、磨削力和磨削比能方面更有效，纳米石墨浓度为1wt.%时，磨削表面质量最好。

Lee P.H.等[44]研究了MQL条件下纳米金刚石(ND)纳米流体磨削SK-41C工具钢时的特性，与干式磨削相比，采用ND粒子(粒径30nm)时的磨削力切向分量和法向分量分别降低了30.3%和33.2%，表面粗糙度降低了64%；与较大尺寸粒子(150nm)相比，采用直径为30nm的ND粒子时，被磨削表面更光滑。研究还发现，纳米金刚石颗粒尺寸对磨削力的影响甚微，颗粒浓度对表面粗糙度影响不大(见图5)。Zhang Yanbin等[45]对混合纳米流体磨削条件下的工件表面质量和表面粗糙度进行了分析，发现相对于单一纳米流体，混合纳米流体具有物理协同作用。当纳米粒子进入磨削区域后纳米粒子形成夹层结构，不同纳米层之间形成出现滑移层，当进行机械加工时，滑移层能有效降低磨粒与工件之间的摩擦力，混合纳米流体存在某一最佳质量分数，超过该质量分数也会导致工件表面质量下降。

图5 干切削、微量润滑和纳米流体微量润滑对磨削力和工件表面粗糙度的影响

Prabhu S.等[46]研究了使用碳纳米管(MWCNT)纳米流体进行磨削时工件表面的特性，磨削加工在四种条件下进行，分别为干磨削、水溶性油润滑、SAE20W40润滑油润滑和纳米流体(SAE20W40润滑油+MWCNT)润滑，四种润滑条件下的表面粗糙度分别为0.251μm，0.137μm，0.096μm和0.057μm，采用碳纳米管可使表面质量由微米级提高到纳米级。Setti D.等[47]研究了MQL条件下水基Al2O3纳米流体的磨削效果，并采用田口法建立了表面质量和磨削力预测模型，结果表明，与传统切削液和纯水相比，Al2O3纳米流体能更好地降低磨削力。Kalita P.等[48]研究了MoS2纳米流体喷射磨削过程中摩擦化学润滑膜的形成，并采用SEM分析工件表面微观结构，采用EDS分析表面化学成分，结果显示，在工件表面发现了含有Mo-S-P化学络合物的摩擦化学膜，磨削区域摩擦膜层中存在纳米颗粒，由于其连续剪切和排列现象而产生润滑作用。

彭锐涛等[49]通过向水中添加多壁碳纳米管(MWCNTs)、二硫化钼(MoS2)、离子液体(ILs，[EMIm]BF4)和阿拉伯树胶(GA)，制备出稳定分散的水基ILs-MWCNTs/MoS2混合纳米流体，并利用纳米流体与传统磨削液进行内冷却磨削对比试验，分析了两种磨削液条件下的磨削温度和表面完整性。在混合纳米流体作用下，磨削温度、表面粗糙度和显微硬度分别降低了8.1%，21.4%和6.56%，残余压应力增加了11.6MPa，表面形貌也更为光滑规整，混合纳米流体体现出更好的磨削性能。而EDS分析表明，在离子液体与纳米颗粒的物理协同强化作用下，混合纳米流体表现出优异的冷却与润滑性能，并改善了磨削性能。

Mao C.等[50]对比研究了水基Al2O3纳米流体磨削AISI 52100钢时的性能，利用扫描电镜分析了磨削后工件的表面形貌，利用光学显微镜分析了工件横截面的显微组织。结果表明：与干式磨削相比，MQL磨削能够获得更好的表面光洁度和较低的磨削温度；与MQL磨削相比，浇注式冷却的润滑效果更好；Al2O3纳米流体MQL磨削降低了磨削力和磨削温度，提高了表面光洁度；由于纳米颗粒的滚珠轴承效应，与纯水MQL磨削相比，Al2O3纳米流体具有更好的润滑性能。Liao Y.S.等[51]通过研究水基纳米流体对钛合金磨削的影响发现，由于纳米流体磨削时产生的磨削力和摩擦系数较小，导致砂轮载荷较小，被加工工件表面光洁度较好，在MQL高压作用下，纳米颗粒能有效地到达磨削区域，提高了纳米颗粒在磨削过程中的功效，从而降低了磨削力，改善了工件表面光洁度。

杨杰[52]将纳米MoS2颗粒添加到植物性低温磨削液中，制备出不同质量分数的低温纳米流体，并基于干式磨削、浇注式磨削、低温冷风微量润滑磨削和低温冷风纳米粒子射流微量润滑磨削四种不同的磨削工况，对淬硬轴承钢材料进行了磨削加工实验，实验结果表明，低温纳米粒子射流微量润滑技术可以有效降低磨削过程中的磨削力和磨削温度，提高表面质量，尤其是在高速重载条件下，其优越的冷却润滑性能更加突出。

3.4 在孔加工等其他切削领域的应用

Nam J.S.等[53]在加工微孔时使用了添加纳米金刚石(ND)的油基纳米流体，通过与没有添加纳米颗粒的基础油对比，证明含有1vol.% ND颗粒的石蜡油和含有2vol.% ND颗粒的植物油可以更有效地降低钻孔时的扭矩，含1vol.% ND颗粒石蜡油产生的钻削扭矩最低。由于纳米流体在钻削区域具有较好的陷入和渗透性，因而在基础油中加入ND颗粒提高了冷却润滑效果，加工出的孔壁更光滑且进给力更小，含ND的纳米流体切削液显著降低了扭矩值，提高了刀具寿命。

杨永丰[54]研究了油基纳米流体切削液在拉削加工中的应用，开展了植物油、纳米颗粒和纳米颗粒浓度优选拉削试验，结果表明，与纯芝麻油相比，在芝麻油中加入氧化铜纳米颗粒后负载减小值在波峰、波谷上分别提高了62.7%和68.6%，充分论证了绿色油基纳米切削液MQL技术在拉削加工中应用的可行性。

冯国栋[55]对纳米流体微量润滑技术在攻丝加工中的应用进行了试验研究，与纯植物油MQL加工方式相比，采用纳米流体MQL加工方式获得的攻丝扭矩显著降低，不同浓度纳米流体的减载效果以0.5wt.%为最佳，采用纳米流体MQL加工技术可以有效抑制螺纹表面缺陷。

4 纳米粒子在切削加工区域的作用机理

在基础液中添加纳米颗粒可以显著降低摩擦和提高摩擦件的承载能力。研究人员探索了多种机制来解释纳米流体改善润滑性能的原因，包括摩擦膜形成[56-58]、滚珠轴承效应[59，60]、修补效应[61]和抛光效应。Lee K.等[62]描述了纳米粒子的两种效应：一是直接效应，即滑动—滚动—成膜；另一种是表面增强效应，即修补—纳米流体抛光。对各种纳米颗粒在切削加工过程中的作用进行分析。

SiO2：SiO2纳米颗粒在加工表面会生成一层薄保护膜，刀—屑界面上大量纳米颗粒的滚动作用降低了摩擦系数，这有助于减少切削力、功耗和比能量，从而降低切削区域温度，减缓刀具磨损，改善表面光洁度[63，64]。

MoS2：MoS2纳米颗粒在加工界面的穿透和滞留形成了Mo-S-Fe化学复合物的摩擦化学膜，有效改善了刀—工之间的润滑状况。此外，MoS2纳米粒子在工件界面的滚动作用可以降低摩擦系数，进而降低切削力[65-67]。

Al2O3：纳米颗粒陷入晶粒、断裂沟槽、砂轮孔以及切屑与颗粒之间的区域，具有摩擦膜和纳米滚珠轴承作用，表现出良好的润滑效果，纳米颗粒浓度越高，表面光洁度越高[67，68]。

CNTs：在切削液中加入碳纳米管可提高切削液的换热性能，有利于降低切削区域的温度，延长刀具寿命。CNTs还能在切削区域起到“微轴承”的作用，进而减缓切削区域的摩擦[69]。

纳米金刚石(ND)：ND颗粒呈球形，表面积大，易被金属表面吸收，在刀—工界面表现出纳米滚珠轴承和自修整效应，且由于ND颗粒在钻孔区域的渗透和陷滞作用，从而提高了冷却和润滑效果，并抑制碎屑黏附在刀具上。此外，其滚珠效应能消除切削过程中的毛边和碎片，提高了切削质量[70]。

碳洋葱(C60和C70)：C60和C70纳米颗粒的滚动作用可以降低摩擦系数，此外，C60和C70纳米流体在切削加工时有利于降低切削温度，进而降低刀具磨损和表面粗糙度[71]。

5 结语

与基础液相比，纳米流体切削液具有较好的摩擦学性能和换热性能，在基础液中加入纳米颗粒后，加工过程中切削液的功耗、切削力、表面粗糙度、切削温度、刀具磨损和摩擦系数显著降低。但目前纳米流体在切削加工中的应用存在一些问题与局限性，如纳米粒子在基础液中的分散稳定性差，容易团聚和沉淀等，影响其冷却与润滑性能；纳米粒子的较高成本也限制了其应用。因此，在纳米流体的制备、成本和工艺等方面仍需要进行以下方面研究。

(1)开发高效、经济的纳米流体制备方法，以降低使用成本。

(2)进一步提高纳米流体的摩擦学性能、导热性能、润湿性以及分散稳定性等性能，如添加多种纳米粒子，开发水基、油基以外的其他种类基础液等。

(3)基于纳米流体的切削加工工艺优化。如与MQL等技术相结合，研究操作参数(如纳米粒子形状、尺寸、浓度、流量、喷嘴角度、喷射距离和气压等)对加工性能参数的影响，进一步拓展纳米流体的应用领域。