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作者：李志浩苏州大学

学位级别：硕士

以316不锈钢为代表的难加工材料是能源医疗等领域的关键材料,然而其切削过程中切削液在刀-屑界面间的润滑和渗透性能不足是制约其实现精密切削的关键问题。在刀具前刀面利用激光制备微织构和应用新型纳米流体是增强切削液渗透性和提升... 详细信息

以316不锈钢为代表的难加工材料是能源医疗等领域的关键材料,然而其切削过程中切削液在刀-屑界面间的润滑和渗透性能不足是制约其实现精密切削的关键问题。在刀具前刀面利用激光制备微织构和应用新型纳米流体是增强切削液渗透性和提升刀具切削性能的既定方法。然而,仅靠刀-屑界面产生的自激电场驱动切削液在微织构中进行流动具有一定的局限性,微织构对纳米流体的输送效果不显著,难以有效调控刀-屑界面间的润滑和摩擦情况,且该能量场在研究中往往被忽视。因此,本文在考虑自激电场的条件下,引入外部磁场,将电磁场、微织构及纳米流体共同应用于切削领域,探究fe304纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。主要研究内容如下:首先,针对电磁场作用下fe3o4纳米流体在微织构界面的定向输运机理进行分析,根据电磁流体力学理论(EMHD),建立微织构中电磁场调控纳米流体定向输运的理论模型。将线圈作为磁场发生装置,并对其产生的磁场强度进行测量和仿真;利用非接触式测量方法对摩擦电势进行测量,结果表明,摩擦电势的数值随着载荷和转速的增大而增加。将电场和磁场的参数引入有限元仿真,研究微观层面下电磁场强度对纳米流体流动特性的影响,明确电磁场对纳米流体流动特性的关联机制。结果表明,随着电磁场强度的增大,纳米流体的流速及所受洛伦兹力均有所提升。当电势值为0.4 V、磁场强度为200 kA/m时,作用于纳米流体上的洛伦兹力为17.24×103N/m3,纳米流体流速为1.762 mm/s。随后,利用“两步法”制备出不同类型和体积分数的fe3o4纳米流体,发现添加月桂亚氨基二丙酸钠表面活性剂的纳米流体稳定性最好,且纳米颗粒与表面活性剂的最佳质量配比为1:1;利用激光加工技术在Si3N4陶瓷试样表面制备出长度为2 mm、间距为200 μm、深度为20 μm的锥形沟槽微织构。通过摩擦磨损试验对fe3o4纳米流体的摩擦学性能进行探究,分析不同类型纳米流体和不同预处理的Si3N4陶瓷试样在不同工况下的摩擦系数与磨损形貌。结果表明,TSN+SLI-0.5表现出最低的平均摩擦系数和磨球的磨损,相较于SN+CTAB-0.5,分别降低了 52.95%和61.66%。结合试验结果,明确纳米流体在自激电场作用下对微织构摩擦界面减摩和润滑机理。最后,通过对316不锈钢进行车削试验,研究电磁场辅助fe3o4纳米流体润滑下微织构刀具的切削性能。结果表明,刀具的切削性能随电磁场强度的增加而显著提升。特别是当磁场强度为1200Gs时,与常规切削液相比,微织构刀具在纳米流体润滑下的切削力、切削温度及已加工表面粗糙度分别降低34.90%、24.98%和31.19%。同时,微织构与纳米流体结合后能够有效缓解刀具的磨损,且随着电磁场的引入,微织构刀具的表面质量明显提升。刀具前刀面和后刀面的磨损情况极大缓解,工件样品的加工影响区域最小。结合电磁场调控纳米流体在微织构中定向输运的有限元仿真,揭示fe3o4纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。

关键词：电磁场 fe3o4纳米流体微织构刀具减摩机理刀-屑界面

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磁场下微织构刀具刀-屑界面fe3o4纳米流体渗入机制研究

磁场下微织构刀具刀-屑界面Fe3O4纳米流体渗入机制研究

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作者：黄强苏州大学

学位级别：硕士

切削加工是机械制造行业的关键所在,但在切削加工过程中,刀-屑之间的空隙十分狭小,切削液难以渗入刀具的刀-屑界面,大量未起到冷却润滑效果的切削液被浪费,并对环境造成危害;一般的切削液的冷却和润滑的效果有限,即便渗入到刀-屑界面,... 详细信息

切削加工是机械制造行业的关键所在,但在切削加工过程中,刀-屑之间的空隙十分狭小,切削液难以渗入刀具的刀-屑界面,大量未起到冷却润滑效果的切削液被浪费,并对环境造成危害;一般的切削液的冷却和润滑的效果有限,即便渗入到刀-屑界面,亦难以带走由刀-屑间的剧烈摩擦所产生的大量的切削热,容易加速刀具的磨损现象。切削液渗入到刀-屑界面冷却润滑刀具的过程非常复杂,与流体在刀具表面的润湿性能、刀具的表面形貌及刀-屑间的接触等密切相关。为此,提出了将微织构刀具(TT)和fe3o4纳米流体(MNF)相结合应用到切削加工过程中。而MNF因其磁场下优异的导热性能和摩擦学性能,并且在外界磁场的作用下能够引导fe3o4纳米颗粒(MNPs)渗入刀-屑界面,从而磁场下的MNF能够在切削加工过程中更好地减少刀-屑间的摩擦,带走切削热,改善TT的切削加工性能。本文将磁场下的MNF和TT相结合,通过理论分析和切削试验,探索磁场下MNF在TT刀-屑界面内的渗入机制。主要研究内容如下:首先,基于磁场下MNF中颗粒的受力模型,得到MNPs的运动方程、磁场下的链状结构和导热性能;另外,对比了 TT在干、湿切削条件下的受力模型差异。再将MNF和TT相结合,考虑了它们的耦合模型,对比了有无磁场下的受力模型的差异,并对这种差异进行了机理分析。其次,通过正交摩擦磨损试验研究MNF中各组分不同参数对其摩擦学性能的影响。在将MNPs和水基切削液(WCF)、去离子水和表面活性剂油酸(oA)按不同比例混合并经过搅拌和超声波振荡后,得到不同参数的MNFs。通过正交试验发现oA的质量分数对MNF的摩擦系数的影响最为显著;通过验证试验发现,当oA的质量分数为2 wt.%、MNPs直径为30 nm、MNPs的体积分数为0.5 vol.%时,该MNF的摩擦学性能最优。另外,通过在磁场作用下的摩擦磨损实验表明,在外界磁场作用下MNPs能够被引导至对磨区域,可以进一步提高MNFs的摩擦学性能。并且,随着磁场强度的增加,MNFs的摩擦学性能得到了提高。然后,在金属陶瓷刀片的前刀面上设计并加工出沟槽型微织构;设计并校核了能够在车床上放置测力计的测力计夹具及能够在测力计上装夹车刀刀架的车刀夹具。根据毕奥—萨伐尔定律设计了能够调节电流以产生特定磁场大小的线圈,使得通过摩擦磨损试验所得到的摩擦学性能最好的MNF达到72.3%的磁饱和;根据所设计的线圈结构,分别设计了针对三种不同磁场方向的线圈夹具,并分别对其进行了校核。最后,通过对316L不锈钢的切削加工试验,研究了在MNF润滑条件下,不同磁场参数对TT的切削性能的影响。在不同的磁场参数下,使用了微织构和主切削刃相平行的刀具(TT-1)进行切削试验,并将水基切削液(WCF)和无织构刀具(CT)作为对照组。结果表明,随着磁场强度的增加,TT的切削力、表面粗糙度和刀具磨损不断降低。此外,当磁场的方向和微织构的方向相平行(DIR1)且磁场强度为最大1200 Gs时,使用TT-1所得的切削力和表面粗糙度是最小的,和使用WCF和CT相比分别减少了 37.3%和34.2%。同时,TT-1的前刀面和后刀面的磨损也是最小的,故此时的磁场参数是最优的。另外,在最优的磁场参数下,采用不同间距、不同方向参数的微织构刀具进行切削加工,但切削力、表面粗糙度和刀具磨损没有得到进一步改善。最后,基于刀-屑界面的毛细管现象和磁场下MNF和TT的耦合模型,对磁场下MNF在TT刀-屑界面的渗入进行了机理分析,分析对比了不同的磁场参数下MNF在TT 刀-屑界面的分布,揭示了磁场下MNF在切削加工过程中在TT 刀-屑界面的渗入机制。

关键词： fe3o4纳米流体磁场摩擦学性能微织构刀具渗入机制切削性能

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磁场对fe_3o_4纳米流体凝固的影响

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功能材料 2016年第1期47卷 1127-1130,1135页

作者：雷世骏陈颖贾莉斯林刚莫松平殷陶广东工业大学广东省功能软凝聚态物质重点实验室广州510006

针对纳米流体在凝固过程中因颗粒偏聚造成的性能失效现象,通过理论分析证明了磁场会影响颗粒与固液界面相互作用的机理,理论上给出了可改善纳米流体凝固后的分散性的磁感应强度范围。选用fe_3o_4-石蜡纳米流体进行了外加磁场的凝固实验... 详细信息

针对纳米流体在凝固过程中因颗粒偏聚造成的性能失效现象,通过理论分析证明了磁场会影响颗粒与固液界面相互作用的机理,理论上给出了可改善纳米流体凝固后的分散性的磁感应强度范围。选用fe_3o_4-石蜡纳米流体进行了外加磁场的凝固实验,通过测量凝固后颗粒的偏聚区面积,熔化后的黑度,验证了磁感应强度对纳米流体凝固过程分散性的影响。结果表明,40mT磁场作用下,颗粒在固相中的分散性最佳,熔化后的稳定性最好,热循环稳定性最佳。

关键词： fe3o4纳米流体恒稳磁场凝固过程偏聚分散性

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