《磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范》文本附编制说明

ICS

CCS

团体标准

T/CIXXX-2024

磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工

工艺规范

Processspecificationformagneticfieldassistednanofluidsminimumquantity

lubricationgrinding

2024-X-X发布2024-X-X实施

 中国国际科技促进会 发布

中国国际科技促进会(CIAPST)是1988年经中华人民共和国国务院科技领导小组批准而

成立的全国性社会团体。制定团体标准、开展标准国际化和推动团体标准实施，是中国国际

科技促进会的工作内容之一。任何团体和个人，均可提出制、修订中国国际科技促进会团体

标准的建议并参与有关工作。

中国国际科技促进会标准按《中国国际科技促进会标准化管理办法》进行制定和管理。

中国国际科技促进会征求意见稿经向社会公开征求意见，并得到参加审定会议的80%以

上的专家、成员的投票赞同，方可作为中国国际科技促进会标准予以发布。

在本标准实施过程中，如发现需要修改或补充之处，请将意见和有关资料寄给中国国际

科技促进会标准化工作委员会，以便修订时参考。

任何团体和个人，均可对本标准征求意见稿提出意见和建议，牵头起草单位联系方式：

myh@

中国国际科技促进会

地址：北京市海淀区中关村东路89号恒兴大厦13F

邮政编码：100190电话真/p>

网址：

I

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》

起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责

任。

本文件由中国国际科技促进会标准化工作委员会提出。

本文件由中国国际科技促进会归口。

本文件起草单位：青岛理工大学、青岛即墨青理智能制造产业研究院、长沙理工大学、

南京航空航天大学、四川新航钛科技有限公司、香港理工大学、汉能（青岛）润滑科技有限

公司、上海金兆节能科技有限公司、青岛滨海学院、国华（青岛）智能装备有限公司、泰山

体育产业集团有限公司、青岛海联金汇汽车零部件有限公司。

本文件主要起草人：崔歆、李长河、张彦彬、周宗明、毛聪、丁文锋、刘波、王春锦、

吴启东、董兰、王广、徐培明、王伟、王明伟、颜旭、刘明政、杨敏。

本文件为首次发布。

II

引言

高强度合金材料在航空航天领域各种关键部件中的应用已有几十年的历史，特别是难加

工材料的应用在航空航天中占有较大的比例。常用的钛合金材料，在航空发动机中重量占比

高达30%。对于航空结构件，深磨和成型磨削是常用工艺，其特点是大磨削弧长。在磨削时

的滑擦、耕犁、切削三个阶段中，磨粒与材料接触导致剧烈摩擦，其消耗的能量占磨削能量

的90%以上。由于高强度、低导热系数的特性，使钛合金在加工中产生的摩擦热转换为大量

的磨削热聚集在工件表面，造成严重表面缺陷甚至烧伤。因此，提升工件/磨粒界面之间的

减摩抗磨性能，降低磨削热的产生，是解决钛合金材料的大弧长磨削难题的根源所在。

磁场辅助纳米流体微量润滑难加工材料磨削新方法，通过外加磁场能够提升磁性纳米润

滑剂在磨削区的浸润性能。通过施加永磁铁在砂轮表面产生梯度磁场，且磁场强度沿砂轮径

向呈现梯度变化，这为磁性纳米润滑剂的吸附浸润提供了动力源。进一步，磁性纳米润滑剂

在高压气体的作用下由喷嘴喷出，雾化成为微液滴群；微液滴群穿过砂轮表面气流场，在磁

场力的吸引作用下向砂轮表面撞击并形成润滑油膜。由于磁场力的作用能够增加微液滴在砂

轮表面的吸附率，从而提高了润滑剂进入磨削区的有效流量。当润滑剂到达磨削区入口时，

在砂轮磁场力的吸附作用下，提高了润滑剂在磨削区微纳通道剪切流动的速度和流量，从而

提升了其在大磨削弧长空间的浸润效率，进而提升冷却和润滑性能。新工艺能够降低难加工

材料大磨削弧长加工过程中的磨削力、提高工件表面质量。此外，砂轮表面具有大量气孔更

有利于磁性纳米润滑剂存储在砂轮气孔中和磨粒表面，实现对磨粒的保护作用。

目前，磁场辅助纳米流体微量润滑技术在磨削加工的优异性能已被实验验证，但存在着

理论框架缺失和实际操作规范不足等问题。磁场辅助纳米流体微量润滑技术尚无国家、行业

技术规范，为使磁场辅助纳米流体微量润滑磨削难加工金属材料实现最优效果，根据《中华

人民共和国标准化法》的有关规定，特制订本标准。

磁场辅助纳米流体微量润滑技术具有广阔的市场前景和良好的社会效益，研发制定磁场

辅助纳米流体微量润滑磨削标准对行业发展十分必要，用于指导磁场辅助纳米流体微量润滑

磨削工件表面完整性的主动控制。

III

T/CIXXX—2024

磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范

1范围

本文件规定了磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范的技术适用范围、规范性引

用文件、符号、应用原理、应用条件、应用系统组成与功能、技术要求、应用方法等。

2规范性引用文件

下列文件对本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适

用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T5780-2023螺纹螺栓

GB/T6177.1-2023六角螺母

GB/T31210.1-2014绿色制造亚干式磨削第1部分：通用技术要求

GB/T31210.2-2014绿色制造亚干式磨削第2部分：微量润滑系统技术要求

GB/T3217-2013永磁（硬磁）材料磁性试验方法

GB/T13560-2017烧结钕铁硼永磁材料

GB/T3768-2017声学声压法测定噪声源声功率级和声能量级

GB2494-2014固结磨具安全要求

GB/T2484-2018固结磨具一般要求

GB/T2485-2016固结磨具技术条件

GB/T2490-2018固结磨具硬度检验

GB/T2492-2017固结磨具交付砂轮允许的不平衡量测量

GB/T2493-2013砂轮的回转试验方法

JB/T9168.8-1998磨削加工通用工艺守则磨削

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

磨削Grinding

磨削是指用磨料、磨具切除工件上多余材料的机械加工方法。

1

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3.2

磁场辅助装置Magneticfieldassisteddevice

磁场辅助装置是指采用夹具将永磁铁设置于砂轮两侧，通过调节夹具实现永磁铁与砂轮

之间的位置关系调整。

3.3

纳米流体微量润滑Nanofluidsminimumquantitylubrication

将纳米粒子以一定比例加入润滑剂中制备纳米流体，依靠高压气流混合雾化后微量供给

至切削区/磨削区，进行冷却及润滑。

3.4

磁性纳米流体Magneticnanofluids

将磁性纳米粒子（如Fe3O4）和冷却润滑性能优异的纳米材料（如石墨烯）以一定比例

混合，加入植物性润滑剂中，添加一定比例油酸作为表面活性剂制备磁性纳米流体。磁性纳

米流体在梯度磁场内受磁场力吸引，同时具备良好的冷却润滑性能。

3.5

磁场辅助纳米流体微量润滑Magneticfieldassistednanofluidsminimumquantity

lubricationgrinding

通过磁场辅助装置将永磁铁定位在砂轮两侧，使砂轮磁化并在磨削区产生梯度磁场，磁

性纳米流体通过纳米流体微量润滑工艺供给至切削区/磨削区，磁性纳米流体在梯度磁场的

作用下实现浸润、冷却和润滑性能。

4产品工作原理与型号标记

4.1工作原理

如图1所示为磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工原理。首先通过在砂轮两侧施加永磁

铁、在砂轮表面产生梯度磁场，且磁场强度沿砂轮径向呈现梯度变化，这为磁性纳米流体的

吸附浸润提供了动力源。目前的纳米流体多采用不导磁的纳米粒子制备而成，为了使纳米润

滑剂磁功能化，采用Fe3O4与冷却润滑性能优异的纳米粒子混合制备磁性纳米流体，在使纳

米流体磁功能化的同时也具有良好的冷却润滑性能。进一步，磁性纳米流体高压气流混合雾

化后成为微液滴群，由喷嘴喷出微量供给至切削区/磨削区。微液滴群穿过砂轮表面气流场，

在磁场力的吸引作用下向砂轮表面撞击吸附并形成润滑油膜。磁场力的作用能够增加微液滴

在砂轮表面的吸附率，从而提高了润滑剂进入磨削区的有效流量。当润滑剂到达磨削区入口

时，在砂轮磁场力的吸附作用下，润滑剂在磨削区微纳通道剪切流动的速度和流量提升，从

而提升了其在大磨削弧长空间的浸润效率。而具有磁性的Fe3O4纳米粒子在磁场的作用下能

2

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够定向排布，进一步可操控层状纳米润滑剂（如石墨烯）的空间分布，从而提升磨削区的减

摩抗磨性能。基于以上有益效果，能够降低难加工材料大磨削弧长加工过程中的磨削力、提

高工件表面质量。

图1磁场辅助纳米润滑剂微量润滑磨削加工原理

如图2所示为磁场辅助装置结构图，主要由以下部分组成：1.磁铁固定板×2、2.锥形

头螺栓×2、3.螺母I×2、4.砂轮、5.磁铁（100×50×20mm）×2、6.铰制孔螺栓×8、7.连

接块I×2、8.连接块II×2、9.压板×2、10.内六角螺栓I×6、11.全螺纹螺杆×2、12.螺母

II×8、13.内六角螺栓×4、14.螺杆固定块×2、15.螺栓I×3、16.左侧板、17.螺母III×4、

18.定位螺栓×4、19.上盖板、20.螺栓IV×4、21.砂轮罩。

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图2磁场辅助装置设计图

永磁铁通过锥形头螺栓（2）和螺母（3）固定在磁铁固定板（1）上，磁铁固定板上设

置有与永磁铁尺寸对应的方形槽，实现永磁铁的定位。固定板有两块，分别分布在砂轮左右

两侧，实现了两块磁铁的定位。在磁铁固定板（1）的两端通过铰制孔螺栓（6）定位在连接

块I、II（7、8）上。其中下方螺母配合的是连接板的圆孔，上方螺母配合的是连接板的弧

形孔。通过弧形孔实现固定板角度的调节，从而带动永磁铁的转动，实现其与砂轮侧面的夹

角角度（β）的调节。进一步连接板I、II（7、8）上方具有滑块结构，和左侧板（17）的滑

槽结构配合，能够实现沿砂轮轴向方向的移动。通过压板（9）实现对连接板的夹紧，并通

过固定的全螺纹螺杆（11）和螺母II（12）实现沿轴向的距离的调节（即永磁铁与砂轮侧面

的距离L）和定位。螺杆固定块（14）起到了全螺纹螺杆的定位作用。左侧板（16）具有方

型槽，通过螺栓（15）固定在砂轮罩（21）上。通过调节螺栓（18）可以实现砂轮下表面与

永磁铁下表面的距离H的调节。然后通过螺母（17）夹紧。右侧板与左侧板（16）具有对

称结构，不再详述。上盖板（19）通过螺栓（20）固定在砂轮罩（21）上，它是整体装置的

基础支撑件。

4.2型号标记

磁场辅助纳米流体微量润滑装置产品型号表示方法如下：

——分类代号CF：磁场辅助装置

——参数代号ZL：最大距离（格式为两位数字，单位：mm）

——参数代号ZH：最大高度（格式为两位数字，单位：mm）

——参数代号ZB：最大夹角（格式为两位数字，单位：°）

——主参数代号：磁铁强度等级（N35~N54）

——改进代号：原型不标注，改进型用字母A、B……标注，第一次改进标注A，第二

次改进标注B，以此类推。

标记示例：

经第三次改进的磁场辅助装置，磁铁强度等级为N35、最大距离为16mm、最大高度为

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30mm、最大夹角为30°，表示为：CF163030-N35C。

5技术要求

5.1磁场辅助装置

5.1.1磁场辅助装置结构件应采用铝合金材料加工而成。

5.1.2用于磁场辅助装置的螺栓和螺母，采用标准件，按GB/T5780-2023和GB/T

6177.1-2023的规定执行。

5.1.3永磁铁参数：

a)永磁铁的参数和强度测试按GB/T3217-2013和GB/T13560-2017的规定进行；

b)永磁铁与砂轮平行时，内部磁感线方向与砂轮侧面垂直，且两块永磁铁磁极方向为

同向相斥放置；

c)磁极强度选用范围：N35~N54；

d)永磁铁的厚度：20mm；

e)永磁铁的长度：80~160mm；

f)永磁铁的宽度：40~80mm。

5.1.4通过调节磁场辅助装置，永磁铁与砂轮的位置关系和参数范围：

b)永磁铁与砂轮侧面夹角β：0°~30°；

c)永磁铁与砂轮侧面的距离L：6~16mm；

d)永磁铁到砂轮底部距离H：10~30mm。

5.2砂轮

5.2.1适用于磁场辅助纳米流体微量润滑磨削工艺的砂轮应满足如下条件：

a)砂轮基体材料的相对磁导率应﹥200，一般采用Q235或铸铁制备；

b)采用立方氮化硼、金刚石作为磨粒、树脂或陶瓷作为结合剂，电镀在砂轮基体上以

制备砂轮。

5.2.2在砂轮表面产生磁场强度﹥1×105A/m。

5.2.3砂轮制备技术要求、安全要求、验收标准应按GB2494-2014、GB/T2484-2018、GB/T

2485-2016、GB/T2490-2018、GB/T2492-2017、GB/T2493-2013执行。

5.3磁性纳米流体

5.3.1制备方法：磁性纳米润滑剂采用物理制备法进行制备。

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5.3.2纳米粒子：采用Fe3O4（10~20nm）和冷却润滑性能优异的纳米材料（如石墨烯、二

硫化钼、碳纳米管等）以质量比2:1混合，以基础油≥5%的体积分数添加。

5.3.3表面活性剂：采用油酸，以基础油5%的体积分数添加。

5.3.4基础油采用植物油基润滑剂：

a)安全性：可生物降解，含无毒无害添加剂；

b)沸点：>300℃；

c)闪点：>200℃。

5.3.5磁性纳米流体粘度：随磁场强度增加而增加，粘度值cp范围在50~200之间。

5.4纳米流体微量润滑供给装置

5.4.1纳米流体微量润滑供给装置采用高压气体雾化射流原理，装置要求按GB/T

31210.2-2014的规定进行。

5.4.2纳米流体微量润滑供给装置安装成使用状态，油杯内加入额定容量的润滑剂，将装置

分别向前、后、左、右倾斜45°，并在每个位置分别保持10~20s，观察渗漏情况。

5.4.3纳米流体微量润滑供给装置使用的压缩空气源应满足如下条件：

a)输出压力：0.3MPa~0.6MPa；

b)输出气流温度：<20℃；

c)含水量：具体按GB/T31210.1-2014的规定进行；

d)含油量：具体按GB/T31210.1-2014的规定进行。

5.4.4可设置多个喷嘴，从不同角度、不同方向喷入磨削区。

5.4.5喷嘴出口距磨削区的距离保持在20mm~50mm。

5.4.6磁性纳米流体供给流量为10~100ml/h，依据加工工艺参数设置。

5.5磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺

应满足连续磨削工作要求，按JB-T9168.8-1998的规定进行。

6试验方法

6.1磁流体粘度

在粘度计油缸的两侧放置永磁铁，通过改变永磁铁到油缸的距离，得到几个典型距离时

的纳米流体粘度值。进一步，采用三维高斯计（型号DX-350）测量上述距离时的磁场强度。

从而得到不同磁场强度下的纳米流体粘度变化规律，如图3所示。

6

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图3磁场作用下的粘度测试方法

6.2磁场强度

通过标尺测量砂轮下方距离，在不同位置处采用三维高斯计的探头进行磁场强度的测

量。测量方法如图4所示。

图4典型工况下的磁场测试

6.3噪声检测

噪声的测量按照GB/T3768的规定进行。

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附录A

（资料性）

A.1不同磁场强度下的粘度

采用棕榈油为基础油，分别采用Fe3O4、Fe3O4与石墨烯混合纳米粒子（Fe3O4/石墨烯）、

Fe3O4化学修饰石墨烯纳米粒子（Fe3O4@石墨烯）作为添加相，制备磁性纳米流体，粘度测

试结果如图5所示。当磁场强度较小时（50Gs），三种磁性纳米流体的粘度值在71~74cp

范围。当磁场强度到达285.3GS，Fe3O4纳米流体、Fe3O4@石墨烯纳米流体和Fe3O4/石墨烯

纳米流体粘度值分别为147.5cp、82.4cp和126.3cp。随着磁场强度的增加，三种磁性纳米

流体的粘度曲线均呈现S型增长曲线变化趋势，当磁场强度大于285.3Gs后，三种磁性纳

米流体的粘度呈现稳定波动状态。通过对比三种磁性纳米流体发现，Fe3O4纳米流体、Fe3O4/

石墨烯纳米润滑剂的曲线迅速增加，而Fe3O4@石墨烯纳米流体的粘度曲线变化不大。Fe3O4

纳米流体的粘度曲线变化趋势较混合纳米流体的趋势更明显。这是因为，Fe3O4/石墨烯纳米

流体中Fe3O4的含量小于纯Fe3O4纳米流体，受磁场的影响较弱。而在Fe3O4@石墨烯纳米

流体中，石墨烯分子上修饰的Fe3O4含量更少，所以粘度变化趋势比较平缓。

图5不同磁场强度下的粘度变化规律

A.2砂轮下方不同距离磁场强度

对于厚度为20mm、直径为300mm、基体材料为Q235的CBN砂轮，当磁铁参数为

H=25mm、L=12mm、β=0°时测得的磁场强度变化规律如图6所示。随着距离的增加，磁

场强度逐渐减小。在砂轮表面取得最大值68160A/m。

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图6不同砂轮下方距离下的磁场强度变化规律

9

《磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范》

编制说明

一、标准制定的必要性

目的：建立并完善“磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范”的适用

范围、规范性引用文件、术语和定义、产品工作原理与型号、技术要求与检验方

法。为行业发展、用户选择以及检测机构提供技术依据。

必要性：磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺，提高了润滑剂进入磨削

区的有效流量，提升了润滑剂在大磨削弧长空间的浸润效率，进而提升了磁性纳

米润滑剂在磨削区的浸润性能、冷却和润滑性能。新工艺能够降低难加工材料大

磨削弧长加工过程中的磨削力、磨削热，提高工件表面质量，降低砂轮磨损率。

然而，目前并没有一种适用于磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范

的相关技术要求和检验方法。研发制定磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺

规范相关标准对行业发展是十分必要的。磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工

艺规范具有广阔的市场前景和良好的社会效益。

二、标准编制原则及依据

1、按照GB/T1.1－2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构

和起草规则》要求进行编写。

2、参照相关法律、法规和规定，在编制过程中着重考虑了科学性、适用性

和可操作性。

三、项目背景及工作情况

（一）任务来源

根据《中国国际科技促进会标准化工作委员会团体标准管理办法》的有关规

定，经中国国际科技促进会标准化工作委员会及相关专家技术审核，批准《磁场

辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范》团体标准制定计划，计划编号为：

CI2023527。本标准由青岛理工大学提出，中国国际科技促进会归口。

根据计划要求，本标准完成时限为6个月。

（二）标准起草单位

本标准的主要起草单位是青岛理工大学，负责标准文档起草及相关文件的编

制等。青岛即墨青理智能制造产业研究院，长沙理工大学，南京航空航天大学，

四川新航钛科技有限公司，香港理工大学，汉能（青岛）润滑科技有限公司，上

海金兆节能科技有限公司，青岛滨海学院，国华（青岛）智能装备有限公司，泰

山体育产业集团有限公司，青岛海联金汇汽车零部件有限公司参与起草，负责标

准中重要技术点的研究和建议，并参与标准内容的讨论。

（三）标准研制过程及相关工作计划

1、前期准备提工作

项目立项前，标准编制小组查阅、研读相关国内外文献，广泛收集静电雾化

超声辅助微磨削装置相关的材料。同时，多次与静电雾化超声辅助微磨削装置等

行业相关人员进行调研、交流，广泛征求标准制定方面的意见和建议。

2、标准起草过程

2023年12月7日由中国国际科技促进会标准化工作委员会向国家标准委全

国标准服务平台立交立项，立项编号为：CI2023527,并向全社会公示了十五日。

2023年12月29日由青岛理工大学以视频的方式组织了第一次起草会议，

讨论了标准的制定要求，确定了分工和编制工作的各项任务完成时间节点。

2024年1月15日组织了第二次起草会议，确定下标准内容的草案；

2024年2月23日将标准征求意见稿提交中国国际科技促进标准化工作委员

会，通过审核，于2月27日报送了全国标准平台，并向全社会公开征求意见30

日。

3、征求意见情况

2024年1月标准编制小组先后通过现场会议、电话、微信等多种形式征集⾏

业专家相关意见和建议。针对征集的意见，标准编制小组召开了研讨会，将收集

到的意见进行汇总处理分析，在充分吸纳合理意见的基础上，先后修改和完成标

准内容，于2024年2月中旬根据在各单位反馈意见基础上，形成了标准征求意见

稿并由中国国际科技促进会提交全国标准信息平台公示。

四、标准制定的基本原则

标准编制过程中，遵循了以下基本原则：

1)标准需要具有行业特点，指标及其对应的分析方法要积极参照采用国家

标准和行业标准。

2)标准能够体现出产品的具有关键共性的技术要素。

3)标准能够为产品的开发、改进指出明确的方向。

4)标准需要具有科学性、先进性和可操作性。

5)要能够结合行业实际情况和产品特点。

6)与相关标准法规协调一致。

7)促进行业健康发展与技术进步。

五、标准主要内容

本标准规定了磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范标准，正文部分

共分六章内容，包括标准的适用范围、规范性引用文件、术语和定义、产品工作

原理与型号、技术要求与试验方法。

本标准适用于磁场辅助纳米流体微量润滑磨削加工工艺规范。

六、主要试验（或验证）情况分析

1、试验设备

实验使用的是精密平面数控磨床（型号：K-P36）；实验中定制了基体材料

为Q235的砂轮，尺寸为300×20×76.2mm，砂轮粒度为240#；设计制造了磁场

辅助装置，采用铝合金制作。实验中采用磁场强度等级为N35的钕铁硼磁铁，

尺寸为：100×50×20mm。根据磁场辅助装置的尺寸，钕铁硼磁铁中间设计了定

位孔；微量润滑磨削液输送装置采用微量润滑供油系统。

图6.1磁场辅助磨削实验设置

使用YDM-Ⅲ99三向磨削力测力仪对切向、法向和轴向磨削力进行实时数

据测量，采样频率设定为1kHz，采样后的磨削力信号导入“磨削力动态测试系

统”软件中进行滤波处理，最终得到磨削力数据，如图6.2所示。

图6.2磨削力测量装置

2、实验材料与磨具

工件材料采用Ti-6Al-4V牌号，尺寸为：40×30×30mm。以棕榈油为基础油，

配制体积分数为5%的三种不同的纳米润滑剂，分别是石墨烯纳米润滑剂、Fe3O4

纳米润滑剂、体积比为2:1的石墨烯和Fe3O4混合纳米润滑剂。

3、实验方案

采用7种润滑工况进行实验，通过实验性能的比较验证新工艺磨削性能的优

异性，如表6-1所示。

表6-1实验方案

实验编号纳米材料施加磁场

1棕榈油Pureoil无

2石墨烯GR(5vol%)无

3石墨烯GR(5vol%)有

4Fe3O4(5vol%)无

5Fe3O4(5vol%)有

6Fe3O4/GR(mixratio=2:1,5vol%)无

7Fe3O4/GR(mixratio=2:1,5vol%)有

4、磨削加工参数

采用的磨削参数如表6-2所示。

表6-2磨削工艺参数

磨削工艺参数数值

砂轮速度Vs（m/s）20

进给速度Vw（m/s）0.1

磨削深度ap（μm）20

微量润滑剂流量率（mL/h）50

喷嘴距离（mm）12

喷嘴角度（°）15

微量润滑剂空气压力（Mpa）0.6

5、磁场辅助微量润滑磨削性能检测

实验采用往复式磨削加工，每一次走刀磨到工件时产生的磨削力波形如图所

示6-3所示。由于磨削中轴向力几乎不变接近于0，所以忽略轴向磨削力，图中

黑色曲线为法向磨削力，红色曲线为切向磨削力。通过磨削力曲线的振幅和均值

可以从两方面描述工况性能。磨削力均值展示了润滑剂能够实现的润滑性能，对

于磨削力均值较小的工况，其润滑性能也优异。而振幅表示了润滑剂减磨抗磨的

稳定性，当润滑状态不稳定时磨削力曲线的波动会变大。此外，润滑性能差的润

滑剂会使磨粒在工作中产生振动，从而导致磨削力出现较大的变化，振幅较大。

而润滑状态稳定时会产生稳定的波形，磨削力的振幅也减小。

（a）Mix有磁场（b）Mix无磁场

（c）Fe3O4有磁场（d）Fe3O4无磁场

（e）GR有磁场（f）GR无磁场

（g）微量润滑

图6-3不同润滑工况下的磨削力测量结果

对于磨削力的波动，没有磁场作用的Fe3O4工况时（如图6-3（d））的磨削

力波动最大，其他工况中磨削力变化比较稳定，波动不明显。这是因为Fe3O4不

是一种良好的润滑剂，球状结构在磨削中多以滚动减摩的方式工作，从而导致磨

粒/工件界面的减摩抗磨性能差，出现了波动较大的磨削力曲线。对于磨削力曲

线的振幅而言，在微量润滑工况（如图6-3（g））磨削力振幅最大，这说明棕榈

油能够提供稳定的润滑状态，但是其润滑和换热性能差，所以形成了波动较稳定、

振幅很大的磨削力；在不加磁场的工况时，石墨烯、Fe3O4以及混合纳米润滑剂

工况（如图6-3（f）、（d）以及（b））中磨削力振幅有所减小。从图中可以看出，

混合纳米润滑剂相比于单一的纳米润滑剂的磨削力更稳定，这是由于两种不同结

构的纳米粒子通过物理协同作用改善磨削区润滑状态，使磨削力比较均匀。进一

步在以上三种纳米润滑剂工况中引入磁场，可以看到，石墨烯纳米润滑剂时（如

图6-3（e））磨削力没用明显的变化，因为石墨烯的相对磁导率近似为1，磁场

对其润滑性能没有影响。而Fe3O4纳米润滑剂在磁场作用下（如图6-3（c）），纳

米粒子有一定规律的排布使磨削力波动得到缓解，润滑状态稳定，但是Fe3O4较

差的润滑性能导致磨削力振幅变大。但是对于混合纳米润滑剂来说，引入磁场作

用后，Fe3O4纳米粒子的稳定的润滑状态和石墨烯纳米粒子优异的润滑性能得到

了充分的发挥，从而产生了稳定的磨削力曲线，磨削力的振动也有所缓解（如图

6-3（a））。

进一步，对每种润滑工况进行20次走刀，在得到的每个磨削力波形中取稳

定阶段的磨削力求平均值，得到不同润滑工况下的磨削力均值和方差，如图6-4

所示。在磨削加工中，摩擦消耗能占磨削能量的90%以上，这些能量都转化为磨

削热，对工件表面质量造成了显著影响。而润滑效果越差，磨削力越大，去除相

同体积的材料消耗的能量就越多。

由图可知，在纯油工况时得到最大的法向磨削力和切向磨削力分别为109.9

N和52.58N。加入纳米粒子后（没有磁场作用时），三种纳米润滑剂时得到的磨

削力均有所减小，法向磨削力由大到小的排序为：Fe3O4>石墨烯>混合。这也证

明了混和纳米粒子的润滑性能优于单一纳米粒子，而层状石墨烯的润滑性能优于

球状的Fe3O4。相比于纯油，混合纳米润滑剂得到的法向和切向磨削力分别减小

了22.4%和63.9%。

图6-4不同润滑工况下的磨削力均值和方差

进一步，在磁场的作用下，三种纳米润滑剂下的磨削力均有一定的减小。此

时石墨烯纳米润滑剂条件下磨削力变化不大；Fe3O4纳米润滑剂时磨削力明显减

小，相比于没有磁场时的Fe3O4纳米润滑剂，法向和切向磨削力分别减小了17.8%

和33%；相比于没有磁场时的混合纳米润滑剂，加入磁场后得到的法向和切向磨

削力分别减小了17.2%和31.5%。在磁场作用下，三种纳米润滑剂时磨削力由大

到小的排序为：石墨烯>Fe3O4>混合。对法向磨削力而言，混合纳米润滑剂的磨

削力相比于石墨烯和Fe3O4分别减小了22.4%和14.6%。

加入磁场后，Fe3O4纳米粒子沿着磁感线呈现有规则、相对稳定的排布，从

而在工件表面形成比较稳定的润滑油膜。但是对于混合纳米粒子，磁场引导了磁

性的Fe3O4沿着磁感线方向形成有规则的排布，层状的石墨烯在球状的Fe3O4纳

米粒子之间向磨削区浸润。两种纳米粒子相互作用增强了各自的浸润深度，同时

石墨烯有具有优异的润滑性能，所以在磨削区有充足的纳米润滑剂并形成了稳定

的润滑油膜。

图6-5为不同工况下的工件表面三维形貌。通过整体的三维形貌可以看出，

使用纯油时的工件表面存在大量的毛刺和凹坑，加入Fe3O4后，表面毛刺并没有

减少，这也和Fe3O4的球形结构有关，滚动减摩的方式在磨削中并不能起到良好

的减摩抗磨性能。在棕榈油中加入石墨烯后，依靠其优异的润滑性能，工件表面

毛刺现象明显改善。在引入磁场后，石墨烯润滑工况的工件表面没有明显变化，

而Fe3O4工况下的毛刺显著减少。这是由于在磁场的影响下，规则排布的球状

Fe3O4在磁场带动下随着砂轮转动，起到抛光的作将毛刺切削掉。

对于混合纳米润滑剂来说，表面毛刺现象相较于石墨烯条件时更严重。这是

因为，在较短时间内，石墨烯浸润到磨削区并以延展成膜的方式形成润滑油膜，

而球状的Fe3O4的加入影响了石墨烯的铺展，导致润滑油膜的不稳定，降低了表

面质量。而在混合纳米润滑剂条件的基础上加上磁场后，工件表面毛刺显著减少。

一方面，磁场为纳米润滑剂的浸润提供了牵引力，使润滑剂更快更充分的输运至

磨削区。另一方面，磁场的施加导致Fe3O4的有规律排布，石墨烯在规则排布的

Fe3O4周围也趋向于更有规律的排布方向，不论是与砂轮垂直排布还是与砂轮平

行排布都有利于成膜，这一点在第四章已经详细分析。总之，不但石墨烯的浸润

速度有所增加，形成稳定的润滑油膜的速度也被提升。

图6-5不同润滑工况下的工件表面三维形貌

对工件表面粗糙度进行了统计分析，图6-6为Sa和Sdr的测量结果。在图

6-6（a）中，纯油时的Sa最大，为0.67μm，而在磁场作用下的混合纳米润滑剂

时取得最小值（0.49μm），相比纯油降低了27.4%。在图6-6（b）中，没有磁场

的Fe3O4纳米润滑剂条件下，Sdr相比于纯油并没有降低很多，说明工件表面的

表面积没有减少。这是由于Fe3O4工况时润滑状态不稳定，材料不容易去除，耕

犁现象更明显。而且润滑性能差导致摩擦力增加，使得工件表面积增加，Sdr增

大；而润滑性能好的石墨烯条件下，Sdr显著减小，表面积减小。在磁场条件下

的混合纳米润滑剂润滑工况时，Sdr进一步减小到4.29%，相比于纯油时

（Sdr=10.49%），降低了59.1%。此时，混合润滑剂中的石墨烯浸润性能提升，

在其优异的换热和润滑性能基础上，材料去除更容易，摩擦力减小，工件表面也

变得光滑。

（a）Sa（b）Sdr

图6-6不同润滑工况下的表面粗糙度值

通过表面微观形貌和表面元素分析可以定性和定量的表征表面质量好坏。图

6-7和6-8分别展示了纯油和石墨烯纳米润滑剂、Fe3O4和混合纳米润滑剂润滑工

况下的工件表面微观形貌和表面EDS分析。从表面形貌可以看到，在工件表面

存在的主要缺陷有碾压粘附、碎屑粘附、材料剥离去除和微凹坑等。

使用纯油时工件表面出现大量的碾压粘附，如图6-7（a）。这是由于润滑状

态较差，润滑油膜不稳定会导致磨粒磨损加剧、变钝，使得工件材料去除变得更

难。未被完全去除掉的材料不仅会向犁沟两侧堆积，还会沿着磨粒的进给方向堆

积在磨粒前端，最后会被碾压粘附在工件表面。在没有磁场的Fe3O4工况中（如

图6-8（a）），表面出现了较多的碎屑粘附。由于磨削过程中润滑剂换热能力不足，

大量的磨削热无法散出，使得工件和磨屑温度过高，最终粘附在工件表面。进一

步在Fe3O4工况引入磁场，Fe3O4纳米粒子有规则的排布使润滑状态良好，能够

形成稳定润滑状态，所以划痕比较规则。但是Fe3O4纳米粒子导热系数低，换热

能力差，磨削区温度无法降低，工件表面碎屑粘附依然较多甚至出现烧伤的现象。

在石墨烯工况（如图6-7（b）、（c）），碎屑的粘附明显减小，这归因于石墨烯较

高的导热系数，实现强化换热，降低了磨削区温度从而缓解了碎屑粘附的现象。

但是，由于磨削负前角加工的特性，在磨粒去除材料时，润滑剂没有及时填充到

后刀面与工件新鲜表面之间，增加了界面间的摩擦，在犁沟附近会出现轻微的材

料剥离去除的现象。

图6-7纯油和石墨烯纳米润滑剂工况下的工件表面微观形貌及EDS分析

由以上分析可知，Fe3O4纳米粒子对于磁场的响应使其必不可少，而同时冷

却润滑性能较差是其应用瓶颈，进一步混合石墨烯可增强润滑性能。如图6-8（c）

中混合纳米润滑剂在没有磁场时，工件表面出现了单一纳米粒子时会存在的犁沟

碾压粘附、微凹坑等缺陷。而加磁场后（图6-8（d）），工件表面缺陷明显降低，

表面质量显著改善。这是由于磁场对Fe3O4纳米粒子的定向、规则排布提供了牵

引力，同时携带石墨烯纳米粒子以更快的速度输运至磨削区深处。此外，导热系

数高的石墨烯纳米粒子能有效的将磨削区热量换出，能够有效降低磨削温度并改

善工件表面的烧伤现象，形成没有磨屑粘附现象的较光滑表面。

图6