《磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》編制說明

團體標準

《磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工

藝規(guī)范》

編制說明

標準編制小組

2024年2月

《磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》

編制說明

一、標準制定的必要性

目的：建立并完善“磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范”的適用

范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、產(chǎn)品工作原理與型號、技術(shù)要求與檢驗方

法。為行業(yè)發(fā)展、用戶選擇以及檢測機構(gòu)提供技術(shù)依據(jù)。

必要性：磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝，提高了潤滑劑進入磨削

區(qū)的有效流量，提升了潤滑劑在大磨削弧長空間的浸潤效率，進而提升了磁性納

米潤滑劑在磨削區(qū)的浸潤性能、冷卻和潤滑性能。新工藝能夠降低難加工材料大

磨削弧長加工過程中的磨削力、磨削熱，提高工件表面質(zhì)量，降低砂輪磨損率。

然而，目前并沒有一種適用于磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范

的相關(guān)技術(shù)要求和檢驗方法。研發(fā)制定磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝

規(guī)范相關(guān)標準對行業(yè)發(fā)展是十分必要的。磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工

藝規(guī)范具有廣闊的市場前景和良好的社會效益。

二、標準編制原則及依據(jù)

1、按照GB/T1.1－2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)

和起草規(guī)則》要求進行編寫。

2、參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過程中著重考慮了科學(xué)性、適用性

和可操作性。

三、項目背景及工作情況

（一）任務(wù)來源

根據(jù)《中國國際科技促進會標準化工作委員會團體標準管理辦法》的有關(guān)規(guī)

定，經(jīng)中國國際科技促進會標準化工作委員會及相關(guān)專家技術(shù)審核，批準《磁場

輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》團體標準制定計劃，計劃編號為：

CI2023527。本標準由青島理工大學(xué)提出，中國國際科技促進會歸口。

根據(jù)計劃要求，本標準完成時限為6個月。

（二）標準起草單位

本標準的主要起草單位是青島理工大學(xué)，負責(zé)標準文檔起草及相關(guān)文件的編

制等。青島即墨青理智能制造產(chǎn)業(yè)研究院，長沙理工大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，

四川新航鈦科技有限公司，香港理工大學(xué)，漢能（青島）潤滑科技有限公司，上

海金兆節(jié)能科技有限公司，青島濱海學(xué)院，國華（青島）智能裝備有限公司，泰

山體育產(chǎn)業(yè)集團有限公司，青島海聯(lián)金匯汽車零部件有限公司參與起草，負責(zé)標

準中重要技術(shù)點的研究和建議，并參與標準內(nèi)容的討論。

（三）標準研制過程及相關(guān)工作計劃

1、前期準備提工作

項目立項前，標準編制小組查閱、研讀相關(guān)國內(nèi)外文獻，廣泛收集靜電霧化

超聲輔助微磨削裝置相關(guān)的材料。同時，多次與靜電霧化超聲輔助微磨削裝置等

行業(yè)相關(guān)人員進行調(diào)研、交流，廣泛征求標準制定方面的意見和建議。

2、標準起草過程

2023年12月7日由中國國際科技促進會標準化工作委員會向國家標準委全

國標準服務(wù)平臺立交立項，立項編號為：CI2023527,并向全社會公示了十五日。

2023年12月29日由青島理工大學(xué)以視頻的方式組織了第一次起草會議，

討論了標準的制定要求，確定了分工和編制工作的各項任務(wù)完成時間節(jié)點。

2024年1月15日組織了第二次起草會議，確定下標準內(nèi)容的草案；

2024年2月23日將標準征求意見稿提交中國國際科技促進標準化工作委員

會，通過審核，于2月27日報送了全國標準平臺，并向全社會公開征求意見30

日。

3、征求意見情況

2024年1月標準編制小組先后通過現(xiàn)場會議、電話、微信等多種形式征集?

業(yè)專家相關(guān)意見和建議。針對征集的意見，標準編制小組召開了研討會，將收集

到的意見進行匯總處理分析，在充分吸納合理意見的基礎(chǔ)上，先后修改和完成標

準內(nèi)容，于2024年2月中旬根據(jù)在各單位反饋意見基礎(chǔ)上，形成了標準征求意見

稿并由中國國際科技促進會提交全國標準信息平臺公示。

四、標準制定的基本原則

標準編制過程中，遵循了以下基本原則：

1)標準需要具有行業(yè)特點，指標及其對應(yīng)的分析方法要積極參照采用國家

標準和行業(yè)標準。

2)標準能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關(guān)鍵共性的技術(shù)要素。

3)標準能夠為產(chǎn)品的開發(fā)、改進指出明確的方向。

4)標準需要具有科學(xué)性、先進性和可操作性。

5)要能夠結(jié)合行業(yè)實際情況和產(chǎn)品特點。

6)與相關(guān)標準法規(guī)協(xié)調(diào)一致。

7)促進行業(yè)健康發(fā)展與技術(shù)進步。

五、標準主要內(nèi)容

本標準規(guī)定了磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范標準，正文部分

共分六章內(nèi)容，包括標準的適用范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、產(chǎn)品工作

原理與型號、技術(shù)要求與試驗方法。

本標準適用于磁場輔助納米流體微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范。

六、主要試驗（或驗證）情況分析

1、試驗設(shè)備

實驗使用的是精密平面數(shù)控磨床（型號：K-P36）；實驗中定制了基體材料

為Q235的砂輪，尺寸為300×20×76.2mm，砂輪粒度為240#；設(shè)計制造了磁場

輔助裝置，采用鋁合金制作。實驗中采用磁場強度等級為N35的釹鐵硼磁鐵，

尺寸為：100×50×20mm。根據(jù)磁場輔助裝置的尺寸，釹鐵硼磁鐵中間設(shè)計了定

位孔；微量潤滑磨削液輸送裝置采用微量潤滑供油系統(tǒng)。

圖6.1磁場輔助磨削實驗設(shè)置

使用YDM-Ⅲ99三向磨削力測力儀對切向、法向和軸向磨削力進行實時數(shù)

據(jù)測量，采樣頻率設(shè)定為1kHz，采樣后的磨削力信號導(dǎo)入“磨削力動態(tài)測試系

統(tǒng)”軟件中進行濾波處理，最終得到磨削力數(shù)據(jù)，如圖6.2所示。

圖6.2磨削力測量裝置

2、實驗材料與磨具

工件材料采用Ti-6Al-4V牌號，尺寸為：40×30×30mm。以棕櫚油為基礎(chǔ)油，

配制體積分數(shù)為5%的三種不同的納米潤滑劑，分別是石墨烯納米潤滑劑、Fe3O4

納米潤滑劑、體積比為2:1的石墨烯和Fe3O4混合納米潤滑劑。

3、實驗方案

采用7種潤滑工況進行實驗，通過實驗性能的比較驗證新工藝磨削性能的優(yōu)

異性，如表6-1所示。

表6-1實驗方案

實驗編號納米材料施加磁場

1棕櫚油Pureoil無

2石墨烯GR(5vol%)無

3石墨烯GR(5vol%)有

4Fe3O4(5vol%)無

5Fe3O4(5vol%)有

6Fe3O4/GR(mixratio=2:1,5vol%)無

7Fe3O4/GR(mixratio=2:1,5vol%)有

4、磨削加工參數(shù)

采用的磨削參數(shù)如表6-2所示。

表6-2磨削工藝參數(shù)

磨削工藝參數(shù)數(shù)值

砂輪速度Vs（m/s）20

進給速度Vw（m/s）0.1

磨削深度ap（μm）20

微量潤滑劑流量率（mL/h）50

噴嘴距離（mm）12

噴嘴角度（°）15

微量潤滑劑空氣壓力（Mpa）0.6

5、磁場輔助微量潤滑磨削性能檢測

實驗采用往復(fù)式磨削加工，每一次走刀磨到工件時產(chǎn)生的磨削力波形如圖所

示6-3所示。由于磨削中軸向力幾乎不變接近于0，所以忽略軸向磨削力，圖中

黑色曲線為法向磨削力，紅色曲線為切向磨削力。通過磨削力曲線的振幅和均值

可以從兩方面描述工況性能。磨削力均值展示了潤滑劑能夠?qū)崿F(xiàn)的潤滑性能，對

于磨削力均值較小的工況，其潤滑性能也優(yōu)異。而振幅表示了潤滑劑減磨抗磨的

穩(wěn)定性，當(dāng)潤滑狀態(tài)不穩(wěn)定時磨削力曲線的波動會變大。此外，潤滑性能差的潤

滑劑會使磨粒在工作中產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致磨削力出現(xiàn)較大的變化，振幅較大。

而潤滑狀態(tài)穩(wěn)定時會產(chǎn)生穩(wěn)定的波形，磨削力的振幅也減小。

（a）Mix有磁場（b）Mix無磁場

（c）Fe3O4有磁場（d）Fe3O4無磁場

（e）GR有磁場（f）GR無磁場

（g）微量潤滑

圖6-3不同潤滑工況下的磨削力測量結(jié)果

對于磨削力的波動，沒有磁場作用的Fe3O4工況時（如圖6-3（d））的磨削

力波動最大，其他工況中磨削力變化比較穩(wěn)定，波動不明顯。這是因為Fe3O4不

是一種良好的潤滑劑，球狀結(jié)構(gòu)在磨削中多以滾動減摩的方式工作，從而導(dǎo)致磨

粒/工件界面的減摩抗磨性能差，出現(xiàn)了波動較大的磨削力曲線。對于磨削力曲

線的振幅而言，在微量潤滑工況（如圖6-3（g））磨削力振幅最大，這說明棕櫚

油能夠提供穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)，但是其潤滑和換熱性能差，所以形成了波動較穩(wěn)定、

振幅很大的磨削力；在不加磁場的工況時，石墨烯、Fe3O4以及混合納米潤滑劑

工況（如圖6-3（f）、（d）以及（b））中磨削力振幅有所減小。從圖中可以看出，

混合納米潤滑劑相比于單一的納米潤滑劑的磨削力更穩(wěn)定，這是由于兩種不同結(jié)

構(gòu)的納米粒子通過物理協(xié)同作用改善磨削區(qū)潤滑狀態(tài)，使磨削力比較均勻。進一

步在以上三種納米潤滑劑工況中引入磁場，可以看到，石墨烯納米潤滑劑時（如

圖6-3（e））磨削力沒用明顯的變化，因為石墨烯的相對磁導(dǎo)率近似為1，磁場

對其潤滑性能沒有影響。而Fe3O4納米潤滑劑在磁場作用下（如圖6-3（c）），納

米粒子有一定規(guī)律的排布使磨削力波動得到緩解，潤滑狀態(tài)穩(wěn)定，但是Fe3O4較

差的潤滑性能導(dǎo)致磨削力振幅變大。但是對于混合納米潤滑劑來說，引入磁場作

用后，F(xiàn)e3O4納米粒子的穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)和石墨烯納米粒子優(yōu)異的潤滑性能得到

了充分的發(fā)揮，從而產(chǎn)生了穩(wěn)定的磨削力曲線，磨削力的振動也有所緩解（如圖

6-3（a））。

進一步，對每種潤滑工況進行20次走刀，在得到的每個磨削力波形中取穩(wěn)

定階段的磨削力求平均值，得到不同潤滑工況下的磨削力均值和方差，如圖6-4

所示。在磨削加工中，摩擦消耗能占磨削能量的90%以上，這些能量都轉(zhuǎn)化為磨

削熱，對工件表面質(zhì)量造成了顯著影響。而潤滑效果越差，磨削力越大，去除相

同體積的材料消耗的能量就越多。

由圖可知，在純油工況時得到最大的法向磨削力和切向磨削力分別為109.9

N和52.58N。加入納米粒子后（沒有磁場作用時），三種納米潤滑劑時得到的磨

削力均有所減小，法向磨削力由大到小的排序為：Fe3O4>石墨烯>混合。這也證

明了混和納米粒子的潤滑性能優(yōu)于單一納米粒子，而層狀石墨烯的潤滑性能優(yōu)于

球狀的Fe3O4。相比于純油，混合納米潤滑劑得到的法向和切向磨削力分別減小

了22.4%和63.9%。

圖6-4不同潤滑工況下的磨削力均值和方差

進一步，在磁場的作用下，三種納米潤滑劑下的磨削力均有一定的減小。此

時石墨烯納米潤滑劑條件下磨削力變化不大；Fe3O4納米潤滑劑時磨削力明顯減

小，相比于沒有磁場時的Fe3O4納米潤滑劑，法向和切向磨削力分別減小了17.8%

和33%；相比于沒有磁場時的混合納米潤滑劑，加入磁場后得到的法向和切向磨

削力分別減小了17.2%和31.5%。在磁場作用下，三種納米潤滑劑時磨削力由大

到小的排序為：石墨烯>Fe3O4>混合。對法向磨削力而言，混合納米潤滑劑的磨

削力相比于石墨烯和Fe3O4分別減小了22.4%和14.6%。

加入磁場后，F(xiàn)e3O4納米粒子沿著磁感線呈現(xiàn)有規(guī)則、相對穩(wěn)定的排布，從

而在工件表面形成比較穩(wěn)定的潤滑油膜。但是對于混合納米粒子，磁場引導(dǎo)了磁

性的Fe3O4沿著磁感線方向形成有規(guī)則的排布，層狀的石墨烯在球狀的Fe3O4納

米粒子之間向磨削區(qū)浸潤。兩種納米粒子相互作用增強了各自的浸潤深度，同時

石墨烯有具有優(yōu)異的潤滑性能，所以在磨削區(qū)有充足的納米潤滑劑并形成了穩(wěn)定

的潤滑油膜。

圖6-5為不同工況下的工件表面三維形貌。通過整體的三維形貌可以看出，

使用純油時的工件表面存在大量的毛刺和凹坑，加入Fe3O4后，表面毛刺并沒有

減少，這也和Fe3O4的球形結(jié)構(gòu)有關(guān)，滾動減摩的方式在磨削中并不能起到良好

的減摩抗磨性能。在棕櫚油中加入石墨烯后，依靠其優(yōu)異的潤滑性能，工件表面

毛刺現(xiàn)象明顯改善。在引入磁場后，石墨烯潤滑工況的工件表面沒有明顯變化，

而Fe3O4工況下的毛刺顯著減少。這是由于在磁場的影響下，規(guī)則排布的球狀

Fe3O4在磁場帶動下隨著砂輪轉(zhuǎn)動，起到拋光的作將毛刺切削掉。

對于混合納米潤滑劑來說，表面毛刺現(xiàn)象相較于石墨烯條件時更嚴重。這是

因為，在較短時間內(nèi)，石墨烯浸潤到磨削區(qū)并以延展成膜的方式形成潤滑油膜，

而球狀的Fe3O4的加入影響了石墨烯的鋪展，導(dǎo)致潤滑油膜的不穩(wěn)定，降低了表

面質(zhì)量。而在混合納米潤滑劑條件的基礎(chǔ)上加上磁場后，工件表面毛刺顯著減少。

一方面，磁場為納米潤滑劑的浸潤提供了牽引力，使?jié)櫥瑒└旄浞值妮斶\至

磨削區(qū)。另一方面，磁場的施加導(dǎo)致Fe3O4的有規(guī)律排布，石墨烯在規(guī)則排布的

Fe3O4周圍也趨向于更有規(guī)律的排布方向，不論是與砂輪垂直排布還是與砂輪平

行排布都有利于成膜，這一點在第四章已經(jīng)詳細分析?？傊?，不但石墨烯的浸潤

速度有所增加，形成穩(wěn)定的潤滑油膜的速度也被提升。

圖6-5不同潤滑工況下的工件表面三維形貌

對工件表面粗糙度進行了統(tǒng)計分析，圖6-6為Sa和Sdr的測量結(jié)果。在圖

6-6（a）中，純油時的Sa最大，為0.67μm，而在磁場作用下的混合納米潤滑劑

時取得最小值（0.49μm），相比純油降低了27.4%。在圖6-6（b）中，沒有磁場

的Fe3O4納米潤滑劑條件下，Sdr相比于純油并沒有降低很多，說明工件表面的

表面積沒有減少。這是由于Fe3O4工況時潤滑狀態(tài)不穩(wěn)定，材料不容易去除，耕

犁現(xiàn)象更明顯。而且潤滑性能差導(dǎo)致摩擦力增加，使得工件表面積增加，Sdr增

大；而潤滑性能好的石墨烯條件下，Sdr顯著減小，表面積減小。在磁場條件下

的混合納米潤滑劑潤滑工況時，Sdr進一步減小到4.29%，相比于純油時

（Sdr=10.49%），降低了59.1%。此時，混合潤滑劑中的石墨烯浸潤性能提升，

在其優(yōu)異的換熱和潤滑性能基礎(chǔ)上，材料去除更容易，摩擦力減小，工件表面也

變得光滑。

（a）Sa（b）Sdr

圖6-6不同潤滑工況下的表面粗糙度值

通過表面微觀形貌和表面元素分析可以定性和定量的表征表面質(zhì)量好壞。圖

6-7和6-8分別展示了純油和石墨烯納米潤滑劑、Fe3O4和混合納米潤滑劑潤滑工

況下的工件表面微觀形貌和表面EDS分析。從表面形貌可以看到，在工件表面

存在的主要缺陷有碾壓粘附、碎屑粘附、材料剝離去除和微凹坑等。

使用純油時工件表面出現(xiàn)大量的碾壓粘附，如圖6-7（a）。這是由于潤滑狀

態(tài)較差，潤滑油膜不穩(wěn)定會導(dǎo)致磨粒磨損加劇、變鈍，使得工件材料去除變得更

難。未被完全去除掉的材料不僅會向犁溝兩側(cè)堆積，還會沿著磨粒的進給方向堆

積在磨粒前端，最后會被碾壓粘附在工件表面。在沒有磁場的Fe3O4工況中（如

圖6-8（a）），表面出現(xiàn)了較多的碎屑粘附。由于磨削過程中潤滑劑換熱能力不足，

大量的磨削熱無法散出，使得工件和磨屑溫度過高，最終粘附在工件表面。進一

步在Fe3O4工況引入磁場，F(xiàn)e3O4納米粒子有規(guī)則的排布使?jié)櫥瑺顟B(tài)良好，能夠

形成穩(wěn)定潤滑狀態(tài)，所以劃痕比較規(guī)則。但是Fe3O4納米粒子導(dǎo)熱系數(shù)低，換熱

能力差，磨削區(qū)溫度無法降低，工件表面碎屑粘附依然較多甚至出現(xiàn)燒傷的現(xiàn)象。

在石墨烯工況（如圖6-7（b）、（c）），碎屑的粘附明顯減小，這歸因于石墨烯較

高的導(dǎo)熱系數(shù)，實現(xiàn)強化換熱，降低了磨削區(qū)溫度從而緩解了碎屑粘附的現(xiàn)象。

但是，由于磨削負前角加工的特性，在磨粒去除材料時，潤滑劑沒有及時填充到

后刀面與工件新鮮表面之間，增加了界面間的摩擦，在犁溝附近會出現(xiàn)輕微的材

料剝離去除的現(xiàn)象。

圖6-7純油和石墨烯納米潤滑劑工況下的工件表面微觀形貌及EDS分析

由以上分析可知，F(xiàn)e3O4納米粒子對于磁場的響應(yīng)使其必不可少，而同時冷

卻潤滑性能較差是其應(yīng)用瓶頸，進一步混合石墨烯可增強潤滑性能。如圖6-8（c）

中混合納米潤滑劑在沒有磁場時，工件表面出現(xiàn)了單一納米粒子時會存在的犁溝

碾壓粘附、微凹坑等缺陷。而加磁場后（圖6-8（d）），工件表面缺陷明顯降低，

表面質(zhì)量顯著改善。這是由于磁場對Fe3O4納米粒子的定向、規(guī)則排布提供了牽

引力，同時攜帶石墨烯納米粒子以更快的速度輸運至磨削區(qū)深處。此外，導(dǎo)熱系

數(shù)高的石墨烯納米粒子能有效的將磨削區(qū)熱量換出，能夠有效降低磨削溫度并改

善工件表面的燒傷現(xiàn)象，形成沒有磨屑粘附現(xiàn)象的較光滑表面。

圖6-8Fe3O4和混合納米潤滑劑工況下的工件表面微觀形貌及EDS分析

綜合圖6-7和6-8，進一步對不同工況的工件表面進行了EDS分析。從工件

表面的元素含量來看，在沒有Fe3O4納米粒子的工況中，沒有發(fā)現(xiàn)Fe元素存在，

在有Fe3O4納米粒子的工況中，發(fā)現(xiàn)了少量Fe元素。這說明Fe3O4納米粒子在工

件表面有些許殘留，可以形成一定的潤滑油膜。在含有Fe3O4納米粒子的潤滑工

況中，有磁場作用時的工件表面Fe元素含量比沒有磁場作用的時候少。這是由

于磁場對Fe3O4納米粒子的吸附作用帶走了一部分納米粒子，從而使其在工件表

面的殘留少，也從側(cè)面證明了磁場的作用。從C元素的含量來看，純油工況時

工件表面的含量很少，有無磁場作用的Fe3O4工況中，C元素沒有明顯變化。而

石墨烯納米潤滑劑條件下，表面的C元素高達13.45%，相比于純油增加了81.04%。

在有磁場的混合納米潤滑劑工況時的工件表面得到的C元素也達到12.63%。這

說明石墨烯納米粒子本身作為一種潤滑劑可以在工件表面形成一層穩(wěn)定的潤滑

油膜，而在磁場作用下，混合納米潤滑劑也可以形成良好的潤滑油膜。綜合工件

表面形貌可以得出，磁場作用下磁性石墨烯納米潤滑劑可以改善普通石墨烯納米

潤滑劑在工件表面產(chǎn)生的缺陷，提高了工件表面質(zhì)量。

綜上所述，在磁性納米潤滑劑工況中加入磁場后，磨削力減小，混合納米潤

滑劑時得到最小的法向磨削力70.52N和切向磨削力12.98N，最小的表面粗糙

度0.49μm和界面擴展面積比4.29%。在普通磨削中球狀的Fe3O4在磨削中多以

滾動減摩的方式工作，使磨粒/工件界面的減摩抗磨性能差；層狀的石墨烯可以

迅速浸潤到磨削區(qū)并以延展成膜的方式形成潤滑油膜；通過磁場作用，F(xiàn)e3O4的

有規(guī)律排布為石墨烯提供了更規(guī)則的浸潤通道，加快了石墨烯的浸潤速