干式鏜削靜電冷卻系統的設計

□ 成洪川 □ 趙 娟

青島理工大學機械工程學院 山東青島 266033

干式靜電冷卻切削技術，是利用靜電場裝置所產生的間隙放電現象，將通入的空氣流電離，使經過臭氧化、離子化的空氣流成為活性氣流。在切削加工過程中，將該高速活性氣流通過一系列裝置噴入切削區，加快氣體對流，氣流中的負氧離子增加了氣流的導熱性，降低了切削區的溫度。同時，活性氣體中的臭氧和負氧離子具有吸附性和滲透性，能夠滲入刀具與切屑接觸面，形成一層氧化薄膜，起到邊界潤滑作用[1]?；钚詺怏w中的臭氧還可以使已加工表面迅速產生鈍化作用，阻止表面進一步氧化，保護已加工表面。筆者以鏜削加工為例，對干式切削靜電冷卻系統進行了設計，并將此系統應用于鏜床切削加工。

1 干式切削靜電冷卻系統設計

干式切削靜電冷卻系統包括：作為氣體輸送動力源的空氣壓縮機；將活性氣體引入切削區的通氣管路；采用針孔電暈放電電路制備活性氣體的電暈放電裝置；優化電暈放電裝置參數的臭氧、負氧離子檢測器以及供電系統等4個部分，整體結構原理圖如圖1（a）所示，實樣如圖1（b）所示，各部件的作用如下。

（1）空氣壓縮機。干式切削靜電冷卻系統所需的高速氣流，由空氣壓縮機提供，并利用單向節流閥控制進氣壓力。

（2）通氣管路。導管采用可塑性聚胺脂材料的PU氣動壓力軟管，具有良好的耐腐蝕性和絕緣性，適用于輸送活性氣體中的負氧離子和臭氧。

（3）供電系統。采用型號為CX-300A高壓直流電源，輸出為3 000 V～30 000 V的直流電壓，10 mA額定電流。

▲圖1 干式切削靜電冷卻系統

（4） 電暈放電裝置。采用針孔電暈放電電路獲得活性氣體，陽極采用管口直徑為4 mm紫銅管；陰極采用鎢質針電極；陰極支撐選用ABS材料，針尖距孔口的距離由陰極支撐調節。

（5）離子電流測量裝置。由銅板和微安表組成，根據氣體流量Q和電流值I得到負氧離子濃度ρ。

式中：e為電子所帶的電荷量，e=1.6×10-19C。

（6）臭氧濃度測量裝置。由含有外接電路及標定臭氧濃度的傳感器組成。

2 臭氧濃度測量

2.1 臭氧濃度測量裝置

采用氣敏材料為二氧化錫的MQ131高濃度臭氧氣體傳感器，測量電路及實物連接如圖2所示，輸入直流電壓 VC=5 V，RL=3 500 Ω，輸出電壓為 VRL；電阻 RL采用變化范圍為0～3 700 Ω的電位器。

▲圖2 測量電路及實物連接圖

2.2 傳感器化學標定法

采用化學方法測量臭氧的氣體濃度，然后對傳感器輸出電壓進行標定，化學反應方程式如下：

實驗步驟如下。

（1）取樣。將10組體積都為2 000 mL、濃度不同的臭氧氣流分別通入相同的碘化鉀溶液中，臭氧濃度測量裝置如圖3所示。

（2）滴定。取樣后的溶液中由于含有大量碘單質，顏色呈棕黃色。將稀硫酸滴入溶液中，調節溶液的pH值小于2，將溶液靜置5 min，用0.1 mol/L的硫代硫酸鈉標準溶液對試樣進行滴定操作，直至試樣溶液變為淺黃色。向淺黃試樣溶液中加入1mL的淀粉溶液，顏色呈現為紫紅色。繼續使用硫代硫酸鈉標準溶液滴定至顏色消失。3個階段的溶液顏色變化如圖4所示。

▲圖3 臭氧濃度測量裝置

▲圖4 取樣后、加入淀粉溶液、滴定結束3階段的溶液顏色變化圖

（3）結論：經過理論計算，臭氧濃度與傳感器的輸出電壓之間的關系曲線如圖5所示。

從圖5可得到臭氧的體積濃度在一定范圍內 （1～800×106）和電壓值近似呈現線性關系：

3 氣路運輸導管

3.1 實驗目的

▲圖5 臭氧濃度與輸出電壓關系曲線

為了使活性氣體盡可能多地通過導氣管路輸送到切削加工處，并使電暈放電裝置與鏜削加工工藝相結合，需獲得活性氣體在外接氣路導管路徑長短及彎曲程度不同時的衰減規律。

3.2 實驗步驟

設計了3組實驗：分別當對空排放時、彎管個數不同時、氣體輸送管路長度不同時，進行各種狀態對活性氣體濃度的衰減規律實驗。

實驗參數：直流電壓V0=10 kV；放電間隙d=6 mm；節流閥的壓力值P=0.4 MPa。實驗步驟如下。

（1）在電暈放電裝置的出氣口處接一段長度為L的出氣管（見圖1），臨近導管口處放置臭氧濃度傳感器及收集離子的銅板。

（2）打開空壓機，調節節流閥，使進氣壓力為選定值。

（3）開啟高壓電源，調整電壓為選定值。

（4）讀取并記錄在穩定狀態下電壓值和離子電流值的大小。

（5）關閉高壓電源。

（6）改變銅板和傳感器距出氣口的距離，進行試驗，測量并記錄對空排放時活性氣體的濃度衰減值。

（7）改變氣體輸送管路的長度，測量并記錄不同導管長度時的活性氣體濃度衰減值。

（8）拔掉出氣管，連接管接頭，測量并記錄不同數量的管接頭對活性氣體的衰減值。

（9）將在不同條件下記錄的數值進行分析，并繪出特性曲線。

3.3 結果分析

（1）對空排放。根據分析的實驗數據可得到：隨著噴嘴長度L1增長，負氧離子濃度及臭氧氣體濃度的衰減速度都很快，當L1=60 mm時，離子電流降為管口處的19%，臭氧濃度降至管口處的80%。

▲圖6 臭氧濃度及離子電流隨PU管長度變化衰減曲線

▲圖7 接頭個數對臭氧及離子電流濃度的衰減曲線

（2）不同長度PU直管的影響。臭氧的氣體濃度及離子電流的衰減特性曲線如圖6所示，由圖可知：隨著外接管長度L1增加，負氧離子及臭氧氣體的濃度均有微量衰減，在接管長度L1=500 mm時，離子電流降到出口處的64%，臭氧氣體濃度降到出口處的90%。

（3）不同數量的90°管接頭的影響。在實際加工時，氣體管道基本都是彎曲狀態，本實驗采用不同數量的90°氣管接頭，分析彎曲管道數量對活性氣體濃度衰減特征，由圖7可知：隨著外接管個數N增加，負氧離子及臭氧氣體的濃度均有衰減。在外接管個數為6個時，離子電流降到出口處的55%，臭氧氣體濃度降到出口處的74%。

4 鏜床與電暈放電裝置的配合

▲圖8 干式鏜削靜電冷卻系統

根據電暈放電裝置外接氣路的特征曲線可知：PU管越短，氣路彎曲度越低，噴至切削區活性氣體的濃度越高，靜電冷卻效果越好。用PU管將電暈放電裝置及機床加工設備連接，參考現場的實際環境及機床Z軸進給行程，選取PU氣管的長度為1.5 m，最終確定的干式切削靜電冷卻系統如圖8所示。

5 結論

設計了干式切削靜電冷卻系統，設計并制造了電暈放電裝置、臭氧濃度檢測裝置、離子濃度檢測裝置，并進行了活性氣體在不同的外接管路中濃度衰減實驗，得到了活性氣體濃度衰減特性曲線。根據實驗數據，設計了電暈放電裝置與鏜削加工內冷系統的裝配平臺，實際鏜削加工證明，靜電冷卻干式切削系統具有良好的可靠性和安全性，能夠代替切削液在實際生產中的應用。

[1]唐蔡華，馮廣智.切削加工過程中潤滑技術的運用分析[J].信息系統工程，2012 （11）：92-92.

[2]福尺和慶．靜電冷卻方法[Z]．機械技術研究所所報，1980（2）：1-5.

[3]幺炳唐.靜電冷卻干切技術 [J].制造技術與機床，2003（1）：66-68.