同軸靜電霧化切削霧化特性與加工性能研究*

姜 海, 蘇 宇

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

切削液在切削加工中起到冷卻潤滑、提升工件加工質(zhì)量、延長刀具使用壽命的作用。然而傳統(tǒng)銑削澆注式潤滑方式存在有效使用率低、成本高、環(huán)境污染大等問題，不能滿足綠色高效加工的要求。作為一種新興綠色潤滑加工方法，微量潤滑(Minimum Quantity Lubricant，MQL)通過壓縮空氣將微量潤滑液霧化噴射到加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了很好的潤滑作用[1-4]。但其冷卻換熱能力不足，并且以壓縮空氣輸送霧滴時霧滴易飄散到空氣中，降低工作環(huán)境空氣質(zhì)量[5-7]。

與微量潤滑相比，靜電霧化潤滑技術(shù)通過在金屬噴嘴上施加高電壓使流經(jīng)液體表面張力降低并產(chǎn)生自由電荷，當液體所受電場力大于表面張力及其它力時，破碎形成細小霧滴，在噴嘴與靶標區(qū)域之間靜電場的作用下實現(xiàn)霧滴可控輸送的目的，提高冷卻潤滑效果，降低油霧濃度[8-9]。

Su Yu等[10]進行MQL、靜電霧化潤滑、納米流體靜電霧化潤滑三種冷卻潤滑方式鈦合金銑削試驗。結(jié)果表明，相較于MQL潤滑方式，靜電霧化和納米流體靜電霧化潤滑下的刀具磨損和油霧濃度均明顯降低。但靜電霧化潤滑僅使用一種潤滑液(油或水)，不能充分利用兩者的綜合性能來提升冷卻潤滑能力。同軸靜電霧化切削是指通過同軸噴嘴將兩種不互溶的液體置于高壓靜電場下，破碎形成復合霧滴并輸送到加工區(qū)域的過程[11]。湯正成[12]以LB2000植物性潤滑液和去離子水及其納米流體為內(nèi)外流體進行同軸靜電霧化鈦合金銑削試驗，結(jié)果表明，相較于靜電霧化，同軸靜電霧化切削潤滑時的刀具磨損和油霧濃度均降低。但其并未研究霧滴荷電性能對其霧化穩(wěn)定性與切削性能的影響。本文通過同軸靜電霧化切削霧化、荷電性能及銑削鋁合金試驗，在適用于切削的錐射流模式下分析電壓及內(nèi)外流體類型對霧化形態(tài)、電流與切削力的影響。

1 試驗方法

1.1 納米流體制備及物性測量

以蓖麻油及其油基納米流體為外流體，以去離子水及其水基納米流體為內(nèi)流體。多壁碳納米管有著極高的強度、韌性和熱導系數(shù)，在切削過程中可以起到很好的抗磨減摩和換熱作用。故選擇直徑10～20 nm多壁碳納米管為納米顆粒。采用兩步法(通過精密天平測量相應質(zhì)量的基液和納米顆粒，充分攪拌后，放入超聲振動儀振動2 h使得顆粒均勻分散在基液中)制備體積分數(shù)為0.1%的水基納米流體和蓖麻油基納米流體(圖1)。其中水基納米流體制備時還以質(zhì)量分數(shù)為0.15%阿拉伯膠作為分散劑，以獲得較好的懸浮穩(wěn)定性。

1.去離子水 2.水基納米流體 3.蓖麻油 4.蓖麻油基納米流體

內(nèi)外流體的物性對同軸靜電霧化霧化與荷電特性有著重要影響。采用上海方瑞儀器有限公司制造的NDJ-9S粘度計、BZY-1型全自動表面張力儀和LCR測試儀分別測量內(nèi)外流體的粘度、表面張力、電導率與介電常數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 流體物性參數(shù)

1.2 同軸靜電霧化切削霧化與荷電性能試驗

圖2為同軸靜電霧化切削霧化與荷電試驗平臺。該平臺主要由同軸靜電霧化切削霧化系統(tǒng)、霧化顯微拍攝系統(tǒng)、霧化電流測試系統(tǒng)三部分組成。其中同軸靜電霧化切削霧化系統(tǒng)包括由某公司生產(chǎn)的型號為DW-N603型的高壓靜電發(fā)生器、兩臺型號為LSP01-1A的精密注射泵、刀具、TC4工件、同軸噴嘴(由內(nèi)外噴嘴構(gòu)成)和噴嘴支架及升降平臺，霧化電流測試系統(tǒng)由一臺北京華測公司生產(chǎn)的Hest122型皮安表以及一臺計算機構(gòu)成。

1.注射泵1 2.注射泵2 3.噴嘴及支架 4.刀具 5.升降臺 6.計算機 7.高壓靜電發(fā)生器 8.臥式顯微鏡 9.工作臺 10.工件，11.背景板 12.皮安表

同軸噴嘴通過導線與高壓靜電發(fā)生器的負極相連并安于絕緣支架上，刀具及工件放置于工作平臺上，調(diào)節(jié)支架及升降平臺使噴嘴與刀具之間角度為35°，極間距為20 mm，同軸噴嘴通過橡膠軟管與內(nèi)外流體注射泵相連。皮安表采集端通過導線與工作平臺相連，通信端與計算機USB相連，顯微鏡數(shù)據(jù)線通過TypeB接口與計算機USB接口連接并將所有設(shè)備都接地。

以10/5 ml/h為外/內(nèi)流體流量，在電壓-4～-10 kV電壓范圍進行霧化試驗，確定不同流體類型霧化模式轉(zhuǎn)變電壓范圍。然后在穩(wěn)定霧化模式電壓范圍下，測量其霧化液滴的荷電性能，綜合分析內(nèi)外流體類型對霧化穩(wěn)定性的影響。

1.3 切削性能試驗

在SVMC-2002A型數(shù)控銑床上進行銑削鋁合金試驗，如圖3所示。工件材料為6061鋁合金，尺寸為100 mm×80 mm×60 mm。同軸噴嘴通過磁性吸座固定在機床主軸箱側(cè)面，注射泵1和2通過橡膠軟管與同軸噴嘴相連，同軸噴嘴通過電線與高壓靜電發(fā)生器的負極相連，刀具、工件通過加工中心間接接地。采用型號為 Kistler9272的測力儀測量銑削力。采用硬質(zhì)合金銑刀刀片(R390-11T308M-KM H13A)進行銑削加工，切削參數(shù)和冷卻潤滑條件見表2。

圖3 同軸靜電霧化銑削工況

表2 切削條件

2 結(jié)果與分析

2.1 電壓對霧化模式的影響

通過大量霧化試驗可得，在外/內(nèi)流體流量和極間距固定的情況下，隨著噴嘴接觸電壓的升高，同軸靜電霧化的霧化形態(tài)依次呈現(xiàn)出滴模式、脈動模式、錐射流模式和不穩(wěn)定模式4種。表3為同軸靜電霧化切削霧化模式與電壓對應關(guān)系。由表可知，外流體納米顆粒的加入霧化模式的電壓范圍沒有變化，而內(nèi)流體納米顆粒的加入增大了水的電導率，致使其產(chǎn)生的電荷量增多，其錐射流模式電壓范圍增大。

表3 霧化射流模式與電壓對應關(guān)系

滴模式：在噴嘴無接觸電壓或電壓范圍較小時出現(xiàn)，此時噴嘴出口處液滴隨時間推移逐漸增大，但液滴內(nèi)積累的電荷數(shù)量過少，導致噴嘴出口處的電場力不足以克服液滴自身的表面張力和粘滯力而形成射流，當液滴重力大于自身表面張力和粘滯力時，液滴自由滴落，如圖4所示。隨著電壓的升高，液滴內(nèi)部電荷量積累速度加快，電荷量增多，滴落頻率加快，但所受力仍小于自身表面張力和粘滯力而無法形成射流。

外/內(nèi)流體為蓖麻油基納米流體/去離子水,U=-4 kV

脈動模式：隨著電壓的進一步增大，液體表面張力減小，隨著噴嘴出口處自由電荷的積累，噴嘴出口處液滴由一開始的半圓形逐漸拉伸至錐形，當液滴受到的電場力大于此時液滴自身的表面張力和粘滯力時，會形成短暫的射流，然后重新恢復成半圓形液滴吸附于噴嘴處，如此往復，如圖5所示。隨電壓的升高，液滴由圓形狀到形成射流的時間縮短，且穩(wěn)定射流的時間增長。

外/內(nèi)流體為蓖麻油基納米流體/去離子水,U=-5.5 kV

錐射流模式：電壓進一步增大，電場力增大，液滴表面張力減小。當液滴所受電場力克服表面張力和粘滯力時，在噴嘴出口處形成穩(wěn)定復合泰勒錐，錐頂處為連續(xù)射流，且在高電場力作用下，射流末端會分散成大量細小液滴，液滴在電場力的作用下準確到達刀具上，適用于切削加工的冷卻潤滑如圖6所示。圖6為不同電壓下的錐射流狀態(tài)，隨著電壓升高，射流末端霧化分散程度越明顯。

(a) -6.5 kV (b) -7 kV (c) -7.5 kV外/內(nèi)流體為蓖麻油基納米流體/去離子水圖6 錐射流模式

不穩(wěn)定模式：當電壓超出穩(wěn)定射流電壓后，射流開始在工件和刀具之間抖動，出現(xiàn)射流偏向刀桿、多股射流和傘狀射流等不穩(wěn)定現(xiàn)象，不適宜用于切削加工的穩(wěn)定潤滑。

(a) -8 kV(b)-10 kV外/內(nèi)流體為蓖麻油基納米流體/去離子水圖7 不穩(wěn)定模式

2.2 電壓對荷電性能的影響

同軸靜電霧化的霧滴荷電性能是評價霧化好壞的重要因素之一。針對上文所得到的穩(wěn)定霧化錐射流電壓范圍，進一步研究其霧化液滴的荷電特性。圖8為電壓對霧化電流及其穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，電壓升高，霧化電流增大，霧化穩(wěn)定性降低。相較于-6.5 kV，-7 kV和-7.5 kV電壓下的霧化電流分別增加27.8%和50%，霧化穩(wěn)定性分別降低3.4%和5.7%。

外/內(nèi)流體為蓖麻油基納米流體/去離子水圖8 電壓對霧化電流及其穩(wěn)定性的影響

2.3 內(nèi)外流體類型對荷電性能的影響

圖9為內(nèi)外流體類型對霧化電流及其穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，內(nèi)外流體中納米顆粒的加入都會增大霧化電流， 降低霧化穩(wěn)定性。當內(nèi)流體為去離子水時，外流體中加入納米顆粒對霧化電流和霧化穩(wěn)定性影響小。而當內(nèi)流體為水基納米流體時，外流體中加入納米顆粒使得霧化電流增加35.6%，霧化穩(wěn)定性降低72.3%。當外流體為蓖麻油時，內(nèi)流體中加入納米顆粒使得霧化電流增大28.6%，霧化穩(wěn)定性降低161%。當外流體為蓖麻油基納米流體時時，內(nèi)流體中加入納米顆粒使得霧化電流增大69.4%，霧化穩(wěn)定性降低143%。內(nèi)流體中加入納米顆粒對霧化電流與霧化穩(wěn)定性的影響高于外流體。

圖9 內(nèi)外流體類型對霧化電流、穩(wěn)定性的影響(U=-6.5 kV)

2.4 內(nèi)外流體類型對切削力的影響

圖10為內(nèi)外流體類型對切削力的影響。從圖中可以看出，當內(nèi)流體相同時，外流體中加入納米顆粒切削力顯著降低。其中，當內(nèi)流體為去離子水時，外流體中加入納米顆粒切削力降低8.7%。這是由于納米顆粒極易滲透到加工區(qū)域，減少刀具和工件之間的接觸面積，減小摩擦系數(shù)，降低切削力[13]。并且由2.3節(jié)可知，外流體中加入納米顆粒時霧化電流增大，霧化效果改善，穩(wěn)定性變化不大，潤滑效果增強，切削力降低。當內(nèi)流體為水基納米流體時，外流體中加入納米顆粒切削力降低6.2%。當外流體相同時，內(nèi)流體中加入納米顆粒切削力反而有所增大。其中，當外流體為油時，內(nèi)流體中加入納米顆粒切削力增大0.21%；當外流體為油基納米流體時，內(nèi)流體中加入納米顆粒切削力增大2.6%。由2.3節(jié)所知，當內(nèi)流體中加入納米顆粒時，霧化穩(wěn)定性降低，致使冷卻潤滑過程的不穩(wěn)定，切削力有所增加。此外，內(nèi)流體中加入納米顆粒，傳熱能力增強，冷卻增加，材料熱軟化效應減弱，導致切削力增大。

圖10 內(nèi)外流體類型對切削力的影響(U=-6.5 kV)

3 結(jié)束語

(1)同軸靜電霧化切削霧化過程中，隨電壓的升高，都會出現(xiàn)滴模式、脈動模式、錐射流模式和不穩(wěn)定模式，其中錐射流模式具有較好的霧化穩(wěn)定性和霧滴分散性，可適用于切削加工過程中的冷卻與潤滑。

(2)電壓增大和納米顆粒的加入都會增大霧化電流，降低霧化穩(wěn)定性，其中內(nèi)流體中納米顆粒的加入對霧化穩(wěn)定性的影響較大。

(3)當內(nèi)流體相同時，外流體中加入納米顆粒切削力顯著降低。當外流體相同時，內(nèi)流體中加入納米顆粒切削力反而有所增大。內(nèi)流體為去離子水，外流體為蓖麻油基納米流體時可獲得最低的切削力，為同軸靜電霧化切削的優(yōu)化內(nèi)外流體組合。