渦流冷卻靜電潤(rùn)滑復(fù)合干式鉆削技術(shù)研究

張晏晴 ，呂海峰，韓占龍，韓振宇，陳桂濤

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030051 ；2.上海凌云工業(yè)科技有限公司，上海 201708)

0 前言

實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)，既是中國(guó)做出的鄭重承諾，更是目前我國(guó)緊鑼密鼓推進(jìn)的重點(diǎn)工作。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，將成為地方政府和企業(yè)發(fā)展的硬約束，也給機(jī)械制造行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。在傳統(tǒng)機(jī)械加工過程中，通過切削液對(duì)刀具和工件進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑，從而得到表面質(zhì)量良好的工件。但是切削液的大量使用不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且在增加生產(chǎn)成本同時(shí)還可能危害操作人員的身體健康[1-5]。鑒于此，在保證加工質(zhì)量的前提下，以干式切削技術(shù)取代傳統(tǒng)的切削工藝成為綠色制造的必經(jīng)之路[6]。

KISELE證明了空氣電離后帶電離子和臭氧分子的揮發(fā)效應(yīng)，強(qiáng)調(diào)了電離裝置在靜電潤(rùn)滑系統(tǒng)的重要地位[7]。高霽等人[8]研究了靜電冷卻技術(shù)，介紹了利用該技術(shù)加工的基礎(chǔ)理論等。

劉碩[9]將等離子體射流應(yīng)用到TC4加工鈦合金的實(shí)驗(yàn)中，通過大量數(shù)據(jù)分析證明：等離子體射流輔助加工方式對(duì)各方位的切削力下降都有效果。2009年，徐樂平[10]通過對(duì)靜電潤(rùn)滑干式技術(shù)的研究，根據(jù)各種公式理論及基礎(chǔ)知識(shí)提出了一款針-板式靜電電離裝置。2018年，黃水泉[11]提出了一種靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)，提高霧化潤(rùn)滑液的潤(rùn)滑和冷卻效果，對(duì)切削加工性能有一定改善。 DE BARTOLOMEIS等[12]在2020年CIRP CSI會(huì)議報(bào)告中指出航空航天領(lǐng)域的難加工材料采用靜電干式切削有很大優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)的研究工作為干式切削技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了豐富的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)了綠色加工的發(fā)展。靜電冷卻干式切削技術(shù)是干式切削技術(shù)的一種，其本質(zhì)是將氣體離子化、臭氧化后輸送到切削加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑、冷卻的作用，獲得良好的斷屑效果，同時(shí)延長(zhǎng)刀具的壽命。而現(xiàn)有干式切削方法中，大多單獨(dú)討論靜電潤(rùn)滑[13-14]和渦流冷卻[15-17]對(duì)切削作用的影響規(guī)律[17-19]。

本文作者提出一種靜電渦流干式鉆削技術(shù)。一方面，通過渦流管產(chǎn)生的低溫氣流可以降低鉆削刀具和電極的溫度，保障連續(xù)工作；另一方面，靜電發(fā)生[20-21]裝置產(chǎn)生的臭氧分子可以在刀具與加工面產(chǎn)生潤(rùn)滑效果，實(shí)現(xiàn)干式鉆削[22]，達(dá)到既提高加工表面質(zhì)量又不造成環(huán)境污染的目的。

1 工作原理

圖1所示為所提出的 “渦流冷卻靜電潤(rùn)滑”的干式切削潤(rùn)滑技術(shù)與裝置，采用渦流管將壓縮空氣冷卻，利用靜電發(fā)生裝置將壓縮空氣電離產(chǎn)生臭氧[23]。壓縮氣體通過渦流管的進(jìn)氣孔進(jìn)入渦管，根據(jù)渦流管的工作原理，熱空氣向右流動(dòng)經(jīng)過消聲器降噪后排空。冷空氣向左移動(dòng)，靜電發(fā)生裝置內(nèi)部由針狀正電極和環(huán)狀負(fù)電極組成，通入高壓電時(shí)，兩電極之間的間隙形成靜電場(chǎng)。當(dāng)冷空氣流經(jīng)兩電極之間的間隙時(shí)，在高壓靜電的作用下電離形成臭氧分子，臭氧分子與冷空氣沿著萬向管繼續(xù)向左流動(dòng)通過噴口噴射至加工刀具及加工面。其中冷空氣能夠降低刀具的溫度，起到冷卻作用。而潤(rùn)滑作用則是以下幾種效應(yīng)共同作用的結(jié)果：

圖1 裝置工作原理

(1)列賓捷爾效應(yīng)。它是指表面活性的分子可以吸附在金屬晶體表面使其分子間的缺陷擴(kuò)展，可有效改善其切削加工性能[24]。

在加工過程中，靜電發(fā)生裝置產(chǎn)生的臭氧分子對(duì)加工件表面金屬的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，減少了切削力，提高了加工質(zhì)量[25]。

(2)潤(rùn)滑與鈍化作用。噴射向加工區(qū)的臭氧分子在加工件表面聚集形成邊界薄膜[26]，在加工過程可以產(chǎn)生類似于液體的潤(rùn)滑效果。并且邊界薄膜中的臭氧分子有較強(qiáng)的滲透和氧化作用，在切削過程產(chǎn)生的高溫環(huán)境下會(huì)快速氧化加工件表面形成氧化鋁層，降低刀具切削力，改善切削環(huán)境。

(3)輔助切削作用。空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高速氣流有助于切屑的斷裂和導(dǎo)出，還可以對(duì)切削區(qū)域的碎屑、碳化物和非金屬夾雜物起清潔作用 。

2 渦流冷卻靜電潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 靜電發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜電發(fā)生裝置是渦流冷卻靜電潤(rùn)滑系統(tǒng)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)的靜電發(fā)生裝置如圖2所示，主要由銅帽、鎢針與電極支座組成。銅帽作為負(fù)極，鎢針作為正極，電極支座截面呈輪輻狀，輪輻的間隙為氣流通道，電極支座軸向留有線槽用于電極引線。負(fù)極銅帽與電極支座通過螺栓固定。

圖2 靜電發(fā)生裝置三維總成圖

對(duì)裝置進(jìn)行建模，銅帽外環(huán)直徑為8 mm，內(nèi)環(huán)直徑為2 mm，高度為6 mm，壁厚0.5 mm；鎢針直徑1 mm，長(zhǎng)度4 mm，針尖錐度為15°。鎢針與銅帽同軸，且針尖與銅帽上端面處于同一平面。網(wǎng)格劃分使用自由四面體網(wǎng)格，選擇較細(xì)化網(wǎng)格。測(cè)試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)起弧的電壓約為3.5 kV，所以靜電場(chǎng)仿真時(shí)將驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為4 kV。針-環(huán)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分電勢(shì)值和場(chǎng)強(qiáng)分布如圖3所示。

圖3 針-環(huán)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分(a)及電勢(shì)(b)、場(chǎng)強(qiáng)(c)分布

通過改變k(電極錐度)及D(電極直徑)和d1(銅帽內(nèi)徑)等參數(shù)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

(1)電極錐度k。在D=1 mm和d1=3 mm條件下，觀察錐度從15°增加到90°時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值E的改變?nèi)鐖D4所示。可以發(fā)現(xiàn)：隨著錐度的不斷增大，其電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值大幅下降。從15°時(shí)的1.85×108V/m，下降到60°時(shí)的1×108V/m，減少了85%。因此將k設(shè)定為15°。

圖4 最大電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)隨電極直徑、銅帽內(nèi)徑和電極錐度的變化

(2)銅帽內(nèi)徑d1。在k=15°、D=1 mm時(shí)，通過改變d1得到場(chǎng)強(qiáng)的改變情況如圖4所示。當(dāng)d1從1 mm增加到3 mm時(shí)場(chǎng)強(qiáng)從1.85×108V/m下降到1.5×108V/m，減少了23%左右。并且銅帽內(nèi)徑過大會(huì)影響空氣電離效率，直徑過小在安裝時(shí)容易使鎢針與銅帽誤觸造成短路。綜合考慮取銅帽內(nèi)徑為3 mm。

(3)電極直徑D。在k=15°、d1=3 mm時(shí)，改變D得到E的變化情況如圖4所示。在D從2 mm增加到4 mm，電場(chǎng)強(qiáng)度在3 mm達(dá)到峰值然后就隨之下降，其峰值和最小值相比下降了19%左右。在其他條件不變的情況下，電極直徑增加時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值有所下降，所以鎢針直徑理論上是越小越好，但是考慮到過小的直徑不宜加工和安裝，因此選擇直徑為1 mm。

通過上述分析，最終確定了靜電發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)尺寸并加工了樣件，如圖5所示。

圖5 3D打印針環(huán)結(jié)構(gòu)靜電發(fā)生裝置

2.2 靜電場(chǎng)測(cè)試

經(jīng)過測(cè)試，靜電發(fā)生裝置放電過程如圖6所示。可以看出：3.3～3.8 kV為電極結(jié)構(gòu)的起弧電壓，此時(shí)放電效果還不明顯；當(dāng)電壓達(dá)到4 kV時(shí)，放電亮度明顯增加，并且隨著電壓持續(xù)升高，電弧亮度與分布面積也逐漸增加；當(dāng)電壓達(dá)到8～10 kV時(shí)，放電效果達(dá)到穩(wěn)定，電暈基本不再變化。

圖6 靜電發(fā)生裝置放電過程

2.3 系統(tǒng)組成

在靜電發(fā)生裝置加工完成后，將它與渦流管裝配，并與供氣系統(tǒng)、高壓電源以及管路形成渦流冷卻靜電潤(rùn)滑系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 渦流冷卻靜潤(rùn)滑系統(tǒng)

各部分的功能如下：

(1)供氣系統(tǒng)。裝置的供氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、可調(diào)節(jié)流量計(jì)以及硅膠管路構(gòu)成。

(2)高壓電源。它主要用于電離裝置的供電，文中使用的高壓電源設(shè)備輸入電壓為180～220 V/AC，輸出電壓為0～10 000 V/DC。

(3)管路系統(tǒng)。氣管采用耐臭氧的硅膠管。直徑是根據(jù)氣體通過的峰值流速與其在管路內(nèi)允許的最高氣壓所決定的。為了減少壓力的損耗，將管道空氣的速度控制在25 m/s內(nèi)。計(jì)算管徑的公式如下：

(1)

其中：d為壓縮空氣的管徑；v為壓縮空氣在管道內(nèi)的流速；QV為壓縮空氣在管徑內(nèi)的體積流量。故裝置管徑的大小為

3 干式鉆削系統(tǒng)性能測(cè)試及實(shí)驗(yàn)研究

由于空氣電離過程涉及電場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合，通過單純的仿真可能和實(shí)際有偏差，所以需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證靜電發(fā)生效果。

3.1 臭氧產(chǎn)生效果分析

干式冷卻靜電潤(rùn)滑系統(tǒng)中，臭氧的濃度對(duì)于鉆削過程的順利進(jìn)行具有重要作用，因此設(shè)計(jì)了臭氧濃度測(cè)試裝置，分析各個(gè)因素對(duì)臭氧產(chǎn)生效果的影響規(guī)律。

測(cè)試裝置組成如圖8所示。

圖8 干式鉆削測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(1)臭氧測(cè)量?jī)x。它通過485模塊連接計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，以10-6(單元容積內(nèi)臭氧所占的總含量)作為單位來評(píng)價(jià)裝置性能。

(2)高壓輸電線棒。由于實(shí)驗(yàn)過程中電離裝置加載的電壓較高，普通的設(shè)備無法測(cè)量，所以文中使用HVP-40型號(hào)高壓輸電線棒進(jìn)行測(cè)量。

(3)使用非接觸式熱成像儀對(duì)環(huán)境中的目標(biāo)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)溫，精度為0.5 ℃。

3.2 臭氧濃度影響因素分析

通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進(jìn)氣流量和靜電發(fā)生裝置的驅(qū)動(dòng)電壓分析臭氧濃度的變化規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成三維瀑布云圖，如圖9所示。

圖9 臭氧濃度分析云圖

由圖9可以看出：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓從0增加至6 kV時(shí)，臭氧濃度隨著電壓的增加有明顯上升；但在6～10 kV內(nèi)，臭氧濃度的變化趨于穩(wěn)定。從流量來看，隨著氣體流量的不斷增加，臭氧濃度不斷下降，氣體流量與臭氧濃度整體呈現(xiàn)反比關(guān)系。綜合氣體流量與電壓可以看出：當(dāng)流量達(dá)到20 L/min時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到6 kV之后臭氧濃度未發(fā)生明顯的變化。因此，在后續(xù)鉆削實(shí)驗(yàn)中選擇氣體流量為20 L/min、驅(qū)動(dòng)電壓為6 kV。

4 干式鉆削系統(tǒng)切削實(shí)驗(yàn)研究

4.1 加工平臺(tái)

如圖10所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括干式鉆削系統(tǒng)、加工中心、空氣壓縮機(jī)以及其他測(cè)量?jī)x器。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

測(cè)試過程采用5 mm合金鉆頭，轉(zhuǎn)速700 r/min。分別對(duì)比純干式鉆削和渦流冷卻靜電潤(rùn)滑鉆削下工件的溫升特性以及工件表面質(zhì)量。

將鋁型材安裝到工作平臺(tái)夾緊，安裝靜電渦流冷卻裝置并調(diào)整噴口與鉆具軸線45°向下；開啟高壓電源，待靜電發(fā)生裝置起弧至驅(qū)動(dòng)電壓6 kV后開始鉆削加工。加工過程中采用熱成像儀記錄刀具及工件表面的溫度變化，加工完成后對(duì)加工表面以及切屑進(jìn)行對(duì)比分析。

4.2 鉆削實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 冷卻效果分析

切削過程的溫度分布如圖11所示，可以看出：純干式切削的刀具溫度在25.4 ℃左右，而由于渦流冷卻效應(yīng)的存在鉆具的溫度在15 ℃左右，其切削溫度下降了40.9%，證明了裝置的渦流冷卻效果。

圖11 不同鉆削方式的溫度對(duì)比

4.2.2 加工表面形態(tài)分析

圖12所示為分別采用靜電潤(rùn)滑和純干式鉆削形成的典型加工面的對(duì)比，使用渦流冷卻與靜電潤(rùn)滑技術(shù)鉆削的通孔壁面相對(duì)光滑，而純干式鉆削形成的通孔壁面分布有撕裂狀的碎屑。

圖12 加工面表面形態(tài)分析

4.2.3 切屑微觀結(jié)構(gòu)分析

為了在微觀結(jié)構(gòu)上分析2種加工方式的區(qū)別，對(duì)純干式切削和使用渦流冷卻與靜電潤(rùn)滑技術(shù)的干式切削的2種切屑進(jìn)行了消磁、凈化，通過掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

圖13所示為放大1 000倍的非切削面和切削面微觀形貌。在非切削面上，材料的紋理呈現(xiàn)自然流線狀態(tài)；而經(jīng)過加工后，刀具在材料表面形成切痕，切痕呈現(xiàn)直線型。

圖13 非切削面(a)和切削面(b)微觀形貌對(duì)比

圖14所示為純干式鉆削和渦流冷卻靜電潤(rùn)滑鉆削所產(chǎn)生鉆屑的微觀形貌對(duì)比(轉(zhuǎn)速為700 r/min)。可知：純干式鉆削過程中，刃具與材料表面形成干摩擦，存在明顯的撕裂狀結(jié)構(gòu)；而采用渦流冷卻靜電潤(rùn)滑輔助鉆削后，材料表面形貌相對(duì)均勻，切痕順暢，表面呈高亮狀輪廓線，可能是金屬暴露出來被臭氧氧化的產(chǎn)物，進(jìn)一步驗(yàn)證了臭氧的存在。

5 總結(jié)

(1)在傳統(tǒng)干式切削原理的基礎(chǔ)上，文中提出了一種將渦流冷卻作用與靜電潤(rùn)滑作用相結(jié)合的新型干式切削裝置。

(2)通過COMSOL軟件仿真，確定了靜電發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：電極錐度為15°、電極直徑為1 mm、銅帽內(nèi)徑為3 mm。

(3)對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行了臭氧濃度實(shí)驗(yàn)，當(dāng)氣體流量為20 L/min、電壓值為6 kV左右時(shí)達(dá)到最佳效果，臭氧濃度可達(dá)34.2×10-6。

(4)對(duì)所設(shè)計(jì)的干式鉆削系統(tǒng)進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，通過溫度場(chǎng)分析、刀具磨損分析和切屑形貌分析證明了文中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在各方面性能均優(yōu)于普通純干式切削技術(shù)，可應(yīng)用于六系鋁材的實(shí)際生產(chǎn)中。