袁松梅 ，朱光遠(yuǎn) ，劉 思 ，嚴(yán)魯濤

(1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100191)

切削液的大量使用帶來(lái)了環(huán)境污染、成本提高和危害操作者身體健康等負(fù)面問(wèn)題，正逐漸受到研究人員、企業(yè)和政府的重視。

傳統(tǒng)切削加工大量使用切削液，以起到減少摩擦、降低切削力和切削熱等作用，但隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻，各國(guó)相繼制定出更加嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，限制了切削液的使用。

為了減少切削液用量的同時(shí)保證切削加工質(zhì)量，研究人員做了大量的工作[1-13]。其中，微量潤(rùn)滑切削（Minimal Quantity Lubrication，MQL）技術(shù)是指將壓縮氣體與極微量的潤(rùn)滑劑混合汽化形成微米級(jí)的液滴，噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤(rùn)滑的一種切削加工方法。該技術(shù)最早是由德國(guó)學(xué)者Klocke和Eisenbl?tter于1997年提出[14]。然而，冷卻性能的不足限制了MQL技術(shù)應(yīng)用的范圍[15]，尤其是難加工材料切削溫度高的問(wèn)題難以解決。低溫冷風(fēng)切削技術(shù)是指采用不同的冷卻方法將壓縮空氣冷卻并噴射向切削區(qū)，使切削過(guò)程在低溫介質(zhì)的作用下進(jìn)行，達(dá)到改善材料的切削性能，降低刀具磨損和提高加工精度目的的一種綠色切削方式，但氣體介質(zhì)的潤(rùn)滑性能相對(duì)不足[16]。因此，如果將低溫冷卻與微量潤(rùn)滑有效結(jié)合，充分利用各種冷卻介質(zhì)降低切削區(qū)的溫度，利用潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性減小摩擦，則可在切削區(qū)同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑?；诖耍岢龅蜏匚⒘繚?rùn)滑技術(shù)（Minimum Quantity Lubrication with Cooling Air, MQLCA）。

微量潤(rùn)滑技術(shù)包括外部微量潤(rùn)滑和內(nèi)部微量潤(rùn)滑兩種實(shí)現(xiàn)方式。本文采用外部微量潤(rùn)滑和低溫冷風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合，形成低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)。由于噴嘴方位的選擇對(duì)MQL-CA的潤(rùn)滑、冷卻性能有著重要影響，因此探求最優(yōu)的噴嘴方位和噴射角度就顯得尤為必要。在文獻(xiàn)[15]中，該課題組已針對(duì)外部微量潤(rùn)滑噴嘴方位對(duì)刀具磨損和表面粗糙度的影響進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究，本文在其基礎(chǔ)上通過(guò)正交試驗(yàn)確定了噴嘴方位的3個(gè)參數(shù)（β、α、d）對(duì)MQL-CA切削性能影響的重要程度，從而為該技術(shù)在工程化應(yīng)用中噴嘴的擺放和設(shè)置提供指導(dǎo)。

1 低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

圖1為北京航空航天大學(xué)綠色切削技術(shù)課題組自行研制的MQL系統(tǒng)。它在工作時(shí)，將潤(rùn)滑劑與壓縮空氣在腔體內(nèi)混合霧化，通過(guò)雙層管路傳輸?shù)絿娮焯庍M(jìn)行二次霧化形成微米級(jí)油霧，噴射向切削區(qū)。該MQL系統(tǒng)無(wú)需電能消耗，工作壓力為0.5～0.8MPa，可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑劑流量0～100ml/h的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1 微量潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 Photographic view of the MQL system

圖2為北京航空航天大學(xué)綠色切削課題組自行研制的雙級(jí)蒸汽壓縮式低溫冷風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作時(shí)需要壓力為0.4～1.0MPa的干燥壓縮空氣，可實(shí)現(xiàn)0～-50℃溫度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，該低溫冷風(fēng)系統(tǒng)從啟動(dòng)到-50℃所需時(shí)間約為13min。

低溫冷風(fēng)系統(tǒng)與微量潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)合使用形成低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)時(shí)，需要考慮潤(rùn)滑劑在低溫下的凝固，否則潤(rùn)滑劑將凝結(jié)并堵塞管道。本文采用外部大氣中混合方式，如圖3所示。由于冷風(fēng)風(fēng)量和噴射速度都高于微量潤(rùn)滑劑霧粒流量，所以冷風(fēng)噴嘴在后，使微量潤(rùn)滑劑霧粒在冷風(fēng)的包圍下順利進(jìn)入切削區(qū)，達(dá)到低溫微量潤(rùn)滑切削的目的。

圖2 低溫冷風(fēng)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Photographic view of the cooling air system

圖3 低溫冷風(fēng)系統(tǒng)與微量潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)合方式Fig.3 Schematic view of installation of MQL-CA system

2 低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)噴嘴方位模型

2.1 外部微量潤(rùn)滑噴嘴方位模型

外部微量潤(rùn)滑噴嘴設(shè)置方式如圖4所示[15]，其中:β為噴嘴噴射方向與刀具進(jìn)給方向的夾角；α為為噴嘴仰角；d為噴嘴距切削區(qū)的距離；R為刀具半徑；B為切削寬度；θc為噴嘴霧化錐角；Rc為切屑的曲率半徑；hc為切屑高度；γ和Φ為角度，如圖4（a）所示。

噴射方向與進(jìn)給方向夾角β和刀具半徑R、切削寬度B的關(guān)系如下:

所以，當(dāng)R和B給定時(shí)，可以通過(guò)上式計(jì)算出最佳的噴射角度。由于實(shí)際加工中，切削寬度B需滿足:

得出噴射方向與進(jìn)給方向夾角β的選取范圍:

從式（1）中可以看出，最優(yōu)β角的選取只與B/R的值有關(guān)，因此以B/R為橫坐標(biāo)，最優(yōu)β角為縱坐標(biāo)，得出β與B/R的關(guān)系曲線如圖5所示。

噴嘴仰角的設(shè)置如圖4（b）所示。為了簡(jiǎn)化模型，這里把切屑的彎曲變形近似看做C型切屑，噴嘴仰角α需滿足如下公式[17]:

在實(shí)際加工過(guò)程中，α角過(guò)小，切屑會(huì)阻礙微量潤(rùn)滑霧粒進(jìn)入切削區(qū)；而仰角過(guò)大，噴嘴會(huì)與刀具或刀柄發(fā)生干涉。因此在噴嘴仰角α一定的情況下，可以改變切削參數(shù)使切屑高度（曲率）降低以保證潤(rùn)滑劑霧粒有效進(jìn)入切削區(qū)。

圖4 噴嘴方位示意圖Fig.4 Schematic view of nozzle orientation

噴嘴在不同距離時(shí)的霧化區(qū)域如圖4（c）所示。當(dāng)最優(yōu)β角給定時(shí)，噴嘴距離d需滿足如下公式:

2.2 低溫冷風(fēng)噴嘴方位模型

為使切削區(qū)內(nèi)得到充分冷卻，需要為冷風(fēng)管道設(shè)置有效的保溫措施，并保證噴嘴距離d在冷風(fēng)的有效距離內(nèi)。為此，需要分析冷空氣由噴嘴噴出后在空氣中的溫度變化。

本文中的冷風(fēng)噴嘴為圓形，屬于圓射流。冷風(fēng)噴嘴射流如圖6所示[17]。

圖5 最優(yōu)β角曲線Fig.5 Curve of optimal jet angle β

圖6 冷風(fēng)噴嘴射流示意圖Fig.6 Schematic view of cooling air jet

影響噴嘴霧化錐角的因素主要有流體物理性質(zhì)、噴嘴結(jié)構(gòu)等，Ashgriz等根據(jù)試驗(yàn)提出了霧化角經(jīng)驗(yàn)公式為[18]:

式中，θc為噴嘴霧化角；Re為流體雷諾數(shù)；Δ為常數(shù)（取決于噴嘴參數(shù)）。由噴嘴噴射后的冷空氣溫度及速度流場(chǎng)相關(guān)計(jì)算如下[18-20]，軸線上的溫度分布:

同一截面處溫度與軸線溫度的關(guān)系:

軸線上的速度分布:

同一截面處各點(diǎn)速度與軸線速度的關(guān)系:

式（7） ～ （10）中，Tx為冷風(fēng)軸向溫度；Ty為冷風(fēng)徑向溫度；Ta為大氣溫度；Vx為冷風(fēng)軸向速度；Vy為冷風(fēng)徑向速度；V0為冷風(fēng)出口速度；dm為霧滴直徑。

在任一截面內(nèi)，溫度從軸心向外逐漸升高；軸心處溫度隨噴射距離的增加而升高。圖7給出了不同冷風(fēng)噴嘴距離下軸心處的溫度值，綜合分析為有效制冷，冷風(fēng)噴嘴距切削區(qū)的距離不宜過(guò)大，且盡量使噴嘴軸心冷風(fēng)作用于切削區(qū)。

3 噴嘴方位參數(shù) (β、α、d)正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析方法（Orthogonal Experimental Design and Analytical Method，OEDAM）是工藝參數(shù)優(yōu)化的一種常用手段，它基于概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析以快速獲得優(yōu)化結(jié)果[21]，它是一種研究多因素多水平優(yōu)化問(wèn)題的有效方法，本節(jié)針對(duì)噴嘴方位的3個(gè)參數(shù)（β、α、d）進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。

3.1 試驗(yàn)方案確定

本試驗(yàn)的目的在于確定影響低溫微量潤(rùn)滑切削性能的 3個(gè)噴嘴方位參數(shù)（β、α、d）的影響順序，需考慮到β、α、d3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，故選用正交表L9（34），同時(shí)將各因素間的交互作用合并到誤差列。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

圖7 不同冷風(fēng)噴嘴距離下軸心處溫度的變化Fig.7 Temperature variation on the axis under different distances to the nozzle

試驗(yàn)中，以銑削10min后的后刀面平均磨損量VB值和已加工表面粗糙度Ra為檢測(cè)指標(biāo)。采用信噪比（S/N）來(lái)表征試驗(yàn)指標(biāo)，即ηV代表VB值，ηR代表Ra，其計(jì)算公式如下:

通過(guò)綜合評(píng)分法轉(zhuǎn)變?yōu)閱沃笜?biāo)問(wèn)題，ηM表示信噪比（S/N），計(jì)算公式如下:

式中，ωV和ωR分別為VB值和Ra值的權(quán)重，由于VB值單位為mm，而Ra單位為μm時(shí)，二者在試驗(yàn)中的數(shù)值變動(dòng)范圍相差不大，故ωV和ωR均取為0.5，即認(rèn)為在分析中VB值和Ra值同等重要。試驗(yàn)中的切削參數(shù)如表 2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

各個(gè)因素和水平下的試驗(yàn)結(jié)果、信噪比（S/N）結(jié)果如表 3所示。

3.2.1 極差分析

極差分析結(jié)果如表3所示，其中分別為各因素在三水平下的信噪比S/N平均值，R表示每個(gè)因素對(duì)應(yīng)的極差。由表 3 可知，RC＞RA＞RB＞RError，因此因素C（噴嘴距離d）對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)（VB和Ra）的影響程度最大，其次是因素A（β角），因此因素C（噴嘴距離d）對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)（VB和Ra）的影響程度最大，其次是因素A（β角），因素B（噴嘴仰角α）在3個(gè)因素中的影響最小。誤差對(duì)于本組正交試驗(yàn)的影響很?。ㄓ?.2.2節(jié)方差分析的結(jié)果同樣可知），說(shuō)明因素間的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響很小。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表 2 正交試驗(yàn)切削參數(shù)表

各因素的效應(yīng)曲線如圖8所示，因素中擁有最高信噪比的水平即為最優(yōu)水平。由圖8可知，本試驗(yàn)條件下的最優(yōu)組合為A2B3C1，即針對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)，本試驗(yàn)條件下最優(yōu)組合為:β—120°，α—60°，d—10mm。

3.2.2 方差分析

本組正交試驗(yàn)中各因素的方差分析結(jié)果如表 4所示。各因素的貢獻(xiàn)率通過(guò)公式（14）計(jì)算[22]:

式中，Sj、Se分別表示因素和誤差的偏差平方和，fj、fe分別表示因素與誤差的自由度，S為F值。本試驗(yàn)中，因素和誤差的自由度均為2。方差分析顯著性水平α取0.05，則F值查表得:F0.005（2,2）=19.00。

由表4可以看出，因素C，即噴嘴距離d對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到81.89%；其次是因素A（β角），占9.00%。對(duì)低溫微量潤(rùn)滑的噴嘴方位設(shè)置，首先應(yīng)優(yōu)先設(shè)置噴嘴距離滿足最佳要求；其次是要使β角達(dá)到理論計(jì)算的最優(yōu)夾角附近。因素C噴嘴仰角α對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率僅為3.39%，在本試驗(yàn)條件下指標(biāo)對(duì)噴嘴仰角在30°～ 60°的變化并不敏感，在實(shí)際加工過(guò)程中，可以根據(jù)優(yōu)先順序和便捷原則選擇噴嘴仰角α在30°～ 60°即可。

另外，從方差分析的結(jié)果可以看出，誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)率為5.73%，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。本試驗(yàn)的目的是通過(guò)對(duì)噴嘴方位的3個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)考察其對(duì)低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)切削性能影響的主次順序，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用中，基于參數(shù)的重要性實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴方位的合理設(shè)置，所以在誤差的貢獻(xiàn)率并不十分顯著，且F值相對(duì)其他主要影響因素較小的情況下，這里不再考慮各因素間的交互作用，認(rèn)為選擇的模型是合理的。

圖8 各因素的效應(yīng)曲線圖Fig.8 Trend curves of each factor under different levels

表3 各因素水平下的試驗(yàn)結(jié)果及信噪比結(jié)果

表 4 各因素方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

基于本文的理論分析及正交試驗(yàn)研究，可以得到如下結(jié)論:

（1）本文選取外部MQL和低溫冷風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合使用，形成MQL-CA系統(tǒng)，給出了確定其噴嘴方位的3個(gè)參數(shù):噴射方向與進(jìn)給方向夾角β、噴嘴仰角α和噴嘴距切削區(qū)的距離d，并分別構(gòu)建了其幾何模型。

（2）針對(duì)噴射方向與進(jìn)給方向夾角β，給出了最優(yōu)β角與切寬半徑比（B/R）的曲線，實(shí)際加工中可以方便地求出B/R值，進(jìn)而通過(guò)圖5曲線得到該切削參數(shù)下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)β角。

（3）分別以后刀面平均磨損量VB值和已加工表面粗糙度Ra值為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)MQL-CA系統(tǒng)的噴嘴方位進(jìn)行分析，結(jié)果表明噴嘴距離d對(duì)MQLCA系統(tǒng)的切削性能影響最大，貢獻(xiàn)率超過(guò)80%；其次是噴射方向與進(jìn)給方向夾角β；而噴嘴仰角α在30°～60°之間的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率很小，實(shí)際加工中可以根據(jù)優(yōu)先順序和便捷原則選擇噴嘴仰角在30°～60°即可。

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