楊林初 ，湯正成 ，蘇 宇

(1.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003) (2.江蘇科技大學(xué) 船海機械先進制造及工藝省重點實驗室, 鎮(zhèn)江 212003)

微量潤滑(minimal quantity lubrication, MQL)是將微量綠色潤滑劑與具有一定壓力的壓縮空氣混合霧化后,噴射至加工區(qū),對刀具和工件之間的加工部位實施冷卻潤滑[1]．因其良好的綜合性能,MQL被認為是極具推廣前途的準干式切削技術(shù)．但MQL容易引起部分霧粒飛散,使工作環(huán)境中產(chǎn)生較高油霧濃度[2-5]，不僅對環(huán)境造成極大的污染,而且通過皮膚接觸和呼吸系統(tǒng)兩種途徑對人體健康亦造成危害．研究表明,應(yīng)用MQL時空氣中油霧微粒產(chǎn)生的重要來源是將油霧輸送到加工區(qū)的傳送過程[6-7]．

國內(nèi)外研究人員相繼提出了機械降霧[8]、化學(xué)降霧[9]和MQL供給參數(shù)優(yōu)化[10-12]等方法來降低MQL使用過程中的油霧濃度．靜電霧化是在靜電力作用下荷電液體破碎成帶電微小液滴的過程．與氣動霧化相比,靜電霧化具有霧滴粒徑小而均勻、設(shè)備簡單、運動可控等優(yōu)點[13],靜電霧化切削技術(shù)與MQL相比,不僅可有效降低工作環(huán)境油霧濃度,而且明顯減少了鈦合金切削時的刀具磨損[14],有希望成為機械加工中新一代綠色冷卻潤滑技術(shù)．而靜電霧化切削的加工性能與環(huán)保性能很大程度上取決于其霧化性能．盡管國內(nèi)外學(xué)者對自來水、乙醇、NaCl溶液等介質(zhì)在毛細管—環(huán)電極與毛細管—平板電極下的靜電霧化進行了研究[15-19],但針對靜電霧化切削的霧化形態(tài)與模式的研究至今未見報道．

文中搭建靜電霧化切削平臺與顯微成像系統(tǒng),研究電壓和流量對去離子水和微量潤滑切削用植物性潤滑油LB2000(以下簡稱LB2000)的靜電霧化切削霧化形態(tài)的影響,結(jié)合靜電場強分布的有限元分析,探討電壓對靜電霧化形態(tài)的影響機制,以期為靜電霧化切削技術(shù)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)．

1 靜電霧化切削原理

圖1為靜電霧化切削原理．噴嘴與高壓靜電發(fā)生器負極相連,刀具與工件通過機床間接接地,啟動高壓靜電發(fā)生器,在噴嘴、刀具及工件間形成高壓靜電場．注射泵將冷卻潤滑介質(zhì)輸送至噴嘴,經(jīng)接觸充電后冷卻潤滑介質(zhì)表面荷電,當電荷達到瑞利極限時,電荷之間的靜電斥力大于冷卻潤滑介質(zhì)表面張力和粘性力,使其“破碎”成帶電霧滴從噴嘴噴射出來,帶電霧滴在電場力的作用下飛向切削區(qū),對刀具實施冷卻潤滑．

圖1 靜電霧化切削原理Fig.1 Schematic of electrostatic atomization cutting

2 靜電霧化切削霧化試驗

2.1 試驗裝置

圖2為靜電霧化切削霧化試驗裝置，由靜電霧化切削平臺和顯微成像系統(tǒng)兩部分組成．靜電霧化切削平臺包括高壓靜電發(fā)生器、注射泵、同軸噴嘴、支架、硬質(zhì)合金刀具和鈦合金板(工件)．顯微成像系統(tǒng)包括相機、變焦鏡頭、載物臺、前置LED光源、計算機及拍攝背景．高壓靜電發(fā)生器輸出端通過高壓電纜與同軸噴嘴相連;硬質(zhì)合金刀具立于固定在載物臺上的鈦合金板之上,刀具和鈦合金板均接地;注射泵與同軸噴嘴相連,同軸噴嘴固定在支架前端上(絕緣);相機數(shù)據(jù)線與計算機連接．

注：1 高壓靜電發(fā)生器，2 注射泵，3 同軸噴嘴，4 支架，5 硬質(zhì)合金刀具，6 背景，7 計算機，8 鈦合金板(工件)，9 載物臺，10 LED光源，11 變焦鏡頭，12 相機

圖2靜電霧化切削霧化試驗裝置

Fig.2Deviceofatomizationexperimentsforelectrostaticatomizationcutting

2.2 試驗方案

試驗以去離子水和LB2000為靜電霧化介質(zhì),其粘度、表面張力、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等物性見表1．去離子水充電后經(jīng)內(nèi)噴嘴噴出; LB2000充電后由外噴嘴噴出．電壓和流量是影響靜電霧化形態(tài)的兩個重要因素．為研究這兩個因素對靜電霧化形態(tài)的影響規(guī)律,將其設(shè)置為不同的數(shù)值．具體試驗條件見表2．其中噴嘴角度θ為同軸噴嘴軸線與刀桿軸線之間的夾角,電極間距L為沿噴嘴軸線方向上從噴嘴出口至刀具之間的距離．經(jīng)靜電霧化預(yù)試驗發(fā)現(xiàn),在選擇6號噴嘴(d/D=0.51/2),θ=35°和L=20 mm 時有利于霧滴向切削區(qū)域運動,故試驗中噴嘴角度和電極間距分別取上述數(shù)值．霧化試驗采用拍攝視頻方式進行,拍攝完成之后將視頻通過軟件按每幀提取成一系列照片,便于霧化形態(tài)分析．

表1 冷卻潤滑介質(zhì)的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of cooling/lubricating medium

表2 試驗條件Table 2 Experimental condition

3 靜電霧化切削靜電場仿真

靜電場影響靜電霧化切削的霧化情況,但由于其難于測量,文中通過仿真研究靜電霧化切削靜電場分布．采用三維繪圖軟件繪制同軸噴嘴、刀具及鈦合金板的幾何模型(圖3),并將其導(dǎo)入電磁場有限元分析軟件Ansoft Maxwell中．根據(jù)霧化試驗的實際情況,設(shè)置幾何模型中各部分的材料屬性,對同軸噴嘴施加直流負高壓,施加在刀具和鈦合金板上的電壓為0．噴嘴角度、電極間距及電壓等仿真條件與霧化試驗的試驗條件一致．

圖3 靜電霧化切削幾何模型Fig.3 Geometric model of electrostatic atomization cutting

在網(wǎng)格劃分和求解設(shè)定結(jié)束后,進行靜電場仿真．圖4和圖5分別為后處理得到的場強分布云圖和電力線矢量分布圖．

圖4 電場強度分布云圖Fig.4 Cloud graph of electric field intensity

采用指定路徑方法評價場強，見圖6,指定路徑時,畫8條與噴嘴軸線平行且長度1 mm的線段Line1～Line8,其中Line1～Line4均布在與噴嘴軸線同軸且半徑為d1/4的圓柱面上,Line5～Line8均布在與噴嘴軸線同軸且半徑為D1/2+(d2-D1)/4的圓柱面上．通過后處理可獲得Line1～Line8的每條線段上的平均場強,計算Line1與Line3、Line2與Line4、Line5與Line7及Line6與Line8的場強差值,并以此來評價噴嘴出口處的場強分布．

圖5 電力線矢量分布圖Fig.5 Vector distribution of power line

圖6 指定路徑分布圖Fig.6 Distribution map of specified path

4 分析結(jié)果與討論

4.1 電壓對靜電霧化形態(tài)的影響

圖7和圖8分別為不同電壓下去離子水和LB2000的靜電霧化形態(tài)．

(1) 滴狀模式．在不加電壓情況下,液體從噴嘴流出,剛開始懸浮在噴嘴出口,尺寸不斷增大,當液體重力超過吸附在出口上液體的表面張力時,形成液滴,脫離噴嘴而自由下落．施加電壓后,冷卻潤滑介質(zhì)流過噴嘴經(jīng)接觸充電荷上電荷,表面張力下降,液滴尺寸減小,下落頻率快于自由落體,此為滴狀模式(圖7(a)和圖8(a))．隨著靜電電壓的增加,液滴下落頻率加快,尺寸減?。诘螤钅Ｊ街?液滴無法到達切削刃,不能對切削區(qū)進行冷卻潤滑．

(2) 脈動模式．當電壓增大到一定值時,在電場力作用下,噴嘴出口處液滴被拉伸成錐狀,并于錐頂形成射流,但此時電場強度不足以使射流連續(xù)進行,待射流結(jié)束后,因射流過程中液體帶走部分電荷,導(dǎo)致作用于液體的電場力下降,噴嘴出口處液滴恢復(fù)成半圓形(圖7(b)和圖8(b)),該過程不斷交替循環(huán),為脈動模式．由于脈動模式下射流過程不連續(xù),故該模式無法有效冷卻潤滑切削區(qū)．

(3) 錐射流模式．電壓繼續(xù)增大,噴嘴出口處液體始終成錐形(泰勒錐),且于錐頂形成連續(xù)射流,射流端部破碎成細小液滴,為錐射流模式(圖7(c)和圖8(c))．錐射流模式產(chǎn)生于較高場強,進而獲得細小霧滴,且射流連續(xù)穩(wěn)定,因此適合用于切削加工中的冷卻潤滑．圖9為不同電壓下LB2000錐射流模式，可以看出,電壓增加時,射流位置會從刀具-工件接觸界面偏向刀具,并且噴嘴出口處的液錐(泰勒錐)形態(tài)也發(fā)生變化．圖10為LB2000錐射流模式下電壓對錐長和錐角的影響,隨著電壓的增加,泰勒錐錐角變大,錐長變?。?/p>

圖7 不同電壓下去離子水的靜電霧化形態(tài)(Q=10 ml/h)Fig.7 Electrostatic atomization of deionized water under different voltages

圖8 不同電壓下植物性潤滑油LB2000的靜電霧化形態(tài) (Q=5 ml/h)Fig.8 Electrostatic atomization of LB2000 vegetable lubricating oil under different voltages

圖9 不同電壓下植物性潤滑油LB2000錐射流模式 (Q=10 ml/h)Fig.9 Cone-jet mode of LB2000 vegetable lubricating oil under different voltages

(4) 不穩(wěn)定模式．電壓進一步增加,會出現(xiàn)數(shù)股射流,或射流偏向刀具上方現(xiàn)象,此為不穩(wěn)定模式(圖7(d))．不穩(wěn)定模式時,射流不能集中于或噴向切削區(qū)域,難以發(fā)揮冷卻潤滑介質(zhì)對切削區(qū)域的冷卻潤滑作用．

圖10 LB2000錐射流模式下電壓對錐長和錐角的影響 (Q=10 ml/h)Fig.10 Influence of voltage on cone length and cone angle under the cone-jet of LB2000

為探討電壓對靜電霧化形態(tài)影響,需對不同電壓下噴嘴出口靜電場強分布進行分析．圖11為指定路徑場強差值(E)隨電壓的變化．從圖中可以看出,指定路徑的場強差值隨電壓的增加而增大,尤其是Line1與Line3及Line5與Line7．

圖11 指定路徑場強差值隨電壓的變化Fig.11 Variation of difference of electric field intensity for specified path with voltage

從圖6,對于內(nèi)噴嘴,Line3靠近刀具,Line1靠近工件;對于外噴嘴,Line7靠近刀具,Line5靠近工件,因此Line3與Line1及Line7與Line5的場強差值亦可認為是刀具側(cè)場強與工件側(cè)場強的差值．隨著電壓增高,噴嘴出口處場強分布的不均勻性及刀具側(cè)場強與工件側(cè)場強差值迅速增大,進而導(dǎo)致數(shù)股射流及射流偏向刀具現(xiàn)象(圖7(d)和圖9)的出現(xiàn)．

4.2 流量對靜電霧化形態(tài)的影響

圖12和圖13分別為流量對去離子水和LB2000的錐射流形態(tài)的影響．從圖中可以看出,流量增加對去離子水錐射流形態(tài)基本無影響,但對LB2000錐射流影響較大,具體表現(xiàn)為射流位置遠離刀具-工件接觸界面,泰勒錐錐長、錐角發(fā)生明顯變化．圖14為LB2000錐射流模式下錐長與錐角隨流量的變化,隨流量的增大,泰勒錐錐角減小,錐長增大．流量增加對去離子水和LB2000錐射流形態(tài)影響的差異主要是由于LB2000的靜電弛豫時間遠大于去離子水．

圖12 流量對去離子水錐射流形態(tài)的影響(U=-7 kV)Fig.12 Influence of flow rate on the cone-jet of deionized water

圖13 流量對植物性潤滑油LB2000錐射流形態(tài)的影響 (U=-11 kV)Fig.13 Influence of flow rate on the cone-jet of LB2000 vegetable lubricating oil

圖14 LB2000錐射流模式下流量對錐長和錐角的影響 (U=-11 kV)Fig.14 Influence of flow rate on cone length and cone angle under the cone-jet of LB2000

4.3 靜電霧化模式轉(zhuǎn)換條件

對于確定的液體介質(zhì),當噴嘴角度和電極間距一定時,靜電霧化模式主要取決于電壓和流量．而在不同流量液體介質(zhì)靜電霧化過程中,由一種模式向另一種模式轉(zhuǎn)變的臨界電壓則為靜電霧化模式轉(zhuǎn)換邊界．圖15為去離子水和LB2000的靜電霧化模式分布圖．從圖中可以看出,相對于LB2000植物性潤滑油,去離子水靜電霧化模式轉(zhuǎn)化電壓要低得多,液滴的荷電量較高,繼而去離子水能在低電壓中出現(xiàn)相應(yīng)的靜電霧化模式,但電壓持續(xù)升高很容易被擊穿．去離子水的靜電霧化模式轉(zhuǎn)換邊界低于LB2000,并且隨著流量的增加,去離子水靜電霧化模式轉(zhuǎn)換電壓較LB2000增大不明顯,這些歸因于去離子水較好的荷電性能．此外,去離子水在錐射流模式范圍內(nèi),射流均可噴至切削刃,而LB2000僅在較高電壓下的錐射流模式范圍內(nèi),射流才可噴到刀刃．

圖15 霧化模式分布圖Fig.15 Distribution of modes of electrostatic atomization

5 結(jié)論

(1) 隨著電壓的增加,去離子水靜電霧化依次經(jīng)歷滴狀模式、脈動模式、錐射流模式及不穩(wěn)定模式,而LB2000則依次呈現(xiàn)滴狀模式、脈動模式及錐射流模式．與其他模式相比,穩(wěn)定的錐射流更適合用于金屬切削冷卻潤滑的靜電霧化模式．

(2) 噴嘴出口處電場分布的不均勻性及刀具側(cè)與工件側(cè)場強差值隨電壓增高而急劇增加,導(dǎo)致不穩(wěn)定模式的產(chǎn)生及射流偏向刀具現(xiàn)象．

(3) LB2000的錐射流模式,隨電壓增加,錐角增大,錐長減小;隨流量增加,錐角減小,錐長增大．

(4) 根據(jù)靜電霧化模式分布圖,相對于LB2000植物性潤滑油,去離子水靜電霧化模式轉(zhuǎn)化電壓要低得多,液滴的荷電量較高,繼而去離子水能在低電壓中出現(xiàn)相應(yīng)的靜電霧化模式,但電壓持續(xù)升高很容易被擊穿．獲得了去離子水和LB2000形成可噴至切削刃的錐射流模式的電壓與流量范圍,為充分發(fā)揮冷卻潤滑介質(zhì)在靜電霧化切削中的冷卻潤滑作用提供依據(jù)．