孔曉瑤 袁松梅 朱光遠 張文杰

1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京，100191

2.北京市高效綠色數控加工工藝及裝備工程技術研究中心，北京，100191

0 引言

為改善切削加工條件，解決傳統(tǒng)切削加工中大量使用切削液帶來的環(huán)境問題，微量潤滑(minimum quantity lubrication, MQL)作為一種高效綠色的冷卻潤滑方式，通過將壓縮空氣與極少量切削液混合汽化，形成微米級液滴噴射到加工區(qū)域，來實現對刀具-工件間的冷卻潤滑作用。與傳統(tǒng)切削加工方式相比，微量潤滑切削技術具有切削液用量少、能有效降低切削力、減小刀具磨損、提高工件表面質量等優(yōu)點[1]。

近年來國內外學者對微量潤滑切削工藝進行了大量研究，涵蓋了車削、銑削、鉆削、磨削等加工方式以及鈦合金、鋁合金、高溫合金等材料種類[2-4]。TAMANG等[5]通過研究發(fā)現，與干切相比，高溫合金在微量潤滑車削條件下的刀具磨損量降低了16.57%，表面質量提高了10.41%。 BABU等[6]開展了不同潤滑條件下的AISI 304鋼銑削試驗，MQL霧化產生的霧粒有利于改善潤滑條件，降低表面粗糙度。BENJAMIN等[7]證明了在高速銑削鈦合金的情況下低溫微量潤滑切削能夠減小材料和刀具接觸面間的摩擦因數，降低切削溫度，降低工件的表面粗糙度。

微量潤滑切削機理是基于毛細管滲透理論，切削區(qū)毛細管的存在為切削液的滲透提供了空間，在大氣壓力及初始速度的作用下霧?？蓪崿F對切削區(qū)微通道的充分、快速填充。MQL霧粒具有極強的滲透和吸附能力，可在切削界面間產生有效潤滑油膜從而減小摩擦因數，減少刀具磨損，提高工件表面質量。切削表面的微通道尺寸為5～10 μm，在MQL切削加工過程中直徑較小的霧粒能夠有效滲透到切削區(qū)起到良好的冷卻潤滑作用[8]。LIU等[9]認為霧粒平均直徑及其尺寸分布規(guī)律主要受MQL系統(tǒng)參數的影響，空氣壓力、噴嘴距離都會影響霧粒在刀具表面的吸附能力。RAHIM等[10]對微量潤滑系統(tǒng)霧化性能進行了研究，發(fā)現霧粒平均直徑主要受液體物理性質、噴嘴尺寸以及入口壓力的影響。張松等[11]研究了不同噴射距離和氣體流量對霧粒直徑以及覆蓋率的影響規(guī)律，揭示了霧粒尺寸分布與氣體流量間的內在聯系，適當縮短噴射距離和增大氣體流量可以提高油膜覆蓋率并減小霧粒直徑，進而充分發(fā)揮MQL技術的潤滑性能。湯羽昌等[12]采用FLUENT軟件對MQL霧化過程進行數值模擬，研究了供氣壓力對霧化效果的影響，結果表明霧粒直徑隨著供氣壓力的提高而減小。

微量潤滑系統(tǒng)的霧化效果是實現該技術冷卻潤滑作用的關鍵，因此，揭示MQL系統(tǒng)射流參數對霧化特性的影響規(guī)律可以為工藝參數的選擇提供理論基礎。然而目前缺乏對MQL霧化性能相對綜合全面的研究，本文將開展MQL系統(tǒng)參數(空氣流量、噴射距離、切削液用量、切削液類型)對霧化特性的影響規(guī)律研究，并根據試驗結果建立霧粒直徑的預測模型。

1 試驗及方法

1.1 MQL油霧的產生

試驗采用課題組自主研制的微量潤滑裝置，可實現液體流量在0～360 mL/h范圍內的調節(jié)。該裝置由雙層嵌套管路組成，壓縮空氣與切削液分別從內外層管路進入霧化噴嘴，氣液兩相介質在噴嘴出口處混合，液體在高速氣流的作用下霧化成小霧粒噴出，如圖1所示。

圖1 霧化示意圖

1.2 粒徑的測量

為研究噴嘴出口軸線處粒徑的分布情況及其變化規(guī)律，試驗采用NKT激光粒度分析儀進行測量(圖2)，該系統(tǒng)由激光發(fā)射裝置、接收端信號放大裝置、油霧回收裝置以及分析軟件組成，可實現0.5～100 μm尺寸范圍內的霧粒平均直徑、尺寸分布情況以及與霧粒尺寸測量相關的各項統(tǒng)計參數的在線測量，測試現場如圖3所示。

圖2 MQL霧粒特性測試系統(tǒng)

圖3 試驗現場設置

微量潤滑霧化質量的評定通常采用霧粒平均直徑和霧粒尺寸分布圖來表示[13]。

霧粒平均直徑的表示方法有很多，通常采用索特平均直徑(SMD)，其計算方法如下：

(1)

式中，G為霧粒平均直徑；N為直徑為d的霧粒數目，通常直徑最小值dmin=0。

霧粒尺寸分布圖的橫坐標為霧粒直徑(粒徑)，縱坐標通常表示某一尺寸的霧粒體積占總體積的比例，如圖4所示。

圖4 霧粒尺寸分布圖

1.3 霧粒破碎過程分析

1.3.1兩級霧化過程

當液體從噴嘴噴出時，受到外界氣體的擾動作用，在其表面形成一定模式的振動波，在霧化過程中如果空氣動力足夠大，表面波的波長超過臨界波長，表面波的振幅將逐漸擴大，連續(xù)液體將被分裂成為液片和大顆粒霧粒，這個過程被稱為初級霧化。如果經初級霧化后的霧粒直徑超過了其臨界值，將會進一步碎裂成大量的細小液滴，這個過程被稱為二級霧化。表面波的振幅A由微分方程控制[14]：

(2)

其中，下標g表示氣體，l表示液體；β為Jeffrey遮蔽系數；ρ為密度；μ為黏度；σ為表面張力；λ為擾動波長；U為介質運動速度;a為空氣動力作用于液面上引起的加速度。

介質的運動速度U與其流經的管道截面積有關：

(3)

式中，qV為空氣流量；S為流體流經的管道截面積。

1.3.2霧粒的臨界破碎條件

霧化是指在內力、外力的作用下液體的破碎過程。通常，位于穩(wěn)定氣流中的霧粒主要受空氣動力、表面張力和黏性力的控制。

霧粒表面受到的空氣動力Fd可表示為[15]

(4)

式中，Ud為氣體與液體間的運動速度差；CD為阻力系數，取決于破碎條件的常數。

表面張力作為影響霧粒破碎的重要因素，可以借助表面張力儀來測定切削液的表面張力系數σ，進而確定液體表面張力Fσ:

Fσ=σd

(5)

在霧化過程中，液體黏度會對霧粒的變形過程產生阻力，由牛頓黏性定律可知，流體單位面積上作用的切應力τ與速度梯度呈線性關系:

(6)

式中，du/dz為速度梯度；u為流體的運動速度；z為流體運動速度的垂直方向。

對于低黏度液體，霧粒的變形主要取決于空氣動力和表面張力的影響，一旦外部空氣作用力超過了其表面張力就會發(fā)生破碎，因此霧粒的破碎條件為[13]

Fd≥Fσ

(7)

由式(4)、式(5)、式(7)可以得到，當氣液兩相間的相對速度為Ud時，霧粒發(fā)生破碎的臨界直徑db可表示為

(8)

由式(4)和式(8)可知，氣液兩相間的速度差越大，空氣對液體表面的擾動能力越強，當霧粒直徑超過其臨界直徑時就會發(fā)生破碎。

1.4 試驗方案的確定

本文為研究MQL系統(tǒng)的霧化特性,以空氣流量、切削液用量、噴射距離、切削液類型為變量開展單因素試驗，對霧粒平均直徑和尺寸分布圖像進行研究。根據MQL系統(tǒng)在實際切削加工過程中常用的射流參數以及試驗裝置能夠穩(wěn)定工作的參數范圍，對試驗參數進行了設置，如表1所示。切削液采用意大利Natural 77微量潤滑專用綠色植物基切削液，以及瑞士Blaser 7000水基切削液。通過BZY-1全自動表面張力儀和NDJ-5S旋轉黏度計進行切削液物理性質的測量，測量溫度為25 ℃，測試儀器如圖5所示。

表1 參數設置

(a)BZY-1全自動表面張力儀(b)NDJ-5S旋轉黏度計

2 試驗結果及分析

2.1 空氣流量對霧化效果的影響

霧粒平均直徑G隨著空氣流量的增大而逐漸減小，在80～90 L/min范圍內的霧粒平均直徑最小，當空氣流量qV超過該范圍后，粒徑變化不明顯，如圖6所示。從霧粒尺寸分布上來看(圖7)，當qV=60 L/min時，霧粒直徑的發(fā)散度較大，峰值直徑dmax大約在10～15 μm，最大粒徑達到25 μm左右，霧化效果相對較差。隨著空氣流量的增大，尺寸分布圖像逐漸向小霧粒方向移動，峰值直徑dmax在5 μm左右，且尺寸發(fā)散度相對較小。這是由于空氣流量的增大對切削液表面的擾動作用增強，使得表面波振幅逐漸增大，促使液體能夠更好地霧化成細小霧粒。然而，當空氣流量的大小已經足夠滿足霧化需求，繼續(xù)增大空氣流量對切削液的霧化效果作用不明顯，因此，在MQL霧化過程中存在最佳空氣流量范圍，約為80～90 L/min。

圖6 空氣流量對霧粒平均直徑的影響(D=50 mm,Natural 77)

圖7 空氣流量對霧粒尺寸分布的影響(=15 mL/h,D=50 mm, Natural 77)

2.2 切削液用量對霧化效果的影響

圖8 切削液用量對霧粒平均直徑的影響(D=50 mm,Natural 77)

2.3 噴射距離對霧化效果的影響

(a)qV=60 L/min

圖10 噴射距離對霧粒直徑的影響(qV=90 L/min, Natural 77)

與低流量相比不同的是當切削液用量較大時，在噴射距離D=30 mm處的霧粒平均直徑較大。這是由于當氣液比較小時，在經噴嘴內部的初級霧化過程中，單位體積液體上作用的空氣能量相對較小，液體表面受到的空氣擾動作用強度較低，霧化效果較差，經噴嘴噴出的霧粒直徑相對較大且不穩(wěn)定，因此，在距離噴嘴出口一定范圍內的霧粒平均直徑較大。由于大顆粒霧粒的運動速度相對較慢，由式(4)可知，氣液兩相間的運動速度差值較大，隨著噴射距離的增大，霧粒受到主射流與周圍空氣的擾動作用加強，當霧粒直徑超過其臨界直徑時，將會進行二次霧化，使得霧粒平均直徑逐漸減小。PARK等[17]和劉紹彥等[18]在噴霧冷卻系統(tǒng)的霧化特性研究過程中發(fā)現了同樣的試驗現象，當液體流量較大時，霧粒平均直徑會隨著噴射距離的增大而逐漸減小。這是由于較高的空氣壓力促進了霧粒的二次霧化，從而使得霧粒直徑逐漸減??；進而，隨著霧粒的不斷運動，在距離噴嘴出口較遠的位置，由于霧粒間不斷融合、蒸發(fā)導致大液滴的出現，霧粒平均直徑又逐漸增大，霧粒尺寸分布曲線逐漸向粒徑增大的方向移動，如圖11b所示。

(a)=15 mL/h

在本試驗條件下，較小切削液用量與較大切削液用量條件下的霧粒平均直徑隨噴射距離的增大呈現出不同的變化趨勢。這是由于當切削液用量較小時，氣液比較大，在經噴嘴內部的初級霧化過程中，作用于單位液體體積上的空氣流量相對較大，對液體表面的擾動作用增強，可以使切削液得到充分地霧化，噴嘴出口處的霧粒平均直徑較小。因此，當氣液比較大時，液體初級霧化過程相對充分，霧粒平均直徑較小，加速度較大，氣液兩相間的相對運動速度較小，由上文霧粒的臨界破碎條件可知，該條件下的霧粒不易發(fā)生破碎，多以相互間的融合和蒸發(fā)為主。因此，當切削液用量較小時，隨著噴射距離的增大霧粒平均直徑逐漸增大[19]。

在微量潤滑實際切削過程中，噴射距離過小會對刀具造成干涉，同時也會使得到達刀具表面的霧粒速度增大從而產生霧粒回彈現象，不利于有效潤滑油膜的形成；噴射距離過大，霧粒直徑相對較大，不利于切削界面間霧粒的滲透吸附。從試驗結果來看，在微量潤滑切削加工過程中，噴射距離控制在40～50 mm之間能夠獲得較好的霧化效果。

2.4 切削液類型對霧化效果的影響

在霧化過程中，切削液的物理性質(密度、表面張力和黏度等)極大地影響了噴嘴的流動性和霧化效果。然而在大多數情況下，由于液體的可壓縮性小，液體密度對霧化的影響可忽略不計，表面張力和黏度是主要影響因素。試驗所用切削液屬于低黏度切削液，黏度對切削液霧化過程影響的敏感程度不如表面張力。

不同濃度水基切削液的物理性質如表2所示，隨著濃度的增大液體黏度逐漸變大，而表面張力逐漸減小。如圖12所示，當空氣流量較小時(qV=60～70 L/min)，液體的表面張力越大，霧化效果越差，Natural 77和Blaser-10%的表面張力最大，霧化所需能量相對于其他類型液體來說較大，因此在同一系統(tǒng)參數下的霧粒平均直徑最大。隨著空氣流量的增大，作用于液體表面的氣體擾動作用增強，具有足夠的能量克服液體內聚力，因此不同切削液濃度間平均直徑的差距大大縮小。從霧粒尺寸分布曲線(圖13)來看，Blaser-10%的表面張力最大，大粒徑所占的體積較大，尺寸分布相對發(fā)散；Blaser-100%切削液的霧粒尺寸分布均勻，霧化質量較好。這一方面是因為表面張力小有利于切削液的霧化，另一方面是由于霧化過程中液體黏度的增大會影響噴嘴內部的流動速率，增大液體傳輸誤差，使得氣液比增大，當空氣流量恒定時，參與霧化的液體流量減小，有助于提高霧化效果。

表2 切削液物理性質

圖12 切削液物理性質對霧粒直徑的影響(=15 mL/h,D=50 mm)

圖13 切削液物理性質對霧粒尺寸分布的影響(qV=90 L/min,=15 mL/h,D=50 mm)

3 霧粒直徑預測模型

由微量潤滑系統(tǒng)霧化特性的分析結果可知，空氣流量、噴射距離、切削液用量以及切削液類型會影響最終的霧化效果。由此可以建立霧粒平均直徑G與各影響因素間的關聯式[18]：

(9)

以長度L、時間T、質量M為基本量綱，各霧化影響因素的量綱表示如表3所示。

表3 霧化影響因素的量綱表示

由因次分析法可以得到以下量綱一參數的表達式[20]：

式中,π1為霧粒平均直徑的量綱一表達式；π2為氣液比，用R表示；π3、π4為量綱一參數。

上述量綱一參數的函數關系一般表達式為

(10)

指數形式為

(11)

利用Origin軟件對大量試驗數據進行多元非線性擬合，可以得到：

a0=0.072 98a1=-0.244 76

a2=0.2008a3=0.056 11

那么有

(12)

經驗證在本試驗條件下確定的微量潤滑霧粒直徑預測模型的相對誤差小于10%，能夠較好地描述各因素對切削液霧化特性的影響規(guī)律。

4 結論

通過分析空氣流量、噴射距離、切削液用量以及切削液類型對微量潤滑霧化效果的影響規(guī)律，可以得到以下結論：

(1)空氣流量是影響霧化特性的主要因素，隨著空氣流量的增大，霧粒平均直徑逐漸減小，尺寸分布更加均勻。因此，在微量潤滑切削加工過程中，空氣流量控制在80～90 L/min能夠獲得最佳的霧化效果。

(2)噴射距離對霧粒平均直徑的影響較大，在MQL條件下切削液用量極小，一般來說隨著噴射距離的增大，空氣的擾動作用減弱，霧粒間的相互融合、蒸發(fā)導致霧粒直徑逐漸增大，根據試驗結果可得，噴射距離應保持在40～50 mm范圍內。

(3)切削液類型是影響MQL霧化特性的一個重要因素，對于低黏度液體來說，表面張力越小霧化所需能量越低，霧粒尺寸分布更加均勻。與其他影響因素相比，切削液用量對MQL霧化效果的影響較小，由試驗結果分析可知，切削液用量控制在15 mL/h有利于切削液的充分霧化。

(4)采用因次分析法建立了試驗條件下的微量潤滑霧粒直徑預測模型，經驗證該模型的相對誤差范圍處于10%以內，能夠較好地揭示MQL系統(tǒng)參數對霧化特性的影響規(guī)律，為射流參數的調控、切削液的選擇提供了參考依據。