微量潤滑切削霧化液滴毛細管滲透機理研究

姚海鵬,喬國朝,張福江,甄冬

1河北工業大學機械工程學院;2天津河工大先進裝備研究院有限公司;3永業科技(唐山)有限公司

1 引言

在金屬切削過程中,刀具與工件之間的摩擦造成的高溫會嚴重降低刀具的使用壽命,惡化加工表面質量。因此,利用切削液進行冷卻與潤滑成為機械加工中常用的方法。然而在傳統的澆注式切削中,大量使用切削液帶來了污染環境、危害人體健康以及增加加工成本等諸多問題[1]。我國最新出臺的《國家危險廢物名錄》明確規定廢棄切削液是對生態環境和人體健康有害的毒性廢物,在排放前必須進行無害化處理。環境和成本的雙重壓力迫使制造商尋求一種綠色的切削工藝,微量潤滑(MQL)因其近零污染的環保性和較低的成本逐漸成為技術人員研究的重點[2]。

微量潤滑切削加工技術采用可降解的植物油作為切削液,幾乎實現了對環境和人體零傷害[3],同時,切削液的用量通常為10～200ml/h[4],僅為傳統澆注式切削的1%～10%[5,6],極大程度地降低了切削液的使用和處理成本。大量研究證明,MQL能夠提供較好的冷卻潤滑性能,降低加工過程中的切削溫度和切削力,延長刀具壽命,改善加工表面的粗糙程度[7-9]。

國內外的學者和研究機構對工藝參數對微量潤滑切削性能的影響規律進行了大量試驗研究,但對微量潤滑切削過程中油霧滲透機理的試驗研究較少。對于此問題,Williams J.A.[10]和Godlevski V.A.等[11]分別提出毛細管的幾何模型,認為在切屑的底面存在長方體或圓柱形毛細管,霧化液滴通過毛細管進入刀—屑接觸表面提供潤滑作用。針對毛細管滲透理論,學者們展開了一系列研究[12]。Ramesh A.等[13]在工件表面加工出微織構并進行了摩擦試驗,在添加潤滑劑后,作用于微織構表面的摩擦力較普通表面降低80%。王德祥等[14]通過分子動力學模擬油霧的滲透過程發現,在微量潤滑磨削加工中,離子液體通過微破碎形成的凹槽進入到磨?！ぜ缑娌⑿纬蓾櫥湍?。Zhu G.等[15]通過研究不同氣體流量和毛細管尺寸的組合對MQL切削液滲透性能的影響發現,切削液滲透主要分為兩個階段:霧化液滴快速進入毛細管中,重新聚集形成連續的液流進入毛細管深處。結果表明,在毛細管尺寸較大、空氣流速較高時,切削液滲透效果最好。Zheng W.J.等[16]對車削過程中的流場進行CFD仿真發現,在加工區域存在負壓區,促進切削液的滲透。除毛細管尺寸之外,微量潤滑的氣壓、流量、噴嘴直徑、噴射距離與角度[17-19]對液滴的尺寸和分布有著重要影響,進而影響切削液的滲透過程。

從上述文獻可以看出,學者們在進行毛細管油霧滲透試驗時,僅用微織構模擬切屑底面的毛細管形狀,而忽略了毛細管的真空效應對油霧滲透性能的影響。為了更加準確地模擬微量潤滑切削過程中的油霧滲透過程,本文開發了負壓微切槽毛細管油霧滲透試驗裝置,在該裝置上進行不同參數下的油霧滲透試驗,結合毛細管滲透動力學分析,研究微量潤滑條件下氣壓、流量和微切槽截面大小對油霧滲透過程的影響。

2 微量潤滑毛細管滲透動力學分析

在微量潤滑切削加工過程中,切屑底面受到刀具的擠壓和摩擦而形成大量的真空微腔,稱之為毛細管。隨著切屑沿刀具前刀面的移動,毛細管的一端與外界連通,在微腔內外壓差的作用下,油霧微粒滲透到毛細管中,在刀具和切屑以及工件表面形成潤滑油膜,發揮冷卻和潤滑作用。霧化液滴在毛細管中的滲透過程如圖1所示。

圖1 微量潤滑加工中切削液在毛細管中的滲透過程

假設在刀—屑接觸界面存在平行于切屑流出方向且大小隨機的圓柱形毛細管,設r為毛細管半徑,l為長度。霧化液滴在毛細管入口處匯聚成流后滲入內部處于真空的毛細管深處,根據黏性不可壓縮流體動量守恒的運動方程(Navier-Stokes方程),霧化液滴滲入毛細管的過程為

(1)

式中,u為液滴沿著毛細管流動的速度;t為液滴在毛細管內流動的時間;ρ為油霧的密度;p為液滴進入毛細管的作用壓力;v為油霧的運動黏度。

由于圓柱體毛細管具有對稱性,故u沿著y和z方向的變化規律只受半徑r的影響,即

(2)

霧化液滴進入毛細管的作用壓力與毛細管內外的壓差有關。假設pi為毛細管內部負壓,壓強沿液滴流動方向均勻變化,由此可得

(3)

式中,pc為毛細管入口處氣體壓強;pi為毛細管內部壓強。

在使用本系統進行微量潤滑車削加工試驗時,噴嘴出口和切削區域之間的距離固定為25mm,故本次滲透試驗設定噴嘴出口距離毛細管口為25mm。在噴嘴噴射距離較小時,切削液噴射的過程中液滴的擴散程度較小,其傳播形狀基本保持不變,故液滴的速度也基本不變[20]。以噴嘴出口到毛細管口的霧化液滴為研究對象,整個噴射過程中的液滴由伯努利方程可得

(4)

式中,pl為噴嘴出口的氣壓;patm為大氣壓強;h為噴嘴出口與毛細管口間的高度差;Vl為液滴噴出的初始速度。

在本次切削液滲透試驗中,噴嘴出口和毛細管口位于同一水平高度,即h=0。因此,式(4)可以進一步簡化為

(5)

基于線性動量守恒定律,對毛細管口處和噴嘴出口處的霧化液滴進行分析可得

(6)

式中,Ac為毛細管口橫截面的面積;Al為噴嘴出口橫截面的面積。

將式(5)代入式(6),可得毛細管口氣體壓力計算公式為

pc=2C(pl-patm)

(7)

式中,C=Al/Ac。

將式(2)代入式(1)中,整理后可得

(8)

由于加工區域內的高溫環境,會將毛細管內的液滴加熱至沸騰并汽化。因此,液滴的流動時間t為其從液相轉變為氣相的時間,可估算為

(9)

式中,χ和φ分別為液滴的熱擴散率和熱導率;c為恒定壓力下液滴的比熱容。

將式(9)代入式(8),油霧的滲透速度u為

(10)

由式(10)可以看出,隨著微量潤滑系統的氣壓和毛細管內負壓增大,霧化液滴在毛細管中的滲透速度增大。

3 微切槽毛細管滲透試驗

3.1 試驗設備與材料

在自主搭建的試驗平臺上進行滲透試驗,如圖2所示。試驗平臺主要由微量潤滑裝置、顯微鏡觀察平臺和負壓環境腔體組成。微量潤滑裝置采用永業MQL/121AS1內部微量潤滑供應系統,該設備可在加工過程中通過流量調節閥和壓力調節閥控制氣壓和切削液流量,并且外接一出口直徑為1mm的噴嘴。試驗所用切削液為永業科技生產的Mircolube 2000-30環保型合成液。

圖2 微切槽毛細管滲透觀察平臺

負壓環境腔體是使用厚度為5mm的PMMA板制作尺寸為100mm的正方體腔體,并與負壓泵(功率:18W,最大負壓:-0.06MPa)和微切槽工件相連,四周用密封膠密封。負壓泵可抽離腔內空氣,從而使得與負壓腔連接的微切槽處于負壓環境中。

試驗所用試件為三個淬硬鋼薄片。對試件表面進行拋光處理,以增加試件與壓板之間的密閉性。為了研究毛細管尺寸對液滴滲透速度的影響規律,使用激光雕刻機在三個試件表面分別雕刻出15道橫截面積為0.005mm2,0.02mm2和0.08mm2的微切槽,微切槽間距均為200μm。微切槽加工結束后使用砂紙對工件表面進行拋光處理,隨后用超聲清洗機清理微切槽周圍及內部殘留的黏結材料。

為了進一步分析液滴尺寸對油霧滲透結果的影響,本文同時進行液滴沉積試驗,試驗原理如圖3所示。將直徑為1mm的噴嘴固定在機床頂部,PMMA板固定在機床溜板箱的安裝板上,噴嘴出口與PMMA收集板的間距D=200mm。在噴嘴和收集液滴的PMMA板之間放置一塊預制直徑10mm孔的PMMA板,用于阻擋多余的油霧,減少液滴重疊對試驗結果帶來的干擾。將液滴收集板以500mm/min的速度移動,則通過小孔的液滴沉積在收集板上。利用顯微鏡觀察不同氣壓和流量下的液滴沉積結果并進行測量,即可得到不同氣壓和流量下的液滴直徑和數量分布。

圖3 液滴沉積試驗原理

3.2 試驗方案與過程

微量潤滑霧化液滴毛細管滲透試驗采用單因素設計方案,選擇對油霧滲透影響較大的氣壓、流量、微切槽橫截面積三個參數作為試驗變量,探究各變量對油霧滲透效果的影響規律,各參數分別在腔體壓力為p=0MPa和p=-0.035MPa兩種條件下各進行一次試驗,試驗參數的取值如表1所示。

表1 滲透試驗參數

在試驗過程中,微切槽工件的位置通過XY雙向移動平臺進行調整,以選擇合適的觀測區域。噴嘴出口與微切槽毛細管入口的間距為25mm,噴嘴上部和工件蓋板前方固定PMMA板,避免試驗過程中油霧噴向顯微鏡鏡頭和工件表面影響試驗的觀測結果。此外,使用顯微鏡的視頻錄制功能記錄切削液的滲透過程?；谝旱螡B透距離達到1.5mm時的用時,計算出液滴在微切槽毛細管中的滲透速度。

4 結果與討論

4.1 氣壓對滲透速度的影響

參考相關理論,微量潤滑切削加工過程中的切削液進入毛細管主要有兩種方式:一種為微小液滴在高壓空氣的裹挾下直接進入毛細管;另一種為切削液滴匯集成流,在內外壓差的作用下進入毛細管深處。相較于前者,實際情形中切削液的滲透方式更偏向于后者,主要依靠大量切削液滴的匯聚而后在內外壓差的作用下迅速在毛細管中流動,實現向毛細管內的滲透。圖4展示了切削液在微切槽內流入1.5mm深度時顯微鏡所觀察到的各微切槽滲透狀況。經過多次試驗發現,即使在相同尺寸的微槽內,液滴滲透的速度也各不相同。為評價不同條件下油霧的極限滲透能力,試驗取最大滲透速度作為衡量指標,即圖4中最先到達1.5mm滲透深度的微切槽滲透速度。

A=0.02mm2,氣壓p=0.3MPa,Q=60ml/h

圖5為不同氣壓下切削液滲透速度的試驗結果?？傻?在常規環境下(p=0MPa)時,切削液在微切槽中的滲透速度隨氣壓的增大而加快,當氣壓升至0.5MPa時,滲透速度可達到0.42mm/s。由此可見,氣壓增大能夠加速切削液向毛細管中的滲透。而當微切槽內為負壓環境(p=-0.035MPa)時,滲透速度比常規環境提高了近十倍。據此推斷,在微量潤滑加工過程中,氣壓增大對切削液滲透將產生有利影響,此外加工區域的負壓環境能促使切削液進入刀—屑接觸界面以提供潤滑。

Q=60ml/h,A=0.02mm2

圖6為沉積試驗獲得的1mm2區域內液滴分布情況。通過標記液滴直徑及數量,可統計出不同參數下液滴的平均直徑和數量分布?；谏鲜鼋y計數據,不同氣壓下的液滴數量及直徑如圖7所示。

氣壓p=0.4MPa,Q=80ml/h

Q=60ml/h

由圖可知,隨著氣壓增大,液滴數量增加,而液滴平均直徑減小;當氣壓升至0.5MPa后,液滴的平均直徑約為16.5μm,數量達到448個。較小粒徑的液滴為切削液向毛細管內滲透創造了便利條件,同時液滴數量的增多亦可加速切削液的匯集。因此,氣壓增加有助于加快切削液在毛細管中的滲透速度。當毛細管內處于負壓環境(p=-0.035MPa)時,其內外壓差進一步擴大,切削液在毛細管中的流速得到進一步提升。

4.2 流量對滲透速度的影響

圖8為不同流量下切削液的滲透速度?？梢钥闯?在試驗設定的范圍內,切削液的滲透速度與流量呈正相關。在常規環境(p=0MPa)下,切削液的滲透速度隨流量增大從0.13mm/s升至0.26mm/s。當毛細管內的壓力p=-0.035MPa時,切削液的滲透速度最大增加了約20倍。

氣壓p=0.4MPa,A=0.02mm2

不同流量下液滴直徑及數量的統計結果如圖9所示?？梢钥闯?隨著切削液流量的增大,液滴數量隨之上升,但是流量對液滴直徑影響較小。當液滴直徑、氣壓和毛細管大小保持不變時,液滴數量成為切削液滲透過程的主要影響因素。切削液的滲透過程主要為液滴不斷進入毛細管中并匯聚成流,這個過程會伴隨切削液的霧化噴出而不斷重復進行,從而促使切削液在毛細管中滲透。當霧化液滴數量增加時,油霧更易匯聚成流。加入負壓后,在毛細管內外壓差增大的作用下,使得油霧的滲透速度加快。

氣壓p=0.4MPa

4.3 微切槽橫截面積對滲透速度的影響

使用超景深顯微鏡觀察激光雕刻的微切槽橫截面積,如圖10所示。由于激光雕刻的誤差,微切槽的截面面積與理想截面面積之間存在偏差,因此在計算微切槽橫截面積時應以實測結果為依據,微切槽實際橫截面積分別為0.0052mm2,0.0241mm2和0.0828mm2。

(a)0.005mm2

圖11為不同微切槽橫截面積下切削液的滲透速度?？梢钥闯?無論是在常壓還是負壓環境下,當壓力和流量一定時,隨著毛細管橫截面積增大,切削液的滲透速度僅有微量提升,說明在所選尺度范圍內毛細管的大小對油霧的滲透速度并無顯著影響。

氣壓p=0.4MPa,Q=60ml/h

5 結語

本文通過自主開發的負壓微量潤滑油霧滲透試驗裝置,模擬了微量潤滑切削加工過程中霧化液滴向毛細管的滲透過程。研究了氣壓、流量和微切槽橫截面積對霧化液滴滲透速度的影響規律,并對比了相同加工參數下常壓和負壓環境的油霧滲透速度差異。結合霧化液滴滲透動力學分析,揭示了微量潤滑油霧滲透機理,并得出如下結論。

(1)在微量潤滑切削過程中,負壓環境能夠大幅加快霧化液滴向毛細管深處的滲透速度。

(2)隨著氣壓和流量增大,油霧中的液滴數量均增加。但是氣壓的增大會使液滴的平均直徑減小,而流量的變化對液滴的平均直徑幾乎沒有影響。

(3)隨著氣壓和流量增大,霧化液滴的滲透速度明顯增加;而微觀尺度下微切槽截面大小對液滴的滲透速度并無顯著影響。