干式鏜削靜電冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

□ 成洪川 □ 趙 娟

青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院 山東青島 266033

干式靜電冷卻切削技術(shù)，是利用靜電場裝置所產(chǎn)生的間隙放電現(xiàn)象，將通入的空氣流電離，使經(jīng)過臭氧化、離子化的空氣流成為活性氣流。在切削加工過程中，將該高速活性氣流通過一系列裝置噴入切削區(qū)，加快氣體對流，氣流中的負氧離子增加了氣流的導(dǎo)熱性，降低了切削區(qū)的溫度。同時，活性氣體中的臭氧和負氧離子具有吸附性和滲透性，能夠滲入刀具與切屑接觸面，形成一層氧化薄膜，起到邊界潤滑作用[1]?；钚詺怏w中的臭氧還可以使已加工表面迅速產(chǎn)生鈍化作用，阻止表面進一步氧化，保護已加工表面。筆者以鏜削加工為例，對干式切削靜電冷卻系統(tǒng)進行了設(shè)計，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于鏜床切削加工。

1 干式切削靜電冷卻系統(tǒng)設(shè)計

干式切削靜電冷卻系統(tǒng)包括：作為氣體輸送動力源的空氣壓縮機；將活性氣體引入切削區(qū)的通氣管路；采用針孔電暈放電電路制備活性氣體的電暈放電裝置；優(yōu)化電暈放電裝置參數(shù)的臭氧、負氧離子檢測器以及供電系統(tǒng)等4個部分，整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1（a）所示，實樣如圖1（b）所示，各部件的作用如下。

（1）空氣壓縮機。干式切削靜電冷卻系統(tǒng)所需的高速氣流，由空氣壓縮機提供，并利用單向節(jié)流閥控制進氣壓力。

（2）通氣管路。導(dǎo)管采用可塑性聚胺脂材料的PU氣動壓力軟管，具有良好的耐腐蝕性和絕緣性，適用于輸送活性氣體中的負氧離子和臭氧。

（3）供電系統(tǒng)。采用型號為CX-300A高壓直流電源，輸出為3 000 V～30 000 V的直流電壓，10 mA額定電流。

▲圖1 干式切削靜電冷卻系統(tǒng)

（4） 電暈放電裝置。采用針孔電暈放電電路獲得活性氣體，陽極采用管口直徑為4 mm紫銅管；陰極采用鎢質(zhì)針電極；陰極支撐選用ABS材料，針尖距孔口的距離由陰極支撐調(diào)節(jié)。

（5）離子電流測量裝置。由銅板和微安表組成，根據(jù)氣體流量Q和電流值I得到負氧離子濃度ρ。

式中：e為電子所帶的電荷量，e=1.6×10-19C。

（6）臭氧濃度測量裝置。由含有外接電路及標(biāo)定臭氧濃度的傳感器組成。

2 臭氧濃度測量

2.1 臭氧濃度測量裝置

采用氣敏材料為二氧化錫的MQ131高濃度臭氧氣體傳感器，測量電路及實物連接如圖2所示，輸入直流電壓 VC=5 V，RL=3 500 Ω，輸出電壓為 VRL；電阻 RL采用變化范圍為0～3 700 Ω的電位器。

▲圖2 測量電路及實物連接圖

2.2 傳感器化學(xué)標(biāo)定法

采用化學(xué)方法測量臭氧的氣體濃度，然后對傳感器輸出電壓進行標(biāo)定，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

實驗步驟如下。

（1）取樣。將10組體積都為2 000 mL、濃度不同的臭氧氣流分別通入相同的碘化鉀溶液中，臭氧濃度測量裝置如圖3所示。

（2）滴定。取樣后的溶液中由于含有大量碘單質(zhì)，顏色呈棕黃色。將稀硫酸滴入溶液中，調(diào)節(jié)溶液的pH值小于2，將溶液靜置5 min，用0.1 mol/L的硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液對試樣進行滴定操作，直至試樣溶液變?yōu)闇\黃色。向淺黃試樣溶液中加入1mL的淀粉溶液，顏色呈現(xiàn)為紫紅色。繼續(xù)使用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至顏色消失。3個階段的溶液顏色變化如圖4所示。

▲圖3 臭氧濃度測量裝置

▲圖4 取樣后、加入淀粉溶液、滴定結(jié)束3階段的溶液顏色變化圖

（3）結(jié)論：經(jīng)過理論計算，臭氧濃度與傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖5可得到臭氧的體積濃度在一定范圍內(nèi) （1～800×106）和電壓值近似呈現(xiàn)線性關(guān)系：

3 氣路運輸導(dǎo)管

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

▲圖5 臭氧濃度與輸出電壓關(guān)系曲線

為了使活性氣體盡可能多地通過導(dǎo)氣管路輸送到切削加工處，并使電暈放電裝置與鏜削加工工藝相結(jié)合，需獲得活性氣體在外接氣路導(dǎo)管路徑長短及彎曲程度不同時的衰減規(guī)律。

3.2 實驗步驟

設(shè)計了3組實驗：分別當(dāng)對空排放時、彎管個數(shù)不同時、氣體輸送管路長度不同時，進行各種狀態(tài)對活性氣體濃度的衰減規(guī)律實驗。

實驗參數(shù)：直流電壓V0=10 kV；放電間隙d=6 mm；節(jié)流閥的壓力值P=0.4 MPa。實驗步驟如下。

（1）在電暈放電裝置的出氣口處接一段長度為L的出氣管（見圖1），臨近導(dǎo)管口處放置臭氧濃度傳感器及收集離子的銅板。

（2）打開空壓機，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使進氣壓力為選定值。

（3）開啟高壓電源，調(diào)整電壓為選定值。

（4）讀取并記錄在穩(wěn)定狀態(tài)下電壓值和離子電流值的大小。

（5）關(guān)閉高壓電源。

（6）改變銅板和傳感器距出氣口的距離，進行試驗，測量并記錄對空排放時活性氣體的濃度衰減值。

（7）改變氣體輸送管路的長度，測量并記錄不同導(dǎo)管長度時的活性氣體濃度衰減值。

（8）拔掉出氣管，連接管接頭，測量并記錄不同數(shù)量的管接頭對活性氣體的衰減值。

（9）將在不同條件下記錄的數(shù)值進行分析，并繪出特性曲線。

3.3 結(jié)果分析

（1）對空排放。根據(jù)分析的實驗數(shù)據(jù)可得到：隨著噴嘴長度L1增長，負氧離子濃度及臭氧氣體濃度的衰減速度都很快，當(dāng)L1=60 mm時，離子電流降為管口處的19%，臭氧濃度降至管口處的80%。

▲圖6 臭氧濃度及離子電流隨PU管長度變化衰減曲線

▲圖7 接頭個數(shù)對臭氧及離子電流濃度的衰減曲線

（2）不同長度PU直管的影響。臭氧的氣體濃度及離子電流的衰減特性曲線如圖6所示，由圖可知：隨著外接管長度L1增加，負氧離子及臭氧氣體的濃度均有微量衰減，在接管長度L1=500 mm時，離子電流降到出口處的64%，臭氧氣體濃度降到出口處的90%。

（3）不同數(shù)量的90°管接頭的影響。在實際加工時，氣體管道基本都是彎曲狀態(tài)，本實驗采用不同數(shù)量的90°氣管接頭，分析彎曲管道數(shù)量對活性氣體濃度衰減特征，由圖7可知：隨著外接管個數(shù)N增加，負氧離子及臭氧氣體的濃度均有衰減。在外接管個數(shù)為6個時，離子電流降到出口處的55%，臭氧氣體濃度降到出口處的74%。

4 鏜床與電暈放電裝置的配合

▲圖8 干式鏜削靜電冷卻系統(tǒng)

根據(jù)電暈放電裝置外接氣路的特征曲線可知：PU管越短，氣路彎曲度越低，噴至切削區(qū)活性氣體的濃度越高，靜電冷卻效果越好。用PU管將電暈放電裝置及機床加工設(shè)備連接，參考現(xiàn)場的實際環(huán)境及機床Z軸進給行程，選取PU氣管的長度為1.5 m，最終確定的干式切削靜電冷卻系統(tǒng)如圖8所示。

5 結(jié)論

設(shè)計了干式切削靜電冷卻系統(tǒng)，設(shè)計并制造了電暈放電裝置、臭氧濃度檢測裝置、離子濃度檢測裝置，并進行了活性氣體在不同的外接管路中濃度衰減實驗，得到了活性氣體濃度衰減特性曲線。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計了電暈放電裝置與鏜削加工內(nèi)冷系統(tǒng)的裝配平臺，實際鏜削加工證明，靜電冷卻干式切削系統(tǒng)具有良好的可靠性和安全性，能夠代替切削液在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

[1]唐蔡華，馮廣智.切削加工過程中潤滑技術(shù)的運用分析[J].信息系統(tǒng)工程，2012 （11）：92-92.

[2]福尺和慶．靜電冷卻方法[Z]．機械技術(shù)研究所所報，1980（2）：1-5.

[3]幺炳唐.靜電冷卻干切技術(shù) [J].制造技術(shù)與機床，2003（1）：66-68.