靜電霧化微量潤滑粒徑分布特性與磨削表面質(zhì)量評價*

賈東洲， 張乃慶， 劉 波， 周宗明， 王緒平， 張彥彬， 毛 聰， 李長河

(1. 青島理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 山東 青島 266520)

(2. 內(nèi)蒙古民族大學(xué) 工學(xué)院, 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

(3. 上海金兆節(jié)能科技有限公司， 上海 200436)

(4. 四川明日宇航工業(yè)有限責(zé)任公司， 四川 什邡 618400)

(5. 漢能(青島)潤滑科技有限公司， 山東 青島 266200)

(6. 邁赫機器人自動化股份有限公司 智能制造技術(shù)研究院， 山東 濰坊 262200)

(7. 長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院， 長沙 410114)

傳統(tǒng)切削液的基礎(chǔ)油與添加劑中含有大量的有害物質(zhì)，如亞硝酸鹽、硫化物、氯化物、烷醇胺硼酸鹽等。這些有害物質(zhì)不但增加了切削液的使用和處理成本，同時也對自然環(huán)境和操作人員健康產(chǎn)生危害，因此澆注式潤滑已無法滿足當(dāng)前日益嚴(yán)苛的清潔加工及環(huán)保要求[1-2]。干切削加工雖然能解決切削液污染及處理難題，但其換熱能力嚴(yán)重不足，導(dǎo)致刀具壽命急劇降低，工件表面質(zhì)量無法滿足使用需求等[3-4]。

基于澆注式和干切削加工的客觀情況，學(xué)者們提出了微量潤滑切削加工方式(也稱為“準(zhǔn)干式切削加工”)。研究表明，微量潤滑是一種相對高效、清潔的澆注式替代方案[5-8]。微量潤滑通常采用氣動霧化方式，易造成液滴飛逸飄散，飄浮在空氣中的小液滴不但會造成環(huán)境污染還會危害操作人員健康。降低噴霧氣體壓力會增大液滴粒徑，對人員健康危害有所降低，但液滴穿透能力差且分布不均勻，難以突破刀具或工件周圍的氣障層而實現(xiàn)有效潤滑[9]；提高噴霧氣體壓力會增加小液滴數(shù)目，產(chǎn)生的液滴飛逸飄散降低了潤滑劑利用率，同時也對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，使得這一問題成為氣動霧化微量潤滑不可調(diào)和的矛盾。

液體荷電后其表面電荷在靜電斥力作用下會形成與靜壓力相反的靜電膨脹力，導(dǎo)致液體表面張力減小，可顯著提高其霧化破碎性能。靜電霧化技術(shù)具有霧化粒徑小、均一度高、包覆性強等特點，已在納米顆粒、納米膠囊、納米纖維及高性能電池制備等領(lǐng)域展現(xiàn)出了其他霧化方式無可比擬的巨大優(yōu)勢[10-11]。因此，采用氣輔式靜電霧化微量潤滑方式實現(xiàn)基礎(chǔ)油的霧化，以期提高液滴粒徑均勻度，減少液滴飛逸飄散，增加液滴吸附成膜性能，進而提高磨削工件表面質(zhì)量。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

圖1為試驗及測量裝置。試驗使用K-P36數(shù)控精密平面磨床，其主軸最大輸出功率為4.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速為45～4 800 r/min，工作臺的橫向進給速度為30～30 000 mm/min。選用型號為GC80K12V，寬度為20 mm的陶瓷結(jié)合劑綠碳化硅砂輪進行磨削。氣輔式靜電霧化過程通過Bluebe微量供油系統(tǒng)和廣州宏大的靜電高壓直流電源及靜電噴嘴實現(xiàn)，僅在原有微量潤滑設(shè)備基礎(chǔ)上增加直流高壓電源即可，其成本在2 000～5 000元。雖然靜電霧化方式采用的電壓較高，通常在20 kV以上，但其霧化電流一般不高于10 μA，遠(yuǎn)小于10 mA的人體安全電流，因此對于操作人員是安全的。值得注意的是，設(shè)備通電狀態(tài)下操作人員不可直接觸碰荷電噴嘴以免電傷。采用Winner319型激光粒度儀采集測量霧滴粒徑，其測量范圍為1～500 μm。通過TIME3220粗糙度儀測量工件表面粗糙度(Ra和RSm)，并利用S-3400N掃描電子顯微鏡對工件表面形貌進行觀察，用以評價工件表面質(zhì)量。

圖1 試驗及測量裝置

1.2 試驗材料

試驗工件材料為高溫鎳基合金GH4169，其具有導(dǎo)熱率低、熱硬度高、熱穩(wěn)定性好等特點，屬于典型的難加工材料。在磨削過程中因磨削區(qū)熱量不易流出，易造成工件表面燒傷。GH4169主要力學(xué)性能如表1所示。

傳統(tǒng)氣動霧化微量潤滑磨削鎳基合金時，微量冷卻潤滑效果不理想，工件表面易出現(xiàn)黏附現(xiàn)象。采用Syntilo 9930水溶性磨削液加水為澆注式潤滑液，其中磨削液在水和磨削液混合溶液中的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%。選用大豆油為微量潤滑基礎(chǔ)油，其主要成分為脂肪酸，具體包括豆蔻酸(C14∶0)、棕櫚酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)、油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)、亞麻酸(C18∶3)、花生酸(C20∶0)、花生烯酸(C20∶1)，其中的C14∶0、C16∶0、C18∶0及C20∶0為飽和脂肪酸，C18∶1與C20∶1為單不飽和脂肪酸，C18∶2與C18∶3為多不飽和脂肪酸。試驗所采用的大豆油在室溫25 ℃下的物理屬性如表2所示。

表1 鎳基合金力學(xué)性能

表2 大豆油物理屬性

1.3 試驗方案

試驗采用干磨削、澆注式潤滑和傳統(tǒng)氣動微量潤滑為對照組，并分別采用20、25、30和35 kV電壓進行氣輔式靜電霧化微量潤滑磨削試驗，所用氣壓與傳統(tǒng)氣動霧化微量潤滑一致。為保證試驗準(zhǔn)確，除潤滑方式不同外，其他磨削參數(shù)和射流參數(shù)均保持統(tǒng)一，具體如表3所示。

表3 射流參數(shù)與磨削參數(shù)

為保證工作過程中磨粒銳利程度相似，獲得與真實工況更為接近的磨削表面質(zhì)量，每工作50個工步對砂輪進行一次修整。砂輪具體修整參數(shù)如表4所示。

表4 砂輪修整參數(shù)

2 霧化粒徑結(jié)果及分析

2.1 平均體積粒徑

微量潤滑噴霧過程中，平均體積粒徑是一項極為重要的參數(shù)，能夠反映出不同工況下的系統(tǒng)霧化能力，并直接影響磨削區(qū)油膜形態(tài)以及最終工件表面質(zhì)量。純氣動微量潤滑(即電壓為0 kV時的情況)以及不同電壓條件下靜電霧化微量潤滑工況所得平均體積粒徑如圖2所示。

圖2 不同工況下噴霧平均體積粒徑

從圖2可知：在霧化噴嘴未荷電即純氣動霧化時液滴平均體積粒徑最大，達到了129.512 μm。與純氣動霧化工況相比，噴嘴荷電后液滴平均體積粒徑明顯減小，且隨著電壓增大平均體積粒徑不斷減小，當(dāng)電壓為35 kV時液滴平均體積粒徑達到最小值94.100 μm，相比于純氣動霧化時的降低了27.343%。分析認(rèn)為當(dāng)噴嘴荷電后，液滴通過與噴嘴接觸獲得額外電荷，且電荷均勻分布于液滴表面。表面電荷在靜電斥力作用下會形成與靜壓力相反的靜電膨脹力，導(dǎo)致液體表面張力減小，從而提高了液體霧化破碎性能。隨著電壓增高，液滴獲得的額外電荷越多，液滴細(xì)化現(xiàn)象越為明顯。

2.2 液滴粒徑分布跨度

液滴群平均體積直徑和液滴群粒徑分布規(guī)律是影響噴嘴霧化質(zhì)量的重要因素。液滴分布越集中，表明液滴間粒徑越接近，霧化液滴參數(shù)化可控性越高，其均一性也更為理想。為了研究電參數(shù)對粒徑分布規(guī)律的影響，試驗采集了不同電壓工況下的粒徑尺寸分布跨度值dR.S。dR.S值由(X90-X10)/X50獲得，其中X90為測定的液滴累計分布為90%的粒徑，即小于該粒徑的液滴體積分?jǐn)?shù)占全部液滴的90%，X50與X10具有相似的定義。dR.S值越大，表示液滴粒徑分布越寬，產(chǎn)生的液滴不均勻程度越高，會同時出現(xiàn)粒徑較大和較小的液滴。不同工況下液滴分布跨度如圖3所示：純氣動霧化工況下dR.S值達到了最大為3.131，噴嘴荷電后dR.S值隨著電壓增大不斷減小，電壓為35 kV時，dR.S值達到最小為1.833，相比于純氣動霧化時的降低了41.456%。根據(jù)不穩(wěn)定性波動理論分析認(rèn)為：液體荷電后會減小液膜縱向波動與橫向波動的波長，且二者波動均勻度均得到改善。具體表現(xiàn)為噴嘴荷電后，其出口處液膜形成的液線數(shù)目更多，液線直徑及其表面波長更為均勻，因此產(chǎn)生的液滴粒徑分布更為集中，偏離平均體積粒徑的極大和極小液滴數(shù)量明顯減少。

圖3 不同工況下液滴分布跨度

2.3 可吸入小液滴(PM10)的質(zhì)量濃度

當(dāng)微量潤滑噴霧過程中霧化形成的霧滴粒徑小于10 μm時，這種霧滴被稱為可吸入小液滴(PM10)，此類微液滴可在空氣中長時間懸浮，并能夠被人體吸入，且沉積在呼吸道、肺泡等部位?？紤]到微量潤滑過程中油霧飛逸飄散對環(huán)境和操作人員的健康產(chǎn)生危害，對不同電壓工況下的可吸入小液滴(PM10)的質(zhì)量濃度進行測定，具體結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：純氣動霧化工況下，PM10液滴的質(zhì)量濃度最大，達到了7.420%；噴嘴荷電后，PM10液滴的質(zhì)量濃度明顯降低，且隨著電壓增大持續(xù)降低；當(dāng)電壓為35 kV時，PM10液滴的質(zhì)量濃度達到最小值2.355%，相比于純氣動霧化降低了5.065個百分點，可見靜電霧化可以明顯抑制小液滴的產(chǎn)生。分析認(rèn)為添加電場作用后噴嘴出口處液膜鋪展變得更為均勻，有效避免了液體在噴嘴下方沉積導(dǎo)致其上方液膜過薄或缺失的現(xiàn)象。加之荷電后液膜的橫向波動更為均勻，降低了細(xì)小液線出現(xiàn)的概率，因此有效降低了霧化過程中的PM10液滴的質(zhì)量濃度。

圖4 不同工況下PM10質(zhì)量濃度

3 工件表面質(zhì)量評價

3.1 表面粗糙度

表面粗糙度作為工件表面質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，常被用于表征其表面質(zhì)量的優(yōu)劣。表面粗糙度值越小表明工件表面質(zhì)量越好，也可表明加工過程中磨削區(qū)冷卻潤滑效果更優(yōu)異。Ra值包含了工件表面微觀不平度大部分信息，通常作為粗糙度評價的主要參數(shù)。RSm值可用于工件表面橫向不平度分析，常被用作粗糙度輔助分析參數(shù)。

不同工況下表面粗糙度Ra值與RSm值如圖5所示。在前3種工況下干磨削后Ra值和RSm值最大，分別為0.547 μm和0.134 mm，澆注式磨削獲得了最小的Ra值和RSm值，分別為0.394 μm和0.086 mm，氣動微量潤滑磨削對應(yīng)的粗糙度值處于兩者之間。

干磨削過程中由于缺少冷卻潤滑介質(zhì)，磨削區(qū)產(chǎn)生的熱量難以迅速交換至外部環(huán)境中，出現(xiàn)了磨削熱堆積現(xiàn)象，加之磨粒/磨屑間以及磨粒/新生表面間缺少潤滑層，以干摩擦形式進行相互運動，因而導(dǎo)致工件表面較為粗糙。澆注式磨削冷卻潤滑能力較為充足，因此形成的工件表面質(zhì)量最好。氣動微量潤滑磨削雖然可以為磨削區(qū)提供一定的冷卻潤滑介質(zhì)，但因冷卻液用量少，霧化效果不理想，霧化液滴利用率低，其冷卻潤滑效果劣于澆注式的效果，尤其是在換熱方面存在明顯不足。

相比于氣動霧化微量潤滑，氣輔式靜電微量潤滑可以進一步改善工件表面質(zhì)量。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電壓為35 kV時，其Ra值為0.377 μm，RSm值為0.084 mm，均優(yōu)于澆注式潤滑工況。分析認(rèn)為在靜電霧化潤滑工況下，液滴具有更為優(yōu)異的吸附性能，可以形成更為理想的潤滑油膜[12]。此外，由于電黏效應(yīng)作用，液體介質(zhì)的換熱能力得到極大提升，因此靜電霧化微量潤滑無論是在潤滑方面還是換熱方面均表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能[13]。

圖5 不同工況下表面粗糙度

3.2 工件表面形貌

利用掃描電鏡獲得7種不同工況下工件表面形貌(圖6)。由圖6可知：干磨削工況下工件表面出現(xiàn)了較深較寬的犁溝，且犁溝形態(tài)規(guī)則性較差還出現(xiàn)了較多的剝落和黏附現(xiàn)象，同時伴有不規(guī)則劃痕。分析認(rèn)為干磨削僅依靠周圍環(huán)境空氣自然對流換熱，磨削區(qū)無法實現(xiàn)有效換熱，導(dǎo)致砂輪快速磨損失效，大量磨屑黏附于磨粒表面或嵌入到砂輪氣孔內(nèi)，從而導(dǎo)致磨削熱的進一步升高。由于冷卻性能不足，加之無潤滑介質(zhì)參與切削，表面出現(xiàn)大量黏附和剝落，甚至較大區(qū)域的材料撕裂現(xiàn)象。

相比于干磨削，氣動微量潤滑磨削由于潤滑介質(zhì)的存在，其表面質(zhì)量有所改善，犁溝相對較淺、較窄且更為規(guī)則，但由于其換熱能力仍存在不足，因此表面仍存在剝落和黏附現(xiàn)象，且黏附點大多集中在犁溝底部。

相比于上述2種工況，澆注式潤滑獲得了更為理想的工件表面，可以看出該潤滑工況下工件表面整體較為平整，但仍存在一些較窄、較淺的犁溝。分析認(rèn)為澆注式潤滑冷卻性能較好，因此表面未出現(xiàn)剝落和黏附現(xiàn)象，但其供液壓力低，導(dǎo)致磨削液滲透能力存在一定不足，因此隨著磨削時長的增加表面出現(xiàn)了多條明顯犁溝。

由圖6可以看出：靜電霧化微量潤滑磨削表面明顯優(yōu)于氣動霧化微量潤滑表面。當(dāng)電壓為20 kV時工件表面存在少量犁溝和劃痕，剝落現(xiàn)象明顯減少，黏附現(xiàn)象已經(jīng)消失。當(dāng)電壓升高至25 kV時，工件表面材料剝落現(xiàn)象消失，僅存有少量犁溝和劃痕。進一步增加電壓至30 kV與35 kV后，獲得了較為理想的工件表面，除了一些不可避免的劃痕外沒有任何表面缺陷。結(jié)合靜電霧化性能試驗分析認(rèn)為，噴嘴荷電后其霧化性能得到提升，隨著電壓增大，平均體積粒徑和分布跨度減小，這無疑會提高霧滴在工件表面分布的均勻度。液滴荷電后表面活性增加使其具有更為理想的穿透和吸附性能，使得荷電液滴更有利于鋪展形成更為均勻有效的潤滑油膜。此外，噴嘴荷電后細(xì)小液滴的生成比例明顯降低，可以顯著抑制液滴的飛逸飄散現(xiàn)象，使得更多的微量潤滑油能夠有效進入磨削區(qū)參與冷卻潤滑，提高了其有效利用率，表現(xiàn)為磨削區(qū)潤滑性能提升。荷電液滴吸附于工件表面后，其自身所攜帶的額外電荷會向接地極移動，在電黏效應(yīng)下電荷移動會帶動其周圍的液體微團運動，從而在油膜內(nèi)形成小的渦流運動，有利于快速將磨削表面積累的磨削熱交換至外部環(huán)境，因此靜電霧化微量潤滑可以提高磨削區(qū)冷卻換熱性能。

結(jié)合上述分析可知，在電壓為30 kV和35 kV時，工件表面形貌較為理想，其后依次為25 kV、澆注式、20 kV、MQL和干式磨削工況的。干磨削工件表面最不理想，出現(xiàn)大量黏附和剝落現(xiàn)象，甚至有大面積的表面材料撕裂，因此干磨削不適用于高溫鎳基合金加工。

4 結(jié)論

(1)與氣動霧化微量潤滑相比，氣輔式靜電霧化微量潤滑所獲得平均體積粒徑、液滴粒徑分布跨度均有所減小，且施加電壓越高，其值越小。當(dāng)電壓為35 kV時，平均體積粒徑為94.100 μm，分布跨度為1.833，相比氣動霧化分別降低了27.343%和41.456%，可見液體荷電后其霧化性能得到顯著提升，隨著電壓增大其液滴細(xì)化程度和均一性都得到明顯改善。

(2)靜電噴霧可以有效抑制可吸入小液滴(PM10)的生成，當(dāng)電壓達到35 kV時其質(zhì)量濃度為2.355%，相比于純氣動霧化微量潤滑質(zhì)量濃度降低了5.065個百分點，可見其有效降低了微量潤滑基礎(chǔ)油霧化后的小液滴飛逸飄散率。

(3)與氣動霧化微量潤滑相比，氣輔式靜電霧化微量潤滑所獲得了更小的表面粗糙度Ra值和RSm值，且呈現(xiàn)出隨著施加電壓升高逐漸減小的趨勢；當(dāng)電壓為35 kV時，其Ra值和RSm值分別為0.377 μm和0.084 mm?？梢婌o電霧化微量潤滑是一種更為理想的冷卻潤滑方式。

(4)由于鎳基合金具有熱導(dǎo)率低、熱硬度高等特點，干磨削工件表面質(zhì)量極差，Ra值和RSm值分別為0.547 μm和0.134 mm，且出現(xiàn)大量黏附和剝落現(xiàn)象，甚至有大面積的表面材料撕裂，故認(rèn)為干磨削不適用于鎳基合金磨削加工。