微量潤滑系統(tǒng)的噴射霧化特性研究*

裴宏杰，李 付，陳鈺熒，王貴成

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

微量潤滑（Minimum quantity lubrication,MQL）技術(shù)，目前在鑄造鋁合金、變形合金、高合金軸承鋼、淬火和回火鋼等材料的車削、銑削、鉆削、攻絲、螺紋成形、深孔鉆、鋸切等切削加工中，已能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)濕切削[1–3]。傳統(tǒng)濕切削的冷卻液是以連續(xù)的形式注入切削區(qū)域，而MQL 是以油滴形式噴射抵達刀具–工件之間的接觸區(qū)邊界，進而滲透進入刀具–工件之間界面，然后形成有效的潤滑膜，減小摩擦和磨損，因此MQL 油滴的霧化參數(shù)對加工具有重要的影響。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于MQL 霧化特性進行了大量的研究。

2004年，東京工業(yè)大學(xué)的Kamata 等[4]采用CFD 方法對MQL 的流場進行了分析，得到了后刀面的流場速度和壓力分布。2009年，日本東京大學(xué)的Obikawa 等[5]對MQL 精密車削Inconel 718 鋼3 種噴嘴的油霧流場進行了CFD 仿真，發(fā)現(xiàn)當噴嘴靠近刀尖時，靠近切削刃的油滴數(shù)量顯著增加，并且尺寸太小的油滴不能有效達到切削區(qū)域，試驗結(jié)果與仿真一致。2010年，德國富特旺根大學(xué)Tawakoli 等[6]對MQL（HAKUFORM 20–34 油）霧化參數(shù)對平面周磨100Cr6 淬硬鋼的影響進行了研究，其中霧化參數(shù)包括流量（20mL/h、50mL/h、100mL/h）、空氣壓力（200kPa、300kPa、400kPa、700kPa）、噴射靶距（40mm、60mm、80mm、120mm）和噴射方向（工件、弧區(qū)、傾斜噴射砂輪，垂直噴射砂輪），發(fā)現(xiàn)隨著空氣壓力與流量的增加，磨削力和粗糙度降低，并且傾斜噴射砂輪潤滑效果最好，合適靶距為80mm。2010年，美國密歇根州立大學(xué)的Park 等[7]采用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和圖像處理技術(shù)分析了拋光硅片上的MQL 霧滴及其分布，發(fā)現(xiàn)隨著空氣壓力增大，油滴直徑減小，數(shù)量增多，合適靶距可獲得最大油滴覆蓋面積。2013年，伊朗塔比阿特莫達勒斯大學(xué)的Emami 等[8]研究了MQL 霧化和噴射參數(shù)對磨削Al2O3工程陶瓷的影響，通過理論建模和試驗分析了MQL 的霧化特性，發(fā)現(xiàn)空氣速度增加時，油滴尺寸減小且速度增大；空氣速度、油滴大小和速度會影響噴霧覆蓋范圍，油滴碰撞速度接近砂輪轉(zhuǎn)速時潤滑效果較好，砂輪外部空氣吸附層有助于油滴進入砂輪–工件接觸區(qū)域。2015年，法國圣艾蒂安國立工程師學(xué)院（ENISE）的Duchosal 等[9]對內(nèi)置式MQL 霧滴碰撞刀片建立了仿真模型并進行了試驗測量，通過仿真計算得到的油膜形狀和尺寸與試驗一致。2017年，北京航空航天大學(xué)袁松梅等[10]綜述了MQL 潤滑劑的霧滴特性、滲透特性及潤滑劑選擇方面的研究進展。2018年，山東大學(xué)張松等[11]對氣體流量和噴射距離對MQL油滴大小、尺寸分布及其油滴覆蓋率的影響進行了研究，結(jié)果表明，適當縮短噴射距離和增大氣體流量可以提高油滴覆蓋率和減少油滴尺寸。

上述研究中，對MQL 噴射霧化部分特性進行了仿真和試驗，對油滴大小、速度、數(shù)量和覆蓋范圍以及不同可降解潤滑油的霧化特性并未全面述及。因此本文基于美國Accu–Lube MQL 系統(tǒng)，對3 種可降解潤滑油的霧化特性進行測試，對揭示MQL 潤滑機理和工程應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 潤滑油的選擇

MQL 用潤滑油，屬于環(huán)境友好潤滑劑，必須滿足切削加工時的潤滑性能，同時在較短時間內(nèi)可生物降解，生態(tài)毒性低，對生態(tài)環(huán)境無危害，或者一定程度上被環(huán)境容許。

選取了3 種可生物降解潤滑油，即三羥甲基丙烷三油酸酯 （Trimethylolpropane trioleate，TMPTO，CH3CH2C（CH2OOCC17H33）3）、植物油6000（Vegetable oil 6000，VO 6000）和聚乙二醇400（Polyethylene glycol 400，PEG 400，HO（CH2CH2O）nH），其理化性質(zhì)如表1所示。

表1 3 種潤滑油的性能指標Table 1 Performance specifications of three lubrication oils

1.2 油滴測試方案

試驗測試系統(tǒng)采用丹麥DANTEC 公司生產(chǎn)的基于激光多普勒效應(yīng)的三維粒子動態(tài)分析儀（Particle dynamic analyzer，PDA）進行油滴霧化測量。

切削加工中，Accu–Lube MQL 系統(tǒng)要求噴嘴到刀尖的距離為10～30mm。因此油滴測量從噴嘴出口開始，截距分別為10mm、20mm、30mm，垂直于射流軸線，相應(yīng)3 個截面測量油滴粒徑、數(shù)量及速度，如圖1所示。噴射方向向下，采樣時間10s。霧化噴嘴孔徑為4mm。

試驗序號定義為“字母–數(shù)字–數(shù)字–數(shù)字”，其命名規(guī)則如表2所示。

表2 試驗序號命名規(guī)則Table 2 Experiment nomenclature rules

1.3 油霧評價指標

油霧評價指標，包括噴霧錐角、液滴尺寸分布和平均直徑等[12]。

（1）噴霧錐角。切削液從噴嘴噴出后呈錐形擴散，兩條噴霧邊界切線之間的夾角即為噴霧錐角θ（圖1）。噴霧錐角越大，潤滑油覆蓋面積就越大。

圖1 PDA 測試位置示意圖Fig.1 PDA test location diagram

（2）液滴尺寸分布。液滴尺寸分布是指不同直徑液滴的數(shù)量、質(zhì)量和體積分布等。一種方法橫坐標為液滴直徑，縱坐標通常為液滴數(shù)目、體積或質(zhì)量，或者所占比例；另一種方法用在某一直徑以下的所有液滴數(shù)目、表面積、體積或質(zhì)量占對應(yīng)總數(shù)的百分含量，稱為液滴尺寸的累計分布。

（3）平均直徑。為了描述液滴直徑大小不一的實際噴霧場，采用一個液滴尺寸完全均勻一致的假設(shè)噴霧場代替，這個假想均勻一致液滴直徑就是平均直徑。常用的平均直徑的表示方法有長度平均直徑D10、表面積平均直徑D20、體積平均直徑D30、索特（Sauter）平均直徑D32和德布魯克（De Brouchere）平均直徑D43等。各平均直徑所代表的含義不同，應(yīng)用領(lǐng)域相應(yīng)也不同。動力裝置最常用的是D32，液體流動常采用D30等。

2 PDA 試驗結(jié)果與討論

2.1 綜合測試結(jié)果

PDA 測試結(jié)果如圖2～8 所示。其中圖2～4 為3 種油品所有的測試結(jié)果，分別包括油滴大小、速度和數(shù)量在不同截面的分布。由于圖2～4 數(shù)據(jù)太多不容易分辨，因此針對不同工況，分別用圖5～8 細化表示。其中，根據(jù)圖2～4，可得到以下結(jié)論：

圖2 聚乙二醇400 霧化PDA 測試結(jié)果Fig.2 PDA test results of PEG 400 atomization

圖3 植物油6000 霧化PDA 測試結(jié)果Fig.3 PDA test results of VO 6000 atomization

圖4 三羥甲基丙烷三油酸酯霧化PDA 測試結(jié)果Fig.4 PDA test results of TMPTO atomization

（1）油滴覆蓋范圍與截距有關(guān)。截距為10mm 時，對應(yīng)坐標分布范圍為–1～4mm；截距為20mm 時，對應(yīng)坐標分布范圍為–1～6mm；截距為30mm 時，對應(yīng)坐標分布范圍為–1～8mm。相應(yīng)可計算出對應(yīng)的噴霧錐角θ=2*arctan2/10=22.62°。噴霧錐角主要由噴嘴結(jié)構(gòu)決定，與油品、壓縮空氣流量和壓力、潤滑油流量等因素基本無關(guān)。

（2）油滴數(shù)量基本符合正態(tài)分布，以分散中心呈左右對稱分布。隨著截距的增大，飄散在覆蓋范圍外的油滴數(shù)量增多。

（3）油滴平均直徑D30基本在22～32μm 范圍內(nèi)。在截距10mm、20mm、30mm 處，油滴直徑逐漸減小。在x坐標 [1，4]mm 范圍內(nèi)，油滴大小相對均勻，并且隨著x向外增大，油滴直徑增大。

（4）油滴速度分布曲線呈鐘形，射流中心速度最高。沿截面向外，油滴速度呈梯度減小。在截距10mm、20mm、30mm 處，不同工況的油滴速度接近。隨著截距逐漸增大，油滴速度增大。

但在圖2（a）、3（a）和4（a）中，油滴數(shù)量分布中心線和射流中心不重合。由于油管在竹節(jié)管處固定偏差，造成油霧中心線和噴嘴的中心線不重合，使得油滴分布偏置，但總體對分析問題影響不大。

2.2 油量對霧化的影響

根據(jù)圖5（a），隨著聚乙二醇 400 油量的增大，油滴數(shù)量增大，但增加速率減慢，而油滴數(shù)量的分布范圍基本沒有變化。由圖5（b）可知，油量增大，油滴平均直徑變化不大，原因可能在于空氣對油滴的剪切作用變化不大，使得其變化甚小。由圖5（c）可知，油量增大，油滴數(shù)量增多，空氣對油滴的推力減小，相應(yīng)阻力增加，使得油滴速度降低。油滴速度分布呈鐘形分布，噴射軸線油滴速度最高，隨著離軸線x向距離的增加，油滴速度呈梯度減小。

圖5 油量對霧化分布的影響Fig.5 Effect of oil quantity on atomization

在油滴分布區(qū)間截面坐標[–1，6]mm 范圍內(nèi)，隨著x坐標增加，遠離噴射軸線，油滴平均直徑增大，相應(yīng)油滴速度減小。一方面，根據(jù)流體力學(xué)，射流中心到邊界，速度呈梯度減?。涣硪环矫?，很多較小液滴發(fā)生碰撞，在表面張力作用下，合成一個較大液滴，根據(jù)動量守恒定律，液滴速度減小。

2.3 截距對霧化的影響

圖6給出了截距對植物油 6000 霧化的影響。由圖6（b）～（d）可知，在截距 10mm 處，油滴數(shù)量較多，油滴平均直徑最大，油滴速度最?。辉诮鼐?20mm 處，油滴數(shù)量最多，油滴平均直徑較小，油滴速度較大；在截距 30mm處，油滴數(shù)量最少，油滴平均直徑最小，油滴速度最大。

圖6 截距對霧化的影響Fig.6 Effect of intercept on atomization

在噴嘴截距 0～10mm 處，油滴數(shù)量較多，但由于錐角太小，空間有限，造成截距 10mm 處油滴直徑最大，速度最低。在截距 10mm 處，油滴速度最低，空氣速度和油滴速度差距最大，韋伯數(shù)較大，油滴容易破碎，再加上油滴之間碰撞，根據(jù)動量守恒定律，使得在截距 20mm和 30mm 處，油滴速度越來越大，直徑越來越小。雖然在截距20mm 處油滴數(shù)量增加，但在截距30mm 處分散范圍更大，使得中心部位油滴數(shù)量減小。

2.4 空氣流量對霧化的影響

圖7為空氣流量對三羥甲基丙烷三油酸酯霧化的影響?？梢钥闯?，隨著空氣流量的增加，油滴數(shù)量增多，但數(shù)量分布范圍基本沒有變化。空氣流量增加，雖然油滴直徑減小和速度增大，但同樣變化量甚小。

圖7 空氣流量對霧化的影響Fig.7 Effect of air flow on atomization

在實際加工中，壓縮空氣流速太大，使得刀具與工件接觸楔形區(qū)[13]內(nèi)的正壓太高，阻礙油滴的前行。但是如果壓縮空氣流速太低，一方面使得油滴的速度太小，不足以穿越楔形區(qū)內(nèi)的正壓區(qū)；另一方面，空氣流速太低，楔形區(qū)內(nèi)的最高壓力減小，使得里面負壓力梯度減小，進而油滴通過毛細管滲透進入刀具–工件接觸區(qū)域就比較困難。因此需要合適的空氣流速。

2.5 不同油品的霧化

圖8為不同油品的霧化分布情況?？梢钥闯?，三羥甲基丙烷三油酸酯和聚乙二醇400 的分布情況基本一致，而植物油6000 的油滴數(shù)量相比稍微降低，同時分布中心左移，分散范圍由[–1，6]mm 減小到[–1，4]mm，更加集中。植物油6000 的油滴直徑增加，速度減小，可能植物油的霧化性能稍差。在截距坐標1mm 處，植物油的數(shù)量最多982 個，其平均直徑為25.5μm，與三羥甲基丙烷三油酸酯的25.6μm 和聚乙二醇400 的25μm 相近。

圖8 不同油的霧化分布Fig.8 Atomization of different oils

3 結(jié)論

（1）MQL 噴霧錐角主要由噴嘴結(jié)構(gòu)決定，油品、空氣流量和壓力、潤滑油油量等因素的影響較小。

（2）油滴數(shù)量基本符合正態(tài)分布，空氣流量和油量對油滴數(shù)量影響較大，但數(shù)量分布范圍變化甚小。隨著空氣流量和油量增多，油滴數(shù)量增多。截距20mm 處，油滴數(shù)量最多。

（3）油滴速度分布曲線呈鐘形，射流中心速度最高。截距對油滴速度影響較大，隨著截距增大，油滴速度增大。其他條件下的油滴速度接近。

（4）油滴平均直徑D30基本在22～32μm 范圍內(nèi)。截距對油滴直徑影響較大，隨著截距增大，油滴直徑逐漸減小?？諝饬髁亢陀土繉τ偷沃睆接绊戄^小。

（5）三羥甲基丙烷三油酸酯和聚乙二醇 400 的分布情況基本一致，而植物油 6000 的油滴數(shù)量相比稍微降低，同時分布中心左移，分散范圍縮小。