微量潤(rùn)滑切削霧化液滴毛細(xì)管滲透機(jī)理研究

姚海鵬,喬國(guó)朝,張福江,甄冬

1河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2天津河工大先進(jìn)裝備研究院有限公司;3永業(yè)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(huì)嚴(yán)重降低刀具的使用壽命,惡化加工表面質(zhì)量。因此,利用切削液進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑成為機(jī)械加工中常用的方法。然而在傳統(tǒng)的澆注式切削中,大量使用切削液帶來了污染環(huán)境、危害人體健康以及增加加工成本等諸多問題[1]。我國(guó)最新出臺(tái)的《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》明確規(guī)定廢棄切削液是對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康有害的毒性廢物,在排放前必須進(jìn)行無害化處理。環(huán)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(rùn)滑(MQL)因其近零污染的環(huán)保性和較低的成本逐漸成為技術(shù)人員研究的重點(diǎn)[2]。

微量潤(rùn)滑切削加工技術(shù)采用可降解的植物油作為切削液,幾乎實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境和人體零傷害[3],同時(shí),切削液的用量通常為10～200ml/h[4],僅為傳統(tǒng)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(rùn)滑性能,降低加工過程中的切削溫度和切削力,延長(zhǎng)刀具壽命,改善加工表面的粗糙程度[7-9]。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)工藝參數(shù)對(duì)微量潤(rùn)滑切削性能的影響規(guī)律進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,但對(duì)微量潤(rùn)滑切削過程中油霧滲透機(jī)理的試驗(yàn)研究較少。對(duì)于此問題,Williams J.A.[10]和Godlevski V.A.等[11]分別提出毛細(xì)管的幾何模型,認(rèn)為在切屑的底面存在長(zhǎng)方體或圓柱形毛細(xì)管,霧化液滴通過毛細(xì)管進(jìn)入刀—屑接觸表面提供潤(rùn)滑作用。針對(duì)毛細(xì)管滲透理論,學(xué)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(gòu)并進(jìn)行了摩擦試驗(yàn),在添加潤(rùn)滑劑后,作用于微織構(gòu)表面的摩擦力較普通表面降低80%。王德祥等[14]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬油霧的滲透過程發(fā)現(xiàn),在微量潤(rùn)滑磨削加工中,離子液體通過微破碎形成的凹槽進(jìn)入到磨?！ぜ缑娌⑿纬蓾?rùn)滑油膜。Zhu G.等[15]通過研究不同氣體流量和毛細(xì)管尺寸的組合對(duì)MQL切削液滲透性能的影響發(fā)現(xiàn),切削液滲透主要分為兩個(gè)階段:霧化液滴快速進(jìn)入毛細(xì)管中,重新聚集形成連續(xù)的液流進(jìn)入毛細(xì)管深處。結(jié)果表明,在毛細(xì)管尺寸較大、空氣流速較高時(shí),切削液滲透效果最好。Zheng W.J.等[16]對(duì)車削過程中的流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真發(fā)現(xiàn),在加工區(qū)域存在負(fù)壓區(qū),促進(jìn)切削液的滲透。除毛細(xì)管尺寸之外,微量潤(rùn)滑的氣壓、流量、噴嘴直徑、噴射距離與角度[17-19]對(duì)液滴的尺寸和分布有著重要影響,進(jìn)而影響切削液的滲透過程。

從上述文獻(xiàn)可以看出,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行毛細(xì)管油霧滲透試驗(yàn)時(shí),僅用微織構(gòu)模擬切屑底面的毛細(xì)管形狀,而忽略了毛細(xì)管的真空效應(yīng)對(duì)油霧滲透性能的影響。為了更加準(zhǔn)確地模擬微量潤(rùn)滑切削過程中的油霧滲透過程,本文開發(fā)了負(fù)壓微切槽毛細(xì)管油霧滲透試驗(yàn)裝置,在該裝置上進(jìn)行不同參數(shù)下的油霧滲透試驗(yàn),結(jié)合毛細(xì)管滲透動(dòng)力學(xué)分析,研究微量潤(rùn)滑條件下氣壓、流量和微切槽截面大小對(duì)油霧滲透過程的影響。

2 微量潤(rùn)滑毛細(xì)管滲透動(dòng)力學(xué)分析

在微量潤(rùn)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(xì)管。隨著切屑沿刀具前刀面的移動(dòng),毛細(xì)管的一端與外界連通,在微腔內(nèi)外壓差的作用下,油霧微粒滲透到毛細(xì)管中,在刀具和切屑以及工件表面形成潤(rùn)滑油膜,發(fā)揮冷卻和潤(rùn)滑作用。霧化液滴在毛細(xì)管中的滲透過程如圖1所示。

圖1 微量潤(rùn)滑加工中切削液在毛細(xì)管中的滲透過程

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

(1)

式中,u為液滴沿著毛細(xì)管流動(dòng)的速度;t為液滴在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間;ρ為油霧的密度;p為液滴進(jìn)入毛細(xì)管的作用壓力;v為油霧的運(yùn)動(dòng)黏度。

由于圓柱體毛細(xì)管具有對(duì)稱性,故u沿著y和z方向的變化規(guī)律只受半徑r的影響,即

(2)

霧化液滴進(jìn)入毛細(xì)管的作用壓力與毛細(xì)管內(nèi)外的壓差有關(guān)。假設(shè)pi為毛細(xì)管內(nèi)部負(fù)壓,壓強(qiáng)沿液滴流動(dòng)方向均勻變化,由此可得

(3)

式中,pc為毛細(xì)管入口處氣體壓強(qiáng);pi為毛細(xì)管內(nèi)部壓強(qiáng)。

在使用本系統(tǒng)進(jìn)行微量潤(rùn)滑車削加工試驗(yàn)時(shí),噴嘴出口和切削區(qū)域之間的距離固定為25mm,故本次滲透試驗(yàn)設(shè)定噴嘴出口距離毛細(xì)管口為25mm。在噴嘴噴射距離較小時(shí),切削液噴射的過程中液滴的擴(kuò)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(xì)管口的霧化液滴為研究對(duì)象,整個(gè)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(qiáng);h為噴嘴出口與毛細(xì)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(yàn)中,噴嘴出口和毛細(xì)管口位于同一水平高度,即h=0。因此,式(4)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(5)

基于線性動(dòng)量守恒定律,對(duì)毛細(xì)管口處和噴嘴出口處的霧化液滴進(jìn)行分析可得

(6)

式中,Ac為毛細(xì)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(xì)管口氣體壓力計(jì)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(qū)域內(nèi)的高溫環(huán)境,會(huì)將毛細(xì)管內(nèi)的液滴加熱至沸騰并汽化。因此,液滴的流動(dòng)時(shí)間t為其從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟臅r(shí)間,可估算為

(9)

式中,χ和φ分別為液滴的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)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(rùn)滑系統(tǒng)的氣壓和毛細(xì)管內(nèi)負(fù)壓增大,霧化液滴在毛細(xì)管中的滲透速度增大。

3 微切槽毛細(xì)管滲透試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

在自主搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行滲透試驗(yàn),如圖2所示。試驗(yàn)平臺(tái)主要由微量潤(rùn)滑裝置、顯微鏡觀察平臺(tái)和負(fù)壓環(huán)境腔體組成。微量潤(rùn)滑裝置采用永業(yè)MQL/121AS1內(nèi)部微量潤(rùn)滑供應(yīng)系統(tǒng),該設(shè)備可在加工過程中通過流量調(diào)節(jié)閥和壓力調(diào)節(jié)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(yàn)所用切削液為永業(yè)科技生產(chǎn)的Mircolube 2000-30環(huán)保型合成液。

圖2 微切槽毛細(xì)管滲透觀察平臺(tái)

負(fù)壓環(huán)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(fù)壓泵(功率:18W,最大負(fù)壓:-0.06MPa)和微切槽工件相連,四周用密封膠密封。負(fù)壓泵可抽離腔內(nèi)空氣,從而使得與負(fù)壓腔連接的微切槽處于負(fù)壓環(huán)境中。

試驗(yàn)所用試件為三個(gè)淬硬鋼薄片。對(duì)試件表面進(jìn)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(xì)管尺寸對(duì)液滴滲透速度的影響規(guī)律,使用激光雕刻機(jī)在三個(gè)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(jié)束后使用砂紙對(duì)工件表面進(jìn)行拋光處理,隨后用超聲清洗機(jī)清理微切槽周圍及內(nèi)部殘留的黏結(jié)材料。

為了進(jìn)一步分析液滴尺寸對(duì)油霧滲透結(jié)果的影響,本文同時(shí)進(jìn)行液滴沉積試驗(yàn),試驗(yàn)原理如圖3所示。將直徑為1mm的噴嘴固定在機(jī)床頂部,PMMA板固定在機(jī)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(yù)制直徑10mm孔的PMMA板,用于阻擋多余的油霧,減少液滴重疊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來的干擾。將液滴收集板以500mm/min的速度移動(dòng),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(jié)果并進(jìn)行測(cè)量,即可得到不同氣壓和流量下的液滴直徑和數(shù)量分布。

圖3 液滴沉積試驗(yàn)原理

3.2 試驗(yàn)方案與過程

微量潤(rùn)滑霧化液滴毛細(xì)管滲透試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)方案,選擇對(duì)油霧滲透影響較大的氣壓、流量、微切槽橫截面積三個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)變量,探究各變量對(duì)油霧滲透效果的影響規(guī)律,各參數(shù)分別在腔體壓力為p=0MPa和p=-0.035MPa兩種條件下各進(jìn)行一次試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)的取值如表1所示。

表1 滲透試驗(yàn)參數(shù)

在試驗(yàn)過程中,微切槽工件的位置通過XY雙向移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整,以選擇合適的觀測(cè)區(qū)域。噴嘴出口與微切槽毛細(xì)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(yàn)過程中油霧噴向顯微鏡鏡頭和工件表面影響試驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)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(dá)到1.5mm時(shí)的用時(shí),計(jì)算出液滴在微切槽毛細(xì)管中的滲透速度。

4 結(jié)果與討論

4.1 氣壓對(duì)滲透速度的影響

參考相關(guān)理論,微量潤(rùn)滑切削加工過程中的切削液進(jìn)入毛細(xì)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(jìn)入毛細(xì)管;另一種為切削液滴匯集成流,在內(nèi)外壓差的作用下進(jìn)入毛細(xì)管深處。相較于前者,實(shí)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(nèi)外壓差的作用下迅速在毛細(xì)管中流動(dòng),實(shí)現(xiàn)向毛細(xì)管內(nèi)的滲透。圖4展示了切削液在微切槽內(nèi)流入1.5mm深度時(shí)顯微鏡所觀察到的各微切槽滲透狀況。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使在相同尺寸的微槽內(nèi),液滴滲透的速度也各不相同。為評(píng)價(jià)不同條件下油霧的極限滲透能力,試驗(yàn)取最大滲透速度作為衡量指標(biāo),即圖4中最先到達(dá)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(yàn)結(jié)果?？傻?在常規(guī)環(huán)境下(p=0MPa)時(shí),切削液在微切槽中的滲透速度隨氣壓的增大而加快,當(dāng)氣壓升至0.5MPa時(shí),滲透速度可達(dá)到0.42mm/s。由此可見,氣壓增大能夠加速切削液向毛細(xì)管中的滲透。而當(dāng)微切槽內(nèi)為負(fù)壓環(huán)境(p=-0.035MPa)時(shí),滲透速度比常規(guī)環(huán)境提高了近十倍。據(jù)此推斷,在微量潤(rùn)滑加工過程中,氣壓增大對(duì)切削液滲透將產(chǎn)生有利影響,此外加工區(qū)域的負(fù)壓環(huán)境能促使切削液進(jìn)入刀—屑接觸界面以提供潤(rùn)滑。

Q=60ml/h,A=0.02mm2

圖6為沉積試驗(yàn)獲得的1mm2區(qū)域內(nèi)液滴分布情況。通過標(biāo)記液滴直徑及數(shù)量,可統(tǒng)計(jì)出不同參數(shù)下液滴的平均直徑和數(shù)量分布?；谏鲜鼋y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),不同氣壓下的液滴數(shù)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(shù)量增加,而液滴平均直徑減小;當(dāng)氣壓升至0.5MPa后,液滴的平均直徑約為16.5μm,數(shù)量達(dá)到448個(gè)。較小粒徑的液滴為切削液向毛細(xì)管內(nèi)滲透創(chuàng)造了便利條件,同時(shí)液滴數(shù)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(xì)管中的滲透速度。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)處于負(fù)壓環(huán)境(p=-0.035MPa)時(shí),其內(nèi)外壓差進(jìn)一步擴(kuò)大,切削液在毛細(xì)管中的流速得到進(jìn)一步提升。

4.2 流量對(duì)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(yàn)設(shè)定的范圍內(nèi),切削液的滲透速度與流量呈正相關(guān)。在常規(guī)環(huán)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(dāng)毛細(xì)管內(nèi)的壓力p=-0.035MPa時(shí),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(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?隨著切削液流量的增大,液滴數(shù)量隨之上升,但是流量對(duì)液滴直徑影響較小。當(dāng)液滴直徑、氣壓和毛細(xì)管大小保持不變時(shí),液滴數(shù)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(jìn)入毛細(xì)管中并匯聚成流,這個(gè)過程會(huì)伴隨切削液的霧化噴出而不斷重復(fù)進(jìn)行,從而促使切削液在毛細(xì)管中滲透。當(dāng)霧化液滴數(shù)量增加時(shí),油霧更易匯聚成流。加入負(fù)壓后,在毛細(xì)管內(nèi)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(duì)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(jì)算微切槽橫截面積時(shí)應(yīng)以實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù),微切槽實(shí)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(fù)壓環(huán)境下,當(dāng)壓力和流量一定時(shí),隨著毛細(xì)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(nèi)毛細(xì)管的大小對(duì)油霧的滲透速度并無顯著影響。

氣壓p=0.4MPa,Q=60ml/h

5 結(jié)語

本文通過自主開發(fā)的負(fù)壓微量潤(rùn)滑油霧滲透試驗(yàn)裝置,模擬了微量潤(rùn)滑切削加工過程中霧化液滴向毛細(xì)管的滲透過程。研究了氣壓、流量和微切槽橫截面積對(duì)霧化液滴滲透速度的影響規(guī)律,并對(duì)比了相同加工參數(shù)下常壓和負(fù)壓環(huán)境的油霧滲透速度差異。結(jié)合霧化液滴滲透動(dòng)力學(xué)分析,揭示了微量潤(rùn)滑油霧滲透機(jī)理,并得出如下結(jié)論。

(1)在微量潤(rùn)滑切削過程中,負(fù)壓環(huán)境能夠大幅加快霧化液滴向毛細(xì)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(shù)量均增加。但是氣壓的增大會(huì)使液滴的平均直徑減小,而流量的變化對(duì)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(duì)液滴的滲透速度并無顯著影響。