靜電霧化微量潤(rùn)滑粒徑分布特性與磨削表面質(zhì)量評(píng)價(jià)*

賈東洲， 張乃慶， 劉 波， 周宗明， 王緒平， 張彥彬， 毛 聰， 李長(zhǎng)河

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)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(rùn)滑科技有限公司， 山東 青島 266200)

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

(7. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 長(zhǎng)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(shí)也對(duì)自然環(huán)境和操作人員健康產(chǎn)生危害，因此澆注式潤(rùn)滑已無(wú)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(wú)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(rùn)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(rùn)滑是一種相對(duì)高效、清潔的澆注式替代方案[5-8]。微量潤(rùn)滑通常采用氣動(dòng)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(huì)造成環(huán)境污染還會(huì)危害操作人員健康。降低噴霧氣體壓力會(huì)增大液滴粒徑，對(duì)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(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)滑[9]；提高噴霧氣體壓力會(huì)增加小液滴數(shù)目，產(chǎn)生的液滴飛逸飄散降低了潤(rùn)滑劑利用率，同時(shí)也對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，使得這一問(wèn)題成為氣動(dòng)霧化微量潤(rùn)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(huì)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)[10-11]。因此，采用氣輔式靜電霧化微量潤(rùn)滑方式實(shí)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(jìn)而提高磨削工件表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為試驗(yàn)及測(cè)量裝置。試驗(yàn)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(tái)的橫向進(jìn)給速度為30～30 000 mm/min。選用型號(hào)為GC80K12V，寬度為20 mm的陶瓷結(jié)合劑綠碳化硅砂輪進(jìn)行磨削。氣輔式靜電霧化過(guò)程通過(guò)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(shí)現(xiàn)，僅在原有微量潤(rùn)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(duì)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(cè)量霧滴粒徑，其測(cè)量范圍為1～500 μm。通過(guò)TIME3220粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度(Ra和RSm)，并利用S-3400N掃描電子顯微鏡對(duì)工件表面形貌進(jìn)行觀察，用以評(píng)價(jià)工件表面質(zhì)量。

圖1 試驗(yàn)及測(cè)量裝置

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(diǎn)，屬于典型的難加工材料。在磨削過(guò)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(dòng)霧化微量潤(rùn)滑磨削鎳基合金時(shí)，微量冷卻潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(yàn)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(yàn)方案

試驗(yàn)采用干磨削、澆注式潤(rùn)滑和傳統(tǒng)氣動(dòng)微量潤(rùn)滑為對(duì)照組，并分別采用20、25、30和35 kV電壓進(jìn)行氣輔式靜電霧化微量潤(rùn)滑磨削試驗(yàn)，所用氣壓與傳統(tǒng)氣動(dòng)霧化微量潤(rùn)滑一致。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確，除潤(rùn)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(guò)程中磨粒銳利程度相似，獲得與真實(shí)工況更為接近的磨削表面質(zhì)量，每工作50個(gè)工步對(duì)砂輪進(jìn)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(rùn)滑噴霧過(guò)程中，平均體積粒徑是一項(xiàng)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(dòng)微量潤(rùn)滑(即電壓為0 kV時(shí)的情況)以及不同電壓條件下靜電霧化微量潤(rùn)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(dòng)霧化時(shí)液滴平均體積粒徑最大，達(dá)到了129.512 μm。與純氣動(dòng)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(shí)液滴平均體積粒徑達(dá)到最小值94.100 μm，相比于純氣動(dòng)霧化時(shí)的降低了27.343%。分析認(rèn)為當(dāng)噴嘴荷電后，液滴通過(guò)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(huì)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(duì)粒徑分布規(guī)律的影響，試驗(yàn)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(cè)定的液滴累計(jì)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(huì)同時(shí)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(dòng)霧化工況下dR.S值達(dá)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(shí)，dR.S值達(dá)到最小為1.833，相比于純氣動(dòng)霧化時(shí)的降低了41.456%。根據(jù)不穩(wěn)定性波動(dòng)理論分析認(rèn)為：液體荷電后會(huì)減小液膜縱向波動(dòng)與橫向波動(dòng)的波長(zhǎng)，且二者波動(dòng)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(zhǎng)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(rùn)滑噴霧過(guò)程中霧化形成的霧滴粒徑小于10 μm時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間懸浮，并能夠被人體吸入，且沉積在呼吸道、肺泡等部位。考慮到微量潤(rùn)滑過(guò)程中油霧飛逸飄散對(duì)環(huán)境和操作人員的健康產(chǎn)生危害，對(duì)不同電壓工況下的可吸入小液滴(PM10)的質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，具體結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：純氣動(dòng)霧化工況下，PM10液滴的質(zhì)量濃度最大，達(dá)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(shí)，PM10液滴的質(zhì)量濃度達(dá)到最小值2.355%，相比于純氣動(dòng)霧化降低了5.065個(gè)百分點(diǎn)，可見(jiàn)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(chǎng)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(guò)薄或缺失的現(xiàn)象。加之荷電后液膜的橫向波動(dòng)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(guò)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(píng)價(jià)

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(guò)程中磨削區(qū)冷卻潤(rùn)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(píng)價(jià)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(dòng)微量潤(rùn)滑磨削對(duì)應(yīng)的粗糙度值處于兩者之間。

干磨削過(guò)程中由于缺少冷卻潤(rùn)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(rùn)滑層，以干摩擦形式進(jìn)行相互運(yùn)動(dòng)，因而導(dǎo)致工件表面較為粗糙。澆注式磨削冷卻潤(rùn)滑能力較為充足，因此形成的工件表面質(zhì)量最好。氣動(dòng)微量潤(rùn)滑磨削雖然可以為磨削區(qū)提供一定的冷卻潤(rùn)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(rùn)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(dòng)霧化微量潤(rùn)滑，氣輔式靜電微量潤(rùn)滑可以進(jìn)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(shí)，其Ra值為0.377 μm，RSm值為0.084 mm，均優(yōu)于澆注式潤(rùn)滑工況。分析認(rèn)為在靜電霧化潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑無(wú)論是在潤(rùn)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(shí)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(duì)流換熱，磨削區(qū)無(wú)法實(shí)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(jìn)一步升高。由于冷卻性能不足，加之無(wú)潤(rùn)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(dòng)微量潤(rùn)滑磨削由于潤(rùn)滑介質(zhì)的存在，其表面質(zhì)量有所改善，犁溝相對(duì)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(diǎn)大多集中在犁溝底部。

相比于上述2種工況，澆注式潤(rùn)滑獲得了更為理想的工件表面，可以看出該潤(rùn)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(rùn)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(shí)長(zhǎng)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(rùn)滑磨削表面明顯優(yōu)于氣動(dòng)霧化微量潤(rùn)滑表面。當(dāng)電壓為20 kV時(shí)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(shí)，工件表面材料剝落現(xiàn)象消失，僅存有少量犁溝和劃痕。進(jìn)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(méi)有任何表面缺陷。結(jié)合靜電霧化性能試驗(yàn)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(wú)疑會(huì)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(rùn)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(rùn)滑油能夠有效進(jìn)入磨削區(qū)參與冷卻潤(rùn)滑，提高了其有效利用率，表現(xiàn)為磨削區(qū)潤(rùn)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(huì)向接地極移動(dòng)，在電黏效應(yīng)下電荷移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)其周圍的液體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)，從而在油膜內(nèi)形成小的渦流運(yùn)動(dòng)，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(rùn)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(shí)，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(dòng)霧化微量潤(rùn)滑相比，氣輔式靜電霧化微量潤(rùn)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(shí)，平均體積粒徑為94.100 μm，分布跨度為1.833，相比氣動(dòng)霧化分別降低了27.343%和41.456%，可見(jiàn)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(dá)到35 kV時(shí)其質(zhì)量濃度為2.355%，相比于純氣動(dòng)霧化微量潤(rùn)滑質(zhì)量濃度降低了5.065個(gè)百分點(diǎn)，可見(jiàn)其有效降低了微量潤(rùn)滑基礎(chǔ)油霧化后的小液滴飛逸飄散率。

(3)與氣動(dòng)霧化微量潤(rùn)滑相比，氣輔式靜電霧化微量潤(rùn)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(shì)；當(dāng)電壓為35 kV時(shí)，其Ra值和RSm值分別為0.377 μm和0.084 mm。可見(jiàn)靜電霧化微量潤(rùn)滑是一種更為理想的冷卻潤(rùn)滑方式。

(4)由于鎳基合金具有熱導(dǎo)率低、熱硬度高等特點(diǎn)，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。