渦流冷卻靜電潤滑復合干式鉆削技術研究

張晏晴 ，呂海峰，韓占龍，韓振宇，陳桂濤

(1.中北大學機械工程學院，山西太原 030051 ；2.上海凌云工業科技有限公司，上海 201708)

0 前言

實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標，既是中國做出的鄭重承諾，更是目前我國緊鑼密鼓推進的重點工作。實現“雙碳”目標，將成為地方政府和企業發展的硬約束，也給機械制造行業帶來了新的挑戰與機遇。在傳統機械加工過程中，通過切削液對刀具和工件進行冷卻、潤滑，從而得到表面質量良好的工件。但是切削液的大量使用不僅會對環境造成污染，而且在增加生產成本同時還可能危害操作人員的身體健康[1-5]。鑒于此，在保證加工質量的前提下，以干式切削技術取代傳統的切削工藝成為綠色制造的必經之路[6]。

KISELE證明了空氣電離后帶電離子和臭氧分子的揮發效應，強調了電離裝置在靜電潤滑系統的重要地位[7]。高霽等人[8]研究了靜電冷卻技術，介紹了利用該技術加工的基礎理論等。

劉碩[9]將等離子體射流應用到TC4加工鈦合金的實驗中，通過大量數據分析證明：等離子體射流輔助加工方式對各方位的切削力下降都有效果。2009年，徐樂平[10]通過對靜電潤滑干式技術的研究，根據各種公式理論及基礎知識提出了一款針-板式靜電電離裝置。2018年，黃水泉[11]提出了一種靜電微量潤滑技術，提高霧化潤滑液的潤滑和冷卻效果，對切削加工性能有一定改善。 DE BARTOLOMEIS等[12]在2020年CIRP CSI會議報告中指出航空航天領域的難加工材料采用靜電干式切削有很大優勢。

相關的研究工作為干式切削技術的工程應用奠定了豐富的理論基礎，促進了綠色加工的發展。靜電冷卻干式切削技術是干式切削技術的一種，其本質是將氣體離子化、臭氧化后輸送到切削加工區域，實現潤滑、冷卻的作用，獲得良好的斷屑效果，同時延長刀具的壽命。而現有干式切削方法中，大多單獨討論靜電潤滑[13-14]和渦流冷卻[15-17]對切削作用的影響規律[17-19]。

本文作者提出一種靜電渦流干式鉆削技術。一方面，通過渦流管產生的低溫氣流可以降低鉆削刀具和電極的溫度，保障連續工作；另一方面，靜電發生[20-21]裝置產生的臭氧分子可以在刀具與加工面產生潤滑效果，實現干式鉆削[22]，達到既提高加工表面質量又不造成環境污染的目的。

1 工作原理

圖1所示為所提出的 “渦流冷卻靜電潤滑”的干式切削潤滑技術與裝置，采用渦流管將壓縮空氣冷卻，利用靜電發生裝置將壓縮空氣電離產生臭氧[23]。壓縮氣體通過渦流管的進氣孔進入渦管，根據渦流管的工作原理，熱空氣向右流動經過消聲器降噪后排空。冷空氣向左移動，靜電發生裝置內部由針狀正電極和環狀負電極組成，通入高壓電時，兩電極之間的間隙形成靜電場。當冷空氣流經兩電極之間的間隙時，在高壓靜電的作用下電離形成臭氧分子，臭氧分子與冷空氣沿著萬向管繼續向左流動通過噴口噴射至加工刀具及加工面。其中冷空氣能夠降低刀具的溫度，起到冷卻作用。而潤滑作用則是以下幾種效應共同作用的結果：

圖1 裝置工作原理

(1)列賓捷爾效應。它是指表面活性的分子可以吸附在金屬晶體表面使其分子間的缺陷擴展，可有效改善其切削加工性能[24]。

在加工過程中，靜電發生裝置產生的臭氧分子對加工件表面金屬的晶體結構進行破壞，減少了切削力，提高了加工質量[25]。

(2)潤滑與鈍化作用。噴射向加工區的臭氧分子在加工件表面聚集形成邊界薄膜[26]，在加工過程可以產生類似于液體的潤滑效果。并且邊界薄膜中的臭氧分子有較強的滲透和氧化作用，在切削過程產生的高溫環境下會快速氧化加工件表面形成氧化鋁層，降低刀具切削力，改善切削環境。

(3)輔助切削作用。空氣壓縮機產生的高速氣流有助于切屑的斷裂和導出，還可以對切削區域的碎屑、碳化物和非金屬夾雜物起清潔作用 。

2 渦流冷卻靜電潤滑系統設計

2.1 靜電發生裝置結構設計

靜電發生裝置是渦流冷卻靜電潤滑系統的關鍵。設計的靜電發生裝置如圖2所示，主要由銅帽、鎢針與電極支座組成。銅帽作為負極，鎢針作為正極，電極支座截面呈輪輻狀，輪輻的間隙為氣流通道，電極支座軸向留有線槽用于電極引線。負極銅帽與電極支座通過螺栓固定。

圖2 靜電發生裝置三維總成圖

對裝置進行建模，銅帽外環直徑為8 mm，內環直徑為2 mm，高度為6 mm，壁厚0.5 mm；鎢針直徑1 mm，長度4 mm，針尖錐度為15°。鎢針與銅帽同軸，且針尖與銅帽上端面處于同一平面。網格劃分使用自由四面體網格，選擇較細化網格。測試結果表明該結構起弧的電壓約為3.5 kV，所以靜電場仿真時將驅動電壓設置為4 kV。針-環結構網格劃分電勢值和場強分布如圖3所示。

圖3 針-環結構網格劃分(a)及電勢(b)、場強(c)分布

通過改變k(電極錐度)及D(電極直徑)和d1(銅帽內徑)等參數研究結構參數對電場強度的影響規律。

(1)電極錐度k。在D=1 mm和d1=3 mm條件下，觀察錐度從15°增加到90°時電場強度的變化趨勢，電場強度最大值E的改變如圖4所示。可以發現：隨著錐度的不斷增大，其電場強度的最大值大幅下降。從15°時的1.85×108V/m，下降到60°時的1×108V/m，減少了85%。因此將k設定為15°。

圖4 最大電場場強隨電極直徑、銅帽內徑和電極錐度的變化

(2)銅帽內徑d1。在k=15°、D=1 mm時，通過改變d1得到場強的改變情況如圖4所示。當d1從1 mm增加到3 mm時場強從1.85×108V/m下降到1.5×108V/m，減少了23%左右。并且銅帽內徑過大會影響空氣電離效率，直徑過小在安裝時容易使鎢針與銅帽誤觸造成短路。綜合考慮取銅帽內徑為3 mm。

(3)電極直徑D。在k=15°、d1=3 mm時，改變D得到E的變化情況如圖4所示。在D從2 mm增加到4 mm，電場強度在3 mm達到峰值然后就隨之下降，其峰值和最小值相比下降了19%左右。在其他條件不變的情況下，電極直徑增加時，場強值有所下降，所以鎢針直徑理論上是越小越好，但是考慮到過小的直徑不宜加工和安裝，因此選擇直徑為1 mm。

通過上述分析，最終確定了靜電發生裝置的結構尺寸并加工了樣件，如圖5所示。

圖5 3D打印針環結構靜電發生裝置

2.2 靜電場測試

經過測試，靜電發生裝置放電過程如圖6所示。可以看出：3.3～3.8 kV為電極結構的起弧電壓，此時放電效果還不明顯；當電壓達到4 kV時，放電亮度明顯增加，并且隨著電壓持續升高，電弧亮度與分布面積也逐漸增加；當電壓達到8～10 kV時，放電效果達到穩定，電暈基本不再變化。

圖6 靜電發生裝置放電過程

2.3 系統組成

在靜電發生裝置加工完成后，將它與渦流管裝配，并與供氣系統、高壓電源以及管路形成渦流冷卻靜電潤滑系統，如圖7所示。

圖7 渦流冷卻靜潤滑系統

各部分的功能如下：

(1)供氣系統。裝置的供氣系統由空氣壓縮機、可調節流量計以及硅膠管路構成。

(2)高壓電源。它主要用于電離裝置的供電，文中使用的高壓電源設備輸入電壓為180～220 V/AC，輸出電壓為0～10 000 V/DC。

(3)管路系統。氣管采用耐臭氧的硅膠管。直徑是根據氣體通過的峰值流速與其在管路內允許的最高氣壓所決定的。為了減少壓力的損耗，將管道空氣的速度控制在25 m/s內。計算管徑的公式如下：

(1)

其中：d為壓縮空氣的管徑；v為壓縮空氣在管道內的流速；QV為壓縮空氣在管徑內的體積流量。故裝置管徑的大小為

3 干式鉆削系統性能測試及實驗研究

由于空氣電離過程涉及電場、流場和溫度場等多場耦合，通過單純的仿真可能和實際有偏差，所以需要通過實驗進一步驗證靜電發生效果。

3.1 臭氧產生效果分析

干式冷卻靜電潤滑系統中，臭氧的濃度對于鉆削過程的順利進行具有重要作用，因此設計了臭氧濃度測試裝置，分析各個因素對臭氧產生效果的影響規律。

測試裝置組成如圖8所示。

圖8 干式鉆削測試實驗

(1)臭氧測量儀。它通過485模塊連接計算機記錄數據，以10-6(單元容積內臭氧所占的總含量)作為單位來評價裝置性能。

(2)高壓輸電線棒。由于實驗過程中電離裝置加載的電壓較高，普通的設備無法測量，所以文中使用HVP-40型號高壓輸電線棒進行測量。

(3)使用非接觸式熱成像儀對環境中的目標溫度進行精準測溫，精度為0.5 ℃。

3.2 臭氧濃度影響因素分析

通過調節系統的進氣流量和靜電發生裝置的驅動電壓分析臭氧濃度的變化規律。將實驗結果繪制成三維瀑布云圖，如圖9所示。

圖9 臭氧濃度分析云圖

由圖9可以看出：當驅動電壓從0增加至6 kV時，臭氧濃度隨著電壓的增加有明顯上升；但在6～10 kV內，臭氧濃度的變化趨于穩定。從流量來看，隨著氣體流量的不斷增加，臭氧濃度不斷下降，氣體流量與臭氧濃度整體呈現反比關系。綜合氣體流量與電壓可以看出：當流量達到20 L/min時，驅動電壓達到6 kV之后臭氧濃度未發生明顯的變化。因此，在后續鉆削實驗中選擇氣體流量為20 L/min、驅動電壓為6 kV。

4 干式鉆削系統切削實驗研究

4.1 加工平臺

如圖10所示，實驗平臺包括干式鉆削系統、加工中心、空氣壓縮機以及其他測量儀器。

圖10 實驗平臺

測試過程采用5 mm合金鉆頭，轉速700 r/min。分別對比純干式鉆削和渦流冷卻靜電潤滑鉆削下工件的溫升特性以及工件表面質量。

將鋁型材安裝到工作平臺夾緊，安裝靜電渦流冷卻裝置并調整噴口與鉆具軸線45°向下；開啟高壓電源，待靜電發生裝置起弧至驅動電壓6 kV后開始鉆削加工。加工過程中采用熱成像儀記錄刀具及工件表面的溫度變化，加工完成后對加工表面以及切屑進行對比分析。

4.2 鉆削實驗結果分析

4.2.1 冷卻效果分析

切削過程的溫度分布如圖11所示，可以看出：純干式切削的刀具溫度在25.4 ℃左右，而由于渦流冷卻效應的存在鉆具的溫度在15 ℃左右，其切削溫度下降了40.9%，證明了裝置的渦流冷卻效果。

圖11 不同鉆削方式的溫度對比

4.2.2 加工表面形態分析

圖12所示為分別采用靜電潤滑和純干式鉆削形成的典型加工面的對比，使用渦流冷卻與靜電潤滑技術鉆削的通孔壁面相對光滑，而純干式鉆削形成的通孔壁面分布有撕裂狀的碎屑。

圖12 加工面表面形態分析

4.2.3 切屑微觀結構分析

為了在微觀結構上分析2種加工方式的區別，對純干式切削和使用渦流冷卻與靜電潤滑技術的干式切削的2種切屑進行了消磁、凈化，通過掃描電鏡進行微觀結構分析。

圖13所示為放大1 000倍的非切削面和切削面微觀形貌。在非切削面上，材料的紋理呈現自然流線狀態；而經過加工后，刀具在材料表面形成切痕，切痕呈現直線型。

圖13 非切削面(a)和切削面(b)微觀形貌對比

圖14所示為純干式鉆削和渦流冷卻靜電潤滑鉆削所產生鉆屑的微觀形貌對比(轉速為700 r/min)。可知：純干式鉆削過程中，刃具與材料表面形成干摩擦，存在明顯的撕裂狀結構；而采用渦流冷卻靜電潤滑輔助鉆削后，材料表面形貌相對均勻，切痕順暢，表面呈高亮狀輪廓線，可能是金屬暴露出來被臭氧氧化的產物，進一步驗證了臭氧的存在。

5 總結

(1)在傳統干式切削原理的基礎上，文中提出了一種將渦流冷卻作用與靜電潤滑作用相結合的新型干式切削裝置。

(2)通過COMSOL軟件仿真，確定了靜電發生裝置的結構參數為：電極錐度為15°、電極直徑為1 mm、銅帽內徑為3 mm。

(3)對整體系統進行了臭氧濃度實驗，當氣體流量為20 L/min、電壓值為6 kV左右時達到最佳效果，臭氧濃度可達34.2×10-6。

(4)對所設計的干式鉆削系統進行鉆削實驗，通過溫度場分析、刀具磨損分析和切屑形貌分析證明了文中所設計的結構在各方面性能均優于普通純干式切削技術，可應用于六系鋁材的實際生產中。