滕燕，李小寧，傅婷婷

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

高速高精加工機(jī)床中的冷卻技術(shù)很大程度上影響著零件的加工質(zhì)量和加工效率。近年來噴霧冷卻技術(shù)以其高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到迅速發(fā)展[1－4]，廣泛應(yīng)用于高檔加工機(jī)床的冷卻系統(tǒng)中[5－6]，它是將氣液兩相流的混合體以壓力霧化的方式噴射到切削區(qū)，霧化的油液顆粒在切削區(qū)的高溫作用下發(fā)生相變并汽化，吸收切削熱從而達(dá)到冷卻的效果。噴霧冷卻中油液的霧化特性、氣液混合比等對高速高精加工的冷卻效果和加工質(zhì)量都有很大影響。目前國外生產(chǎn)的高速高精加工機(jī)床上一般都帶有噴霧冷卻裝置，但價(jià)格高，結(jié)構(gòu)封閉且技術(shù)保密，國內(nèi)機(jī)床企業(yè)難以仿制。因此，開發(fā)高效節(jié)能的空氣油霧定量控制冷卻裝置、開展噴霧冷卻技術(shù)基礎(chǔ)研究對推動(dòng)我國高檔機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。

作者旨在研究一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好的空氣油霧定量控制冷卻裝置，并開展噴霧冷卻技術(shù)基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，探討噴霧冷卻中油液霧化特性及其對加工質(zhì)量的影響規(guī)律，為合理選取噴霧冷卻工作參數(shù)、提高加工精度和冷卻效率提供依據(jù)。

1 空氣油霧定量控制冷卻裝置

提出了如圖1所示的空氣油霧定量控制冷卻裝置，油霧器中的油滴與高速流動(dòng)的壓縮空氣混合形成氣液兩相流并經(jīng)噴嘴高速噴出，油液被霧化成微小的霧狀顆粒噴射到切削區(qū)，吸收切削熱并汽化，實(shí)現(xiàn)冷卻和潤滑。節(jié)流閥4可調(diào)節(jié)油霧器的進(jìn)氣流量，減壓閥2可調(diào)節(jié)霧化壓力，調(diào)節(jié)油霧器7可以控制油霧器每分鐘的滴油數(shù)，實(shí)現(xiàn)對空氣油霧質(zhì)量比的控制。

圖1 空氣油霧定量控制冷卻裝置結(jié)構(gòu)組成示意

2 噴霧冷卻油液霧化特性試驗(yàn)研究

2.1 油液霧化特性試驗(yàn)評價(jià)方法

油液霧化顆粒粒度大小及尺寸分布是評價(jià)油液霧化特性的重要指標(biāo)，作者采用氧化鎂壓痕法[7]對油液霧化顆粒的直徑進(jìn)行測量。試驗(yàn)時(shí)在有機(jī)玻璃采樣板上均勻涂抹一層氧化鎂粉末，并置于噴嘴的正前方，當(dāng)霧化的油液顆粒噴射到采樣板表面時(shí)，就會(huì)在氧化鎂涂層上留下撞擊的壓痕。采樣結(jié)束后，將采樣板移至顯微鏡下并用攝像頭保存采樣圖片 (如圖2所示)，利用計(jì)算機(jī)對采樣圖片進(jìn)行處理后讀取數(shù)據(jù)即可得到油液霧化顆粒的尺寸。對試驗(yàn)中得到的多個(gè)采樣圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析處理后，即可得到涂料霧化顆粒的尺寸分布。試驗(yàn)中，噴嘴與采樣板間的距離為550 mm，每次試驗(yàn)采集10 s，更換采樣板重復(fù)試驗(yàn)5次，每塊采樣板在顯微鏡下隨機(jī)拍攝5幅圖像。

圖2 吸附有油霧顆粒的氧化鎂采樣圖片

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 噴嘴直徑對油液霧化特性的影響

采用φ1.3、φ1.5、φ1.7、φ2 和φ2.2 mm 等5種不同直徑的噴嘴進(jìn)行了油液霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同直徑噴嘴下的油霧顆粒平均直徑

圖4 不同直徑噴嘴下的平均油霧顆粒數(shù)

為了獲得油霧顆粒直徑d的分布均勻度，引入了方差VARA，如圖5所示。

圖5 不同直徑噴嘴下的油霧顆粒直徑方差

分析圖3—5可以看出:油霧顆粒平均直徑隨著噴嘴直徑的增大而增大，噴嘴直徑越小，油霧顆粒平均直徑越小，油霧顆粒數(shù)越多，且油霧顆粒的直徑方差越小，說明油霧顆粒的分布越均勻。分析其原因:在相同的空氣流量下，噴嘴直徑越小，油霧器內(nèi)文氏管中的壓力越高，則油滴越容易破裂成更細(xì)小的油霧顆粒;在油液流量一定的情況下，油霧顆粒的直徑越小，則顆粒數(shù)越多，顆粒分布越均勻，油液的霧化程度越高。

2.2.2 空氣油霧質(zhì)量比對油液霧化特性的影響

改變空氣油霧質(zhì)量比進(jìn)行了油液霧化特性試驗(yàn)，結(jié)果如圖6—8所示。分析圖6和圖7可以看出:油霧顆粒平均直徑隨著空氣油霧質(zhì)量比的增大而減小，空氣油霧質(zhì)量比越大，油霧顆粒平均直徑越小，平均油霧顆粒數(shù)越多。分析其原因:空氣油霧質(zhì)量比增大，油滴與氣流的相對速度增大，逐漸大于油滴破裂的臨界速度，使得油滴更容易破裂成細(xì)小的顆粒，因此顆粒數(shù)目也越多。進(jìn)一步分析圖8可知:油霧顆粒直徑方差隨空氣油霧質(zhì)量比增大先急劇下降、后穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，這說明較大的空氣油霧質(zhì)量比會(huì)使油霧顆粒分布更趨均勻。試驗(yàn)中，當(dāng)空氣油霧質(zhì)量比為196～233時(shí)，方差趨于平穩(wěn)且最小，霧化效果較好。

圖6 不同空氣油霧質(zhì)量比下的油霧顆粒平均直徑

圖7 不同空氣油霧質(zhì)量比下的平均油霧顆粒數(shù)

圖8 不同空氣油霧質(zhì)量比下的油霧顆粒直徑方差

3 空氣油霧定量控制冷卻裝置的切削試驗(yàn)

3.1 切削試驗(yàn)方法

在立式銑削加工中心上利用所研發(fā)的空氣油霧定量控制裝置作為加工冷卻裝置進(jìn)行了銑削加工試驗(yàn)。噴霧冷卻所使用的噴嘴以及空氣油霧質(zhì)量比與油液霧化特性試驗(yàn)的相同。為了對比，還進(jìn)行了噴油冷卻和無切削液冷卻兩種條件下的切削對比試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 噴嘴直徑對工件加工表面質(zhì)量的影響

圖9給出了對應(yīng)不同直徑噴嘴的銑削加工工件表面粗糙度Ra值，可以看出:當(dāng)噴嘴直徑由大變小時(shí)，工件Ra值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，Ra值存在一個(gè)最優(yōu)值。對應(yīng)此次試驗(yàn)，該最優(yōu)值出現(xiàn)在噴嘴直徑為φ1.7 mm處。結(jié)合前面的研究結(jié)果分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:當(dāng)噴嘴直徑逐漸減小時(shí)，霧化得到的小尺寸顆粒數(shù)增多，霧化顆粒分布更趨均勻，霧化效果更好，這使得油霧顆粒與工件表面的接觸面積更大，對工件的冷卻潤化效果更好，因此更易得到較小的表面粗糙度值;但如果噴嘴直徑過小，空氣油霧射流出口速度過快，油霧顆粒的霧化程度過高，則射流來不及完成與切削區(qū)充分的熱交換就已經(jīng)被吹散了，反而會(huì)導(dǎo)致冷卻效果變差，工件表面粗糙度值增大。

圖9 不同直徑噴嘴下加工得到的工件Ra值

3.2.2 空氣油霧質(zhì)量比對工件加工表面質(zhì)量的影響

圖10給出了對應(yīng)不同空氣油霧質(zhì)量比的銑削加工工件表面粗糙度Ra值，可以看出:在此次試驗(yàn)的空氣油霧質(zhì)量比范圍內(nèi)，隨著空氣油霧質(zhì)量比的增大，工件的Ra值先減小后穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。分析其原因:隨著空氣油霧質(zhì)量比增大，霧化顆粒平均直徑減小，油霧顆粒數(shù)增多，分布趨于穩(wěn)定，這些都更有利于切削加工的冷卻，因此更易得到較好的加工表面質(zhì)量。

圖10 不同空氣油霧質(zhì)量比下加工得到的工件Ra值

3.2.3 不同冷卻方式對工件加工表面質(zhì)量的影響

表1給出了3種不同冷卻方式下加工得到的工件表面粗糙度Ra值，可以看出:空氣油霧冷卻條件下得到的工件表面粗糙度與噴油冷卻時(shí)得到的工件表面粗糙度基本相當(dāng)。但一臺(tái)加工中心若采用傳統(tǒng)的噴油冷卻切削加工，需要切削液約1 200～6 000 L/h;而采用空氣油霧定量控制冷卻裝置進(jìn)行噴霧冷卻的用油量不大于0.026 L/h，約為噴油冷卻的1/50 000。因此，切削液的用量非常少，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且保護(hù)了環(huán)境。

表1 不同冷卻方式下工件表面粗糙度Ra值的比較

4 結(jié)論

研究并提出了一種簡單、經(jīng)濟(jì)的空氣油霧定量控制冷卻裝置，探討了噴霧冷卻中油液霧化特性及其對加工質(zhì)量的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論:

(1)噴嘴直徑和空氣油霧質(zhì)量比是影響噴霧冷卻中油液霧化特性的重要因素。噴嘴直徑越小、空氣油霧質(zhì)量比越大，霧化得到的油霧顆粒直徑越小，油霧顆粒數(shù)越多，油霧顆粒的分布越均勻，油液的霧化效果越好;

(2)噴霧冷卻中噴嘴直徑對加工表面質(zhì)量Ra值存在一個(gè)最優(yōu)值，過大和過小的噴嘴直徑均不利于提高加工表面質(zhì)量，實(shí)際加工時(shí)應(yīng)進(jìn)行合理選取;

(3)相比于噴油切削和干切削，噴霧切削具有加工質(zhì)量較好、成本低、環(huán)境污染小的綜合性能。

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