静电雾化机理及微量润滑铣削7075铝合金表面质量评价_吴喜峰.pdf
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1、第 52 卷 第 6 期 表面技术 2023 年 6 月 SURFACE TECHNOLOGY 337 收稿日期:20221115;修订日期:20221225 Received:2022-11-15;Revised:2022-12-25 基金项目:国家重点研发计划(2020YFB2010500);国家自然科学基金(51975305,52105457);山东省自然科学基金(ZR2020KE027,ZR2021QE116)Fund:National Key Research and Development Plan(2020YFB2010500);National Natural Science
2、Foundation of China(51975305,52105457);Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2020KE027,ZR2021QE116)作者简介:吴喜峰(1995),男,硕士生,主要研究方向为洁净精密制造。Biography:WU Xi-feng(1995-),Male,Postgraduate,Research focus:sustainable precision manufacturing.通讯作者:李长河(1966),男,博士,教授,主要研究方向为智能与洁净精密制造。Corresponding aut
3、hor:LI Chang-he(1966-),Male,Doctor,Professor,Research focus:intelligent and sustainable precision manufacturing.引文格式:吴喜峰,许文昊,马浩,等.静电雾化机理及微量润滑铣削 7075 铝合金表面质量评价J.表面技术,2023,52(6):337-350.WU Xi-feng,XU Wen-hao,MA Hao,et al.Mechanism of Electrostatic Atomization and Surface Quality Evaluation of 7075 Alu
4、minum Alloy under Electrostatic Minimum Quantity Lubrication MillingJ.Surface Technology,2023,52(6):337-350.静电雾化机理及微量润滑铣削 7075 铝合金表面质量评价 吴喜峰1,许文昊1,马浩1,周宗明2,刘波3,崔歆1,李长河1(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东 青岛 266520;2.汉能(青岛)润滑科技有限公司,山东 青岛 266100;3.四川明日宇航工业有限责任公司,四川 什邡 618400)摘要:目的目的 针对传统气动雾化微量润滑雾化性能差、环境气雾浓度高以及参数化可
5、控性差的技术难题,设计了静电雾化微量润滑铣削供给系统。研究了铣刀工件约束界面的气流场并进行了静电雾化微量润滑(Electrostatic Minimum Quantity Lubrication,EMQL)机理分析与 7075 铝合金铣削表面质量评价。方法方法 通过分析铣刀工件约束界面气流场的分布情况,对气流场中的涡流场速度分布情况进行了理论建模,基于圆周涡流与进入涡流的动力学特征建立了喷嘴最佳射流位姿模型。研究了 EMQL 的荷电与雾化机理,在此基础上,进行了不同润滑条件下的铣削 7075 铝合金实验,包括干切削、浇注式、EMQL。测量了不同润滑条件下的铣削力、铣削表面粗糙度(Ra、Rsm)
6、,此外,对 2 种参数条件下 EMQL 获得的加工表面轮廓进行了自相关分析。最后,分析了荷电润滑剂在切削区的微观作用机制。结果结果 在实验铣削参数条件下,进入涡流的诱导半径为 0.007 m,最佳位姿参数设定如下:射流点到工件表面的距离 lz=9.7 mm,射流点到铣刀边缘的距离 ly=11.5 mm,喷嘴与工件水平方向的夹角 40。与干切加工相比,EMQL 获得的铣削力降低了 15%、18.6%;此外,与干切削相比,30 kV 条件下的 EMQL 获得的 Ra、Rsm分别降低了 15.5%、25%,并且相比于 20 kV 的电压,30 kV 的 EMQL 铣削表面轮廓自相关分析曲线显示出更优
7、异的表面质量;浇注式润滑获得了最佳的表面质量(Ra=0.221 m、Rsm=0.037 m)。结论结论 荷电液滴能够提升摩擦界面毛细管的渗透性能,并且毛细渗透长度可以在提升电压的条件下增加,在高电压条件下的 EMQL 相比于低电压条件下的 EMQL展现出更好的铣削性能。关键词:铣削;静电雾化微量润滑;7075 铝合金;气流场;喷嘴位姿;表面质量 中图分类号:TG506 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)06-0337-14 DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.030 精密与超精密加工 338 表 面 技 术 2023 年 6 月
8、Mechanism of Electrostatic Atomization and Surface Quality Evaluation of 7075 Aluminum Alloy under Electrostatic Minimum Quantity Lubrication Milling WU Xi-feng1,XU Wen-hao1,MA Hao1,ZHOU Zong-ming2,LIU Bo3,CUI Xin1,LI Chang-he1(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of
9、Technology,Shandong Qingdao 266520,China;2.Hanergy(Qingdao)Lubrication Technology Co.,Ltd.,Shandong Qingdao 266100,China;3.Sichuan Future Aerospace Industry Co.,Ltd.,Sichuan Shifang 618400,China)ABSTRACT:In order to solve the technical problems of poor atomization performance,high environmental aero
10、sol concentration and poor parameterization controllability of traditional pneumatic atomization minimum quantity lubrication milling,an electrostatic atomization minimum quantity lubrication milling supply system has been designed.The work aims to study the airflow field at the constrained interfac
11、e of tool-workpiece,analyze the mechanism of electrostatic minimum quantity lubrication(EMQL)and evaluate the milling surface quality of 7075 aluminum alloy.The airflow field distribution at the constrained interface of the tool-workpiece was analyzed to theoretically model the velocity distribution
12、 of the vortex in the airflow field.The optimal jet position of the nozzle was established based on the kinetic characteristics of the circumferential vortex and the incoming vortex.Then,the charging and atomization mechanism of EMQL were studied.On this basis,milling experiments were carried out to
13、 7075 aluminum alloy under different lubrication conditions,including dry,flood and EMQL.Milling force and milling surface roughness(Ra,Rsm)under the different lubrication conditions were measured.In addition,autocorrelation analysis of the machined surface profiles obtained by EMQL under both param
14、eter conditions was performed.Finally,the mechanism of the charged lubricant in the cutting zone was analyzed.Under the experimental milling parameters,when the induced radius r was 0.007 m,the optimal position parameters were set to lz=9.7 mm(distance from the jet point to the workpiece surface),ly
15、=11.5 mm(distance from the jet point to the edge of the milling too)and 40(included angle between the nozzle and the workpiece in the horizontal direction).Compared with dry milling,EMQL could reduce milling force by 15%and 18.6%.In addition,compared with dry milling,the Ra and Rsm obtained by EMQL
16、under the condition of 30 kV decreased by 15.5%and 25%respectively.Compared with that at 20 kV,the autocorrelation analysis curve of the surface profile of EMQL milling at 30 kV showed better surface quality.The best surface quality(Ra=0.221 m,Rsm=0.037 m)was obtained under flood lubrication.The cha
17、rged droplets can enhance the capillary penetration performance at friction interface and the capillary penetration length can be increased under the condition of increasing voltage.EMQL under high voltage shows better milling performance than that under low voltage.KEY WORDS:milling;electrostatic a
18、tomization minimum quantity lubrication;7075 aluminum alloy;airflow field;nozzle position;surface quality 铣削是基础性机械加工形式之一,具有较高的加工质量和材料去除效率1-2。在加工过程中,刀具和工件、刀具和切屑界面的摩擦及其切屑的剪切变形均会产生大量的铣削热,热量的堆积会严重影响刀具寿命和加工表面质量。因此,大量的冷却液通常用来给加工过程提供一定的冷却与润滑,以保证刀具的使役性能和加工精度3。传统金属切削液是以矿物油或化学合成油为基油而制成的水溶性乳化液,由于该类切削液不可降解且不可再生
19、,在使用与排放的过程中不可避免地会造成资源消耗与生态污染。此外,一系列改善此类切削液性能的添加剂在使用过程中的挥发以及产生的化学反应,会对工人健康造成严重威胁。随着环保意识的增强及环保法律的完善,此类切削液的使用与处理成本急剧增加,这会间接降低产品的市场竞争力。鉴于上述严重的资源消耗与环境污染问题,基于生物润滑剂的微量润滑(MQL)作为清洁切削技术的典型代表目前正在被积极探索4。少量的生物润滑剂(10300 mL/h)被雾化成微尺寸液滴,在高压气体的驱动下被输送至切削区。高速液滴分布在切削区及其周围起到冷却与润滑的作用,高压气体会起到清洁作用并可加速切削区的对流换热5-6。相比于湿切,MQL
20、在可持续性方面具有明显优势,相比于干切,MQL 又能改善切削界面的润滑和冷却情况7。Khan等8评估了 MQL 技术的有效性,并断言它可以在保证环境友好性的同时提高加工性能。施壮等9评估了MQL 磨削镍基合金 GH4169 的性能,结果表明,生物润滑剂的黏度与饱和脂肪酸含量对其界面成膜能第 52 卷 第 6 期 吴喜峰,等:静电雾化机理及微量润滑铣削 7075 铝合金表面质量评价 339 力起着至关重要的作用。为进一步改善传统气动雾化 MQL 的雾化质量,降低切削加工过程中的环境油雾,同时提升液滴的浸润与渗透能力,研究学者们提出了静电微量润滑(EMQL)10-13。张晓阳等14探索了电场参数对
21、EMQL 磨削 GH4169 的影响,研究表明,随电压的增加,表面粗糙度 Ra 呈现先减小后增大的趋势。贾东洲等15-16进一步探索了 EMQL 磨削 GH4169 的有效性,结果表明,相比于浇注式与 MQL,雾化与浸润性能更优异的 EMQL 获得的加工表面质量最佳。他们认为荷电液滴在微通道的迁移活性增加,从而增加了液滴的渗透长度。Xu 等17-20在他们的系列实验中验证了 EMQL 铣削 AISI 304 的有效性,从降低铣削力、改善表面质量和抑制油雾方面来看,EMQL 比MQL 和浇注式润滑更具发展潜力。林铁宇等21探究了 EMQL 铣削铝合金的能耗,他们认为 EMQL 对传统润滑具有较好
22、的替代性。尽管如此,当前 EMQL依然处于工艺探索阶段,缺乏多种加工参数与加工材料的实验验证,尤其是关于 EMQL 铣削铝合金的研究十分匮乏。基于 MQL 的绿色切削液减量化技术在一定程度上提高了切削液的利用率,减少了切削废液的产生。然而,在某些工况下,切削液输运到加工区域的效率还会受刀具旋转的影响。在铣削过程中,刀具的高速转动会带动空气形成影响切削液输运的气流场,这会对切削液的有效输运产生阻碍作用,降低其使用率。为此,探索铣刀周围气流场的分布规律,并找到最佳射流位姿点成为相关研究者关注的首要问题。Duan等22对不同铣刀参数下铣削型腔时铣刀周围的流场进行了分析研究,并通过正交实验对该加工条件
23、下最佳射流位姿进行了验证。Lacalle 等23在采用微量润滑的条件下,对高速铣削铝合金的加工区域进行了流体动力学仿真,发现铣刀周围会产生一个阻碍微量润滑切削液输运到加工区间的环形气障。适当调整喷嘴位置,切削液到达铣削区域的注入效率明显改善24-25。尽管学者们对铣刀周围气流场的分布规律进行了大量研究,然而这些分析研究只是对气流场进行了初步探索,缺乏相应的数学模型对铣刀周围气流场的速度分布情况进行表述。综上所述,研究学者已经探索了 EMQL 技术铣削 AISI304、Inconel 718、Ti6Al4V 材料的性能。然而,对于正处在工艺探索阶段的 EMQL 来说,有关铝合金 7075 铣削加
24、工表面质量验证与评价的研究仍比较缺乏,这显然对该技术的进一步发展是不利的。因此,基于涡流流场对切削液输运的正向作用效果,研究了铣刀工件约束界面的气流场分布情况。并且,依据涡流场理论寻找实验喷嘴的最佳位姿参数,在此基础上对 EQML 铣削铝合金 7075 进行了实验验证。1 静电喷嘴最佳射流位姿点 1.1 铣刀工件约束界面气流场分析 在铣削过程中,高速转动的铣刀会扰动周围空气产生复杂的气流场。合理利用气流场的特征有利于微尺寸液滴进入切削区,相反,未知气流场的分布情况则不利于最大化利用油雾。因此,首先采用 Fluent来初步探寻铣刀周围涡流流场的分布规律26。设定仿真参数如表 1 所示,气流场仿真
25、的物理模型如图 1 所示。迭代一定次数后得到的仿真结果如图2ac所示,在计算区域内,铣刀周围形成了一个封闭的环形气流场。该气流场在紧贴铣刀的区域流动速度最大,并且随着距离铣刀中心半径的增大,气流场的流动速度逐渐减小。另外,在铣刀侧面,即 xz 平面上,气流场主要由气障、椭圆形的圆周涡流和半圆形的返回流组成。表 1 仿真参数 Tab.1 Simulation parameters Simples Values Milling cutter diameter 10 mm Milling cutter helical angle 35 Milling spindle speed 40 r/s Mil
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