文丨初六睡不醒

编辑丨初六睡不醒

铁合金切削加工大都采用浇注润滑，但大量使用切削液易引起环境污染，危害作业人员健康，研究人员尝试采用微量润滑技术，进行铁合金加工MOL技术，对易加工材料具有减少切削液用量。

降低切削力和延长刀具寿命等优点，但加工铁合金等难加工材料时，存在冷却性能不足、润滑失效等问题，针对MOL的技术缺点，国内外研究人员提出了一些微量润滑增效技术。

如低温微量润滑冷风微量润滑和静电微量润滑等CMQL技术利用液氮、液态CO，等冷却介质结合MOL，对切削区进行冷却润滑。

研究人员使用CMOL进行铁合金TC4铣削发现CMOL提高了润滑液的强迫对流换热能力，降低了铣削温度与铣削力，刀具的热裂破损减弱。

然而，液氮使用成本高，液氮MOL过低的温度还会导致铁合金的加工硬化，造成切削力增大和刀具过度损失，CAMQL技术通过涡流管、半导体等制冷方式冷却压缩空气，增强切削区的降温能力。

他们利用CAMOL技术进行TC4合金车削，发现冷风增强了润滑膜的承载能力，抑制了积屑瘤和鳞刺的形成，使工件表面质量提高。

对比CMQL，CAMQL使用成本下降，但设备制冷效率较低，冷却润滑综合能力有待进一步提高。

尽管EMOL的冷却换热性能有一定程度的提高课题组的前期研究和实践表明，EMOL的冷却能力仍不能很好应对钦合金等难加工材料加工过程中产生的高温问题。

基于以上研究现状和存在的问题，接下来提出一种冷风静电微量润滑技术，结合CAMOL的冷却增强性能和EMOL的润滑增强性能，通过对CAEMOL技术的换热特性，和加工性能的分析研究。

冷风静电微量润滑系统

冷风静电微量润滑系统由调压阀、涡流管、储液箱、蠕动泵、静电发生器荷电座和喷嘴等组成。

静电微量润滑装置为自研设备，蠕动系将储液箱内的润滑液输送进入润滑液管路，静电发生器输出的高压负电使液管中的润滑液接触荷电。

涡流管将常温压缩空气通过涡流变换分离成冷、热两股压缩空气，冷压缩空气进入荷电座并在喷嘴出口将润滑液雾化成低温荷电气雾。

涡流管型号为AH20025在室温20C、入口气压0，6MPa工况下冷端出口能产生温度为-5C_气压为0，2MPa的冷风作为冷却介质。

瞬态换热实验可揭示冷风静电微量润滑喷雾冲击高温壁面时的瞬时换热特性，实验时，启动电炉电源，电炉中设置的K型热电偶将采集到的温度反馈至ST507系列智能温控仪。

温控仪根据输入温度信号向固态继电器输出控制信号，控制电炉电源的通断，实现炉温的恒温控制。

启动冷风静电微量润滑系统，调整好各项参数，待喷雾稳定后，快速抽走覆盖在紫铜试件上的挡板，低温荷电气雾直接喷射到紫铜试件上表面。

RX4006D测温仪通过焊在紫铜试件上表面的热电偶实时采集温度，即可获得换热表面温度变化曲线，换热表面的临界热流密度可通过一维导热的数值解析方法获得。

稳态换热实验可用来研究冷风静电微量润滑喷雾冲击加工区域时的换热特性，使用低电压、大电流交流电对镍铬合金片试件持续加热模拟铣削加工热源。

锦铬合金片试件底部焊有K型热电偶，并与RX4006D测温仪连接实时采集温度，实验时，首先启动冷风静电微量润滑系统。

待其喷雾稳定后，逐渐增大电加热装置的输入电压，当测温仪测得换热表面温度达到动态平衡时，记录试件表面温度T，并利用数字万用表和电流表记录试件两端电压值U和电流值I。

由=UI/A计算获得试件表面热流密度，其中A=0，3mm’为试件表面积，试件表面的换热系数可由h=q/(T-T)计算得到其中7为喷雾温度。

瞬态换热实验及稳态换热实验时，冷风静电微量润滑系统的各项参数依据前期实验优化选取。

冷风静电微量润滑的换热特性

不同工况下在气雾喷射到紫铜试件表面时，试件表面温度变化曲线及其对应的临界热流密度。

在CAEMOL工况下，试件表面温度下降最快，其临界热流密度相比MOL、EMOL及CAMOL分别提高了55，56%、30，23%及21，74%。

低温冷气增大了紫铜试件表面与空气之间的平均温差，冷风和低温液滴接触到高温表面时，迅速带走大量热量。

同时荷电可减小液滴的粒径与接触角，增加了液滴与试件表面的接触面积，提高了液滴的换热效率，因此冷风静电微量润滑的瞬态换热能力更强。

CAEMOL表现出最好的稳态换热能力，在换热表面温度为170C时，CAEMOL工况下的表面热流密度分别比MOL、EMOL和CAMOL提高了38，82%_16，42%和12，50%稳态换热系数分别提高了34，67%、13，48%和10，99%。

当换热表面温度较低时，热量仅能通过液膜传导并从液膜表面蒸发散热，随着试件表面温度上升，液膜产生气泡，换热形式从强迫对流蒸发过渡到核态沸腾，气泡的生成与破裂带走大量热量。

EMQL工况下，液滴荷电后表现出较小的粒径与润湿角，使得液滴更易在试件表面铺展，减少液膜厚度，接触热阻降低，液滴换热效率提高，CAMOL条件下，冷风冲击换热表面，以及低温液膜蒸发，换热系数显著提高。

结合了冷风和荷电双重增效的CAEMOL，冷风增大了与锦铬合金片的温差，小粒径液滴接触到高温表面时更易汽化，换热能力大幅增强，因此其稳态换热性能更好。

冷风静电微量润滑的铣削加工性能

荷电及低温冷风均可降低铣削力，效果最好的CAEMOL对比MOL、EMOL及CAMQL，其F分别下降了20，56%、15，14%及6，24%，F，分别下降了16，85%_4，92%及7，16%。

在荷电工况下，液滴在刀/屑和刀/工件接触区具有较好的渗透性能有利于形成承载能力更强的润滑膜，获得良好的减摩抗磨效果，降低铣削力。

在冷风工况下，低温冷却效应尽管一定程度上提高了工件材料的硬度，但同时降低了工件材料的塑性和韧性。

减少工件材料在刀具表面的粘附，有利于降低刀具与工件、切屑的摩擦力，两者的综合影响在实验工况下表现出铣削力的降低。

结合EMOL与CAMOL优点的CAEMOL在冷风的冷却和荷电液滴的润滑下，进一步减轻了刀具与工件之间的摩擦与粘附，表现出更小的铣削力。

CAEMOL工况下的铣削温度最低，对比MOL、EMOL及CAMOL分别下降了32，66%、27，04%及4，27%，由换热实验可知CAEMOL具有较高的热流密度及换热系数换热性能较好。

荷电液滴具有较小的粒径和接触角，在铣削过程中更多的液滴渗透进入切削区参与润滑，改善了刀具与工件之间的摩擦状况，减少了摩擦热的产生，

冷风则提高了气雾的对流换热能力，抑制了铣削区的温升，因此CAEMOL工况下的铣削温度最低，CAMQL的低温气体具有良好的冷却效果，使刀具与工件之间的粘附减少，降低了铣削力。

同时工件材料的脆性增加，切屑断裂性更好，防止了切屑对已加工工件表面的损伤。

CAEMOL兼具EMOL和CAMOL的优点荷电液滴持续渗透进入切/屑界面毛细网络，低温冷气则降低刀具与工件之间的化学反应性，防止切屑粘附，两者协同作用，有效提高了工件表面质量。

切屑的形成是在铣削过程中切削载荷、材料断裂与变形共同导致的结果，切屑由自由面、背面顶面以及底面组成。

各工况下切屑自由面均存在大量连续褶皱结构，以褶皱的顶高减去褶皱的根高作为褶皱的高度，CAEMOL工况下褶皱的平均高度比MOL、EMOL和CAMOL分别减少了27，55%18，03%和4，04%。

智皱是铣削过程中刀具与切屑挤压引起的塑性变形导致，MOL工况下较高铣削温度带来的热软化效应导致材料韧性提高，在较大铣削力作用下切屑材料周期性塑性堆积，褶皱高且清晰。

在EMOL和CAMOL工况下，褶皱高度有所减少，这是由于荷电液滴良好的润滑性能有助于减少刀具、工件与切屑之间的摩擦，降低了铣削力，切屑形成过程的塑性堆积缓解。

低温冷却效应则降低了材料的塑性与韧性，一定程度提高了切屑的便度，切屑形变减小，结合EMQL和CAMOL技术的CAEMOL工况，冷风和荷电润滑液的协同作用有效缓解切屑形成过程的塑性堆积，切屑褶皱起伏小。

可以看出，各工况下的切屑背面均有明显划痕，背面为切屑与刀具的前刀面接触面，其划痕是摩擦力和接触压力的作用结果。

在MOL工况下，较大的铣削力导致切屑背面较深的划痕，并呈现刀屑摩擦导致的撕裂痕迹，较高的铣削温度导致蓝紫色的高温烧伤痕迹，反映出其较差的铣削性能。

在EMOL工况下得益于荷电液滴较强的渗透润滑能力，刀具与切屑之间的摩擦作用减弱，划痕形变有所缓和。

CAMOL工况下，冷风降低了切削区的温度，切屑硬度提高，与刀具的粘着减少，表现出划痕变浅和撕裂痕迹变小的特点。

CAEMOL在CAMOI的基础上对液滴进行了荷电，在冷却和润滑增效作用下，划痕更浅，撕裂痕迹更少，说明冷风和切削液荷电的协同作用有效改善了切削区的摩擦情况，提高了铣削性能。

采用冷风静电微量润滑技术进行换热实验及铁合金TC4铣削实验，结论在于低温冷风增大了与换热试件间的温差，对流换热能力提高。

切削液荷电后液滴粒径和接触角减小，与换热试件的接触面积提高，蒸发换热效率增强，导致冷风荷电气雾的临界热流密度和稳态换热系数提高，换热性能增强。

冷风静电微量润滑铣削铁合金TC4时，冷风介质的低温冷却效应有利于材料由塑性向脆性转变。

荷电切削液的润滑增强效应降低了刀/屑间的摩擦，两者协同导致切屑自由面的塑性变形减小周期性褶皱高度降低，切屑背面划痕浅，撕裂减弱。