涡流冷却静电润滑复合干式钻削技术研究

张晏晴 ，吕海峰，韩占龙，韩振宇，陈桂涛

(1.中北大学机械工程学院，山西太原 030051 ；2.上海凌云工业科技有限公司，上海 201708)

0 前言

实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标，既是中国做出的郑重承诺，更是目前我国紧锣密鼓推进的重点工作。实现“双碳”目标，将成为地方政府和企业发展的硬约束，也给机械制造行业带来了新的挑战与机遇。在传统机械加工过程中，通过切削液对刀具和工件进行冷却、润滑，从而得到表面质量良好的工件。但是切削液的大量使用不仅会对环境造成污染，而且在增加生产成本同时还可能危害操作人员的身体健康[1-5]。鉴于此，在保证加工质量的前提下，以干式切削技术取代传统的切削工艺成为绿色制造的必经之路[6]。

KISELE证明了空气电离后带电离子和臭氧分子的挥发效应，强调了电离装置在静电润滑系统的重要地位[7]。高霁等人[8]研究了静电冷却技术，介绍了利用该技术加工的基础理论等。

刘硕[9]将等离子体射流应用到TC4加工钛合金的实验中，通过大量数据分析证明：等离子体射流辅助加工方式对各方位的切削力下降都有效果。2009年，徐乐平[10]通过对静电润滑干式技术的研究，根据各种公式理论及基础知识提出了一款针-板式静电电离装置。2018年，黄水泉[11]提出了一种静电微量润滑技术，提高雾化润滑液的润滑和冷却效果，对切削加工性能有一定改善。 DE BARTOLOMEIS等[12]在2020年CIRP CSI会议报告中指出航空航天领域的难加工材料采用静电干式切削有很大优势。

相关的研究工作为干式切削技术的工程应用奠定了丰富的理论基础，促进了绿色加工的发展。静电冷却干式切削技术是干式切削技术的一种，其本质是将气体离子化、臭氧化后输送到切削加工区域，实现润滑、冷却的作用，获得良好的断屑效果，同时延长刀具的寿命。而现有干式切削方法中，大多单独讨论静电润滑[13-14]和涡流冷却[15-17]对切削作用的影响规律[17-19]。

本文作者提出一种静电涡流干式钻削技术。一方面，通过涡流管产生的低温气流可以降低钻削刀具和电极的温度，保障连续工作；另一方面，静电发生[20-21]装置产生的臭氧分子可以在刀具与加工面产生润滑效果，实现干式钻削[22]，达到既提高加工表面质量又不造成环境污染的目的。

1 工作原理

图1所示为所提出的 “涡流冷却静电润滑”的干式切削润滑技术与装置，采用涡流管将压缩空气冷却，利用静电发生装置将压缩空气电离产生臭氧[23]。压缩气体通过涡流管的进气孔进入涡管，根据涡流管的工作原理，热空气向右流动经过消声器降噪后排空。冷空气向左移动，静电发生装置内部由针状正电极和环状负电极组成，通入高压电时，两电极之间的间隙形成静电场。当冷空气流经两电极之间的间隙时，在高压静电的作用下电离形成臭氧分子，臭氧分子与冷空气沿着万向管继续向左流动通过喷口喷射至加工刀具及加工面。其中冷空气能够降低刀具的温度，起到冷却作用。而润滑作用则是以下几种效应共同作用的结果：

图1 装置工作原理

(1)列宾捷尔效应。它是指表面活性的分子可以吸附在金属晶体表面使其分子间的缺陷扩展，可有效改善其切削加工性能[24]。

在加工过程中，静电发生装置产生的臭氧分子对加工件表面金属的晶体结构进行破坏，减少了切削力，提高了加工质量[25]。

(2)润滑与钝化作用。喷射向加工区的臭氧分子在加工件表面聚集形成边界薄膜[26]，在加工过程可以产生类似于液体的润滑效果。并且边界薄膜中的臭氧分子有较强的渗透和氧化作用，在切削过程产生的高温环境下会快速氧化加工件表面形成氧化铝层，降低刀具切削力，改善切削环境。

(3)辅助切削作用。空气压缩机产生的高速气流有助于切屑的断裂和导出，还可以对切削区域的碎屑、碳化物和非金属夹杂物起清洁作用 。

2 涡流冷却静电润滑系统设计

2.1 静电发生装置结构设计

静电发生装置是涡流冷却静电润滑系统的关键。设计的静电发生装置如图2所示，主要由铜帽、钨针与电极支座组成。铜帽作为负极，钨针作为正极，电极支座截面呈轮辐状，轮辐的间隙为气流通道，电极支座轴向留有线槽用于电极引线。负极铜帽与电极支座通过螺栓固定。

图2 静电发生装置三维总成图

对装置进行建模，铜帽外环直径为8 mm，内环直径为2 mm，高度为6 mm，壁厚0.5 mm；钨针直径1 mm，长度4 mm，针尖锥度为15°。钨针与铜帽同轴，且针尖与铜帽上端面处于同一平面。网格划分使用自由四面体网格，选择较细化网格。测试结果表明该结构起弧的电压约为3.5 kV，所以静电场仿真时将驱动电压设置为4 kV。针-环结构网格划分电势值和场强分布如图3所示。

图3 针-环结构网格划分(a)及电势(b)、场强(c)分布

通过改变k(电极锥度)及D(电极直径)和d1(铜帽内径)等参数研究结构参数对电场强度的影响规律。

(1)电极锥度k。在D=1 mm和d1=3 mm条件下，观察锥度从15°增加到90°时电场强度的变化趋势，电场强度最大值E的改变如图4所示。可以发现：随着锥度的不断增大，其电场强度的最大值大幅下降。从15°时的1.85×108V/m，下降到60°时的1×108V/m，减少了85%。因此将k设定为15°。

图4 最大电场场强随电极直径、铜帽内径和电极锥度的变化

(2)铜帽内径d1。在k=15°、D=1 mm时，通过改变d1得到场强的改变情况如图4所示。当d1从1 mm增加到3 mm时场强从1.85×108V/m下降到1.5×108V/m，减少了23%左右。并且铜帽内径过大会影响空气电离效率，直径过小在安装时容易使钨针与铜帽误触造成短路。综合考虑取铜帽内径为3 mm。

(3)电极直径D。在k=15°、d1=3 mm时，改变D得到E的变化情况如图4所示。在D从2 mm增加到4 mm，电场强度在3 mm达到峰值然后就随之下降，其峰值和最小值相比下降了19%左右。在其他条件不变的情况下，电极直径增加时，场强值有所下降，所以钨针直径理论上是越小越好，但是考虑到过小的直径不宜加工和安装，因此选择直径为1 mm。

通过上述分析，最终确定了静电发生装置的结构尺寸并加工了样件，如图5所示。

图5 3D打印针环结构静电发生装置

2.2 静电场测试

经过测试，静电发生装置放电过程如图6所示。可以看出：3.3～3.8 kV为电极结构的起弧电压，此时放电效果还不明显；当电压达到4 kV时，放电亮度明显增加，并且随着电压持续升高，电弧亮度与分布面积也逐渐增加；当电压达到8～10 kV时，放电效果达到稳定，电晕基本不再变化。

图6 静电发生装置放电过程

2.3 系统组成

在静电发生装置加工完成后，将它与涡流管装配，并与供气系统、高压电源以及管路形成涡流冷却静电润滑系统，如图7所示。

图7 涡流冷却静润滑系统

各部分的功能如下：

(1)供气系统。装置的供气系统由空气压缩机、可调节流量计以及硅胶管路构成。

(2)高压电源。它主要用于电离装置的供电，文中使用的高压电源设备输入电压为180～220 V/AC，输出电压为0～10 000 V/DC。

(3)管路系统。气管采用耐臭氧的硅胶管。直径是根据气体通过的峰值流速与其在管路内允许的最高气压所决定的。为了减少压力的损耗，将管道空气的速度控制在25 m/s内。计算管径的公式如下：

(1)

其中：d为压缩空气的管径；v为压缩空气在管道内的流速；QV为压缩空气在管径内的体积流量。故装置管径的大小为

3 干式钻削系统性能测试及实验研究

由于空气电离过程涉及电场、流场和温度场等多场耦合，通过单纯的仿真可能和实际有偏差，所以需要通过实验进一步验证静电发生效果。

3.1 臭氧产生效果分析

干式冷却静电润滑系统中，臭氧的浓度对于钻削过程的顺利进行具有重要作用，因此设计了臭氧浓度测试装置，分析各个因素对臭氧产生效果的影响规律。

测试装置组成如图8所示。

图8 干式钻削测试实验

(1)臭氧测量仪。它通过485模块连接计算机记录数据，以10-6(单元容积内臭氧所占的总含量)作为单位来评价装置性能。

(2)高压输电线棒。由于实验过程中电离装置加载的电压较高，普通的设备无法测量，所以文中使用HVP-40型号高压输电线棒进行测量。

(3)使用非接触式热成像仪对环境中的目标温度进行精准测温，精度为0.5 ℃。

3.2 臭氧浓度影响因素分析

通过调节系统的进气流量和静电发生装置的驱动电压分析臭氧浓度的变化规律。将实验结果绘制成三维瀑布云图，如图9所示。

图9 臭氧浓度分析云图

由图9可以看出：当驱动电压从0增加至6 kV时，臭氧浓度随着电压的增加有明显上升；但在6～10 kV内，臭氧浓度的变化趋于稳定。从流量来看，随着气体流量的不断增加，臭氧浓度不断下降，气体流量与臭氧浓度整体呈现反比关系。综合气体流量与电压可以看出：当流量达到20 L/min时，驱动电压达到6 kV之后臭氧浓度未发生明显的变化。因此，在后续钻削实验中选择气体流量为20 L/min、驱动电压为6 kV。

4 干式钻削系统切削实验研究

4.1 加工平台

如图10所示，实验平台包括干式钻削系统、加工中心、空气压缩机以及其他测量仪器。

图10 实验平台

测试过程采用5 mm合金钻头，转速700 r/min。分别对比纯干式钻削和涡流冷却静电润滑钻削下工件的温升特性以及工件表面质量。

将铝型材安装到工作平台夹紧，安装静电涡流冷却装置并调整喷口与钻具轴线45°向下；开启高压电源，待静电发生装置起弧至驱动电压6 kV后开始钻削加工。加工过程中采用热成像仪记录刀具及工件表面的温度变化，加工完成后对加工表面以及切屑进行对比分析。

4.2 钻削实验结果分析

4.2.1 冷却效果分析

切削过程的温度分布如图11所示，可以看出：纯干式切削的刀具温度在25.4 ℃左右，而由于涡流冷却效应的存在钻具的温度在15 ℃左右，其切削温度下降了40.9%，证明了装置的涡流冷却效果。

图11 不同钻削方式的温度对比

4.2.2 加工表面形态分析

图12所示为分别采用静电润滑和纯干式钻削形成的典型加工面的对比，使用涡流冷却与静电润滑技术钻削的通孔壁面相对光滑，而纯干式钻削形成的通孔壁面分布有撕裂状的碎屑。

图12 加工面表面形态分析

4.2.3 切屑微观结构分析

为了在微观结构上分析2种加工方式的区别，对纯干式切削和使用涡流冷却与静电润滑技术的干式切削的2种切屑进行了消磁、净化，通过扫描电镜进行微观结构分析。

图13所示为放大1 000倍的非切削面和切削面微观形貌。在非切削面上，材料的纹理呈现自然流线状态；而经过加工后，刀具在材料表面形成切痕，切痕呈现直线型。

图13 非切削面(a)和切削面(b)微观形貌对比

图14所示为纯干式钻削和涡流冷却静电润滑钻削所产生钻屑的微观形貌对比(转速为700 r/min)。可知：纯干式钻削过程中，刃具与材料表面形成干摩擦，存在明显的撕裂状结构；而采用涡流冷却静电润滑辅助钻削后，材料表面形貌相对均匀，切痕顺畅，表面呈高亮状轮廓线，可能是金属暴露出来被臭氧氧化的产物，进一步验证了臭氧的存在。

5 总结

(1)在传统干式切削原理的基础上，文中提出了一种将涡流冷却作用与静电润滑作用相结合的新型干式切削装置。

(2)通过COMSOL软件仿真，确定了静电发生装置的结构参数为：电极锥度为15°、电极直径为1 mm、铜帽内径为3 mm。

(3)对整体系统进行了臭氧浓度实验，当气体流量为20 L/min、电压值为6 kV左右时达到最佳效果，臭氧浓度可达34.2×10-6。

(4)对所设计的干式钻削系统进行钻削实验，通过温度场分析、刀具磨损分析和切屑形貌分析证明了文中所设计的结构在各方面性能均优于普通纯干式切削技术，可应用于六系铝材的实际生产中。