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

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 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 author：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 Aluminum 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），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 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 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 aerosol 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 interface 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 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 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 parameter 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=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 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 charged 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 atomization 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，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 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 Milling cutter edge length 22 mm Workpiece size 50 mm50 mm40 mmBoundary height of flow field 122 mm Boundary radius of flow field 50 mm 图 1 气流场仿真的物理模型 Fig.1 Physical model of airflow field simulation 由于气障会阻碍液滴进入加工区，因此，喷嘴位姿应在气障之内。相反，圆周涡流则会起到拖液作用。为了使拖液效果明显，需要保持喷嘴位姿与进入涡流（流线方向流入铣刀的圆周涡流）的涡线相切。此外，当液滴被圆周涡流输运到加工区域后，大部分液滴能够起到冷却润滑的作用，但是由于返回流的存在，小量液滴会被带出。因此，喷嘴位姿应远离返回流。最后，考虑到喷嘴喷出的切削液速度要大于气流场的速度，喷嘴应始终指向加工区间。为此，在 xz 平面上，340 表 面 技 术 2023 年 6 月 根据仿真气流场的分布规律，靶距及喷嘴仰角如图2b 所示。在 xy 平面上，气流场由圆周涡流组成，铣刀进给方向沿 y 轴负向，喷嘴应始终指向加工区间，为了保证喷嘴喷出切削液的速度与喷嘴处气流场圆周速度合成后的速度方向沿着径向，喷嘴转角如图 2c 所示。为进一步探讨进入涡流和返回流的分布规律，在仿真流场 y=0 的截面上选取距离铣刀中心 14、18、22、26、30 mm 的 5 个截线，测量断面如图 2d 所示。通过分析不同截线上流场 x 向速度，可以知晓进入涡流和返回流的位置关系及各自的厚度，仿真结果如图3a 所示。在 y=0 截面上，即图 3b 所示工件铣刀中心AA 截面，x 向速度为负代表气流方向流向铣刀，x向速度为正则相反。当位置处于 7077 mm 时，气流流出铣刀，此时为返回流。当位置处于 70 mm 附近时，到达了进入涡流的边缘位置。当位置处于 6270 mm时，气流流入铣刀。当位置处于 62 mm 附近时，进入涡流的速度最大。当位置处于 55 mm 附近时，到达了进入涡流的中心区域。当位置处于 45 mm 附近 图 2 铣刀工件约束界面气流场分析 Fig.2 Analysis of airflow field at the constrained interface of tool-workpiece:a)velocity streamline of airflow field in milling area;b)enlarged view of the airflow field velocity streamline of the local section at y=0;c)velocity streamline of airflow field in z=30 mm section;d)measurement section 图 3 测量断面速度分布（a）和测量区域（b）Fig.3(a)Velocity distribution of measurement section and(b)measurement area 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 341 时，气流流出铣刀，此时到达了进入涡流的速度最大位置。随着气流远离工件，x 向速度逐渐趋于 0。从上述分析可知，返回流出现的范围为 7077 mm，对于进入涡流的厚度，选取气流流出铣刀和气流流入铣刀速度最大位置处，即当位置处于 4562 mm 时，可以认为进入涡流速度最大处的半径为 7 mm。1.2 涡流场动力学分析 根据欧拉的连续介质思想，涡流流场中存在无数个连续气体质点，因为气体具有黏性、可压缩等特性，多个连续气体质点组成具有一定形状和介观尺度的气体微团，并以一定的流动状态存在于涡流流场中。张小帆等27根据毕奥萨伐尔定理，对涡流流场的速度分布规律进行了揭示。如图 4 所示，在速度环量为 的涡流流场中，与涡束 z 轴垂直距离为 r 的任意点P 的切向速度 v1如式（1）所示27，当涡束延伸至无穷远时，由无限长涡束诱导产生的平面涡流的切向速度 v2如式（2）所示27。12sind4HPvhR=(1)22vr=(2)式中：dh 为涡束上任意一段微元段；RP为 P 点到微元段的距离，m；为 RP与旋涡微段轴线之间的夹角（）。图 4 涡束诱导产生涡流机理（a）涡束在某点的诱导速度；（b）涡流速度与半径的关系 Fig.4 Mechanism of eddy current induced vortex sheaf:a)induced velocity of the vortex sheaf at a certain point;b)relationship between vortex velocity and radius 在端面铣削过程中，铣刀的高速转动会诱导铣刀表面的空气跟随铣刀旋转。由于空气具有一定的黏性，铣刀附近的空气也会产生扰动进而形成涡流流场。涡流流场的重要参数为诱导半径及诱导速度，其中涡束半径上的切向速度称之为诱导速度，涡束半径称之为诱导半径。根据铣刀结构的不同，其诱导速度及诱导半径的形式及大小也有差别。设铣刀线速度为vd、半径为 rd、螺旋角为。铣刀的柄部及颈部为圆柱形，当铣刀做旋转运动时，铣刀带动与其表面接触的气流产生与自身转动方向一致的诱导速度 vc，诱导速度的大小及方向与铣刀线速度的一致。而诱导半径记为 rc，其大小等于铣刀自身半径。将诱导速度 vc产生的涡流命名为圆周涡流。此外，铣刀刃部为螺旋线，当铣刀做旋转运动时，刃部会带动与其表面接触的气流产生垂直于刃部螺旋线方向的诱导速度 v。为了便于分析，将诱导速度 v分解为 z 方向的诱导速度v以及沿着铣刀边缘的诱导速度 v，其中，v也为铣刀旋转线速度。对于诱导速度 v来说，有相应的诱导半径，记为 r，其大小等于铣刀自身半径，此部分形成的涡流为圆周涡流。而对于诱导速度 v来说，也有相应的诱导半径，记为 r，此部分形成的涡流为进入涡流。在涡束诱导产生的涡流中，随着半径的增大速度逐渐趋于 0，此时压强为大气压 phuan。对于诱导半径r，由伯努利方程可得27：g2bianhuan2ppv=-(3)式中：pbian为铣刀边界压强；g为气体密度，kg/m3。设半径为 r的涡核边界层外的压力为大气压力，根据牛顿内摩擦定律，有：huanbianddvppr-=(4)g12vrC=-+(5)式中：C为常数；为气体动力黏度，Pas。根据有限元的仿真结果可知，当半径rd=10 mm、转速n=40 r/s、螺旋角=35时，进入涡流速度最大处的半径即诱导半径r为0.007 m。整理后得到了诱导半径r与诱导速度v的关系如式（6）所示。对于圆周涡流及进入涡流的数学模型，可以选择用Rankine涡来进行表述28-29，如式（7）（9）所示。10.00736033.52rv=-+(6)cdcdrrvvvrr=(rrd)(7)ddrrvvvrr=(rrd)(8)2236033.52tan252.23tan1vrvvrrv=-(0rr)(9)1.3 最佳射流位姿点 铣刀参数会影响涡流流场的速度分布情况，从而影响喷嘴的最佳射流位置。为此，需要进一步探明铣刀参数对涡流流场速度分布的影响规律以及对喷嘴最佳射流位置的影响。圆周涡流与进入涡流的涡流场速度分布可由式（10）（11）得出，铣刀参数对圆周涡流的影响规律如图5所示。在同一半径距离下，铣刀转速与半径越大，圆周涡流速度越大。如图6所示，342 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 5 铣刀参数对涡流流场的影响 Fig.5 Effect of milling tool parameters on vortex field:a)milling tool speed decomposition scheme;b)numerical relationship between milling tool radius and circumferential vortex velocity;c)numerical relationship between milling tool speed and circumferential vortex velocity 图 6 涡流流场与最佳射流位姿点的位置关系 Fig.6 Position relationship between the vortex field and the optimal jet position point:a)front view of jet position;b)top view of jet position 喷嘴最佳几何参数可由进入涡流诱导半径及其圆周涡流诱导速度求出，基于几何关系建立如式（12）（13）的数学模型。2d2nrvr=(rrd)(10)22dd36033.52(2)tan504.47tan1nrvrnr=-d10.00736033.52(n02)tanrr-+|(11)cos1tan(90)2cossinzzyrlrlHrrlrr=-|-|=-|=+|(12)22222 2d23g21()1212arctan()arcsin2()yzzylrrHrlHrrHHllnrHrrvrHr=|+-|=-|+-|=|-+|=|-|（13）式中：H为铣刀切削刃部分高度，mm；ly为射流点到铣刀边缘的距离，mm；lz为射流点到工件表面的距离，mm；为喷嘴与铣刀轴线的夹角，（）。2 静电雾化微量润滑原理 EMQL改善了传统气动雾化MQL雾化性能不足与气雾浓度过高的问题，然而，由于传统EMQL使用的设备集成度较低，参数化可控操作较为复杂。创新性地开发了集成式的多能场参数控制装置，多能场驱动静电雾化微量润滑输运装置的设计原理和内部设计如图7a和图7b所示，该装置通过设计内部高压静电发生电路、微量泵控制系统、气压控制系统以及人机操作界面，实现气压、流量、电压的参数化控制。该装置配备的喷嘴含有电极针，如图7c所示，电极针与高压静电发生电路连接以实现荷电切削液的功能。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 343 图 7 装置设计原理（a）、静电雾化微量润滑装置内部视图（b）和荷电喷嘴结构（c）Fig.7(a)Design principle of the device,(b)internal view of electrostatic atomization minimum quantity lubrication device and(c)structure of charged nozzle 相比于传统气动雾化MQL，EMQL雾化能够产生荷电液滴。当高压电极施加的电压超过一定阈值后，会在周围产生电晕放电并形成电晕区。对于负高压电极，电晕区含有大量的负离子与电子。高压气体雾化的液滴在通过含有高浓度离子的电晕区时与负电荷相碰撞，液滴表面附着负电荷使液滴荷电。静电雾化微量润滑液滴赋能机制如图8所示。在高压电场条件下，非极性液滴会被位移极化从而在液滴的表面及其内部产生诱导电荷，这2种荷电方式同时存在，当然，这种位移极化电荷较弱。荷电液滴表面张力如式（14）所示，荷电液滴在表面同性电荷库伦 斥力的作用下，削弱了其表面张力，从而增加了液滴发生二次雾化以及多次雾化的可能性。Maruda等30通过实验验证了不同雾化质量对切削区成膜性能的影响，结果表明，平均粒径越小的微液滴越有利于渗透进入切削区，从而增强切削液的成膜能力。另外，微米级的荷电液滴较非荷电液滴的吸附能力有所改善，吸附力的增强会显著抑制液滴的飞移飘散，并降低荷电微液滴与壁面碰撞造成的飞溅与回弹行为发生的可能性。223d64QR=-(14)图 8 静电雾化微量润滑液滴赋能机制 Fig.8 Empowering mechanism of electrostatic atomization minimum quantity lubrication droplet 344 表 面 技 术 2023 年 6 月 式中：Q为液滴表面荷电量；为液滴表面张力，N/m；Rd为液滴半径，m；为液滴的相对介电常数，F/m。3 实验条件与方法 工件材料选用铝合金7075，其尺寸为50 mm 50 mm40 mm，化学成分和性能参数如表2和表3所示。铣刀选用SWT的四齿高速钢立铣刀，尺寸为10 mm10 mm22 mm72 mm。如图9a所示，微量润滑工况下的切削液供给采用集成式静电雾化供给装置，静电雾化微量润滑的基础油选用棉籽油，棉籽油的脂肪酸含量如表4所示，饱和度较高的棉籽油有利于切削区成膜的稳定性。浇注式切削液则采用全合成切削油，浇注流量设定为60 L/min。如图9b所示，采用BOHI（VMC850L）数控加工中心对铝合金7075进行端面铣削加工，铣削参数如下：铣刀转速为 2 400 r/min，径向切深为0.2 mm，轴向切深为8 mm，进给速度为100 mm/min。如图9c所示，在加工过程中，采用YDM99型压电式测力仪采集铣削力。铣削完成后，选用TIME 3220表面轮廓仪作为分析设备，对铣削后的工件表面进行Ra值、Rsm值的测量。实验研究目的是探讨静电微量润滑输运系统的铣削性能。分别采用干式、浇注式、静电微量润滑输运系统对铝合金7075进行端面铣削对比实验。为了进一步探讨射流参数对铣削性能的影响，实验设立了2种射流参数（20 kV/0.2 MPa、30 kV/0.2 MPa），从铣削力、工件表面粗糙度值（Ra值、Rsm值）方面来评价微量润滑输运系统的铣削性能。其中，浇注式和微量润滑输运系统的喷嘴位姿参数通过实验参数计算所得，即lz=9.7 mm，ly=11.5 mm，40，由于EMQL喷嘴出口液滴瞬时速度较大，在该工况条件下可以忽略的偏移。此外，4种工况均保持参数一致性。图 9 静电雾化微量润滑供给装置（a）、铣削实验装置（b）、工件夹装及测力仪（c）Fig.9(a)EMQL supply device,(b)milling experimental device and (c)workpiece clamp and dynamometer 表 2 7075 铝合金化学成分 Tab.2 Chemical composition of 7075 aluminum alloy wt.%Si Cu Mg Zn Mn Ti Cr Fe Al 0.4 1.2-2.0 2.1-2.9 5.1-6.1 0.3 0.2 0.18-0.28 0.5 Bal.表 3 7075 铝合金性能参数 Tab.3 Performance parameters of 7075 aluminum alloy Tensile strength/MPa Yield strength/MPa Elastic modulus/GPa Hardness(HB)Density/(gcm3)524 455 71 150 2.81 表 4 棉籽油的脂肪酸含量 Tab.4 Fatty acid content of cottonseed oil wt.%Palmiticacid Stearicacid Linoleicacid Linolenicacid Myristicacid Octadecylicacid Others 21.4-26.4 2.1-3.3 44.9-55.0 0.4 0.6-1.0 18.0-30.7 0.3-1.8 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 345 4 结果与讨论 4.1 铣削力 铣削力是铝合金铣削加工的重要指标，它不仅能够反映加工过程的铣削状态，还能体现不同润滑方式的润滑特性。在铣削过程中不同润滑工况下的三向铣削力如图10所示。由于在铣削过程中刀具与工件是不连续接触的，铣削力发生了显著变化。铣削力可以分解为Fx、Fy和Fz，其中，Fx是切削方向上的力，是金属铣削过程中切削力的主要载体，Fy是在进给方向上铣刀和工件的相互作用力，Fz是工件在轴线方向上受到的切削力。在各向铣削力相同数据段选取i个峰值Fmaxi，以平均值、铣削合力作为评判标准，计算公式如式（15）（16）所示。由图11可知，干切条件下铣削力最大，这是由于切削界面缺少冷却与润滑介质，导致刀具与工件发生剧烈摩擦，过高的铣削力不利于获得优异的铣削工件表面质量，而且严重的热量堆积还会造成刀具的快速磨损从而降低其使用寿命。与干切相比，浇注式润滑与EMQL润滑条件下的铣削合力分别降低了34.3%、15%、18.6%。这表明，润滑与冷却介质的加入改善了铣刀与工件界面的接触状态，这有利于降低铣削力。采用EMQL输运系统的2种工况得到的铣削力相较于干式铣削来说均有了明显的降低，20 kV/0.2 MPa条件下的EMQL获得的Fx、Fy、Fz分别降低了13.8%、20.4%、18.8%。令人惊喜的是，30k V/0.2 MPa条件下的EMQL获得的Fx、Fy、Fz分别降低了16.9%、26.5%、25%。上述结果表明，高电压条件下的EMQL更有利于降低铣削力。在高电压条件下，EMQL雾化的液滴粒径更小且分布更加均匀，另外，荷电液滴优异的吸附性能降低了刀具工件间的摩擦磨损，荷电电压的提升会改善液滴的铺展与浸润性能，这会进一步改善切屑与刀具的磨损情况。然而，与浇注式铣削相比，EMQL的铣削力则有所提升。20 kV/0.2 MPa条件下的EMQL获得的Fx、Fy、Fz分别提高了24.1%、12.8%、15.4%，合力提高了22.7%。30 kV/0.2 MPa条件下的EMQL获得的Fx、Fy、Fz分别提高了21.3%、5.6%、8.3%，合力提高了19.3%。max1maxNiiFFN=(15)222xyzFFFF=+(16)图 10 在铣削过程中不同润滑工况下的三向铣削力 Fig.10 XYZ-direction mill