微量润滑系统油雾调控及雾粒特性研究

梁赐乐 袁尧辉， 王成勇 李伟秋 杨简彰 吴华艺

1.广东工业大学机电工程学院，广州，5100062.科益展智能装备有限公司，广州，510530

0 引言

微量润滑(minimum quantity lubrication, MQL)技术因具有切削液用量少、利于增长刀具寿命和提高加工质量等优点，而被广泛应用于铝合金、不锈钢、钛合金等典型金属材料切削加工[1]。由于微量润滑切削是采用极少量润滑油(10～100 mL/h)来实现加工区域的冷却润滑，因此对雾化效果及油雾调控要求较高。

现有微量润滑按照雾化方式可分为外置式雾化和内置式雾化两种[2]。外置式雾化是将定量的润滑油输送至喷嘴出口端，并利用压缩空气将其雾化形成微细油雾。内置式雾化是在雾化室内产生，雾化室内部安装有润滑油雾化器，用于将储油室中的微量润滑油抽出并将其雾化形成微细油雾。按照油雾应用形式，微量润滑又可分为外部传输和内部传输两种[2]。外部传输是通过外接喷嘴将油雾喷射至加工区域，而内部传输是将油雾经主轴和刀柄内冷却通道，将油雾传输至刀具内冷孔中，实现切削刀具的微量润滑[3]。内置式雾化设备主要通过调控雾化室内部压差和油雾压力进行油雾输出调节，具有油雾供给连续性好、传输简单、无复杂运动部件、易于操作等优点，因此被广泛应用于微量润滑内部传输中[3-4]。

近年来，国内外学者围绕微量润滑雾化参数及雾化效果进行了较多研究，但主要集中在外置式雾化设备和油雾外部传输应用，对内置式雾化设备和内部传输应用特点尚缺乏深入研究。刘晓丽等[5]分析了润滑油用量、供气压力、喷射靶距及润滑油理化性质对雾化特性的影响规律，发现随着喷油量的增加，雾粒体积分布峰值先增大后减小，喷射靶距对雾粒体积分布影响不大，黏度越大的油品雾化时雾粒直径也较大。孔晓瑶等[6]利用激光衍射原理测量了微量润滑系统参数下的雾粒尺寸，并建立了雾粒直径的预测模型，揭示了空气流量、喷射距离、切削液用量等因素与雾粒尺寸的关联关系。EMAMI 等[7]研究了载气速度、液滴大小、液滴速度等雾化参数对雾粒特性的影响，并对喷嘴角度、润滑油流量及气体流量等雾化参数进行了验证，结果表明采用最优的雾化参数能够得到高效的润滑效果。部分学者针对微量润滑内部传输应用的雾粒特性进行了初步研究。DUCHOSAL 等[8]通过不同结构、几何形状的内通道模型来模拟主轴内通道，研究了内部传输应用的传输雾粒特性。CABANETTES 等[9]研究了不同黏度油品对喷油量及雾粒特性的影响规律，发现雾化器产生的油雾在管路输送过程中，受管道内油雾碰撞凝结、破碎以及油膜形成等现象影响，雾粒粒径分布会发生显著变化。

此外，经雾化器雾化作用产生的微量润滑油雾为黏性雾状流，油雾颗粒在传输管内的运动是一种有壁面存在的受限运动。由气力输送理论[10]可知，油雾颗粒在管路中传输是复杂的两相流传输过程，其中连续的压缩空气为分散介质，离散分布的油雾颗粒为离散相。油雾颗粒在传输管道中大多以悬浮方式向前传输，存在颗粒间碰撞以及颗粒与管壁间碰撞，并伴随雾粒破碎、吸附以及沉聚等复杂现象[11]。已有研究表明，油雾在内通道传输时，主要以悬浮雾粒的形式进行传输。悬浮雾粒来自于雾化器雾化的原始雾粒和传输过程中发生反复碰撞或凝聚产生的雾粒，部分油雾还会在管道内壁积聚流动，并在油雾出口处形成飞溅雾粒[9]。

基于上述分析，采用内置式雾化微量润滑装置进行切削加工时，微细油雾颗粒经内冷通道传输至加工区域，其油雾调控、雾粒特性与雾化参数、雾化器开启数量以及传输管路等密切相关[12-13]。本文基于内置式微量润滑雾化技术与内部传输应用特点，开展雾化参数及油雾传输方式对油雾调控及雾粒特性的影响规律研究，为微量润滑技术应用及技术优化提供参考。

1 试验方法

1.1 微量润滑装置

图1为微量润滑装置实物图及其雾化原理图,该装置为广东工业大学与科益展智能装备有限公司(汇专科技集团)合作开发的MIA101型微量润滑装置[14-15]。如图1b所示，该微量润滑装置包含雾化室及其顶部安置的若干文丘里雾化器。压缩空气经文丘里雾化器进入雾化室时，同步产生一定负压吸附效应，将微量润滑油吸附至文丘里雾化器内部并实现雾化。雾化器在雾化室工作时，吸油能力取决于雾化室压差pd(pd=pi-po)，其中,pi为进气压力，po为雾化室油雾压力。压差pd越大，吸油量越大，雾化室产生的油雾浓度越高。在此基础上，增加雾化器的开启数量Na可进一步提高油雾浓度。此外，油雾传输流量也与内冷孔出口截面积Ak大小相关。因此，可通过对雾化室压差pd的控制以及配合合适大小的油雾出口截面积Ak来进行油雾输出流量调控及雾粒尺寸的控制。

(a)微量润滑装置 (b)雾化原理图1 微量润滑装置实物及其雾化原理[14-15]Fig.1 MQL device and principle of MQL device[14-15]

1.2 微量润滑油雾调控试验

油雾调控试验方式如图2所示，将管路出口水平定向，启动设备并接入气源。若只打开雾化器而不加压，压力表读数为进气压力pi，负压表读数雾化室压力po接近于0，此时雾化室压差为最大压差值pdmax；若打开雾化器并加压，当雾化室内部压力达饱和状态时，雾化室压力po接近于进气压力pi，对应的雾化室压差为最小压差值pdmin，利用pdmax、pdmin及其差值(压差可调范围)可获得雾化室压差调控规律。打开设备后先运行2 min以获得稳定油雾再收集，采用毫克级精密天平秤称量测试前后纸张和雾化室油量消耗，以获得油雾流量。设备内装配有3个雾化器，参考在加工中微量润滑系统稳定运行的参数，调节进气压力pi在0.4～0.6 MPa范围内，使雾化室压差pd在0.1～0.5 MPa范围，试验中以2.72 mm2出油口截面积为对照组，用0.82 mm2、4.87 mm2两种尺寸的出油口截面积进行对比。出油口截面积的选择主要参考市面现有带油雾传输孔刀具的出口截面积[16]。

图2 油雾调控试验方式Fig.2 Experimental study on oil mist control

1.3 微量润滑油雾传输试验

为了研究传输管路对雾粒特性的影响规律，采用马尔文Spraytec激光喷雾粒度仪进行油雾粒度测量。油雾传输采用不同内径(2,4,6 mm)的管路，管路为内壁光滑的铝管，分别在10 mm、50 mm、110 mm、180 mm、250 mm、320 mm、390 mm管路行程处进行油雾雾粒测量，管路出口至激光区域的靶距为30 mm，试验方式如图3所示。切削液采用金属加工用润滑油VG-19，该油品黏度为35.5 mm2/s。对管路油雾出口的表征有助于反映油雾在内通道传输的变化，表征指标包括油雾流量、雾粒尺寸及其尺寸分布。

图3 油雾传输试验方式Fig.3 Experimental study on oil mist transport

2 试验结果与分析

2.1 雾化室压差调控

2.1.1进气压力及出口截面积影响

当雾化器开启数量Na=3时，三种出口截面积Ak条件下，不同进气压力pi对压差调控的影响如图4所示。随着进气压力增大，压差最大值pdmax增大。在较低气压到较高气压过程中，压差可调范围增幅较大，当气压增大达到雾化室饱和气量时，雾化室压差可调范围变化减缓或不变。

(a)Ak=0.82 mm2,Na=3

(b)Ak=2.72 mm2,Na=3

(c)Ak=4.87 mm2,Na=3图4 进气压力pi对雾化室压差pd影响Fig.4 Effect of inlet pressure pi on differentialpressure pd

图5 不同出口截面积Ak下雾化室压差可调范围对比Fig.5 Comparison of adjustable range of pd underdifferent outlet cross-sectional area Ak

从油雾调控角度看，雾化室压差可调范围越大，内部油雾浓度的可调范围越宽，出口截面积一定时，增大进气压力有利于增大压差可调范围，得到更宽的油雾浓度调节范围。由图5可知，对比不同的出口截面积，在进气压力一定情况下，出口截面积越大，能够获得更宽的油雾浓度调节范围，但截面积在2.7～4 mm2范围内时雾化室压差可调范围相差不大，意味着截面积在此范围内能够调节的油雾浓度相差不大。

从油雾流量调节考虑，进气压力一定下，压差值小意味着雾化室内油雾压力大，传输管路内油雾流速相对较快，单位时间内可传输的油雾量增大。结合图5进气压力对雾化室压差影响，对于不同出口截面积油雾量的调节，需要结合进气压力与雾化室压差配合调节来满足特定工况下油雾传输的要求。

2.1.2雾化器开启数量影响

(a)pi=0.4 MPa,Ak=2.72 mm2

(b)pi=0.5 MPa,Ak=2.72 mm2

如图6所示，雾化室最大压差值pdmax在进气压力一定时，随着雾化器开启数量Na增大而减小。雾化室最小压差值pdmin在不同进气压力下有明显变化，而雾化器开启数量对最小压差值pdmin影响不大。由于雾化器开启数量对最大压差值影响程度大于最小压差值，因此，压差可调范围会随着雾化器开启数量的增加而减小，且减小的幅度随进气压力的增大而增大。

(c)pi=0.6 MPa,Ak=2.72 mm2图6 雾化器开启数量对雾化室压差影响Fig.6 Effect of atomizers open on differential pressure

从油雾浓度调控角度看，在较大进气压力下，由于雾化室压差可调范围减小幅度大，故通过增加雾化器开启数量来提高油雾浓度的方式会使得油雾浓度的可调范围变窄；而在较低进气压力下，雾化器开启数量影响程度较小，能够在不影响油雾浓度可调范围的基础下进行油雾浓度的调节。

从油雾流量调节考虑，在较大气压下增加雾化器开启数量，油雾流量可调节的最大值会相对减小。对于油雾流量传输范围要求较大的工况，需要结合考虑进气压力与雾化器开启数量的影响来进行油雾流量传输的调控。

2.2 传输油雾量调控

2.2.1进气压力影响

如图7所示，在各进气压力pi条件下，传输油雾量随压差增大而增大，当压差值接近进气压力时，雾化室内部油雾压力较低，使得油雾传输流速较慢，单位时间内可传输油雾量减少，传输油雾量增加趋势减缓或出现下降。对于给定出口截面积，雾化室油雾浓度及进气压力共同影响可传输油雾量。

图7 进气压力pi及压差pd对油雾量传输影响Fig.7 Effect of inlet pressure and differential pressureon oil flow rate adjustment

在传输油雾量增加时，当雾化室压差一定时，增大进气压力对油量传输油雾量影响不大;而在相同进气压力下，随着压差增大，传输油雾量变化趋势较为明显，说明压差对可传输油雾量的影响程度更大，油雾浓度在油雾传输上比油雾传输速度作用更明显。从压差调控规律看，进气压力增大使得压差可调范围缩减，当在较大进气压力下或压差接近进气压力时，传输油雾量增长速率出现减缓或下降的趋势。

2.2.2雾化器开启数量影响

如图8a所示，在相同进气压力下，雾化器开启数量Na从1增至2时，传输油雾量增加明显，且随着进气压力增大，传输油雾量增幅增大。当Na为3时，较低进气压下传输油雾量增加幅度不大，进气压达到0.6 MPa时，传输油雾量变化明显。试验中雾化室压差保持在0.3 MPa，此时雾化室油雾浓度主要取决于Na。Na从1增至3时，油雾浓度大幅增加，可见传输油雾量增幅的变化主要来自油雾浓度的影响；在雾化器全开条件下，传输油雾量的差异更多取决于油雾传输速度。如图8b所示，在给定雾化器开启数量Na条件下，传输油雾量随压差增大而增加，当压差较大时传输油雾量增加幅度减缓。Na增加有利于油雾量传输，但从压差调控规律看，开启数量增加使得压差可调范围缩减，油雾浓度调控范围变窄。对于Na较少的情况，雾化室油雾浓度通过压差调节更加有利，在Na较多时，油雾浓度可调范围减小，传输油雾量更多来自进气压力的影响。

(a)不同进气压力情况(pd=0.3 MPa,Ab=2.72 mm2,油品为VG-19)

(b)不同雾化室压差情况(pi=0.6 MPa,Ak=2.72 mm2,油品为VG-19)图8 雾化器开启数量Na对油雾量传输影响Fig.8 Effect of atomizers open Na on oil flowrate adjustment

2.2.3出口截面积影响

如图9所示，在给定进气压力及压差条件下，传输油雾量随出口截面积Ak增大而增加，当Ak相同时，雾化室压差对传输油雾量的影响程度更大。从图9中可看出，相同进气压下，对于给定Ak，压差越大，传输油雾量越多。然而在较大压差下，当传输油雾量已达到该出口截面积所允许通过的最大油雾量时，会出现传输油雾量不变或下降的情况。从压差调控规律看，Ak越小对应的压差可调范围越小，在油量调节方面，Ak达到4.87 mm2比Ak在0.82 mm2条件下能获得更宽的油量调节范围。结合图7结果，可认为对于不同出口截面积，压差对传输油雾量影响要明显大于进气压力的影响。在实际加工应用中，相同传输油雾量情况下，增大进气压力能够增强油雾的传输强度，但会使传输油雾量可调范围变窄。在需要更宽油雾量调节范围的工况下，采用较大的出口截面积Ak，在合适的进气压力下，通过压差调节能够满足特定工况下的不同油雾量的需求。

(a)不同进气压力情况(pd=0.3 MPa,Na=1,油品为VG-19)

(b)不同雾化室压差情况(pi=0.6 MPa,Na=1,油品为VG-19)图9 出口截面积对油雾量传输影响Fig.9 Effect of outlet cross-sectional area on oil flowrate adjustment

2.3 油雾出口雾粒特性

油雾在传输过程中会受到各种因素的影响，造成油雾雾粒随着传输行程逐渐变化。主要原因有油雾传输压力损失，油雾与管壁发生碰撞，油雾雾粒之间相互碰撞[17]。为了了解油雾在管道内可能出现的现象，在各行程管路出口进行了雾粒测量，并对管路流动情况进行了记录。

雾粒尺寸与管路行程变化的关系如图10所示，其中雾粒尺寸用索特平均直径(SMD)表示。油雾从微量润滑装置出口到达传输管路10 mm距离处雾粒SMD较大，随着油雾传输距离增大，油雾雾粒SMD呈现先减小后稍有增大的趋势。对比不同内径的管路，油雾在进入内径为2 mm的传输管路后，雾粒SMD远小于内径为4 mm与6 mm的传输管路，且雾粒尺寸变化幅度明显。油雾在4 mm与6 mm传输管路下进行传输，两者雾粒平均直径相差不大，变化幅度相对较小。图11所示为pi=0.6 MPa、pd=0.4 MPa时，不同内径管路的雾粒尺寸分布随管路行程L的变化。不同管路行程下雾粒尺寸分布主要表现为单峰分布特征，随着管路行程的增加，分布曲线的波峰逐渐向左偏移，分布曲线峰宽也趋于变窄，说明随着管路行程增加，峰值直径逐渐减小，大直径雾粒出现的频度随之下降。对比不同内径管路雾粒尺寸分布的变化情况，2 mm内径管路的雾粒尺寸分布变化幅度较4 mm与6 mm内径管路的分布变化明显，与图10结果相符。

图10 管路行程对雾粒平均直径影响Fig.10 Effect of pipe stroke on average diameter of oilmist particles

(a)2 mm内径管路情况下

(b)4 mm内径管路情况下

(c)6 mm内径管路情况下图11 雾粒尺寸分布随管路行程的变化Fig.11 The size distribution of oil mist particles varies with the stroke of pipeline

对于油雾内部传输应用，雾化室内油雾的气动压力为油雾运动提供了能量，在管路传输过程中，油雾雾粒在管道内的运动势必会消耗能量而造成压降。在工程应用中较为宏观的压力损失来自于传输管路尺寸及传输行程的影响，随着管路行程的增加，油雾雾粒需克服沿程阻力、管壁的摩擦力等，使得油雾压力下降，大雾粒受力减小逐渐沉积在管壁。

在传输过程中，由于油雾雾粒密度较大，且受气液两相流湍流脉动、传输管内不稳定流场、雾粒本身能量波动的影响，故雾粒间速度大小和方向会存在较大差异，导致雾粒碰撞发生。相比4 mm与6 mm内径管路，在内径为2 mm管路中传输时，狭窄的管路空间会使雾粒碰撞几率增加[18]。在狭窄空间内，悬浮雾粒因碰撞聚合成大雾粒，雾粒在传输中随行程增加而积聚，直至雾粒重力大于气动压力时会沉聚在管壁，大小雾粒得以分离，油雾出口处大雾粒体积占比稍有减少，故雾粒尺寸分布呈现出单峰逐渐左移的特征。然而，试验结果未显示其他尺寸有明显占比，意味着在传输过程中悬浮雾粒聚合成大雾粒是主要现象。当雾粒与管壁间发生碰撞的情况时，根据下式计算雾粒碰撞管壁后回弹所需的临界动能Ekc[17,19]：

(1)

式中，KH为比例常数；xε为油雾雾粒与壁面的接触距离，对于光滑表面，其值为4×10-10m；e为碰撞雾粒回弹系数。

可知油雾雾粒在2～6 mm传输管路内与壁面的接触距离较小，临界动能需足够大才能碰撞回弹。由于传输油雾为黏性雾状流，故靠近管壁处的油雾雾粒极易与管壁产生黏附现象，对于微米级油雾雾粒，其与管壁间黏附力远大于其他作用力，小雾粒一旦吸附便不断累积，当累积的油滴重力大于管壁间黏附力时会沿着管壁流向管路底部形成油膜流动(图12)。雾粒间聚合以及雾粒与管壁间黏附都有利于大小雾粒的分散，随着管路行程增加，在接近400 mm处的雾粒平均直径比进入管路10 mm处的雾粒平均直径相对较小，并且在内径较小的传输管路下雾粒尺寸分布变化较大。然而，雾粒与管壁间的黏附作用减小了油雾流量。在pd=0.4 MPa、Ak=2.72 mm2条件下，不同管径对油流量大小及流量增加幅度的影响如图13所示，2 mm管路下雾粒间聚合及与管壁黏附作用程度大于其他两个尺寸，使得油流量具有最小值，并且油流量在不同进气压力下变化不显著。这意味着雾粒与管壁的黏附作用是传输过程中阻碍油雾输送，影响传输效果以及雾粒尺寸变化的重要因素。

图12 传输管路内油膜流动示意图Fig.12 Oil film flow in transmission line

图13 不同管径对油雾流量影响Fig.13 Influence of different pipe diameters on oilmist flow

在实际加工中，采用内径较小的管路来连接油雾发生装置，会引起传输油雾雾粒尺寸及其尺寸分布的变化，一定程度上影响油雾出口的雾粒特性。然而，由于存在油雾雾粒与壁面间的黏附作用，油雾滞留在管壁形成油膜流动，阻碍了油雾输送，传输效果减弱，使得能够用于加工的油量减少，冷却润滑效果得不到充分发挥。在微量润滑技术应用中，不仅需要考虑油雾雾粒足够细化以达到雾粒在加工区域有效渗透的要求，还应结合油流量传输情况来满足特定工况下加工要求。

3 结论

本文基于内置式微量润滑雾化技术以及油雾内部传输应用特点，进行了雾化参数及油雾传输方式对油雾调控和雾粒特性的影响规律研究，得到结论如下：

(1)增大进气压力有利于增大压差可调范围，获得更宽的油雾浓度调节范围，在传输油雾量调节方面，雾化室压差相比进气压力更有利于传输油雾量调节。

(2)在较低进气压下，增加雾化器开启数量有利于油雾浓度的调节，需在合适压差下利用雾化器开启数量来进行传输油雾量的调节。

(3)针对不同出口截面积，增大进气压有利于小出口截面积传输油雾量的增加；对于大出口截面积，可以在合适进气压下通过调节压差来得到更宽的传输油雾量范围。

(4)管路尺寸与传输行程是影响油雾雾粒特性的重要因素。雾粒平均直径随管路行程增加呈现减小趋势；内径较小的管路中雾粒聚合作用以及雾粒与管壁间黏附作用明显，雾粒尺寸分布变化显著。