（机械设计及理论专业论文）静电冷却干式切削实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 传统的金属切削加工过程中，一般采用切削液对刀具和工件进行润滑、冷却，可以 提高刀具的使用寿命和工件的表面质量。但使用切削液存在增加加工成本、污染环境、 影响工人身体健康等弊端。针对金属切削过程中的这一问题，人们提出了干式切削技术。 干式切削是指为了保护环境和降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液，而 用特定的刀具、机床和相关的加工技术以及其他的冷却方法获得所需加工效果的一种加 工方法。本文研究的静电冷却干式切削就是利用电晕放电对干式切削过程进行冷却的新 冷却方法。 静电冷却干式切削是将离子化气体吹到切削区域，代替切削液冷却作用的金属切削 方式。静电冷却干式切削不仅能对切削区域进行冷却、润滑，而且可以获得延长刀具寿 命、断屑等效果，得到符合加工要求的干式切削技术。这种新型技术是静电冷却技术和 金属切削技术的有机结合，利用静电冷却技术来代替传统的切削液，从很大程度上解决 了使用切削液带来的种种弊端。 在大连市科技计划( 2 0 0 7 a 1 0 g x l 2 0 ) 的资助下，本文完成以下主要工作： ( 1 ) 研究了空气的各种形式放电的机理和电离状态，确定使用负极性直流电晕放 电作为干式静电冷却的放电方式，选择了使用具有更好的电离效率和离子转移效率的针 筒式电极结构。 ( 2 ) 设计了用于静电冷却干式切削的实验装置，包括高压电源、供气装置、气体 电离装置、切削系统等单元。 ( 3 ) 得出了当气压为0 4 m p a 、极间距为1 5 r a m 、外加电压为5 1 k v 时，气体放电 状态较佳的结论，此时的离子浓度最大，可达1 2 1 0 儿个c m 3 。 ( 4 ) 进行了静电冷却干式切削技术与传统的干式切削技术的对比实验，实验结果 表明静电冷却干式切削在断屑、延长刀具寿命、提高工件表面质量等方面有更好的效果。 关键词：静电冷却；干式切削；电晕放电 静电冷却干式切削实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo f e l e c t r o s t a t i cc o o l i n gu s e di nc u t t i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nt h et r a d i t i o n a lc u t t i n gp r o c e s s ，c u t t i n gf l u i di su s u a l l yu s e dt oc o o la n dl u b r i c a t et o o la n d w o r k p i e c e ，w h i c hc a np r o l o n gt h et o o ll i f ea n di m p r o v et h ew o r k p i e c e ss u r f a c eq u a l i t y b u t c u t t i n gf l u i da l s ob r i n g sh i g hc o s t ，p o l l u t e de n v i r o n m e n ta n dp o o rh e a l t h t os o l v et h e s e p r o b l e m s ，d r yc u t t i n gm e t h o da p p e a r s i no r d e rt op r o t e c te n v i r o n m e n ta n dd e c r e a s ec o s ld r yc u t t i n gc a no b t a i nt h ed e s i r e d r e s u l t sb yu s i n gl i t t l e c u t t i n gf l u i do rn o n ea t a 1 1 t h es p e c i a lt o o l ，l a t h e ，r e l a t e dp r o c e s s t e c h n o l o g ya n do t h e rc o o l i n gm e t h o da r ea l s oa d o p t e di nd r yc u t t i n gp r o c e s s i nt h i st h e s i s ，a n e wc o o l i n gw a yt h a tu s e sac o r o n ad i s c h a r g et oc o o lw o r k p i e c ei ne l e c t r o s t a t i cc o o l i n g t e c h n o l o g yi ss t u d i e d e l e c t r o s t a t i cc o o l i n gt e c h n o l o g yu s en e g a t i v ed i r e c t c u r r e n th i g h - f i e l dt oi o n i z ea i r t h e i o n i z e da i ri ss u p p l i e dt oc u t t i n ga r e at oc o o lw o r k p i e c ea n dt o o li n s t e a do fc u t t i n gf l u i d i tc a l l p r o l o n gt o o l sl i f e ，b r e a kt h ec h i pa n ds oo n t h i sn e wt e c h n o l o g yi st oc o m b i n ee l e c t r o s t a t i c t e c h n o l o g ya n dm e t a lc u t t i n gt e c h n o l o g y c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lc u t t i n gf l u i d ，t h eu s eo f e l e c t r o s t a t i cc o o l i n gt e c h n o l o g ya v o i d st h ed i s a d v a n t a g eo fc u t t i n gf l u i di ns o m ew a y i m b u r s e db yd a l i a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c tf o u n d a t i o n ( 2 0 0 7 a 10 g x l 2 0 ) ，t h i s t h e s i sf i n i s h e sw o r ka sf o l l o w i n g ： t h i st h e s i sa n a l y z e sm a n yk i n d so fa i rd i s c h a r g i n gm e c h a n i s ma n di o n i z a t i o ns t a t i o n t h e c o r o n a d i s c h a r g ew i t hn e g a t i v e d i r e c t c u r r e n ti sc h o o s e da st h ed i s c h a r g i n gm e t h o d n e e d l e - c a n i s t e rd i s c h a r g i n gi sm o r ee f f e c t i v ea n ds i m p l e rw h i c hi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s a f t e rc h o o s i n ge l e c t r o d es t r u c t u r ea n dd i s c h a r g i n gm e t h o d ，w ed e s i g nt h ee l e c t r o s t a t i c c o o l i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi n c l u d e so fp o w e rs u p p l y ，a i rp r e s s u r es y s t e m ，e l e c t r o d ea n dc u t t i n g s y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s c h a r g i n gs t a t u si so p t i m a lw h e nt h ea i rp r e s s u r e i s0 4 m p a , d i eo p e n i n gi s15 m ma n de x t e r n a lv o l t a g ei s5 1 k va n dt h ei o n i cc o n c e n t r a t i o ni s 1 2 x10 u n i c m 3 c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld r yc u t t i n gt e c h n o l o g y ，e l e c t r o s t a t i cc o o l i n g t e c h n o l o g yi sb e t t e ri nc h i pb r e a k i n g ，p r o l o n g i n gl i f e ，i m p r o v i n gw o r k p i e c e sq u a l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cc o o l i n g ；d r yc u t t i n g ；c o r o n ad i s c h a r g e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 醢重逢塾壬邀盐直! l 建照避宝 作者签名： i 虱盛墅 日期： 釜9 j 年坠月盟日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：迦! 年陛月l 日 日期：塑垒i 年垒月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题背景及研究意义 1 1 1课题的研究背景 随着科技的不断进步，制造业已经成为各个国家工业发展的基础，其发展程度是表 征一个国家综合国力水平的主要因素之一。工业革命以来，制造业一方面极大的促进了 物质文明的发展，另一方面也给人们的生活带来了很多不利影响，特别是对环境的污染 较为严重，其中机械制造业就是环境污染的主要源头。金属切削是机械制造加工的重要 组成部分，大约占整个机械加工的2 5 4 0 1 j 。 传统的金属切削过程中，常常用切削液对切削区域进行润滑、冷却，切削过程中使 用切削液可以延长刀具寿命、保证工件的表面质量和加工精度。在对加工精度要求较高 的加工过程中，切削液的作用更加明显。但是在长期的使用过程中，切削液也存在很多 的问题，主要表现为以下四个方面： ( 1 ) 污染环境 金属切削过程中使用切削液会对环境造成多方面的污染。常用切削液中含有矿物 油，该矿物油生物降解能力较低，会长时间滞留在土壤和水中，而这种矿物油对水中的 微生物有很强的毒性，当该矿物油的含量超过8 p p m 时，水中的植物就会死亡，含量超 过3 0 0 p p m 时，水中的鱼类会死亡。切削液中也常用磷酸钠作防锈剂，但是过多的磷酸 盐会导致湖泊、河流和近海区域出现赤潮。虽然现在会对使用过的切削液进行后续处理， 但仍有大量污染物进入环境循环，不能从本质上解决切削液的环境污染问题。 ( 2 ) 较大的增加了加工成本 大量使用切削液增加了制造加工成本。在欧洲汽车制造业中，切削液的成本占总制 造成本的1 6 9 ，其中包括购买切削液的费用、使用切削液所需设备费用、维护及废液 处理费用等【2 】。常规的切削加工过程中，切削液的费用也高达整个加工费用的1 5 3 0 ， 而刀具成本仅占总制造成本的7 5 。 ( 3 ) 损害工人的身体健康 切削液会在以下三个方面对人体健康造成危害。第一是对操作者的皮肤有危害，因 为切削液中的杀菌、防腐的添加剂具有刺激性，会导致皮肤红肿、裂口甚至发生皮炎： 二是切削液中的亚硝酸钠等添加剂具有毒性，研究发现亚硝酸钠与胺盐结合会形成亚硝 胺，亚硝胺具有致癌性，如果长期与亚硝胺接触，会诱发癌症；三是会对呼吸器官造成 危害，切削液在使用过程中伴有刺激性气味与油雾，吸入会对呼吸器官造成危害，导致 静电冷却干式切削实验研究 呼吸道疾病；产生的油雾还会对眼睛造成一定的刺激，因此长时间使用切削液，会损害 工人健康【3 1 。 ( 4 ) 降低了机床的使用性能。 切削液是溶液状态的，具有导电性。在切削过程中，如果发生漏电，就可能产生 电路问题，这样不但会对机床造成一定程度的伤害，缩短机床的寿命，也会威胁到工人 安全。并且切削液具有一定腐蚀性，长期使用切削液会导致机床加工精度降低。 由上文可知，虽然切削液对金属切削能产生积极影响，但也存在一系列的危害，尤 其是在环境污染日益严重的今天，已经无法适应现今社会对机械制造业可持续发展的要 求。为了解决这一矛盾，人们提出了绿色切削，这是一种全新的加工技术。 1 。1 。2 课题的研究意义 绿色切削是在绿色制造基础上发展起来的全新切削技术。绿色制造技术是指在保证 产品的成本、质量、功能的前提下，综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造技术 【4 1 。它使产品在设计、制造、使用、报废的整个生命周期中环境污染最小化甚至不产生 环境污染，达到了保护环境的目的，不会破坏生态环境，充分利用了资源，能源消耗低， 是现代制造业的主要发展趋势之一【4 l 。绿色切削分为准干式切削、干式切削和使用绿色 介质进行切削等切削技术，而干式切削是其中最有发展前途的一种。 干式切削是指为了保护环境和降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液，用 特定的刀具、机床和相关的加工技术以及其他的冷却方法获得所需加工效果的一种加工 方法【5 1 。干式切削技术包括两个方面：一是不使用切削液，这样就可以彻底避免切削液 的不足；二是在不使用切削液的前提下，保证工件的加工质量、加工精度及刀具寿命。 所以干式切削除了停止使用切削液外，还要选择合适的刀具、机床、切削用量、切削速 度等设备和切削参数，设计研究新的冷却设备取代切削液，以期得到更好的切削效果。 干式切削主要包括液氮冷却干式切削、低温冷风干式切削、高速干式切削和静电冷 却干式切削等技术1 6 】。 ( 1 ) 液氮冷却干式切削技术。液氮冷却干式切削技术是用液氮使切削区域处于低 温冷却状态进行切削加工【6 1 。该方法效果较好，适应性较强，但此项技术需要附带液氮 分离装备及液氮传输装备，增加了切削成本，而且液氮的使用对系统安全性能也有要求， 这些会限制液氮冷却干式切削技术的应用范围。 ( 2 ) 高速干式切削技术。高速干式切削技术是指在金属切削过程中，切深小、走 刀量大、主轴转速高的切削技术【6 】。当进行高速切削时，切削过程产生的热量会随着切 削速度的增加而减小，这样会使切削区自动冷却，不需要切削液也可以得到需要的冷却 大连理工大学硕士学位论文 效果。但该技术对机床的转速和刚度、刀具的强度等有较高的要求，增加了成本，不适 合大范围应用。 ( 3 ) 低温冷风干式切削技术。低温冷风干式切削是一种将混有少量油性润滑剂的 - 2 0 。3 0 。的冷风，经喷嘴送到切削区，对刀具和工件进行冷却、润滑的新型金属切削 技术 6 1 。该技术比高速干式切削技术效果好，应用范围广，但是需要设计制造同步的辅 助设备，植物性润滑油的用量也不容易准确控制，整个机床的装置比较繁琐，成本较高。 ( 4 ) 静电冷却干式切削技术。该方法是一种将压缩空气高压电离后得到含有大量 自由离子的电离气体通过喷嘴吹到切削区域，对切削区域的刀具和工件进行润滑、冷却， 并最终得到符合加工要求工件的特殊金属切削工艺。静电冷却干式切削是一种有着很好 的发展前景的干式切削方法，与其他三种干式切削和传统的切削方法相比较，有以下几 个优点： a ) 避免了使用切削液时的环境问题和损害工人身体健康问题。由于静电冷却干式切 削技术不使用切削液，就从根本上避免了切削液的弊端。而该方法使用的材料是空气， 不会对环境造成污染，更不会对操作人员造成危害，因此也就不会产生新的环境问题。 b ) 加工成本较低。静电冷却干式切削技术工作过程中主要消耗的是电能和空气，成 本较低，与传统的使用切削液的加工过程相比，避免了切削液的购买、运输及后续处理 的费用；与其他的干式切削方式相比，该方法的辅助设备也较少，对机床的要求较低， 使机床结构更为简单，降低了切削成本。 c ) 应用范围较广。静电冷却干式切削技术采用的是电能和压缩空气，其辅助设备较 为简单，易于操作，对刀具和机床没有特别的要求，可以安装在大多数的机床上使用， 所以与其他的干式切削方式相比，具有较广的适用范围。 通过对静电冷却干式切削与传统切削方法和其他干式切削方法进行比较可知，静电 冷却干式切削技术在生态、经济、技术等方面都有巨大的研究价值和应用价值，对研究 保护环境的前提下保证加工效率的切削方法具有积极的意义，因此本文将对静电冷却干 式切削技术进行重点研究。 1 2发展现状 1 2 1 国外的研究现状 静电冷却的研究最早起源于对放电现象的观察。1 7 0 9 年，f f a u l k s b e e 发现将一根 带电圆管靠近面部时会有微弱的吹风感，首次发现了离子风的存在，并曾经引起麦克斯 韦、法拉第、牛顿等的注意。十九世纪末，a p c h a t t o c k 对静电冷却干式切削技术做了 大量的研究分析，但始终未能引起广泛关注【7 1 。 静电冷却干式切削实验研究 直到二十世纪五六十年代，静电冷却才在热传导方面引起人们的重视。日本是最先 对静电冷却技术进行深入研究的国家。在此之后，前苏联、英国、美国也开始重视该技 术的研究，英国和美国主要侧重理论和实验研究，前苏联则更重视静电冷却技术的工业 应用价值。 美国科学家b l o m g r e ns r e t a i 于1 9 7 2 年对“冷却刀具和工件的方法与设备”进行了 一系列实验，所用设备的原理图如下图1 1 所示，实验过程中采用4 5 和4 6 两个探头进 行冷却，探头4 5 冷却工件的切削区域，探头4 6 冷却刀具，采用高压直流电源与电极结 合进行电晕放电，工作时电源电压高达1 0 2 5 k v ，b l o m g r e n 认为探针接正极或负极都可 以，其放电效果和冷却效果差别不大，并指出静电冷却技术无论是在冷却效果方面还是 在降低成本方面，都要优于切削液。 图1 1双喷头静电冷却设备示意图嗍 f i g 1 1 d o u b l ee l e c t r o d e se l e c t r o s t a t i cc o o l i n ge q u i p m e n t m a p 【8 l 1 9 7 4 年，东京的日本产品工程公司对外公布，如果加工过程中参数设定合适的话， 静电冷却技术能提高刀具寿命3 0 3 0 0 9 1 。并指出电极间距为1 5 m m 、放电电压为 2 5 k v ，并采用直流放电时，放电状态最佳。当静电冷却的喷嘴与切削区之间距离为 5 0 m m 8 0 m m 、喷嘴与刀尖之间的夹角为0 1 5 。时，冷却效果都很好。 大连理工大学硕士学位论文 1 9 7 5 年，日本人h i r o s h i e d a 和k o z o k i s h i 通过实验指出静电冷却过程中会产生离 子风，为了证明离子风的存在进行了针板式放电实验，在两极之间加高电压，由于离 子风的作用，撒有铝粉的液面上会出现同心的圆形波纹，离子风实验结果如图l3 ( a ) 所 示。他们还研究了静电冷却干式切削技术的温度控制过程，得出了具体的结论，并将该 结论应用到了车削及焊接过程中，应用过程中的实验装置如下图13 ( b ) 所示，研究过程 中得出了如下结论：( 1 ) 以切削温度为7 0 0 为例，应用静电冷却技术可以将温度降低 到2 0 0 c 3 0 0 ，约占原温度的3 0 4 0 ，改变主轴转速和切深等切削参数时，温度的 降低比例不变。( 2 ) 静屯冷却干式切削过程中产生离子风的部分只占电能总量的 1 0 2 5 ，太部分的电能转化成了光能、热能和声能。 柚离子风实验结果图m 静电冷却切削装置实物图 图12 静电冷却切削实验圈“” l 2d r ye l e c t t o s t a l i cc o 。l i n ge q u i p m e n te x p e r i m e n t m a p l l q 1 9 7 6 年，美国的ked e m o r e s t 和rlg a u s e 对静电冷却的系列参数进行了研究， 得出以下结论：( 1 ) 静电冷却的放电电压越高，冷却的效率也越高。( 2 ) 冷却率是热 源与周围媒介之间温度差的三角函数。( 3 ) 实验结果显示放电电流根可能是影响冷却 率的主要影响因素之一。( 4 ) 静电冷却技术在真空中是无效的，必须要有能进行温度 传递的媒介( 比如说空气) ，而且媒介与热源之间必须要有温度差，当媒介温度接近热 源温度时也是无效的。 1 9 8 0 年，日本机械研究所对1 9 7 4 年该所提出的静电冷却干式切自啦术的应用作了 进一步研究，他们不仅扩充了了静电冷却技术相关理论，而且设计制造了具体的实验装 置进行实验，如图1 3 所示，研究者将切自惘量也作为一个影响因素，弥补了| 三c 前只考 虑放电参数对静电冷却影响的不足，得出的结论也更为准确。研究者还改进了静电冷却 千式切削的实验装置，设计的喷嘴具有多个自由度并且采用集束电极的形式，不但有利 于调节喷嘴位置而且可以得到更多的离子气体。 静电冷却干式切削实验研究 针状 乜极 图1 3 集束电极式静电冷却技术装备示意图n 订 f i g 1 3 c l u s t e re l e c t r o d ed r ye l e c t r o s t a t i cc o o l i n ge q u i p m e n ts k e t c hm a p i 1l 】 1 9 8 4 年，日本的粲罔幸男和慈追守通过实验得出结论【1 2 】，在静电冷却的电晕放电 过程中，会产生大量的带电离子和臭氧，这些带电离子和臭氧分子混合在压缩气体中， 提高了气体的导热系数，使受热的刀具和工件更快的冷却下来，提高了气体的热传导能 力。 1 9 9 1 年j a m e s b b e a l 弥补了以前静电冷却技术微观原理的不足，详细论述了静电 冷却对焊接技术的冷却作用，解释了静电冷却的微观原理：针筒式电极接高电压后， 会在针一筒间产生放电，针电极附近的空气会被离子化，电极问产生大量的带电粒子， 随着放电过程的进行，产生的正负离子会不断的相互中和，形成离子风。空气中的带电 粒子与气体分子相互碰撞，在电场的作用下向着电极方向不断移动，形成空气对流。针 电极周围形成的带电粒子及臭氧提高了周围气体的热传导率，有利于工件和刀具的冷 却。j a m e sb b e a l 对静电冷却的这一微观解释深化了对该技术原理方面的研究，也拓展 了静电冷却在切削上的应用。 1 9 9 9 年，俄罗斯的i z y a s l a vd a k h m e t z y a n o v 和a t i kz a m m a n 设计了如图1 4 所示 静电冷却干式切削设备，其中，l 是电极外壳，2 是电极内芯，3 是气动系统，4 是高压 电源，l l 是工件，1 6 表示接地，1 7 是刀具。对相同条件下的传统加工方法和静电冷却 干式切削的刀具耐用度进行了比较实验，用型号为m c 1 4 6 0 车床、p 6 m 6 合金车刀车削 4 5 号钢，通过对实验数据的分析得出车刀耐用度在静电冷却的条件下比传统条件下提高 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 了1 4 5 倍的结论。并且进一步指出放电电流的变化与离子气体的流速变化有关，而且是 按比例正相关，放电电流的强度与离子气体的离子浓度是相关的。还指出这种设备可以 用来冷却多种材料、多种加工方式，比如磨削、铣削、滚齿加工等，该设备可以应用于 大部分已知的机床，包括数控机床及遥控型生产设备。 图1 4 双接地式静电冷却干式切削设备示意图n 羽 f i g 1 4 d o u b l eg r o u n d i n ge l e c t r o s t a t i cc o o l i n ge q m p m e ms k e t c hm a p i l 3 l 2 0 0 1 年，俄罗斯的y u p k h o l m o g o r t s e v 对在滚齿上使用静电冷却技术进行了研究 1 1 4 ，利用功率放大器、滤波器、高压整流器和可调变阻器等电器元件，设计组装了量程 为1 - 8 k v 的脉冲电源，与电极系统和气动系统组成针筒式脉冲电晕放电系统，对滚齿 加工过程进行静电冷却实验，认为输出电流为5 0 6 0 衅，输出电压为1 - s k v ，气压为 0 1 5 2 m p a ，输出功率不高于2 5 w ，电极喷嘴与切削区之间的距离为3 0 5 0 m m 时，静电 冷却干式切削的效果较好，并且指出静电冷却技术不仅能够到达冷却的目的，而且还能 改善工件表面的加工质量，提高刀具寿命。 2 0 0 7 年，俄罗斯科学家e s k i s e l e v ，v n k o v a ln o g o v 和v a k o r s h u n o v 三人对 静电冷却的工作原理和实验设备进行了研刭”】，通过实验证明电晕放电过程产生的离子 可以在工件刀具之间形成一层保护膜，以减小切削过程中的切削力、刀具与工件之间的 摩擦，不但减小了刀具磨损，而且可以减少热量的产生。产生的臭氧离子还提高了附近 介质的热传导能力，进步加强了切削过程中的散热效果，具有冷却加工过程、提高加 静电冷却干式切削实验研究 工效率等一系列优点。同年，美国的d a v i db g o ，s u r e s hv g a r i m e l l 和t i m o t h ys f i s h e r 用自己设计的实验设备进行了实验，在电流o 5 - 5 1 衅、电压2 9 9 7 4 5 7 5 k v 、切削速度 0 2 1 2 m s 、正负电极距离可调等实验条件下，静电冷却干式切削与常规干式切削进行了 比较实验，并对对比实验过程中的切削区温度变化进行了记录及分析比较，最终得出的 结论是：静电离子使介质的热传导能力提高了两倍多，扭曲了工件的接触边界层，使其 更容易切削，也更容易传递热量。 2 0 0 9 年，尼日利亚的s o y a k u b u 对“在切削过程中使用纯电离介质冷却 进行了 研究，并且设计了自己的静电冷却设备，如下图1 4 所示。用1 6 k 2 0 p f l 车床、硬质合 金涂层刀具和4 5 号钢进行了一系列实验，当电晕放电电流达到5 0 衅时，离子冷却的效 果达到最好，刀具的磨损程度也最低。研究指出离子生态气体与切削液相比提高了刀具 寿命1 5 倍，与干式切削相比提高了2 5 倍。用离子气体冷却比干式和切削液冷却提高 表面质量1 1 15 。这种方法的环境污染程度只有使用切削液的三分之一。 图1 5 纯电离介质静电冷却设备示意图n 6 1 f i g 1 5d r ye l e c t r o s t a t i cc o o l i n ge q u i p m e n ts k e t c hm a p l l 6 1 国际上许多知名公司对静电冷却干式切削技术的实验研究结果及由俄罗斯各主导 汽车企业对静电冷却技术的研究都表明，在汽车制造业和机械工业中使用静电冷却干式 切削技术可以取得较好的技术效益和经济效益。 大连理工大学硕士学位论文 目前，罗士技术科研公司已经开发出在许多国家获得专利的生态型静电冷却干式切 技术，该技术可以在很多情况下代替切削液【1 7 】。许多国家，如俄罗斯、日本、德国、美 国等，都在研究这项技术上取得了较大的成果。 1 2 2 国内的研究现状 由于静电冷却干式切削技术是近年来刚发展起来的新型特种加工技术，对这项技术 的研究到目前为止还处于起步阶段，我国对这项技术的研究还很少。主要是么炳唐对此 进行了研究，并且指出此项技术还可应用于铣削、钻孔、插齿等切削加工中。 2 0 0 2 年，中国机电日报发表文章介绍了有关静电冷却的情况，但文中只对静电冷却 干式切削的原理和装置进行了简单的介绍，并没有对该技术做进一步的探讨。 2 0 0 3 年，么炳唐首次对静电冷却干式切削技术进行了综述性的介绍【1 8 】，他简单描 述了该技术的实验设备，对静电冷却技术对切削过程中残余应力的影响、对机床及刀具 的要求和在切削过程中所起的作用进行了讨论，得出的结论如下：在切削过程中使用静 电冷却干式切削技术可以减d , 3 n i 后的残余应力，其中较小的残余拉应力可以采用随后 的抛光法予以消除。同年，么炳唐补充了静电冷却干式切削技术的基本原理。 2 0 0 7 年，康亚琴对静电冷却干式切削技术做了研究【l9 1 ，并且对静电冷却干式切削 的实验过程进行了计算机模拟，得出了以下结论：采用静电冷却干式切削技术可以得到 符合加工要求的工件，能够得到与用切削液冷却相同的冷却效果，并且不会对环境造成 污染。 1 3 论文的主要工作 综上所述，国外对静电冷却干式切削工作机理还没有统一的结论，没有进行相关研 究。国内对静电冷却的研究还停留在理论阶段，没有设计出静电冷却设备，也没有对静 电冷却干式切削技术进行过实验研究。 本文在前人研究的基础上，设计了结构简单、操作方便的静电冷却干式切削装置， 并针对该装置的工作机理进行了理论分析和实验分析，对离子气体的冷却作用及静电冷 却的作用机理做了一些探讨。 本论文的主要研究工作是 l 、将针对静电冷却中气体放电的特点，分析基于汤森放电原理的气体放电理论， 研究正、负极性直流电晕放电的原理和过程，揭示静电冷却对干式切削冷却加工过程影 响的作用机理。 2 、将设计并制造静电冷却干式切削的整套实验设备，并调试整个装置。通过实验 得出针筒式负直流电晕放电的伏安特性曲线，优化电源和电极系数。 静电冷却干式切削实验研究 3 、将应用该设备的静电冷却干式切削技术与传统的干式切削技术进行实验，对被 加工工件的表面质量、排屑状态、同等条件下的刀具寿命等参数进行比较实验。 大连理工大学硕士学位论文 2 静电冷却干式切削理论基础 2 1气体放电 气体放电是电离空气产生离子的主要方法之一。通过某种机制使一个或几个电子从 气体原子或分子中脱离而形成的气体媒介称为电离气体，如果电离气体由外电场产生并 形成传导电流，这种现象被称为气体放叫2 0 1 。气体放电过程是指电场中的带电粒子，受 电场力的作用而与中性粒子或其他带电粒子相互碰撞，最终造成电场内气体的激发、电 离、复合及电子发射，这些过程将电场内的气体变成了等离子体 2 0 1 。气体击穿指的是气 体由非自持状态转变为自持状态的过程。自持放电是指离开外加电离源时，放电可以继 续的现象。非自持放电是指必须要有外加电离源存在，放电才能继续的现象。当放电过 程由非自持放电过渡到自持放电时，称为气体的击穿，这种放电理论是英国物理学家汤 森提出的。 为了解释放电过程，汤森放电引入了a 、和y 三个参数以便描述气体电离产生正 离子和电子的机理。仅、和丫也分别称为汤森放电的第一、第二和第三电离系数。其中 a 表示单个电子由阴极到阳极漂移单位距离过程中与中性粒子进行的电离碰撞数或碰撞 产生的离子电子对数目。上述过程又叫做a 过程。表示单个正离子由阳极到阴极漂移 单位距离过程中与中性粒子发生的电离碰撞次数，即碰撞产生的离子电子对数目，也 就是离子主导产生的电离碰撞次数。这一过程也叫做卢过程。y 表示单个正离子轰击阴 极表面得到的平均电子数目，这一过程叫做y 过程。汤森放电理论认为所有电子从阴极 逸出都是正离子撞击的结果，可是后来的实验证明，在有些放电过程中，还存在次级电 子发射和光电发射。汤森放电理论可以用公式2 1 表述【2 l 】，在式中，d 表示放电的极间 距。 ! ! 兰生：p ( 砷p a 2 + 1 7 ( 2 1 ) 后人通过气体放电实验证明气体放电击穿理论是正确的，因此很长时间以来该理论 都被认为能够合理的反映气体放电的实际情况。但是随着人们对气体放电理论研究的深 入，发现汤森放电理论存在一定的缺陷，对于有些现象不能用该理论作出合理的解释。 通过对汤森放电理论的研究，罗国夫斯基考虑的放电过程中产生的电荷对原电场的影 响，提出了罗国夫斯基电荷理论，使汤森放电理论得到进一步发展。 随着放电理论的不断发展和丰富，为了弥补汤森放电理论的不足，1 9 3 9 年r a e t h e r 提出流注击穿理论，推动了气体放电理论的进步。他研究了电子碰撞、光电离和电场内 静电冷却干式切削实验研究 电荷的电场效应，不考虑，过程。他认为，放电过程中以偶然电子作为种子电子，在电 子碰撞过程中会在阳极方向产生电子雪崩。此时，质量较大的带电离子还停留在原处， 而新产生的电子聚集在电子雪崩的初始部位。因此，在电子崩的周围就会出现较强的电 场。该空间电荷电场促进了电子崩附近由光电子生成电子，进而产生很多的小规模后续 二次电子雪崩。二次电子雪崩过程中产生的电子和一次电子雪崩中残留的离子结合形成 等离子体流柱，该流注由阳极向阴极扩展，当伸展到阴极时就会发生电火花击穿。流注 理论很好的解释了高压状态下的火花放电过程。放电过程中的电子雪崩如图2 1 所示 图2 1电子雪崩示意图陇1 f i g 2 1 e l e c t r o na v a l a n c h es k e t c h l 2 2 l + 自持放电受很多因素的影响，例如气体的压强、种类，电极的形状、材料、极间距 等，其放电过程中常常伴有发光、发声等现象。针对不同的自持放电条件，要选取不同 的放电形式。常见的气体放电类型有电晕放电、辉光放电、电弧放电和电火花放电等。 自持放电过程中的伏安特性如图2 2 所示 大连理工大学硕士学位论文 螂 曾 毫馥 图2 2 典型的气体放电伏一安特性曲线旺3 1 f i g 2 2t y p i c a lv ic h a r a c t e r i s t i co fg a sd i s c h a r g e 【2 3 l 2 1 1电晕放电 电晕放电是指带电体在液体或气体介质中出现局部电离和激发状态，但正负电极之 间并没有击穿而出现的自持放电过程【2 4 1 。由于该放电过程产生的多为不均匀电场，放电 区域通常像一个淡淡的光晕，因此叫做电晕放电。 电极的形状及几何尺寸对电晕放电影响很大。尤其是在曲率半径较小的针电极附 近，电场分布不均匀，电场强度很大，其他部分电场强度较小。在针形电极的整个电晕 放电过程中，气体电离主要集中发生在局部电场强度很大的针尖周围，伴随电离的发光 现象也只局限在这一区域，此区域被称为电晕区或电离斟2 8 j 。而在电场内的其他区域， 很少进行或不进行电离。放电电流是以正离子、负离子和电子定向迁移的形式进行的， 所以电晕区以外的其他区域也被叫做迁移区。当放电过程刚开始时，产生的放电电流很 小并且没有声音，这一过程是非自持放电。当放电电压增大到某一值时，产生电晕放电， 此时的电压就叫做起晕电压或阀值电压。此时两极间的电流明显变大，尖端电极处出现 淡淡的光晕。随着电压的持续增加，放电电流越来越大，发光区的亮度和范围也越来越 大。当电压进一步升高时就会产生火花放电。 电晕放电是自持放电阶段，自持放电的形成条件是【2 4 】： r， 厂ie x pi 位- r 7 ) d t - li = l ( 2 2 ) l ? j 静电冷却干式切削实验研究 其中，a 和叩分别为汤森理论的第一电离系数和吸附系数，) ，是次级电离系数，他 们是气压尸和电场强度e 的函数。电晕放电的极性与最小曲率半径的电极极性有关，如 果最小曲率半径的电极接正极，则为正电晕放电，接负极则为负电晕放电。正电晕放电 顺序经历辉光放电、刷状放电、流注放电三个状态，负电晕放电与流注电晕放电类似。 初期的电晕电流有脉冲的性质。以负直流电晕放电为例，当放电电场为不均匀电场时， 各点的电场强度不一致，曲率半径很小的尖端电极处电场强度最高，此处首先达到临界 场强，产生电晕放电，而此时其他的外围区域由于场强太低就会阻止电离区域的发展， 形成特里切尔( t r i c h e l ) 脉冲。随着外加电压的不断增高，电场强度变大，空间电荷的 阻碍作用逐渐减小，该脉冲会越来越小，最后完全消失。随后，进入无脉冲电晕放电状 态( p u l s e l e s sc o r o n a ) 。电压的持续升高会使放电变成辉光放电( g l o w ) ，最后产生电火花击 穿。负直流电晕放电状态演化过程如图2 3 所示。 t f l c h e ip u l s e p u l s el e s sc o r o n a ，s p a r k gp o w 图2 3 负直流电晕放电状态演化乜5 1 f i g 2 3n e g a t i v ed i s c h a r g ep a t t e r ne v o l u t i o n l 2 5 1 2 1 2 辉光放电 随着放电电压的继续增加，电晕放电初期的特里切尔脉冲就会消失，接着进行无脉 冲电晕放电。如果电压持续升高，电极间就会进行辉光放电。 辉光放电和电晕放电的区别是，放电电流不同，结果导致放电电场内的带电粒子的 组成也不同。辉光放电也是一种自持放电过程，它依靠二次电子维持其进行。在放电管 0f， 一、， 、一 大连理工大学硕士学位论文 的放电过程中，玻璃管内气压为几百帕，两端装有平板电极，通以直流高压。放电电压 达到阀值时，进行放电，会出现明暗相间的现象，如图2 4 所示。阴极端是一个较薄的 暗区，随后是负辉光区，电子在此处可以得到足够大的能量促使原子激发，一般情况下， 阴极暗区会掩盖阿斯顿暗区。随后是克罗克斯暗区，此处的电子能量主要用于碰撞，产 生的电子与气体分子碰撞生成负辉光，此处的发光最强。在这之后是法拉第暗区与正柱 区。正柱区的整体是显示电中性的，也是辉光放电的主要部分。最后部分是阳极辉光区， 电子在接近阳极之前从电场得到足够的能量，激发原子发光形成了该区域。 对于图2 4 中放电强度反而分布情况，电荷量、电流密度、电位等参数的分布如图 2 5 所示。 阴极 阿斯顿暗隧阴极晴 图2 4 辉光放电的放电强度分布啪 f i g 2 4 l u m i n o u si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f g l o wd i s c h a r g e l 2 6 】 h 电窿分希 d ) 净空闫屯 e 宅麓废 气j 工 l ，r 、l i 一 p k 最 一 r 一 矿 1 、 y j r i p r r 图2 5 辉光放电的参量分布图矧 f i g 2 5 d i s t r i b u t i o ng r a p ho fg l o wd i s c h a r g ep a r a m e t e r s l 2 6 】 静电冷却干式切削实验研究 2 1 3电弧放电 电弧放电过程中阴极电位降低，电流密度较大【2 6 j 。电弧放电也是一种自持放电状态。 电弧放电与其他放电状态的最大不同是维持放电所需要的电压非常低。电弧放电的阴极 位降低与阴极电子密度有密切关系。电弧放电过程中的电流密度较大，这就需要阴极产 生足够多的电子，正离子撞击阴极表面产生的电子量不足，所以在次放电过程中肯定存 在其他的电子产生方式。 电弧放电分为阳极位降区、阴极位降区和弧柱区三个区域。阳极区非常短，因为它 周围的正粒子密度小于负粒子密度，所以电位降低很大。阴极区的长度也很短，电流密 度大，约为1 0 5 1 0 9 从m 2 ，在阴极上出现斑点。弧柱区的电场强度小且均匀，正负离子 浓度大体相等。电极斑点和弧光柱是电弧放电过程中最明显的特征。这三个区域都会产 生收缩，但是以阴极区的收缩最为严重，这是磁压缩效应和电弧散热作用的结果。大气 压下，电弧放电有清晰的轮廓曲线，当气体较为稀薄时，电弧放电的轮廓弧线不清晰。 放电过程中，气体的温度很高。 电弧放电方法有以下三种：( 1 ) 将正负电极接触，分开。此时，如果外加电压足 够维持放电，就能进行电弧放电；( 2 ) 提高外加电压，使之在气体间隙间击穿，这样 也能得到稳定的电弧放电； ( 3 ) 增大放电过程中的电流和气压，会将辉光放电转变成 电弧放电。 2 1 4 火花放电 火花放电是一种不连续的放电过程。它的外观特点是，能够产生明亮弯曲呈分枝状 的细束带，该细带瞬间穿过电极间隙，然后很快熄灭，如此一个一个的间断进行。火花 放电产生的放电通道在到达对应电极前就会熄灭。在火花放电过程中，电极间隙内的等 离子体分布是