Pneumatic Atomizer Design and Droplet Characterization for MQL in Metal Cutting

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.04.008

Abstract

Abstract:

The atomizer， as the core component of the built-in atomized MQL system， directly affected the atomization efficiency of MQL oil and cutting performance. The atomization mechanism of lubricating oil and the key factors influencing atomizer performances were thoroughly analyzed based on the liquid spray theory herein. A pneumatic atomization-type MQL oil mist atomizer was developed. Through a combination of atomizer performance evaluation methods and experimental research， the coupling mechanism of factors such as throat diameter， suction aperture， and gaps between orifice walls on atomizer performance was clarified. Based on the analysis of the laser spray particle size analyzer， the superior atomization performance of the atomizer with oils of varying viscosities was verified. The particle size number frequency distribution is concentrated between 0.8-10 µm， with the volume frequency distribution peaking at 25 µm and the Sauter mean diameter D₃₂ ranging from 5-12 µm.

Key words: minimum quantity lubrication（MQL）, atomizer design, pneumatic atomization, droplet characterization, metal cutting

摘要：

雾化器作为内置式雾化型微量润滑（MQL）装置的核心部件，其性能直接影响润滑油的雾化效率与切削加工效果。基于液体喷雾学理论，深入分析了润滑油雾化机制及影响雾化器性能的关键因素，研发了一种气动雾化型MQL油雾化器。结合雾化器性能评价方法与实验研究，明确了喉管直径、吸油管孔径及孔壁间隙对雾化器性能的耦合作用机理。基于激光喷雾粒度仪数据，验证了雾化器在不同黏度油品下的优异雾化表现，雾粒直径的数量频度分布集中在0.8~10 µm之间，体积频度分布峰值位于25 µm，索特平均直径 $D 32$ 为5~12 µm。

关键词: 微量润滑, 雾化器设计, 气动雾化, 雾粒特性, 金属切削

CLC Number:

TG506.9

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Figures/Tables 17

Tab.1 Influence parameters of MQL oil atomization

序号	影响参数	参数类型	影响对象
1	进气孔截面积	雾化器结构参数	临界韦伯数
2	出油口截面积	雾化器结构参数	临界韦伯数
3	进气压力	工艺参数	临界韦伯数
4	油品表面张力、黏度、密度等	油品物理特性	扰动波长和临界韦伯数

Fig.1 Schematic of the self-priming venturi atomizer

Fig.2 Sectional diagram of atomizer

Tab.2 Different injection tube arrangements of atomizer

序号	喉管直径 $d t$ /mm	吸油管孔径 $d e$ /mm	孔壁间隙 $d c$ /mm	间隙截面积 $A c$ /mm²
1	1.2	0.5	0.10	0.18
2		0.5	0.15	0.27
3		0.5	0.20	0.35
4	2.6	1.0	0.10	0.40
5		1.0	0.15	0.59
6		1.0	0.20	0.79
7		1.5	0.10	0.40
8		1.5	0.15	0.59
9		1.5	0.20	0.79
10		2.0	0.10	0.40
11		2.0	0.15	0.59
12		2.0	0.20	0.79

Tab.2 Different injection tube arrangements of atomizer

序号	喉管直径 $d t$ /mm	吸油管孔径 $d e$ /mm	孔壁间隙 $d c$ /mm	间隙截面积 $A c$ /mm²
1	1.2	0.5	0.10	0.18
2		0.5	0.15	0.27
3		0.5	0.20	0.35
4	2.6	1.0	0.10	0.40
5		1.0	0.15	0.59
6		1.0	0.20	0.79
7		1.5	0.10	0.40
8		1.5	0.15	0.59
9		1.5	0.20	0.79
10		2.0	0.10	0.40
11		2.0	0.15	0.59
12		2.0	0.20	0.79

Fig.3 Measuring system of atomizer gas consumption rate and negative pressure value

Fig.4 Experimental system of atomizer oil flow rate research

Tab. 3 MQL oil with different viscosity

油品类型	主要成分	40 ℃黏度 $µ l$ /（mm²·s $- 1$ ）	表面张力 $σ l$ /（mN·m $- 1$ ）
SE1	合成脂	20	23.8
HE30	合成脂	32	23.3
EC46	合成脂	46	31.0
N60	合成脂	60	30.8
纯水	水	0.65	71.8

Tab. 3 MQL oil with different viscosity

油品类型	主要成分	40 ℃黏度 $µ l$ /（mm²·s $- 1$ ）	表面张力 $σ l$ /（mN·m $- 1$ ）
SE1	合成脂	20	23.8
HE30	合成脂	32	23.3
EC46	合成脂	46	31.0
N60	合成脂	60	30.8
纯水	水	0.65	71.8

Fig.5 Experimental system of atomization performance research

Fig.6 Effect of sectional area on gas consumption rate

Fig. 7 Effect of hole wall clearance on negative pressure value

Fig.8 Effect of sectional area of hole wall clearance on injection flow rate

Fig.9 Effect of inlet pressure on injection flow rate

Fig.10 Effect of oil absorption depth on injection flow rate

Fig.11 Effect of oil viscosity on injection flow rate

Fig.12 Effect of oil viscosity on droplet cumulative volume distribution

Fig.13 The span value of different oils

Fig.14 The sauter mean diameter（SMD） D32

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