楊簡彰 王成勇 袁堯輝, 袁松梅 王西彬 梁賜樂 李偉秋

1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，5100062.科益展智能裝備有限公司，廣州，5105303.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京，1001914.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京，100081

0 引言

在金屬切削過程中，使用切削液能起到降低切削溫度、潤滑、防腐蝕和沖洗切屑等作用，故切削液常被用來改善加工工況及提高工件質(zhì)量，但近年來，傳統(tǒng)澆注式供給切削液帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，飛濺的切削液接觸到操作者的皮膚，會對其人身健康產(chǎn)生危害，且澆注式切削需要建立一個復(fù)雜且昂貴的切削液循環(huán)系統(tǒng)，這無形中也增加了制造成本。相關(guān)研究報告顯示，切削液的購置與處理費(fèi)用約占總加工成本的16%，對于部分難加工材料，切削液的成本更會增加至20%[1]。在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，制造業(yè)必須探索新型冷卻潤滑方式，創(chuàng)造綠色、安全、清潔的生產(chǎn)環(huán)境。

為解決傳統(tǒng)加工中大量使用切削液帶來的環(huán)境污染大、使用成本高以及切削廢液難處理等問題，各國學(xué)者從冷卻和潤滑兩大方向進(jìn)行了大量探索，誕生了干切削、低溫氣體冷卻、準(zhǔn)干式切削等各類清潔切削技術(shù)。微量潤滑(minimum quantity lubrication，MQL)切削技術(shù)也叫最小量潤滑切削技術(shù)，是一種典型的準(zhǔn)干式切削方法，通過將壓縮氣體與極微量的潤滑劑混合霧化，形成微米級的液滴，噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤滑。該技術(shù)1997年由德國學(xué)者KLOCKE等[2]提出。大量試驗及工程應(yīng)用證明，微量潤滑技術(shù)切削液用量少，可有效減輕刀-屑面摩擦，減小切削力，延長刀具壽命，提高工件表面質(zhì)量，在多種金屬材料的加工中得到應(yīng)用。然而，在應(yīng)用過程中，低溫切削技術(shù)潤滑性能不足，而微量潤滑技術(shù)冷卻性能不足的問題愈發(fā)明顯，于是，微量潤滑與各類綠色切削方法復(fù)合的冷卻潤滑方式逐漸受到青睞，被稱作微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)[3]。

微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)將各種冷卻方法與微量潤滑技術(shù)有效結(jié)合，充分利用各種冷卻方法創(chuàng)造低溫環(huán)境，通過提高傳熱效率來降低切削區(qū)的溫度，或利用潤滑劑的潤滑特性來減小摩擦，在切削區(qū)同時實現(xiàn)冷卻和潤滑[3]。此外還有靜電冷卻[4]、納米流體[5]等增效方法。多項研究表明，微量潤滑的各項冷卻潤滑性能是霧化、傳輸、滲透多因素綜合作用的結(jié)果[6-7]。微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)中的氣-液復(fù)合流體相互影響關(guān)系以及低溫氣-液兩相流作用下的界面熱輸運(yùn)機(jī)理更為復(fù)雜，導(dǎo)致切削應(yīng)用難度大。迄今為止，國內(nèi)外雖然對各類微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)在應(yīng)用效果和作用機(jī)理方面的研究有一定成果，但對微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)的裝置設(shè)計以及基于切削加工需求的參數(shù)調(diào)控缺乏深入研究。本文從理論、裝置、應(yīng)用三個方向，綜述了各類冷卻媒介與微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)的原理、關(guān)鍵裝置及其工藝應(yīng)用最新研究進(jìn)展，分析了各類裝置性能及其參數(shù)調(diào)控特性，總結(jié)了微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)在難加工材料切削加工中的應(yīng)用特點(diǎn)，期望能為清潔切削技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用起到技術(shù)支撐和參考。

1 微量潤滑及其增效技術(shù)發(fā)展歷程

清潔切削技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了干切削—低溫切削—微量潤滑技術(shù)—復(fù)合增效4個階段[8-15]，如圖1所示。

圖1 各類清潔切削技術(shù)發(fā)展歷程Fig.1 Development history of various green machining technologies

德國于1995年就制定和啟動了干切削加工工藝科研框架項目“生產(chǎn)2000”，并組織包括機(jī)床廠、刀具廠和汽車廠在內(nèi)的18家企業(yè)和9所高?？蒲袡C(jī)構(gòu)協(xié)同攻關(guān)[16]，這使德國在高速干切削領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并使干切削在德國企業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著加工工況日益復(fù)雜，干切削加工的局限性愈發(fā)明顯，因此，美國、日本、意大利、加拿大等國對微量潤滑切削技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并將微量潤滑切削技術(shù)成功應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件、汽車動力總成等關(guān)鍵零部件的加工中[17]。

此外，低溫切削技術(shù)同樣是清潔切削技術(shù)組成中的重要一環(huán)，其中具代表性的有超低溫液氮(LN2)切削、液態(tài)CO2(LCO2)切削，低溫冷風(fēng)切削、油水復(fù)合切削以及超臨界CO2(scCO2)低溫切削等，但由于氣體保存及制備成本偏高、低溫環(huán)境下切削機(jī)理復(fù)雜等原因，該技術(shù)暫未實現(xiàn)較大規(guī)模的應(yīng)用。

自提出微量潤滑技術(shù)后，許多學(xué)者對它進(jìn)行了研究，綜合Web of Science搜索引擎整理，對1995年至今的文獻(xiàn)進(jìn)行了整理歸納，結(jié)果如表1所示。文獻(xiàn)中針對傳統(tǒng)車削、銑削、鉆削和磨削工藝，面向鋁鎂合金、不銹鋼、合金鋼、鈦合金、高溫合金等典型材料，以切削力、表面完整性、刀具磨損和切屑形態(tài)等為指標(biāo)，優(yōu)化MQL工藝參數(shù)，在試驗條件下MQL技術(shù)達(dá)到甚至超過了傳統(tǒng)切削液方法的切削性能[18]。

表1 1995—2022年微量潤滑切削技術(shù)研究文獻(xiàn)數(shù)量

相較而言，國內(nèi)對清潔切削技術(shù)的研究起步較晚。李晉年等[19]于1989年發(fā)表了關(guān)于液氮輔助金剛石單晶車刀車削45鋼的研究成果；王西彬[20]于2000年綜合報道了綠色加工技術(shù)，對高速干切削、低溫風(fēng)冷切削的特點(diǎn)以及綠色刀具的設(shè)計等進(jìn)行了研究。王成勇[21]于2002年首次報道了微量潤滑切削技術(shù)在鉆削航空鋁鈦多層復(fù)合板中的應(yīng)用。上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、中北大學(xué)、南京理工大學(xué)以及青島理工大學(xué)等在微量潤滑切削技術(shù)方面均持續(xù)進(jìn)行了研究。對國內(nèi)文獻(xiàn)報道內(nèi)容進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，微量潤滑切削技術(shù)研究在國內(nèi)經(jīng)歷了微量潤滑應(yīng)用、不同材質(zhì)切削特性、微量潤滑機(jī)理、微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)、裝置性能優(yōu)化、加工環(huán)境質(zhì)量評估等不斷深化的發(fā)展歷程，如圖2所示[20-27]。

圖2 國內(nèi)微量潤滑切削技術(shù)研究歷程Fig.2 Research history of MQL technology in China

東莞安默琳機(jī)械制造有限公司與廣東工業(yè)大學(xué)通過產(chǎn)學(xué)研合作，在國內(nèi)較早系統(tǒng)地開展微量潤滑技術(shù)、裝備與應(yīng)用研究，涉及微量潤滑裝置及其關(guān)鍵部件的開發(fā)設(shè)計、微量潤滑系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及其在蠕墨鑄鐵、鈦合金、不銹鋼、高溫合金和復(fù)合材料等難加工材料的切削應(yīng)用等，相關(guān)成果在航天、航空、汽車、模具、能源裝備等行業(yè)企業(yè)獲得應(yīng)用，并在廣西玉柴機(jī)器集團(tuán)有限公司某型發(fā)動機(jī)缸體/缸蓋生產(chǎn)線上取得了較好的示范應(yīng)用效果，且相關(guān)成果于2017年底通過了廣東省科技成果鑒定[28]。此后，廣東工業(yè)大學(xué)與科益展智能裝備有限公司(匯?？萍技瘓F(tuán))繼續(xù)在微量潤滑技術(shù)方面進(jìn)行深度研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，成功實現(xiàn)了1000余臺套微量潤滑設(shè)備在汽車、模具、能源裝備等行業(yè)的典型應(yīng)用，近期還在實施3C領(lǐng)域上萬臺超聲綠色鉆攻機(jī)床的微量潤滑技術(shù)應(yīng)用。此外，上海金兆節(jié)能科技有限公司、永業(yè)科技(唐山)有限公司等企業(yè)也開發(fā)了系列微量潤滑裝置，并在鋁型材鋸切、滾齒加工、曲軸鉆孔等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”重點(diǎn)專項于2018—2020年間分別圍繞微量潤滑技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論、共性關(guān)鍵技術(shù)及其成套裝置示范應(yīng)用設(shè)立了相應(yīng)專項課題，旨在完善微量潤滑技術(shù)基礎(chǔ)理論和共性關(guān)鍵技術(shù)研究，并促進(jìn)微量潤滑裝置或系統(tǒng)的優(yōu)化升級，加快微量潤滑切削技術(shù)在航空、航天以及汽車等典型行業(yè)或領(lǐng)域的示范應(yīng)用。

通過微量潤滑基礎(chǔ)研究和國家重點(diǎn)專項攻關(guān)，微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)在鈦合金、不銹鋼、鎳基合金等難加工材料切削加工中逐漸得到應(yīng)用[29-31]。

2 低溫微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)

面對日益嚴(yán)苛的難加工材料切削需求，微量潤滑技術(shù)因冷卻性能不足[30]、切削溫度過高導(dǎo)致潤滑劑過早失效而影響刀具壽命及工件質(zhì)量的問題愈發(fā)明顯。低溫冷媒與微量潤滑技術(shù)相結(jié)合是目前最為常見的低溫微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)，該技術(shù)將各種低溫介質(zhì)(低溫冷風(fēng)、低溫氮?dú)獾?與微量潤滑霧粒混合，噴射到切削區(qū)域，同時實現(xiàn)冷卻和潤滑作用。這種低溫微量潤滑技術(shù)充分利用了微量潤滑技術(shù)優(yōu)異的油霧顆粒滲透特性，減小刀具與工件及刀具與切屑之間的摩擦，同時利用低溫介質(zhì)為切削區(qū)提供低溫環(huán)境，減小切削區(qū)溫升，起到抑制潤滑劑受熱失效的作用[32-33]。

2.1 油膜附水滴

油水復(fù)合切削技術(shù)是近年來學(xué)者較為關(guān)注的一種微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)，也稱為微量油膜附水滴(oil on water，OoW)復(fù)合噴霧[34-35]技術(shù)。早在1999年，日本名古屋工業(yè)大學(xué)中村隆和松原十三生就提出了油膜附水滴的概念，如圖3所示[14]。國內(nèi)王愛玲等[36]也于2004年對油水復(fù)合切削技術(shù)進(jìn)行了報道，并圍繞相關(guān)技術(shù)原理及應(yīng)用進(jìn)行了研究。

圖3 油膜附水滴概念圖[14]Fig.3 Schematic diagram of OoW[14]

油膜附水滴技術(shù)是使用微量可降解油劑和水，使兩者充分霧狀化并噴射的技術(shù)。由于油的親水性，油分子會吸附在霧狀水滴表面形成油膜(即OoW)；OoW形成后，噴射到工件和加工工具表面，由于水滴表面油膜的擴(kuò)張性，使最初到達(dá)活性很高的工件和工具表面上的油膜產(chǎn)生良好的潤滑效果；殘留在工件表面的水會被加工產(chǎn)生的切削熱蒸發(fā)掉，而微量潤滑油膜起潤滑作用[36]。

LIAO等[37]通過改變油水比例對Inconel 718合金進(jìn)行了切削實驗，發(fā)現(xiàn)OoW的含水量會影響液滴的黏度，并決定液滴的滲透性。文獻(xiàn)[38-40]分別對45鋼、鈦合金TC4、不銹鋼等難加工材料進(jìn)行了大量實驗，證明OoW能有效減小切削力、延長刀具壽命，針對不同材料，在微量潤滑油流量和油水比例適中時，可以獲得更好的切削性能。WU等[41]通過顯微鏡觀察不同油水比例下OoW液滴發(fā)現(xiàn)：OoW液滴與切削表面碰撞后會形成油膜和水膜，其中水膜蒸發(fā)會帶走大量熱量，可防止油膜的高溫失效，并且在水量過大時會形成“水包油”結(jié)構(gòu)，如圖4所示，此時水膜在下油膜在上，水膜蒸發(fā)時會形成氣泡，影響油膜的穩(wěn)定性，從而影響潤滑性能。

圖4 油膜附水滴滲透潤滑模型[41]Fig.4 Permeability and lubrication model of OoW[41]

DING等[42]對干切削、雙向噴射的OoW技術(shù)和低溫冷風(fēng)復(fù)合OoW技術(shù)進(jìn)行了切削實驗，發(fā)現(xiàn)OoW技術(shù)對有效應(yīng)力影響不大，但可通過減小摩擦來降低切屑的溫度和應(yīng)變，從而抑制材料的相變，此外，低溫冷風(fēng)復(fù)合OoW技術(shù)可進(jìn)一步降低切屑的溫度和應(yīng)變，最大限度地減小黏著磨損，延長刀具壽命，最后還建立了用于蠕墨鑄鐵切削的熱力學(xué)-切屑有限元模型，如圖5所示。

(a)干切削

(b)OoW

(c)低溫冷風(fēng)復(fù)合OoW圖5 應(yīng)力、應(yīng)變、溫度對比圖[42]Fig.5 Contrast diagrams of stress, strain, temperature[42]

OoW技術(shù)冷卻介質(zhì)來源簡易，且對環(huán)境與成本基本沒有額外負(fù)擔(dān)，但由于降溫效果依賴水溶液蒸發(fā)，對部分難加工材料切削而言性能不足的問題仍舊存在。正如上文所述，低溫氣體可以與水同時作為冷卻介質(zhì)，實現(xiàn)低溫氣體+OoW的復(fù)合噴霧并進(jìn)一步提高切削性能[43]，廣東工業(yè)大學(xué)與科益展智能裝備有限公司(匯專科技集團(tuán))、東莞安默琳機(jī)械制造有限公司在油水復(fù)合噴霧技術(shù)方面進(jìn)行了深入產(chǎn)學(xué)研合作，率先提出了油水復(fù)合噴霧技術(shù)與低溫冷風(fēng)、超臨界CO2以及低溫液氮等低溫切削技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用，拓寬了微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)范圍，如圖6所示。目前，廣東工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)等圍繞油水復(fù)合噴霧技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，促進(jìn)了油水復(fù)合噴霧技術(shù)在滾齒加工、車削、銑削以及磨削加工中的推廣應(yīng)用。

圖6 OoW低溫復(fù)合增效技術(shù)Fig.6 The synergistic technology of OoW

2.2 低溫冷風(fēng)微量潤滑

低溫冷媒復(fù)合微量潤滑(CMQL)技術(shù)中，最先被提出的就是低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)，即在微量潤滑中采用-10 ℃以下的冷風(fēng)復(fù)合微量潤滑噴霧來降低刀具和工件溫度。

蘇宇等[44]采用低溫冷風(fēng)、低溫冷風(fēng)復(fù)合MQL技術(shù)及常溫MQL技術(shù)對淬硬鋼及鎳基高溫合金進(jìn)行了對比銑削實驗，發(fā)現(xiàn)低溫冷風(fēng)和低溫冷風(fēng)復(fù)合MQL技術(shù)可有效防止刀具軟化，減小刀具磨損，大幅度地增長刀具的使用壽命。

劉曉麗[45]研究發(fā)現(xiàn)，不同潤滑油在低溫下霧化特性有所不同，傾點(diǎn)較高的潤滑液在低溫下處于半流動狀態(tài)，不易被霧化，會嚴(yán)重影響冷卻潤滑效果；常溫微量潤滑的油霧濃度會隨著噴射靶距增大而略微減小，但低溫微量潤滑時，油霧濃度隨著噴射靶距的增大會先增大后減小，同時油霧濃度隨著射流溫度的降低而減?。淮送?，低溫微量潤滑油霧濃度會隨著潤滑油用量、供氣壓力的增加而增大，PM2.5/PM10的值也隨之增大。ZHANG等[46]在-30 ℃的冷風(fēng)環(huán)境下觀測發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)MQL，低溫微量潤滑明顯有著更小的液滴，更容易滲透進(jìn)入切削區(qū)。陳東建等[47]分析了低溫微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)的換熱機(jī)理，認(rèn)為采用低溫OoW技術(shù)冷卻時，噴霧射流為氣液兩相射流，霧滴以極高的速度進(jìn)入切削區(qū)并發(fā)生相變，變成蒸汽的同時帶走大量的熱量，低溫氣流的強(qiáng)制換熱將進(jìn)一步降低切削區(qū)的溫度，因此冷卻效果會更加明顯。

雖然低溫冷風(fēng)復(fù)合微量潤滑方式有著優(yōu)秀的特性，但受限于設(shè)備，更低溫度的冷風(fēng)制備會消耗高額的功率，還會帶來噪聲、排熱等一系列問題，進(jìn)一步降低溫度也會存在部分應(yīng)用問題。張慧萍等[48]進(jìn)行了-55～-25 ℃的四梯度溫度復(fù)合MQL技術(shù)車削300M高強(qiáng)度鋼實驗，發(fā)現(xiàn)在-45 ℃時獲得了最佳的切削性能，而溫度從-45 ℃降低到-55 ℃時，因射流溫度過低，導(dǎo)致在冷風(fēng)管道和切削液管道噴嘴處會產(chǎn)生凝固現(xiàn)象，造成噴嘴堵塞，影響切削性能。

2.3 低溫氮?dú)馕⒘繚櫥?/h3>

低溫氮?dú)庾鳛槔鋮s介質(zhì)時，相比冷風(fēng)有著更低的溫度，在射入加工區(qū)時，還能形成氮?dú)饨橘|(zhì)層，起到隔氧保護(hù)作用[49]。蘇宇等[50-51]在干銑削、切削液、常溫氮?dú)庥挽F、低溫氮?dú)馍淞?-10 ℃，120 mL/h)和低溫氮?dú)鈴?fù)合微量潤滑噴霧等冷卻潤滑條件下進(jìn)行了鈦合金的高速銑削對比實驗，發(fā)現(xiàn)低溫氮?dú)鈴?fù)合微量潤滑進(jìn)一步減小了刀具的擴(kuò)散磨損和黏結(jié)磨損，且只要熱裂紋的形成與擴(kuò)展未引起刀具的崩刃和刀面的剝落，進(jìn)一步降低低溫氮?dú)獾臏囟榷伎裳娱L刀具的使用壽命。由于液氮(LN2)最低可達(dá)-196 ℃，是目前工業(yè)應(yīng)用中最低溫度的冷卻介質(zhì)，在理論上非常具有可行性，故目前針對低溫氮?dú)獾难芯恳仓饕性诔蜏匾旱?/p>

JAWAHIR等[52]通過實驗發(fā)現(xiàn)LN2超低溫會改變刀具及工件的物理特性，從而影響切削性能。SARTORI等[53]分別采用了LN2、液態(tài)CO2與MQL復(fù)合冷卻潤滑進(jìn)行了鈦合金車削實驗，實驗結(jié)果如圖7所示，可見，相比于單一低溫氣體或微量潤滑冷卻，低溫氣體與MQL的復(fù)合冷卻會進(jìn)一步減少變質(zhì)層，減小摩擦因數(shù)，延長刀具壽命和改善加工質(zhì)量，同時發(fā)現(xiàn)LN2與CO2分別混合MQL時，CO2復(fù)合MQL獲得了更薄的變質(zhì)層。

圖7 變質(zhì)層厚度[53]Fig.7 Thickness correlation of affected layer[53]

DANISH等[54]對比了干切、MQL、LN2、LN2復(fù)合MQL車削TC4合金的加工性能，發(fā)現(xiàn)單純的LN2反而較之MQL性能更差，但LN2復(fù)合MQL可以顯著提高切削性能，并在LN2復(fù)合MQL條件下觀察到工件顯微硬度顯著增加。

NGUYEN等[55]認(rèn)為，由于切削區(qū)滲透潤滑性差，LN2的快速汽化會導(dǎo)致刀具-工件界面上的散熱不足，同時工件非均勻冷卻導(dǎo)致的熱沖擊限制了LN2在工業(yè)中的使用。盡管LN2在應(yīng)用于大部分難加工材料時，對減小刀具磨損和改善表面光潔度效果比較明顯，但由于超低溫環(huán)境導(dǎo)致的材料變性，故部分工況下加工性能可能并不會隨著溫度降低而提高，加之目前為止對超低溫加工的機(jī)理研究尚不充分，針對實際工況很難進(jìn)行調(diào)整。此外，LN2制備成本較高，且需要額外消耗成本用于保存，故目前LN2與微量潤滑技術(shù)的應(yīng)用只在某些特定材料-工藝組合或?qū)嶒炿A段。

2.4 液態(tài)CO2微量潤滑

液態(tài)CO2(LCO2)同樣可以起到隔氧保護(hù)的作用，且其升華潛熱(571.1 kJ/kg)約為LN2蒸發(fā)潛熱(199 kJ/kg)的三倍，因此LCO2通過噴嘴膨脹形成的干冰顆粒升華比使用LN2能更有效地傳遞熱量，固體CO2顆粒還可以滲透到刀具-切屑界面，并直接在表面?zhèn)鳠?。此外，潤滑油在LCO2中有著較好的溶解度，相比于其他氣體更適合微量潤滑復(fù)合噴射[55]。但LCO2與LN2也有著類似的氣體制備及儲存的額外成本問題。

如圖8所示，GRGURAS等[56]對不同極性潤滑油在LCO2中的溶解度、射流霧化后液滴粒徑分布及刀具壽命進(jìn)行了對比研究,發(fā)現(xiàn)油的極性會影響其在LCO2中的溶解度，從而影響到油滴大小和分布,非極性油可完全溶于LCO2，獲得更小的油滴尺寸和更均勻的分布；此外，LCO2與潤滑油的復(fù)合噴霧所產(chǎn)生的液滴直徑可達(dá)2 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)MQL的10 μm，能更好地實現(xiàn)MQL液滴在切削區(qū)的滲透；通過TC4車削實驗證實了非極性油與LCO2混合噴射后可明顯增長刀具壽命。BERGS等[57]對不同極性潤滑油在LCO2的溶解度進(jìn)行了對比研究，認(rèn)為油品的運(yùn)動黏度是影響溶解度的重要因素。AUGSPURGER等[58]設(shè)計了低溫微量潤滑的切削實驗，發(fā)現(xiàn)CO2流量在200 g/min以上時流量變化對切削力、溫度等切削性能影響不大，而微量潤滑液在所選定區(qū)間內(nèi)，隨著MQL流量的增加，切削溫度及刀具的熱量會明顯減小。

圖8 不同潤滑油和LCO2混合后對溶解度及切削性能的影響[56]Fig.8 Influence of different lubricating oil and LCO2 mixture on solubility and cutting performance[56]

STERLE等[59]采用單通道LCO2復(fù)合MQL技術(shù)與切削液、干切等方法對Inconel 718合金進(jìn)行了銑削加工實驗，并對比研究了表面完整性，后在LCO2復(fù)合MQL中嘗試添加納米顆粒MoS2進(jìn)行研究，結(jié)果表明，LCO2+MQL(MoS2)獲得了最低的平均表面粗糙度，證明了在低溫微量潤滑技術(shù)中進(jìn)一步采用納米顆粒的可行性。

2.5 超臨界CO2微量潤滑

超臨界CO2(scCO2)對脂肪族和大多數(shù)芳香族碳?xì)浠衔锞哂休^高的溶解度，并能通過壓力和溫度來控制溶劑濃度。scCO2的臨界壓力為7.38 MPa，溫度為31.2 ℃，在工業(yè)上也非常容易實現(xiàn)。另外，scCO2復(fù)合MQL還可以加工傳統(tǒng)MQL方法難以加工的硬質(zhì)合金，是MQL技術(shù)的重要拓展，也是非常有應(yīng)用前景的低溫微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)[60]。

CLARENS等[61]于2006年提出了基于scCO2復(fù)合的冷卻潤滑方式，通過將LCO2加壓加熱到超臨界態(tài)，與油混合后噴射至切削區(qū)，此時CO2汽化吸熱提供冷卻，溫度可達(dá)-78 ℃，溶解的油也附著在刀-屑面形成潤滑層。這種方式不但降低了傳統(tǒng)液態(tài)CO2的儲存、傳輸隔熱的要求，還避免了微量潤滑液凝固堵塞出口的問題。SUPEKAR等[62]利用scCO2和其他冷卻潤滑方式進(jìn)行了鈦合金車削實驗，發(fā)現(xiàn)scCO2與潤滑油混合噴霧在散熱方面比傳統(tǒng)的潤滑油以及其他氣體基MQL噴霧更有效；此外，scCO2與潤滑油混合后，由于流體膨脹引發(fā)焦耳-湯普斯效應(yīng)，會降低噴射溫度，提高噴射速度，使得CO2和潤滑油的流量增大。由圖9可以看出同樣壓力、孔徑、溫度下，不同scCO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)時的油霧場差異，傳統(tǒng)MQL中增加潤滑油會降低整體的冷卻效果，但在植物油等混合scCO2時，增加噴霧中的潤滑油會進(jìn)一步提高復(fù)合噴霧冷卻和潤滑效果。STEPHENSON等[63]發(fā)現(xiàn)scCO2流量與MQL油量需要相互適配，油量需要根據(jù)氣體流量、抽油管的位置以及油在scCO2中的溶解度等因素決定。目前已有多方關(guān)于scCO2冷風(fēng)方法及其應(yīng)用效果的報道，但由于scCO2需要通過CO2壓縮加熱制備，在較長時間的加工過程中還會出現(xiàn)供應(yīng)不足現(xiàn)象，且存在如低溫微量潤滑參數(shù)調(diào)節(jié)方法研究尚不完善、低溫切削機(jī)理及其適用環(huán)境尚未定論等共性問題，故仍未能實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

圖9 不同潤滑油量scCO2膨脹圖[62]Fig.9 Images of scCO2 sprays being expanded fromdifferent oil content[62]

綜上所述，微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)有著優(yōu)秀的加工潛力與研究價值，但目前仍存在許多共性問題，如低溫條件下的材料變性、復(fù)合噴霧方式、工藝參數(shù)適配等，各類微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)分別有著各自的應(yīng)用問題，如表2所示，如何在指定工況下采取適宜的冷卻潤滑條件仍未有系統(tǒng)的研究成果，需要進(jìn)一步研究超低溫環(huán)境下的冷卻潤滑滲透機(jī)理，闡明潤滑劑種類、流量、液滴尺寸、制冷劑種類及溫度等工藝參數(shù)對霧化特性的影響規(guī)律，以實現(xiàn)微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)推廣應(yīng)用。

表2 各類微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)

3 微量潤滑復(fù)合增效裝置設(shè)計

隨著微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)優(yōu)異的冷卻潤滑效果被證實，其發(fā)展前景越來越好。但隨著低溫加工氣體應(yīng)用的深入，也出現(xiàn)了傳輸、絕熱、液體凝固等一系列的問題，如何從工藝或裝置開發(fā)上解決這部分問題，成了微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵需求。

微量潤滑相關(guān)裝置及其部件設(shè)計主要涉及介質(zhì)發(fā)生裝置、傳輸管道與噴射裝置。介質(zhì)發(fā)生裝置根據(jù)不同增效技術(shù)原理有所不同。微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)中冷卻與潤滑介質(zhì)并非一體，根據(jù)它們霧化位置的不同，可分為外置式與內(nèi)置式。外置式的特點(diǎn)為將定量的潤滑油輸送至噴嘴出口端，并利用壓縮空氣將其霧化形成微細(xì)油霧；內(nèi)置式霧化是在霧化室內(nèi)產(chǎn)生，霧化室內(nèi)部安裝有潤滑油霧化器，在系統(tǒng)內(nèi)部傳輸并復(fù)合噴射至切削區(qū)。外置式裝置中介質(zhì)采用多流道傳輸，對裝置搭建與傳輸要求相對較低，但切削效果往往不如內(nèi)置式。內(nèi)置式微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)裝置不同于常規(guī)，還需要針對介質(zhì)混合位置、混合方式、傳輸方式、機(jī)床及功能部件等進(jìn)行相應(yīng)隔熱、恒壓等處理，確保介質(zhì)穩(wěn)定生成與傳輸，且由于部分冷媒復(fù)合微量潤滑液會導(dǎo)致噴嘴出口處凝固、微量潤滑液提前變性等問題，影響冷卻潤滑效果，甚至堵塞出口，所以對噴嘴也需要進(jìn)行改進(jìn)。

噴射裝置按照傳輸方式分為外部傳輸和內(nèi)部傳輸兩種，如圖10所示[64]。外部傳輸是通過噴嘴將冷卻介質(zhì)與微量潤滑液滴噴射至切削區(qū)，無論是內(nèi)置式或外置式裝置均可外接噴嘴，實現(xiàn)外部傳輸。內(nèi)部傳輸是冷卻潤滑介質(zhì)內(nèi)部混合后通過傳輸流道設(shè)計，經(jīng)主軸和刀柄內(nèi)冷卻通道噴射進(jìn)切削區(qū)，目前主要分為單通道傳輸及雙通道傳輸，能使冷卻潤滑介質(zhì)獲得最佳的滲透性，但應(yīng)用時往往需針對機(jī)床進(jìn)行改造。

圖10 MQL系統(tǒng)分類圖[64]Fig.10 The classification diagram of MQL systems[64]

3.1 低溫冷風(fēng)微量潤滑裝置

低溫冷風(fēng)微量潤滑裝置按照低溫冷風(fēng)產(chǎn)生方式，可分為渦流管制冷(-5～5 ℃)、半導(dǎo)體制冷(最低可達(dá)-10 ℃)、壓縮機(jī)制冷(最低可達(dá)-60 ℃)以及以半導(dǎo)體制冷為核心壓縮機(jī)制冷為輔助的復(fù)合制冷等[65]。其中，渦流管制冷[66]是借助渦流制冷原理使高速氣流在渦流管內(nèi)部產(chǎn)生漩渦，如圖11所示，并分離出冷、熱兩股氣流，冷氣流被分配到噴嘴出口，進(jìn)而實現(xiàn)制冷作用[67]。研究人員在渦流管制冷效率優(yōu)化方面進(jìn)行了多方面研究，包括渦流管流道設(shè)計[68]、長徑比優(yōu)化[69]和進(jìn)氣參數(shù)匹配[70]等。

圖11 渦流管裝置示意圖[67]Fig.11 Schematic diagram of vortex tube[67]

基于渦流管制冷技術(shù)特點(diǎn)，KO等[71]最早根據(jù)空氣渦流制冷原理研制了外混式的冷風(fēng)MQL裝置，將出口處的空氣溫度降低了20 ℃以上，在HRC58的淬硬鋼車削實驗中增長了刀具壽命30%。李智揚(yáng)等[72]觀察到采用渦流管冷卻法進(jìn)行淬硬鋼銑削加工可有效減輕切屑黏結(jié)及黏結(jié)磨損現(xiàn)象，進(jìn)而減小刀具刃口磨損寬度。

采用渦流管制冷不涉及復(fù)雜活動部件，實現(xiàn)制冷過程不需要消耗制冷劑和電能，因此使用及維護(hù)較為方便[73]。但渦流管制冷溫度有限，壓縮空氣利用效率較低，因此許多學(xué)者開始研究各類制冷機(jī)制冷的方式。童明偉等[74]利用絕熱膨脹制冷方式研制了低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置，利用制冷風(fēng)機(jī)排出的低溫空氣(-50～-10 ℃)對加工部位實施低溫冷卻。東莞安默琳機(jī)械制造有限公司與廣東工業(yè)大學(xué)合作，結(jié)合渦流管制冷及半導(dǎo)體制冷開發(fā)了一種低溫復(fù)合噴霧切削系統(tǒng)，采用二級壓縮機(jī)結(jié)合渦流管三級制冷，獲得了最低-90 ℃的低溫冷風(fēng)，并分別將微量潤滑油、經(jīng)冷卻的低溫純凈水及低溫冷風(fēng)混合噴射，實現(xiàn)了低溫復(fù)合OoW噴霧的加工應(yīng)用[75]?？埔嬲怪悄苎b備有限公司與廣東工業(yè)大學(xué)采用覆疊式制冷壓縮機(jī)與PLC溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)備出口溫度-60～-20 ℃穩(wěn)定可調(diào)，并在設(shè)備中內(nèi)置了微量潤滑系統(tǒng)，聯(lián)合開發(fā)了一體化的低溫冷風(fēng)微量潤滑設(shè)備[76]。

3.2 液氮復(fù)合微量潤滑裝置

將液氮作為冷卻介質(zhì)時，可靠傳輸與精準(zhǔn)調(diào)控要求液氮流型為純液氮或低含氣率泡狀流，流量、壓力以及溫度等傳輸狀態(tài)穩(wěn)定可控[69]。然而，液氮飽和溫度低、汽化潛熱小，在傳輸過程中受外界環(huán)境溫度影響極易產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞了傳輸穩(wěn)定性[77]，因此，實現(xiàn)液氮冷卻介質(zhì)的可靠傳輸，確保切削區(qū)域射流狀態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控，是液氮裝置設(shè)計的主要難點(diǎn)。

美國Air-Products公司開發(fā)的ICEFLY液氮傳輸系統(tǒng)，采用同軸套管(內(nèi)外管)進(jìn)行液氮傳輸，通過在外管傳輸?shù)蛪旱獨(dú)?，對?nèi)管液氮熱損失進(jìn)行有效補(bǔ)償，實現(xiàn)了液氮的穩(wěn)定傳輸[78-79]。美國5ME公司基于ICEFLY液氮傳輸系統(tǒng)研制了液氮內(nèi)噴式冷卻加工機(jī)床，并成功用于F-35零部件生產(chǎn)[80]。大連理工大學(xué)在液氮傳輸穩(wěn)定性及溫度調(diào)控方面進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了獨(dú)立式液氮調(diào)控系統(tǒng)，研制了主軸-刀柄超低溫隔熱與動密封技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，搭建了液氮內(nèi)噴式加工機(jī)床，如圖12所示[81]。

圖12 內(nèi)噴式液氮冷卻加工機(jī)床[81]Fig.12 Internal cooling machine with LN2 cooling[81]

在液氮復(fù)合微量潤滑裝置方面，由于液氮或氮?dú)馀c微量潤滑液之間的溶解性相對較差且溫度極低，容易使得微量潤滑液凝固變性，從而導(dǎo)致油膜失效，影響冷卻潤滑性能[82]。目前液氮復(fù)合微量潤滑裝置多以外混式為主，冷卻與潤滑介質(zhì)分別經(jīng)過不同流道傳輸后噴射至切削區(qū)域。

文獻(xiàn)[83-85]中均自行搭建了外混式裝置，如圖13所示，三者結(jié)構(gòu)類似，均通過微量潤滑和液氮分別傳輸噴射實現(xiàn)了液氮復(fù)合微量潤滑的冷卻潤滑。文獻(xiàn)[86-87]中搭建了外混式低溫冷風(fēng)、低溫微量潤滑、低溫CO2、液氮等介質(zhì)的外噴式冷卻切削實驗裝置，并應(yīng)用于TC4鈦合金、35CrMnSiA高強(qiáng)度鋼等材料的液氮外噴式冷卻加工實驗研究中。東莞安默琳機(jī)械制造有限公司于2017年開發(fā)了外混式的一體化液氮復(fù)合OoW裝置，采用同軸套管技術(shù)，在切削油及液氮傳輸管道中間設(shè)計了壓縮空氣層以防止微量潤滑液凍結(jié)，并在噴嘴處實現(xiàn)霧化，共同噴射至切削區(qū)[88]，同時研發(fā)了低冰點(diǎn)的微量潤滑切削液用于超低溫微量潤滑復(fù)合加工[89]。

圖13 LN2/LCO2外混外噴式復(fù)合噴霧裝置[84]Fig.13 The external mixing and injecting synergistic device of MQL with LN2/LCO2[84]

3.3 液態(tài)CO2復(fù)合微量潤滑裝置

將液態(tài)CO2作為冷卻介質(zhì)時，要求液態(tài)CO2始終處于6 MPa以上壓力環(huán)境，以確保其在傳輸管路中維持穩(wěn)定的液態(tài)傳輸[90]。常規(guī)管路和連接部件容易在高壓和低溫作用下?lián)p壞導(dǎo)致密封失效，影響高壓液態(tài)CO2的傳輸和調(diào)控，為此，需要一套特殊的液壓傳輸管路和連接裝置來將高壓鋼瓶內(nèi)的液態(tài)CO2以液體形式穩(wěn)定輸送至切削區(qū)域，進(jìn)而形成高速低溫的CO2氣體和微米級干冰顆粒混合射流。與液氮或氮?dú)忸愃?，液態(tài)CO2與微量潤滑液無法直接均勻混合，因此多采用外部混合方式實現(xiàn)液態(tài)CO2復(fù)合微量潤滑技術(shù)。

近年來，國外在工業(yè)用液態(tài)CO2冷卻系統(tǒng)研制方面取得了較快進(jìn)展。美國Coolclean公司于2012年研制了自帶CO2壓縮系統(tǒng)的液態(tài)CO2冷卻裝置，通過壓縮系統(tǒng)將低壓CO2進(jìn)行增壓及液化處理，使傳輸管路中的CO2維持穩(wěn)定的液態(tài)傳輸[91-92]。日本DIPS公司于2015年推出了干冰冷卻潤滑系統(tǒng)，通過在CO2傳輸管路外圍引入低露點(diǎn)的加熱氣體來降低傳輸管路中的CO2熱損失，進(jìn)而提高液態(tài)CO2的傳輸穩(wěn)定性[93]。德國Rother公司通過集成多個瓶裝高壓液態(tài)CO2方式，并采用耐壓毛細(xì)管來傳輸液態(tài)CO2，之后與德國Walter公司以及瑞士Starrag機(jī)床公司聯(lián)合開發(fā)了Cryo·tecTM雙通道液態(tài)CO2供液系統(tǒng)，實現(xiàn)了切削加工時低溫CO2的穩(wěn)定噴射[94]，通過機(jī)床、主軸、刀柄和刀具將低溫CO2和微量潤滑油霧噴射至切削刃，其中一個通道輸送液態(tài)CO2，另一個通道輸送微量潤滑油霧，如圖14所示[95]。此外，GRGURA等[96]開發(fā)了內(nèi)混式的液態(tài)CO2與微量潤滑復(fù)合裝置，并通過定制密封隔熱主軸、內(nèi)部傳輸管道與高密封內(nèi)冷刀柄實現(xiàn)液態(tài)CO2+MQL的內(nèi)冷傳輸，如圖15所示。

圖14 LCO2+MQL同軸套管技術(shù)[95]Fig.14 Coaxial composite pipe technology withLCO2+MQL[95]

圖15 LCO2+MQL內(nèi)混內(nèi)噴式主軸[96]Fig.15 The internal injection spindle of internalmixing with LCO2+MQL[96]

AUGSPURGER等[58]采用單通道傳輸液態(tài)CO2和MQL介質(zhì)，并通過旋轉(zhuǎn)接頭搭建了液態(tài)CO2和MQL的內(nèi)噴式系統(tǒng)，如圖16所示。

圖16 LCO2+MQL內(nèi)混內(nèi)噴式裝置[58]Fig.16 The internal injection device of inside-mixingwith LCO2+MQL[58]

國內(nèi)對液態(tài)CO2冷卻系統(tǒng)的研制及其復(fù)合微量潤滑系統(tǒng)開發(fā)相對較少。肖虎等[97]研制了強(qiáng)壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)，通過在瓶內(nèi)加裝紫銅管(圖17)可使得瓶內(nèi)的液態(tài)CO2始終處于壓力為10 MPa以上的環(huán)境，低溫CO2覆蓋區(qū)域溫度為-28 ℃，并采用耐受更高壓力和低溫的鋼絲增強(qiáng)液壓復(fù)合橡膠軟管傳輸，同時兩端采用螺紋密封和鉚接接口，通過流量閥控制CO2流量，實現(xiàn)了低溫CO2干冰混合物高速穩(wěn)定射流。

圖17 高壓LCO2供給系統(tǒng)[97]Fig.17 High-pressure LCO2 supply device [97]

3.4 超臨界CO2復(fù)合微量潤滑裝置

在超臨界狀態(tài)下，scCO2既有與氣體相當(dāng)?shù)母邤U(kuò)散系數(shù)和低黏度，又具有與液體相近的密度和良好的溶解能力。為了充分利用超臨界流體溶劑特性，使得高壓scCO2從噴嘴噴出進(jìn)入切削區(qū)時，可快速減壓膨脹形成氣態(tài)CO2/潤滑油霧粒子/干冰顆粒的三相射流，需要維持CO2流體溫度和壓力始終高于其臨界值(臨界溫度31.2 ℃、臨界壓力7.38 MPa)，并在超臨界狀態(tài)下實現(xiàn)均勻混油[98]。

為了實現(xiàn)scCO2復(fù)合微量潤滑優(yōu)異的低溫潤滑特性，美國密西根大學(xué)開發(fā)了scCO2與潤滑油混合的冷卻潤滑內(nèi)混式裝置，通過將液態(tài)CO2壓縮到高壓，在含有油的腔室中加熱到超臨界溫度，再通過泵輸送至切削區(qū)，實現(xiàn)了優(yōu)異的冷卻潤滑性能[62-63,99]。與此同時，相關(guān)技術(shù)在美國Fusion公司進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推出了Pure-Cut和Lube-cut超臨界CO2冷卻系統(tǒng)[100]。

周莉等[101]提出了一種基于scCO2的低溫微量潤滑裝置，該裝置將高壓釜通過活塞分隔成scCO2儲存腔和恒壓驅(qū)動腔，保證溶解了微量潤滑油的scCO2能夠在恒定壓力下噴射出來?？埔嬲怪悄苎b備有限公司(匯?？萍技瘓F(tuán))與廣東工業(yè)大學(xué)于2019年合作研制了scCO2供給系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)可對高壓容器內(nèi)的CO2流體溫度和壓力進(jìn)行實時監(jiān)測和自動補(bǔ)償，使得系統(tǒng)管路中的CO2維持在超臨界態(tài)，并在scCO2生成和傳輸裝置間設(shè)置了中轉(zhuǎn)管路，通過改變中轉(zhuǎn)管路的內(nèi)徑和長度可實現(xiàn)scCO2流量調(diào)節(jié)[102-103]。

將scCO2和OoW技術(shù)結(jié)合，利用快速膨脹的氣態(tài)CO2噴霧將微細(xì)干冰顆粒和OoW液滴的混合物輸送到切削區(qū)，對切削區(qū)域進(jìn)行冷卻和潤滑，這是scCO2技術(shù)的重要拓展，與單純scCO2、OoW冷卻潤滑方式相比，scCO2+OoW技術(shù)同時具有冷卻和潤滑效果[104-105]。東莞安默琳機(jī)械制造技術(shù)有限公司與廣東工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)了scCO2復(fù)合OoW裝置，如圖18所示[104]。該裝置具有兩個獨(dú)立的油基和水基切削液儲罐、兩個獨(dú)立的切削液空氣混合室和兩個獨(dú)立的霧化噴嘴。兩種不同的切削液通過油泵輸送到混合室，再通過來自空氣壓縮機(jī)的高壓高速空氣射流霧化，然后進(jìn)入噴嘴。當(dāng)控制不同的閥時，可以獲得不同的冷卻和潤滑方法，即scCO2、scCO2+MQL和scCO2+OoW[106]。

圖18 scCO2復(fù)合噴霧裝置結(jié)構(gòu)[104]Fig.18 Structure of scCO2 synergistic device[104]

4 難加工材料切削應(yīng)用

4.1 鈦合金切削加工

鈦合金有著一系列難加工特性，如熱導(dǎo)率小，與大多數(shù)刀具材料具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性，易形成黏附，切削刃附近的熱應(yīng)力較高等[107]，是一種典型的難加工材料。

SARTORI等[53]對比了LN2與LCO2分別復(fù)合MQL噴霧時車削TC4的加工情況，發(fā)現(xiàn)低溫氣體復(fù)合MQL時，刀具的月牙洼磨損情況消失，工件表面完整性顯著改善，與干切削情況相比，LN2+MQL和LCO2+MQL的表面粗糙度分別減小了29%和15%。GAJRANI等[108]通過干切、MQL和LN2+MQL進(jìn)行了鈦合金車削實驗，實驗結(jié)果表明,LN2+MQL能有效降低切削力、切削溫度與工件表面粗糙度，同時低溫環(huán)境會導(dǎo)致刀具硬化，減小黏結(jié)磨損，射線能譜分析也顯示其元素擴(kuò)散性明顯降低。

SCHOOP等[109]采用低溫氮?dú)膺M(jìn)行了TC4的磨削實驗，發(fā)現(xiàn)單一的低溫氮?dú)鈺?dǎo)致亞表面出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)損傷，但低溫氮?dú)夂蚆QL混合后即使進(jìn)一步提高切削速度，在亞表面微觀結(jié)構(gòu)上也未顯示出明顯的缺陷。

(a)干切削

(b)qLCO2=250 g/min,qMQL=0 mL/h(c)qLCO2=250 g/min,qMQL=150 mL/h圖19 LCO2+MQL流量對切屑形貌的影響[96]Fig.19 Influence of flow rate on chip morphologywith LCO2+MQL[96]

CAI等[105]通過多組銑削參數(shù)對比實驗發(fā)現(xiàn),scCO2+MQL和scCO2+OoW的復(fù)合增效技術(shù)均能大幅降低切削溫度，且復(fù)合增效技術(shù)顯著改善了刀具-工件界面的摩擦，而僅使用不含潤滑劑的scCO2反而會加劇摩擦;通過振紋對比也發(fā)現(xiàn)scCO2+MQL或scCO2+OoW的復(fù)合有著更好的銑削穩(wěn)定性;從切削力、切削溫度、表面質(zhì)量、銑削穩(wěn)定性和清潔生產(chǎn)多方面分析，scCO2+OoW復(fù)合噴霧均具有最佳性能。

4.2 高溫合金切削加工

鎳基合金具有硬度高、塑性高、熱導(dǎo)率小和加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，其切削加工過程中切削力大、切削溫度高、刀具壽命短，是典型的難加工材料[110]，被稱為低切削加工性材料，傳統(tǒng)的切削液與MQL很難保證其加工質(zhì)量與效率。

STEPHENSON等[63]采用scCO2+MQL技術(shù)與水基切削液澆注式車削方式進(jìn)行了Inconel 750車削加工的刀具磨損對比實驗，發(fā)現(xiàn)采用scCO2+MQL比澆注式切削液的刀具磨損小，且在相同刀具壽命時，采用scCO2+MQL比傳統(tǒng)切削液的金屬材料去除率提高了25%～40%，刀具的主要磨損形態(tài)也由快速邊界磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榱司徛脑卵劳菽p。DANISH等[111]進(jìn)行了Inconel 718的車削實驗，對比了干切、MQL、LN2、LN2+MQL的冷卻方式，發(fā)現(xiàn)單一LN2相比于MQL，其工件表面粗糙度更高且刀具磨損更嚴(yán)重，而LN2+MQL則能獲得最低的工件表面粗糙度和刀具磨損。

BALAN等[85]采用LN2+MQL對Inconel 751進(jìn)行了磨削實驗，實驗結(jié)果表明，LN2+MQL比傳統(tǒng)干磨的比切削能低50%～65%，表面粗糙度與干磨削相比降低了28%，與MQL條件相比降低了20%。

PEREIRA等[112]對Inconel 718合金進(jìn)行了銑削實驗，發(fā)現(xiàn)切削液的加工方式仍舊可以獲得最佳的刀具壽命與工件質(zhì)量，但LCO2+MQL可以在減少切削液消耗的基礎(chǔ)上達(dá)到接近濕切削的切削性能，如圖20所示。

圖20 不同冷卻潤滑方式切削性能對比[112]Fig.20 Comparison of cutting performance betweendifferent synergistic technology [112]

4.3 合金鋼切削加工

4.3.1高強(qiáng)度鋼

高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高、硬度高、塑性強(qiáng)、韌性強(qiáng)，由于高強(qiáng)度鋼切屑強(qiáng)韌，熱導(dǎo)率較小，故易導(dǎo)致切削熱難以散失，斷屑困難，刀具磨損嚴(yán)重[114]。

STERLE等[115]采用LCO2+MQL復(fù)合技術(shù)進(jìn)行了42CrMo4鋼鉆削實驗，發(fā)現(xiàn)MQL提供的潤滑作用能減小切屑，減小鉆槽/孔壁和切削刃處的摩擦，從而減小扭矩；LCO2能有效降低鉆削溫度，在所有實驗組中LCO2+MQL的情況下鉆削溫度最低；實驗還發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到冷卻潤滑的最佳性能，需要在給定的切削速度和MQL條件下優(yōu)化LCO2的流速。

MULYANA等[116]對熱導(dǎo)率為55～66 W/(m·K)的高熱導(dǎo)鋼進(jìn)行了銑削加工，發(fā)現(xiàn)與干切削相比， scCO2+MQL能有效降低切削力和切削溫度，與干切削和MQL相比，刀具壽命分別增長了150%和87%；此外，提高CO2壓力還能進(jìn)一步提高切削性能，如圖21所示。張慧萍等[48]通過300M鋼切削單因素試驗發(fā)現(xiàn)，低溫微量潤滑環(huán)境可顯著降低顯微硬度，改善加工硬化，提高潤滑效率，減小加工表面所受擠壓和磨損，減少塑性變形和相變現(xiàn)象，降低工件表層殘余應(yīng)力。

如表3所示，JAVARONI等[117]通過淬硬鋼AISI 4340磨削實驗，對比了MQL及其復(fù)合不同溫度冷風(fēng)的切削性能，發(fā)現(xiàn)低溫冷風(fēng)復(fù)合可以明顯減小砂輪磨損和工件表面粗糙度值，且溫度越低其表面粗糙度值和刀具磨損值越小，-15 ℃冷風(fēng)復(fù)合下已極度接近傳統(tǒng)切削液的切削性能。

圖21 不同壓力scCO2切削性能對比[116]Fig.21 Comparison of cutting performance betweendifferent pressures of scCO2[116]

表3 低溫冷風(fēng)復(fù)合微量潤滑切削性能[117]

4.3.2不銹鋼

針對不銹鋼材料的黏刀問題，低溫復(fù)合微量潤滑技術(shù)同樣展現(xiàn)了其優(yōu)秀的性能。

LAI等[43]進(jìn)行了316L不銹鋼車削實驗，對比了干切、MQL、OoW、-50 ℃冷風(fēng)、LN2及兩種低溫冷媒復(fù)合MQL與OoW的切削性能，如圖22所示，發(fā)現(xiàn)OoW加入能進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻潤滑的作用，改善切削性能，且隨著環(huán)境溫度的降低，刀具的抗黏附能力會提高。

(a)室溫(30 ℃) (b)低溫冷風(fēng)(-50 ℃) (c)低溫液氮(-186 ℃)圖22 不同冷卻潤滑方式刀具磨損[43]Fig.22 Comparison of tool wear between different synergistic technology[43]

LAI等[118]還通過5種AlTiN基涂層刀具進(jìn)行了316L不銹鋼車削實驗，發(fā)現(xiàn)涂層對冷卻方式的改變很敏感，不同AlTiN基涂層刀具的最佳冷卻方式取決于涂層性能和相應(yīng)磨損模式的共同影響，相比于MQL，OoW大液滴的滲透性有限，但OoW液滴滲透后可以同時起到吸熱和潤滑作用，故scCO2+OoW在所有涂層刀具的切削中仍舊具有最佳的切削性能。

YUAN等[104]通過scCO2+OoW與scCO2+MQL方式對比316L不銹鋼的銑削性能發(fā)現(xiàn)，雖然scCO2+OoW在刀具磨損方面獲得了最優(yōu)性能，但表面粗糙度在切削速度為90 m/min時并無顯著優(yōu)勢，而隨著切削速度增大，在120 m/min和150 m/min時，scCO2+OoW條件下的表面粗糙度相比于常溫OoW分別降低了25%和39%。

4.4 復(fù)合材料加工

劉國漢等[119]發(fā)明了一種間斷式冷凍方法，對PTFE材質(zhì)PCB板件進(jìn)行間斷式冷凍箱冷凍，使鉆削過程中保持低溫，以此減少鉆污等缺陷，改善鉆孔質(zhì)量的同時保證加工效率及安全性。GIASIN等[120]使用LN2、MQL、干式加工進(jìn)行了多層金屬鋁板鉆削實驗，發(fā)現(xiàn)使用LN2與MQL、干式鉆孔相比分別能減少47%和36.4%的毛刺，此外，LN2加工還能減小高達(dá)70%的圓度誤差。LIN等[121-122]采用4.7 ℃、-4.7 ℃及-25 ℃冷風(fēng)對復(fù)合材料Al-PCB印制電路板的鉆孔進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用4.7 ℃或-4.7 ℃冷風(fēng)都可以有效地減小FR-4鉆頭的磨損，但在4.7 ℃時鉆削效果最好；因為過低溫度會導(dǎo)致材料硬化，阻礙排屑，所以當(dāng)溫度達(dá)到-25 ℃時，刀具的磨損更加嚴(yán)重；在采用冷空氣、scCO2或LN2作為介質(zhì)鉆孔時，scCO2鉆孔會導(dǎo)致切屑纏繞和刀具黏連等問題，并嚴(yán)重影響刀具壽命和孔壁質(zhì)量，而使用冷空氣或LN2時，則可以減少鋁屑的纏繞，從而改善鉆孔過程中的排屑問題。雖然低溫加工在多數(shù)復(fù)合材料切削中都表現(xiàn)了其優(yōu)勢，但由于油霧會帶來工件污染問題，故大多數(shù)復(fù)合材料切削過程中不能采用油霧潤滑。

劉建[123]采用PCD刀具進(jìn)行了低溫冷風(fēng)復(fù)合OoW在SiCp/Al復(fù)合材料上的銑削實驗，發(fā)現(xiàn)低溫微量潤滑技術(shù)能夠有效地改善磨粒磨損、崩刃及剝落現(xiàn)象，降低刀片表面的黏結(jié)磨損程度，并且可以抑制PCD刀具磨損的石墨化。

本文整理了各類材料切削所需冷卻潤滑參數(shù)、冷卻潤滑方式及部分結(jié)論，如表4所示。

表4 各類微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)研究結(jié)果

綜上可以發(fā)現(xiàn),在大部分金屬材料切削中，微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)相比于傳統(tǒng)切削液或MQL技術(shù)均有著以下優(yōu)勢：①有效降低切削區(qū)溫度，減小切削力，減小刀具磨損并提高切削性能；②配合PCD刀具切削時能有效防止PCD刀具高溫導(dǎo)致的石墨化問題，延長刀具壽命。

溫度過低也同樣會帶來以下問題：①材料的變性問題；②對高精密零部件尺寸精度影響。故對于精加工，低溫復(fù)合微量潤滑方式需要根據(jù)低溫對材料的影響而定。此外，針對部分會由于切削液特性帶來污染的零部件，同樣需要考慮微量潤滑液的污染問題，此時可以考慮采取單純的低溫氣體來進(jìn)行切削加工。

由表4也可以明顯發(fā)現(xiàn)，目前針對微量潤滑相關(guān)技術(shù)的工藝參數(shù)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。雖然部分學(xué)者針對特定工況進(jìn)行了相關(guān)的工藝參數(shù)優(yōu)化，但仍舊缺乏理論性的規(guī)范指導(dǎo)，導(dǎo)致低溫微量潤滑技術(shù)工藝參數(shù)難以界定，影響切削效果。如何選擇合適的工藝參數(shù)、工況，以及刀具、加工方式的適配等，仍是需進(jìn)一步研究的重要問題。

5 經(jīng)濟(jì)與環(huán)境安全性評估

微量潤滑技術(shù)在成本和環(huán)境上，相比于傳統(tǒng)的漫灌式切削液已然邁出了一大步，但涉及加工性問題，微量潤滑各增效技術(shù)則有所區(qū)別，如低溫氣體的額外成本，大量采取如CO2、LN2等氣體的排放等問題。

田佳[124]通過檢測不同潤滑油性質(zhì)、潤滑油用量、供氣壓力條件下的機(jī)床內(nèi)部切削區(qū)油霧濃度，評價了低溫MQL系統(tǒng)參數(shù)對切削油霧生成和環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明：采用更低傾點(diǎn)的潤滑油、更高的潤滑油用量和供氣壓力會導(dǎo)致加工區(qū)油霧濃度的明顯升高，同時細(xì)顆粒油霧的比重也會有不同程度的上升，從而增加了環(huán)境油霧危害風(fēng)險；而低溫MQL能夠有效抑制潤滑油的霧化和降低細(xì)顆粒油霧的生成率，相比常溫MQL更加環(huán)保和安全；在低溫MQL切削應(yīng)用中，通過增強(qiáng)低溫MQL系統(tǒng)的制冷性能、優(yōu)化降低潤滑油用量以及采用合理物理參數(shù)的潤滑油等手段可以改善切削環(huán)境空氣質(zhì)量；此外，采用封閉式加工系統(tǒng)也可有效減少散逸到機(jī)床外部工作環(huán)境中的油霧，從而降低油霧危害風(fēng)險。

GUPTA等[125]通過鈦合金銑削實驗對比了干切削、LN2和LN2復(fù)合微量潤滑條件的加工性能，并通過總循環(huán)時間、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性分析、能耗和碳排放等環(huán)境參數(shù)對加工的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境安全性進(jìn)行了系統(tǒng)評估，如表5和圖23所示。研究結(jié)果表明，與干車削相比，LN2和LN2+MQL的生產(chǎn)率提高了34.21%,選擇LN2+MQL冷卻潤滑方式能總體降低CO2排放與切削功耗并節(jié)省成本。由此可見，盡管液氮和液氮復(fù)合微量潤滑技術(shù)前期投入成本相對較高，但通過合理工藝優(yōu)化并提高加工效率，在綜合能耗和成本節(jié)約方面相比傳統(tǒng)切削方式仍具備一定的優(yōu)勢。

綜合而言，低溫氣體與微量潤滑的復(fù)合增效技術(shù)兼顧了加工性與經(jīng)濟(jì)性，順應(yīng)了國家綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

表5 試驗設(shè)計

(a)加工總成本

(b)CO2排放

(c)加工能耗

6 結(jié)論與展望

微量潤滑的增效技術(shù)結(jié)合了微量潤滑的潤滑作用和增效方法的冷卻效果，有效提高了微量潤滑技術(shù)的加工性能?？偨Y(jié)分析現(xiàn)有的微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)與裝置的研究成果，可以得到以下結(jié)論。

(1)微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)通過引入低溫冷媒進(jìn)行強(qiáng)換熱，兼具冷卻與潤滑特性，能有效降低切削區(qū)溫度，防止?jié)櫥瑒┻^早失效，延長刀具壽命，提高工件質(zhì)量，可以有效解決難加工材料的各種切削問題，在絕大多數(shù)難加工材料上都展現(xiàn)了優(yōu)秀的切削性能。

(2)微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)能減輕微量潤滑技術(shù)導(dǎo)致的油霧污染問題，降低油霧危害風(fēng)險，綜合各類因素對經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境安全性系統(tǒng)的評估，低溫氣體復(fù)合微量潤滑增效技術(shù)能總體降低切削功耗及各類資源損耗浪費(fèi)，從而節(jié)省成本。

(3)各類CO2、液氮等低溫氣體由于氣體制備及儲存成本高，傳輸過程易出現(xiàn)損耗等問題，故目前主要應(yīng)用于實驗室階段,但其強(qiáng)換熱特性能極大地降低切削溫度，對部分不適用于普通切削液加工的材料如硬質(zhì)合金有著較好的應(yīng)用前景。

(4)超臨界CO2獲取及保持條件較為簡易，其本質(zhì)是通過出口汽化降溫，可以有效避免傳輸過程中的溫度損耗問題，同時對多種潤滑劑有著較好的溶解性，在綠色加工領(lǐng)域有著非常大的潛力。

(5)各類微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)均有各自的適用性與應(yīng)用問題，需要綜合切削環(huán)境適當(dāng)考慮，其中低溫冷風(fēng)技術(shù)是目前較為成熟的增效方式，并可通過渦流管冷卻簡易獲取。

(6)油膜附水滴技術(shù)在基本不影響成本的情況下能進(jìn)一步提高微量潤滑技術(shù)的冷卻潤滑性能，且能與多種低溫冷媒復(fù)合，是一種比較優(yōu)秀的冷卻潤滑方式。

盡管在微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)方面取得了很多可喜的成果，但是微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)仍然存在理論系統(tǒng)不完善、裝置開發(fā)存在瓶頸、應(yīng)用適配不明確等系列問題，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)缺乏理論性的規(guī)范指導(dǎo)，導(dǎo)致低溫微量潤滑技術(shù)工藝參數(shù)難以界定，影響切削效果。需要研究霧化特性的影響因素，闡明微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)穩(wěn)定霧化機(jī)理，建立潤滑劑種類、流量、液滴、冷媒溫度等各項參數(shù)與噴霧場、液滴、霧粒一致性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為微量潤滑復(fù)合增效技術(shù)的應(yīng)用提供理論支撐。

(2)低溫氣體如液氮、液態(tài)CO2等在裝置傳輸過程中，存在氣-液兩相流的溫壓損耗，即氣-液兩相流高效輸送仍存在瓶頸,需要研發(fā)相關(guān)裝置及傳輸系統(tǒng)，減少低溫氣體傳輸熱-壓損耗，避免影響冷卻潤滑性能。

(3)相關(guān)裝置的內(nèi)冷傳輸研究較為缺失，如何防止如液氮等超低溫冷媒在內(nèi)冷傳輸過程中對結(jié)構(gòu)件的影響是目前的難點(diǎn)，國外針對部分冷媒傳輸提出的同軸套管技術(shù)，即通過外部施加相對較高溫的氣層隔熱是有一定前景的發(fā)展方向。

(4)目前關(guān)于微量潤滑工藝增效技術(shù)的工作參數(shù)如流量、氣壓等并沒有統(tǒng)一的規(guī)范與定論，且與刀具涂層、材料等適配性等問題也缺少深入探討，還需進(jìn)一步開展低溫微量潤滑技術(shù)在其他難加工材料和加工工藝上的應(yīng)用研究，針對特定材料和加工方式，結(jié)合低溫氣體應(yīng)用過程中的材料變性問題，探究加工工藝參數(shù)、刀具、機(jī)床及增效技術(shù)的適配性，建立切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并研制切削參數(shù)智能化的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。