绿色切削微量润滑增效技术研究进展丨JME封面文章
在实际切削加工过程中，减小刀具和工件之间的摩擦力可以有效降低切削力、增加刀具寿命、提高工件表面质量。传统浇注式切削使用大量的切削液浇注至切削区，可以有效地降低切削区温度、减小刀具和工件之间的摩擦力，从而获得较高质量的加工表面、减小刀具磨损。但切削液的大量使用会造成液体飞溅，影响操作者的身体健康，同时对车间操作环境造成严重的污染。另外，切削废液和切屑的处理需要大量的人力物力，这也无形增加零件产品的制造成本。近年来国家和各级地方政府陆续出台一系列法规，限制切削液使用，制造企业必须发展和应用少无切削液使用的加工技术。
目前，少无切削液使用的加工技术有：干切削、高速切削、振动切削、加热辅助切削、低温切削、微量润滑技术等。干切削过程中无切削液的使用，具有切屑干净、机床简单、成本低等优点。由于无润滑剂的使用，也存在切削力大、切削区温度高、刀具磨损严重、工件表面质量差等问题。高速切削切削速度是常规切削的5 到10 倍，具有切削力小、切削区温度低、切削效率高等优点，可获得高质量且无微淬火现象的加工表面。振动切削过程中对刀具或工件施加有规律的振动，可以减小切削力和切削热获得高质量的加工表面，该技术尤其适用于硬脆性材料的加工。加热辅助切削是把工件的整体或者局部加热到一定的温度以后再进行切削的一种加工技术，可以减小切削力并延长刀具使用寿命。低温切削通过对刀具和工件进行冷却，可以达到降低切削区温度的目的，尤其适用于钛合金、低碳钢、低合金钢等难加工材料的加工。
微量润滑(Minimal quantity lubrication，MQL)技术是一种绿色高效的冷却润滑方式。该技术将压缩空气与极少量的润滑剂混合汽化，形成毫、微米级汽雾，喷向切削区，对“刀具与切屑”和“刀具与工件”的接触界面进行冷却和润滑。作为一种典型的绿色冷却润滑方式，微量润滑技术具有：切削液用量小、切削力低、防止黏结、延长刀具寿命、提高工件表面质量等优点。但在特定工况下，微量润滑技术也存在一些问题：① 冷却性能不足的问题。尤其是应用微量润滑技术加工难加工材料时，切削过程产热过高，切削区可能出现冷却不充分现象；② 冷却不充分时，会出现润油膜破裂和润滑失效的问题；③ 最佳润滑剂用量难以确定，很容易出现润滑不充分的现象。为解决上述问题，研究人员提出了若干种微量润滑增效技术。
微量润滑增效技术将各种冷却方法与微量润滑技术有效结合，充分利用各种冷却方法创造低温环境、提高传热效率以降低切削区的温度，利用润滑剂的润滑特性减小摩擦，在切削区同时实现冷却和润滑。现有的增效途径有(如图所示)：低温冷风、低温氮气、低温CO2、纳米流体、油膜附水滴(OOW)、超临界CO2。
MQL 增效途径
微量润滑增效技术可以有效降低切削区温度、减小切削力、提高工件表面质量并减小刀具磨损。PAUL 等研究发现，低温冷风微量润滑技术在高温合金、钛合金和高强钢等难加工材料的切削上，可以显著降低切削力，延长刀具寿命，提高工件表面质量。王玉福等发现，使用氮气低温冷却微量润滑技术能够有效延长砂带的使用寿命。CHIFFRE等通过螺纹车削试验发现，低温CO2+MQL 的冷却润滑方式可以显著减小刀具磨损，延长刀具使用寿命。侯学博等发现，铜和石墨纳米颗粒可以显著提高切削液的导热性、渗透性和减磨抗磨性能，进而可降低切削力和工件表面粗糙度。目前微量润滑增效技术在车削加工、铣削加工、磨削加工等加工方法上都得到了应用。尤其是在难加工材料的切削加工方面，可以显著地提高工件表面质量、减小切削力、提高加工效率并有利于断屑和排屑。
北京航空航天大学的袁松梅教授团队在《机械工程学报》2019年5期，作为封面文章发表了《绿色切削微量润滑增效技术研究进展》一文。该文综述了微量润滑增效技术的最新研究进展，分别总结了低温微量润滑技术、纳米颗粒增强微量润滑技术、微量油膜附水滴技术、超临界CO2车削的最新研究成果，概括了各微量润滑增效技术的技术机理、技术特点、应用现状，分析了各微量润滑增效技术存在的问题以及发展方向，旨在为微量润滑增效技术的进一步研究以及工程应用提供参考。
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微量润滑增效技术结合了微量润滑的润滑作用和增效方法的冷却效果，有效提高了微量润滑技术的加工性能。作为高效环保的绿色加工方法，微量润滑增效技术顺应了国家绿色发展、可持续发展的战略需求]。总结分析现有的微量润滑增效技术的研究成果，可以得到以下结论。
(1) 微量润滑技术润滑机理在于：微量润滑技术可以在刀具-切屑和刀具-工件接触界面上形成润滑膜或有助于接触界面间润滑油膜的形成，并改变摩擦副接触形式。
(2) 目前，对低温微量润滑和纳米颗粒增强微量润滑的研究较为深入，技术相对完善，适用性较广，在工程应用中可以优先选择。
(3) 低温微量润滑技术能够有效地抑制润滑剂的润滑失效，具有与传统浇注式切削相当甚至更好的冷却润滑性能。在适宜的切削参数下，可以更有效地解决切削难加工材料时冷却不充分的问题。
(4) 纳米颗粒可以提高润滑剂的导热系数，从而可以起到增强冷却的作用。纳米颗粒可以起到减磨抗磨作用的原因在于纳米颗粒可以：提高润滑剂基液的润湿性；填充工作表面的微坑和损伤部位，起到一种修复作用；以高速雾粒的形式喷射到切削区，对加工表面起到一种抛光作用。超临界CO2 增效车削在提高刀具寿命方面具有优势，可以达到甚至超过传统浇注式车削。
尽管在微量润滑增效技术方面取得了很多可喜的成果，但是微量润滑增效技术仍然存在一些问题，未来仍需在以下方面努力。
(1) 完善纳米颗粒微量润滑技术冷却润滑机理，建立纳米颗粒粒径、浓度、硬度等工艺参数与工件表面粗糙度、波纹度等参数之间的量化关系。探索微米颗粒在MQL 中的应用，并进一步进行混合纳米粒子添加剂的研究。
(2) 阐明超临界CO2 增效车削、低温CO2 增效磨削以及干冰低温冷却微量润滑技术对切削区的冷却作用机制。探索润滑剂种类、流量、液滴尺寸、制冷剂温度等工艺参数对刀具磨损和工件表面质量的影响规律。通过对比试验，以工件表面完整性、刀具磨损量、技术成本及空气中油雾浓度为评价指标，对三种技术进行技术效果的评估。
(3)扩展低温冷风微量润滑技术在其他难加工材料和其他加工工艺上的应用，并设计与加工工艺相匹配的低温冷风微量润滑系统，以扩大该技术的适用范围。针对特定材料和特定加工方式，探求与之匹配的加工工艺参数、刀具、机床以及微量润滑增效方法，建立MQL切削参数数据库。基于MQL切削参数数据库，研制切削参数智能化调节系统。
袁松梅(通信作者)，女，1971 年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为先进制造(复合材料加工，绿色加工，超声加工)及医工结合。
韩文亮，男，1994 年出生，硕士研究生。主要研究方向为绿色制造技术。
朱光远，男，1990 年出生，博士研究生。主要研究方向为绿色制造技术。
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