顆粒流切削潤滑研究現(xiàn)狀及展望

馬利杰，逄明華，馮啟高，王占奎，蘇建修，劉貫軍

（河南科技學院 機電學院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

切削加工是一種發(fā)展最成熟、工藝最完善、應用最廣泛的制造技術(shù)。它也是一種典型的機械去除加工方法，“擠壓、摩擦、剪切、磨損”是其本質(zhì)特征[1]。切削加工時，伴隨著刀具對工件材料的擠壓，被切削層材料發(fā)生嚴重變形，并出現(xiàn)剪切滑移，形成切屑。隨著切削過程的進行，刀具、切屑和工件之間出現(xiàn)劇烈摩擦，產(chǎn)生較大的切削力和大量的切削熱，這不僅加劇了刀具的磨損和破損失效，而且嚴重制約了加工質(zhì)量和效率的提高。因此，減少刀屑和刀工摩擦、延長刀具耐用度，最終提高加工精度、改善表面質(zhì)量、降低加工成本成為切削加工的必然要求。

切削液（切削油）澆注潤滑是最傳統(tǒng)、也最常用的切削減摩技術(shù)，冷卻、潤滑是其基本功用。然而澆注潤滑存在著諸多問題和不足：

1）切削液消耗量大、成本高。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)實踐中用于切削液的購置、使用、處理等的直接和間接費用占加工總成本的 10%～17%，而刀具成本僅占5%～7%[2]。

2）切削液的效能得不到充分發(fā)揮。切削過程中刀具-切屑緊密接觸，形成粘結(jié)區(qū)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使切削液進入切削區(qū)的途徑受到限制，在車削、鉆削等連續(xù)型切削工藝中，其效能的發(fā)揮不足30%[3-4]。

3）適用溫度范圍小，通常在-60～350 ℃之間。在高速、重載、難加工材料切削等高溫情況下，由于切削液的揮發(fā)、變質(zhì)，其作用效果變得更差。

4）環(huán)境污染和危害人身健康[5]。為了克服澆注潤滑的上述不足，自20 世紀80 年代，逐漸出現(xiàn)了最小量潤滑（Minimum Quantity Lubrication，MQL）、低溫冷風、液氮冷卻等低耗、綠色、高效切削潤滑技術(shù)。表1 列出了它們的特點及應用場合[6-10]。

表1 常見綠色切削潤滑技術(shù)的特點及應用[6-10] Tab.1 Characteristics and application of common green cutting lubrication technologies[6-10]

自21 世紀初，顆粒流潤滑以其獨特的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。所謂顆粒流潤滑，是將固體潤滑介質(zhì)以顆粒（粉末）狀態(tài)直接導入摩擦副，利用微小顆粒的粘附、變形、滑滾、分層開裂等特性，減少做相對運動的兩表面間的接觸，從而減少摩擦、降低磨損的潤滑方法[11]。顆粒流潤滑具有傳統(tǒng)固體潤滑的摩擦系數(shù)?。ɡ鏜oS2為0.05～0.1，WS2約為0.03）、潤滑性能好、無污染、無毒害等特點，同時也具有流體潤滑的流動性、自補償、自修復等優(yōu)良性能[12-13]。顆粒流潤滑特別適用于高溫、高壓、高真空等嚴酷工況，已成功解決了高溫發(fā)動機軸承、內(nèi)燃機活塞環(huán)和缸套、壓鑄系統(tǒng)等的潤滑和磨損難題，成為航空、航天與原子能工業(yè)發(fā)展必不可少的技術(shù)[14-16]。

1 顆粒流切削潤滑研究現(xiàn)狀

針對傳統(tǒng)切削潤滑技術(shù)的不足及顆粒流潤滑的特點，自2000 年以來，一些機械制造專家逐漸將顆粒流潤滑引入到切削加工中來，開展了車削、銑削、鉆削、磨削等工藝試驗。圍繞顆粒流切削潤滑中顆粒潤滑介質(zhì)的輸送及導入、切削潤滑效果與工藝參數(shù)優(yōu)化、顆粒流潤滑機理等進行了深入研究，并取得了較大進展。

1.1 顆粒潤滑介質(zhì)的輸送及導入

將固體潤滑顆粒（粉末）輸送到切削部位，并導入刀-屑和刀-工接觸界面是實現(xiàn)顆粒流切削潤滑、獲得良好工藝效果的前提。當前用于切削加工的顆粒介質(zhì)輸送及導入方式主要有：填涂式、鋪粉式、送粉式、流化式、霧化式等。

1.1.1 填涂式

如圖1a 所示，DENG[17]利用飛秒激光在硬質(zhì)合金車刀前刀面加工出不同形狀的微織構(gòu)，然后采用手工填充的方式在微織構(gòu)中填入MoS2粉末，進行了45鋼的切削試驗，取得了顯著優(yōu)于普通刀具的切削效果。然而，該方法僅能用于顆粒介質(zhì)的切削潤滑效果的驗證，不易在實際生產(chǎn)中推廣。為此，朱成順[18]將石墨、MoS2和自制的納米K2Ti4O9晶須按一定比例混合后，加入有機粘接劑中，攪拌均勻，制成復合潤滑劑，并涂覆于車刀前、后刀面上，經(jīng)室溫干燥后，獲得具有自潤滑性能的刀具。該方法的最大優(yōu)點在于使用簡單方便，但涂層結(jié)合力是制約其實際應用的關(guān)鍵因素。此外，SHAJI[19]也發(fā)明了一種用于磨削加工的固體潤滑劑供給裝置。如圖1b 所示，缸體A 中的固體潤滑劑（石墨顆粒和乳化油按比例調(diào)制成的膏狀物質(zhì)），通過氣動活塞機構(gòu)B 擠出到軟質(zhì)橡膠輪C上，再利用橡膠輪C 和砂輪（Grinding wheel）之間的相對旋轉(zhuǎn)運動，將潤滑劑涂抹到砂輪表面，從而實現(xiàn)磨削過程的持續(xù)潤滑，固體潤滑劑的供應量可由活塞的移動速度來控制。該方法雖然實現(xiàn)了磨削加工的固體顆粒潤滑，但由于缺乏切削液的沖刷而導致砂輪堵塞，制約了它的實踐應用，因此開發(fā)包含顆粒潤滑介質(zhì)的自潤滑砂輪成為磨削加工固體潤滑的重要發(fā)展方向。

圖1 填涂式固體潤滑劑供給方式[17,19] Fig.1 Filling or smearing type supplement mode of solid lubricants[17,19]: a) rake face of textured tools with or without MoS2 solid lubricants, b) supplement setup of solid lubricants used in grinding

1.1.2 鋪粉式

該方式對應的潤滑方法又稱為粉浴潤滑，它是一種使摩擦界面處于飛揚的粉末潤滑劑包圍的潤滑方法。如圖2 所示，KILI?AY[20]通過特制夾具分別將粒度為60 μm 的硼酸、氧化硼等多種硼基化合物粉末鋪蓋于20 鋼工件上，進行了8 mm 寬度直槽的立銑削試驗，潤滑劑粉末通過銑刀的旋轉(zhuǎn)運動導入切削區(qū)，特制夾具用來實現(xiàn)粉末的重復利用。測力儀（Dynamometer）用于對銑削過程中的三個切削分力進行測量。該方法僅適用于類似于銑削的斷續(xù)切削工藝，且不易實現(xiàn)潤滑劑粉末的定量控制。

圖2 鋪粉式顆粒流潤滑銑削裝置[20] Fig.2 Milling setup of powder-covering type particulate flow lubrication[20]

1.1.3 送粉式

為了實現(xiàn)顆粒潤滑劑的連續(xù)輸送和定量控制，SURESH[21]提出了一種機械送粉裝置。如圖3 所示，漏斗（Hopper）中的固體潤滑劑粉末，在電動機（Motor）驅(qū)動的葉片帶動下，經(jīng)方形出口（Square box）、通道（Channel）輸送到加工部位，再利用銑刀的旋轉(zhuǎn)運動導入切削區(qū)。調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)粉末的定量輸送，封閉箱（Closed chamber）用來實現(xiàn)潤滑劑粉末的回收再利用。NAGESWARA[22]也發(fā)明了一種粉末噴射裝置（如圖4），裝在垂直缸體中的潤滑劑粉末在活塞作用下，經(jīng)縮口部分（Section 3）進入水平缸體內(nèi)，在壓縮空氣（Compressed air，由水平缸體左側(cè)通入）的作用下，形成粉-氣混合物，然后經(jīng)小直徑噴頭噴射到加工部位，該潤滑方式又稱為噴粉潤滑?？s口部分（Section 3）的附加裝置（圖中未畫出）和壓縮空氣調(diào)節(jié)閥（Adjusting valve），分別用于控制粉末的流量和流速。

圖3 送粉式顆粒流潤滑銑削裝置[21] Fig.3 Milling setup of powder-delivery type particulate flow lubrication[21]

圖4 用于切削潤滑的噴粉裝置[22] Fig.4 Powder spray equipment used in cutting lubrication[22]

1.1.4 流化式

為了滿足車削、鉆削等連續(xù)型切削工藝的顆粒流潤滑需要，促進顆粒潤滑介質(zhì)有效進入切削區(qū)，RANAMNA 等人[23]開發(fā)了一種顆粒潤滑介質(zhì)流化輸送裝置。如圖5 所示，將一定量的顆粒潤滑介質(zhì)（石墨或MoS2或硼酸等）溶入基礎(chǔ)液體（植物油或蒸餾水等）制成綠色顆粒潤滑液（Green particulate fluid lubricant），添加到裝置上部的容器（Container）中，潤滑液借助大氣壓和自身重力，經(jīng)柔性管道（Flexible tube）輸送到切削部位。圖5 中的旋轉(zhuǎn)葉片（Rotating blades）用于連續(xù)攪拌潤滑液，防止顆粒介質(zhì)發(fā)生團聚或沉淀，流量控制閥（Flow control valve）用于控制潤滑液的流量。

圖5 顆粒潤滑介質(zhì)流化輸送裝置[23] Fig.5 Conveying setup of particulate fluid lubricant[23]

1.1.5 霧化式

REDDY[24]發(fā)明了一種用于顆粒潤滑介質(zhì)導入的靜電霧化裝置。該裝置利用“異性相吸”的原理，將包含有帶正電荷顆粒介質(zhì)的潤滑液霧化后導入到切削區(qū)，其中，霧化劑的流量和流速通過潤滑液供應量和電壓大小來控制。此外，將微納尺度的顆粒潤滑劑加入基礎(chǔ)液體中，借助表面活性劑制成不易沉淀的顆粒懸浮潤滑液，再利用通用的MQL 系統(tǒng)霧化后導入切削區(qū)，也是顆粒介質(zhì)霧化導入的常用方法。與流化式相比，霧化式能夠進一步提升顆粒介質(zhì)向切削區(qū)的滲透能力，但配制不易發(fā)生沉淀、團聚的顆粒懸浮潤滑液是其實施的前提條件，且顆粒介質(zhì)的用量比其他方式要少得多。

1.2 顆粒流切削潤滑的工藝效果及參數(shù)優(yōu)化

1.2.1 車削加工

在填涂式和送粉式顆粒流潤滑車削工藝研究方面，GAJRANI[25]將MoS2粉末以70%的體積比與石墨基潤滑脂混合，并填充到高速鋼刀具的微織構(gòu)中制成自潤滑刀具，進行了AISI 1040 中碳鋼的車削試驗，結(jié)果表明：與普通刀具和非填充織構(gòu)刀具相比，微織構(gòu)自潤滑刀具的切屑厚度和塑性變形顯著減小，刀屑之間的摩擦系數(shù)也明顯減小，因此微織構(gòu)自潤滑刀具更適合于實現(xiàn)干切削綠色加工。LEI[26]利用飛秒激光在硬質(zhì)合金車刀前刀面的刀屑接觸區(qū)加工出有規(guī)律的微型凹坑（直徑70、200 μm），并在里邊填上WS2粉末，制成微池潤滑刀具。以此為基礎(chǔ)，開展了微池潤滑、干切削和澆注潤滑條件下的45 鋼切削試驗。結(jié)果表明：與干切削相比，WS2微池潤滑可使平均切削力降低10%～30%，刀屑接觸長度減小約30%，刀屑摩擦系數(shù)明顯減小，斷屑排屑效果也得到改善；普通刀具澆注潤滑時，由于切削液不能順利進入刀屑接觸區(qū)，不能取得類似的工藝效果。DILBAG[27]采用送粉裝置將平均粒度為2 μm 的石墨和MoS2粉末，以0.5～15 mg/min 的流量供給到加工部位，然后利用陶瓷刀具進行了軸承鋼AISI 52100 的硬車削試驗，結(jié)果表明：與干切削相比，顆粒流潤滑可使工件的表面粗糙度值下降8%～15%，MoS2比石墨具有更好的作用效果。MUKHOPADHYAY[28]選用非涂層硬質(zhì)合金機夾車刀，進行了MoS2顆粒流潤滑和澆注潤滑下的40 鋼車削試驗，并開展了潤滑方式與刀具前角的關(guān)系研究，結(jié)果表明：MoS2顆粒流潤滑可使表面質(zhì)量提高5%～30%；顆粒流潤滑比澆注潤滑具有更大的最優(yōu)前角（分別為12°和8°）。

在流化式顆粒流潤滑車削工藝研究方面，NAGESWARAKA 和VAMSI[22,29]將不同粒度（50、100、150、200 μm）的石墨和硼酸粉末，以不同的質(zhì)量分數(shù)（5%、10%、20%、30%、40%）添加到SAE40潤滑油中，制成綠色顆粒潤滑液，經(jīng)流化裝置以 10 mL/min 的流量輸送到切削部位，并用 SNMG 120408 硬質(zhì)合金刀具進行了中碳鋼EN8 的車削試驗。圖6 表示潤滑方式和顆粒介質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對表面粗糙度的影響，切削參數(shù)為：切削速度110 m/min，每轉(zhuǎn)進給量0.25 mm，切削深度1.0 mm。其中，Dry、Flood、Gr、BA 分別表示干切削、澆注潤滑、石墨潤滑液、硼酸潤滑液四種不同情況，百分數(shù)表示顆粒介質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。結(jié)果表明：顆粒流潤滑比干切削和澆注潤滑能夠獲得更好的表面質(zhì)量；試驗工況下，硼酸比石墨具有更好的工藝效果；當顆粒介質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)低于20%時，隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，潤滑液改善表面質(zhì)量的效果更顯著，但超過20%后并不能帶來更好的工藝效果。

圖6 潤滑方式和顆粒介質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對表面粗糙度的影響[29] Fig.6 Influence of lubrication mode and particulate mass fraction on surface roughness[29]: a) surface roughness under different lubrication mode, b) influence of weight fraction on surface roughness

在霧化式顆粒流潤滑車削工藝研究方面，SAHOO[30]將粒度為5～10 μm 的層狀石墨以0.1%的質(zhì)量比添加到植物油中，制成顆粒潤滑液，并進行了TC4 鈦合金的干切削、MQL、NFMQL（顆粒潤滑液最小量潤滑）車削潤滑對比試驗。切削參數(shù)為：切削速度63、82、106、138 m/min，切削深度0.35 mm，進給速度0.1 mm/r。刀具為SNMG120408 非涂層硬質(zhì)合金刀片。結(jié)果表明：當切削速度超過82 m/min時，NFMQL 可比干切削和MQL 獲得更小的刀具磨損；當切削速度大于106 m/min 時，NFMQL 可以獲得更好的表面質(zhì)量。

為了弄清顆粒介質(zhì)粒度和潤滑液流量對潤滑效果的影響，PATURI[31]將微米尺度的WS2粉末以1∶20 的質(zhì)量比加入到普通MQL 潤滑液中，制成顆粒懸浮潤滑液，并以200 mL/h 的流量開展了鎳基合金Inconel 718 車削試驗。結(jié)果表明：與普通MQL 潤滑液相比，微米顆粒懸浮潤滑液可使表面粗糙度降低35%左右。PADMINI[32]分別將微米和納米尺度的MoS2和硼酸（H3Bo3）粉末按0.25%的質(zhì)量比加入椰子油和蓖麻油中，通過超聲振蕩制成顆粒懸浮潤滑液，并經(jīng)MQL 系統(tǒng)以10 mL/min 的流量輸送到切削部位，進行了不同潤滑條件下的40 鋼車削試驗。結(jié)果表明：納米潤滑液比微米潤滑液具有更好的降溫、減力、延長刀具磨損、改善表面質(zhì)量的工藝效果；納米H3Bo3的降溫性能（8%）和減力性能（39%～44%）不如納米MoS2（分別為15%、44%～48%），因此納米H3Bo3潤滑條件下獲得的表面質(zhì)量也不如納米MoS2好。AMRITA[33]利用MQL 系統(tǒng)研究了納米石墨潤滑液的質(zhì)量分數(shù)和流量對HSS 和硬質(zhì)合金車刀車削40鋼的影響規(guī)律。結(jié)果表明：納米潤滑液的質(zhì)量分數(shù)（0.1%～0.5%）越大、流量（5～15 mL/min）越大，減力和降溫效果就越好；當流量大于5 mL/min 時，其減力效果就超過澆注潤滑，進一步提高到10 mL/min時，其冷卻效果也好于澆注潤滑；在質(zhì)量分數(shù)為0.5%、流量為15 mL/min 的情況下，納米潤滑液對硬質(zhì)合金刀具的耐用度提高更顯著，對HSS 刀具的減力效果更顯著。

綜上研究，無論采用何種顆粒介質(zhì)供給方式，顆粒流潤滑車削的加工效果普遍優(yōu)于干切削，且具有優(yōu)于澆注潤滑和MQL 的某些性能指標。顆粒流潤滑不僅適用于易切削金屬材料，而且適用于淬硬鋼、鎳基合金等難切削材料。顆粒潤滑介質(zhì)的種類、粒度和供應量等潤滑參數(shù)，都是影響顆粒流潤滑效果的重要因素，但上述因素的影響規(guī)律還有待深入研究。

1.2.2 銑削加工

與車削加工相比，銑削加工屬于多刀齒斷續(xù)切削工藝，各刀齒依次進入切削區(qū)進行短暫切削，銑刀的旋轉(zhuǎn)切入運動能夠把顆粒潤滑介質(zhì)導入切削區(qū)，從而更有利于發(fā)揮其潤滑功效。KILI?AY[20]的硼化物鋪粉立銑削試驗表明：硼酸、二氧化硼、硼砂都可用作固體潤滑劑，且硼酸比二氧化硼、硼砂具有更好的潤滑效果；與干切削相比，用硼酸作潤滑劑可使表面粗糙度下降20%～30%，切削力減少15%～50%；而硼肥卻能使切削力增大、表面質(zhì)量惡化、刀具磨損加劇，因此不適宜用作固體潤滑劑。SURESH[21,34]采用送粉裝置研究了顆粒流潤滑情況下立銑削45 鋼的工藝效果，顆粒介質(zhì)為：平均粒度為2 μm 的石墨和MoS2粉末，刀具采用φ20 mm 四齒TiAlN 涂層硬質(zhì)合金立銑刀。結(jié)果表明：與澆注潤滑相比，顆粒流潤滑能使加工效果顯著改善，減小了切削變形，降低了摩擦、能量消耗和切削力，從而也使表面質(zhì)量得到改善；MoS2的減摩效果優(yōu)于石墨和澆注潤滑，當顆粒介質(zhì)的供應量為3 mg/s 時，其減摩效果最顯著（如圖7所示）。相關(guān)研究表明，石墨、MoS2、多種硼化物等都能用作切削加工的潤滑介質(zhì)，但固體潤滑介質(zhì)的正確選擇和合理使用，對于發(fā)揮其潤滑和冷卻效果具有至關(guān)重要的作用。

圖7 不同潤滑條件下切向力和法向力的變化[21]（切削速度150 m/min，進給速度200 mm/min，刀具徑向前角4°，刀具刃口半徑0.4 mm） Fig.7 Variation of tangential force and normal force with different lubrication condition[21] (cutting speed 150 m/min, feed speed 200 mm/min, tool radial rake angle 4°,tool edge radius 0.4 mm)

關(guān)于流化式和霧化式顆粒流潤滑銑削工藝研究，目前主要集中在工藝效果驗證和潤滑參數(shù)的優(yōu)化方面。KURSUNCU[35]將微米尺度的硼酸和硼砂粉末以5%的質(zhì)量比加入乙二醇中，制成顆粒潤滑液，通過MQL 系統(tǒng)以50 mL/h 的流量輸送到切削部位，進行了AISI O2 工具鋼的銑削潤滑對比試驗，刀具采用直徑φ25mm 的兩刃TiN 涂層硬質(zhì)合金立銑刀，銑削參數(shù)為：切削速度100 m/min，每齒進給量0.05 mm/z，軸向切深0.5 mm，徑向切深15 mm。結(jié)果表明：與干切削相比，硼酸和硼砂顆粒潤滑液下的表面粗糙度可分別降低52%和38%，其中硼酸潤滑液下的最小表面粗糙度可達0.411 μm；硼酸和硼砂顆粒潤滑液下的刀具壽命比干切削分別提高了 110%和 50%。MARCON[36]將不同粒度（1、15 μm）的層狀石墨借助表面活性劑以不同的質(zhì)量分數(shù)（0.5%和0.1%）溶于蒸餾水中，分別以15 mL/min 和100 mL/min 的流量噴向切削部位，進行了微直槽銑削試驗。刀具為φ0.508 mm 的非涂層細晶粒平頭立銑刀，工件材料為H13 模具鋼（50HRC）。結(jié)果表明：與干切削相比，石墨顆粒潤滑能使切向力顯著減少；當粒度為15 μm、質(zhì)量分數(shù)為0.1%、流量為15 mL/min 時，能獲得最佳的減力效果；但粒度為1 μm 時，卻使槽深誤差顯著增加。Park[37]通過高速混合器將菜籽油和鱗片狀石墨粉（粒度1 μm、質(zhì)量分數(shù)0.1%）混合制成石墨顆粒增強潤滑液，經(jīng)潤濕角和摩擦系數(shù)測試后，通過MQL系統(tǒng)用于45 鋼的立銑削試驗，刀片為直徑φ25 mm的TiAlN 涂層硬質(zhì)合金球形刀片。結(jié)果表明：納米石墨顆粒能夠提高切削液的潤濕性，降低摩擦系數(shù)，從而使顆粒流潤滑下的刀片頂刃和側(cè)刃磨損明顯減弱，崩刃現(xiàn)象較少。RAHMATI[38-39]對Al6061-T6 直槽立銑削時MoS2納米顆粒潤滑的供液參數(shù)進行了優(yōu)化，刀具為φ10 mm 兩齒硬質(zhì)合金立銑刀。納米潤滑液是通過將粒度為20～60 nm 的MoS2粉末添加到普通MQL 潤滑液（The ECOCUT HSG 905S）并經(jīng)過48 h超聲處理所得到的，其中納米顆粒的質(zhì)量分數(shù)為0.0、0.2%、0.5%、1.0%。供液壓力為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，供液角為15°、30°、45°、60°，流量為30 mL/min。結(jié)果表明：納米顆粒潤滑液比普通MQL 潤滑液具有更好的冷卻和潤滑效果；當供液壓力為0.4 MPa、質(zhì)量分數(shù)為1.0%、供液角為30°時，可以獲得最小的切削力；當供液壓力為0.4 MPa、質(zhì)量分數(shù)為0.5%、供液角為30°時，可以獲得最小的切削溫度。這說明較高的顆粒濃度可以提高潤滑液的減摩效果，但會使?jié)櫥吼ざ仍黾樱蛊淅鋮s效果受到影響。

此外，SAYUTI 和SARHAN[40-42]還研究了SiO2硬質(zhì)納米顆粒潤滑液的作用效果，顆粒粒度為5～15 nm，刀具選用φ10 mm 兩齒HSS 立銑刀，基油為ECOCUT SSN 322，流量為2 mL/min。結(jié)果表明：SiO2硬質(zhì)顆粒潤滑能獲得類似于MoS2軟質(zhì)顆粒潤滑的良好工藝效果（減小摩擦系數(shù)、降低切削力、減少能量消耗），但其用量要小得多；當供液壓力為0.4 MPa、質(zhì)量分數(shù)為0.2%、供液角為60°時，可以獲得最小的切削力；當供液壓力為0.4 MPa、質(zhì)量分數(shù)為0.2%、供液角為15°時，可以獲得最小的切削溫度。盡管硬質(zhì)顆粒也能獲得良好的潤滑效果，但其與軟質(zhì)顆粒的作用機理不同，而當前關(guān)于兩者作用機理的研究仍處于起始階段。

1.2.3 磨削加工

磨削加工雖然也是一種多磨粒斷續(xù)切削工藝，但由于磨粒尺寸小，相鄰磨粒間的容屑空間小，因此實現(xiàn)顆粒介質(zhì)固體潤滑的難度要大很多。在工藝效果驗證方面，SHAJI[19,43]利用圖1b 所示的裝置進行了中碳鋼（AISI 1030）和軸承鋼（AISI 52100）的固體潤滑平面磨削試驗，并與澆注潤滑進行了對比。其中，固體潤滑劑是由石墨顆粒、基礎(chǔ)油、潤滑脂按4∶4∶1的質(zhì)量比配制而成，供給量為4 mm3/s；澆注潤滑液是由乳化油和水按1∶20 的體積比稀釋而成，其供液量為3.5～4 L/min。結(jié)果表明：石墨固體潤滑劑可以替代澆注潤滑，從而減少甚至消除切削液的使用；與澆注潤滑相比，石墨顆粒潤滑能使切向分力、切削溫度和表面粗糙度降低，但法向分力有所增加；固體潤滑劑的作用效果與被加工材料密切相關(guān)，硬質(zhì)材料比軟質(zhì)材料更易獲得較好的表面質(zhì)量。GOPAL[44]利用送粉裝置開展了石墨顆粒流潤滑條件下的金剛石砂輪的SiC 磨削試驗，得到了類似于SHAJI[19]的結(jié)果。研究同時發(fā)現(xiàn)：石墨顆粒流潤滑對于提高非金屬硬脆性材料的表面質(zhì)量具有顯著效果，其原因可能與石墨粉末的良好導熱性密切相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，由于缺乏切削液沖刷和固體潤滑劑涂抹不均而導致的砂輪堵塞，是顆粒介質(zhì)固體潤滑在磨削加工中推廣應用的主要障礙。

基于上述原因，流化式和霧化式成為磨削加工顆粒流潤滑的主要方式。SHEN[45]進行了不同潤滑條件（澆注潤滑、MQL、MoS2顆粒懸浮液潤滑）下的外圓磨削試驗，其中，MoS2粒度不大于100 nm，工件材料為鑄鐵，砂輪為玻璃結(jié)合劑氧化鋁砂輪，供液量為5400 mL/min（澆注潤滑）和5 mL/min（MQL 和顆粒懸浮液潤滑）。結(jié)果表明：與澆注潤滑和普通MQL 相比，顆粒懸浮液潤滑能起到減小摩擦力、延長砂輪壽命的目的；用于配制顆粒潤滑液的基油是影響顆粒介質(zhì)作用效果的重要因素；顆粒介質(zhì)的高質(zhì)量分數(shù)（20%）比低質(zhì)量分數(shù)（5%）能夠獲得更好的加工效果。ALBERTS[46]研究了D2 淬硬工具鋼平面磨削過程中，納米層狀石墨的直徑、溶解劑、使用方式等對磨削效果的影響。結(jié)果表明：15 μm 直徑的層狀石墨比1 μm 直徑的具有更好的作用效果；異丙醇是一種優(yōu)良的擴散劑，具有黏度低、滲透能力強等特性，適宜用于溶解石墨粉末制成顆粒懸浮液；顆粒懸浮液通過向切削區(qū)噴射和工件表面刷涂都能獲得良好的加工效果。LEE[47]利用玻璃基CBN 砂輪進行了SK- 41C 模具鋼的平面磨削試驗，研究了納米硬質(zhì)顆粒潤滑液的作用效果，其中，顆粒材料為氧化鋁和金剛石，粒度為30 nm 和150 nm，基油為石蠟油，納米顆粒的體積分數(shù)為2%和4%，供液量為7.5 mL/h，供液壓力為4 kg/cm2。結(jié)果表明：“小粒度+大體積分數(shù)”和“大粒度+小體積分數(shù)”都能獲得較好的工藝效果；體積分數(shù)對切削力的影響更顯著，而粒度對表面粗糙度的影響更顯著；氧化鋁顆粒比金剛石顆粒更容易獲得良好的表面質(zhì)量。磨削加工時，盡管顆粒懸浮液潤滑比澆注潤滑和MQL 具有一定的優(yōu)勢，但其顆粒介質(zhì)的用量受到限制，再加上控制參數(shù)多、實際操作復雜等原因，顆粒流潤滑磨削加工很難達到理想的潤滑效果。

1.2.4 鉆削加工

鉆削加工是一種連續(xù)型半封閉切削工藝，整個加工過程在工件內(nèi)部進行，使?jié)櫥橘|(zhì)的導入途徑受到限制。當鉆頭直徑小于φ3 mm 時，刀具很難做成內(nèi)冷形式，從而使?jié)櫥橘|(zhì)進入切削區(qū)變得更加困難。因此，關(guān)于鉆削加工顆粒流潤滑的研究基本都采用流化式或霧化式進行。其研究也主要集中在工藝效果驗證和參數(shù)優(yōu)化方面。REDDY[24]利用靜電霧化導入裝置進行了AISI 4340 鋼的顆粒流潤滑鉆削試驗，其中，鉆頭為φ10 mm 非涂層硬質(zhì)合金麻花鉆，顆粒潤滑液是由粒度為20 μm 的石墨以5%～55%的質(zhì)量分數(shù)與SAE40 潤滑油混合獲得，顆粒潤滑液的供應量為 1 mL/min。圖8 為鉆削18 min 后不同潤滑方式下鉆刃的光學圖像，其工藝參數(shù)為：切削速度219 m/min，每轉(zhuǎn)進給量0.3 mm，孔深25 mm。結(jié)果表明：顆粒流潤滑的合理使用能夠代替干切削和澆注潤滑，起到減小刀屑、刀工摩擦，減低切削變形，減小切削力和切削溫度，最終實現(xiàn)延長刀具壽命、提高加工精度和表面質(zhì)量的目的。NAM[48]進行了不同潤滑條件（壓縮空氣、普通MQL、納米顆粒MQL）下的鋁合金Al6061 微孔鉆削試驗，其中，鉆頭為φ0.2 mm 的非涂層硬質(zhì)合金麻花鉆，納米顆粒為粒度30～35 nm 的金剛石顆粒，基油為石蠟油和菜籽油，顆粒介質(zhì)體積分數(shù)為1%和2%，供液壓力為0.26 MPa，普通MQL和納米顆粒MQL 的供液量為8.8 mL/h。結(jié)果表明：與其他潤滑方式相比，納米顆粒MQL 能夠提高刀具壽命（加工孔數(shù)顯著增多），減少鉆削扭矩和軸向力，消除孔口毛刺，提高內(nèi)孔質(zhì)量；基油種類不同，獲得最佳鉆削效果的顆粒介質(zhì)體積分數(shù)也不同，石蠟基油的最佳體積分數(shù)為1%，而菜籽油為2%，這可能是由于基油的物理化學性能差異所帶來的結(jié)果。之后，NAM[49]又利用曲面響應法和期望函數(shù)對鈦合金Ti6Al4V 微孔鉆削的工藝參數(shù)和潤滑條件進行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明：顆粒潤滑液中納米顆粒的質(zhì)量分數(shù)及其與進給速度的交互因素，對刀具磨損有重要影響，高質(zhì)量分數(shù)有利于減小鉆削力，降低刀具磨損。YI[50]研究了不同切削液（傳統(tǒng)切削液和顆粒潤滑液）對鈦合金Ti6Al4V 鉆削性能的影響，其中，顆粒潤滑液是由氧化石墨烯按0.1%的質(zhì)量分數(shù)加入到傳統(tǒng)切削液中配制而成，刀具為ISCAR 公司生產(chǎn)的φ8 mm硬質(zhì)合金麻花鉆，氧化石墨烯的相關(guān)參數(shù)有：純度＞95%，單層厚度1.0～1.77 nm，單層直徑0.5～5 μm，比表面積300～450。結(jié)果表明：傳統(tǒng)切削液情況下，多形成鋸齒型切屑，切屑變形大，且切屑表面有很多撕裂和褶皺現(xiàn)象發(fā)生；氧化石墨烯潤滑液具有更好的冷卻和潤滑性能，可以獲得較低的切削溫度，易形成螺卷型切屑，且切屑表面更光滑平整。總之，即使受到鉆削加工自身潤滑條件惡劣的制約，顆粒潤滑介質(zhì)的使用仍能獲得減小摩擦、降低磨損、改善質(zhì)量等諸多優(yōu)良效果。

圖8 鉆削18 min 后不同潤滑方式下鉆刃光學圖像[24] Fig.8 Optical images of cutting edge under three lubrication modes after drilling 18 min[24]: a) wet machining, b) dry machining, c) solid lubricant assisted machining

1.3 顆粒流潤滑的基本機理

1.3.1 顆粒介質(zhì)在摩擦界面間的作用機理

顆粒流切削潤滑時，顆粒潤滑介質(zhì)在前刀面和切屑、后刀面和已加工表面的摩擦界面間粘附、滑滾、分層開裂，因此探討顆粒介質(zhì)在摩擦界面間的微觀特性及作用機理具有重要的理論和實踐意義。XING[51]的研究表明：WS2/Zr 微織構(gòu)自潤滑刀具比傳統(tǒng)微織構(gòu)刀具更容易在刀屑之間形成潤滑膜，從而降低刀屑接觸長度和刀屑的粘結(jié)長度，改變刀屑界面的應力分布，最終使粘結(jié)區(qū)和滑移區(qū)的摩擦系數(shù)都得到減少。MUSAVI[52]開展了納米顆粒潤滑液的MQL車削潤滑試驗，并進行了加工表面形貌和刀具失效形態(tài)分析，結(jié)果表明：由于納米顆粒的添加，切削液的滲透能力得到提升，從而提高了切削液的冷卻和潤滑性能；納米顆粒介質(zhì)在摩擦界面具有滑滾、形成保護膜、修復、研拋四種特性；表面活性劑對于納米顆粒的擴散能力及顆粒潤滑液的穩(wěn)定性具有顯著的影響。RAHMATI[38-39]的研究也表明：隨著切削過程的進行，石墨、MoS2等軟質(zhì)顆粒的粘附作用，使其在刀屑界面間形成了一層保護膜，起到了減小摩擦和切削變形、降低切削力的作用；由于摩擦和變形原因所產(chǎn)生的熱量減小，也會帶來切削溫度的降低；不斷供給的微納顆粒會對破裂的保護膜起到持續(xù)修復作用，從而保證其作用效果連續(xù)持久。此外，層狀石墨及MoS2的層間結(jié)合力小，易發(fā)生剪切滑移的特點也是其減小摩擦、改善潤滑和冷卻效果的重要原因。SAYUTI[40,42]的研究表明：與軟質(zhì)顆粒的粘附、低剪切應力的特點不同，硬質(zhì)顆粒的減摩作用主要來自于微納顆粒之間的碰撞、彈性變形和滑滾等（如圖9 所示），此外硬質(zhì)顆粒的研拋作用對改善加工表面質(zhì)量也發(fā)揮著一定的作用。WORNYOH[53]的研究也表明：無論是軟質(zhì)顆粒（石墨、MoS2、WS2等），還是硬質(zhì)顆粒（Al2O3、SiO2、金剛石粉等），都能在接觸界面間形成保護膜，并具有較強的承載能力。因此，顆粒流切削潤滑更適合于難加工材料切削、重切削等其他潤滑技術(shù)效果不佳的場合。

圖9 微納硬質(zhì)顆粒在切削加工中的三種作用機理[40] Fig.9 Three action mechanisms of micro and nano particles in cutting machining[40]: a) polishing and shear the partial embedded particles, b) polishing and plough off the partial embedded particles, c) impregnated into the pores and shear the partial embedded particles

此外，WANG[54]還提出了一個涉及顆粒介質(zhì)、潤滑液和摩擦表面形貌的液固兩相潤滑理論，建立了一個用于仿真液固兩相潤滑現(xiàn)象的數(shù)學模型，并對一些典型實例進行了仿真分析。結(jié)果表明：隨著摩擦界面間油膜厚度的變化，顆粒、液體、摩擦副表面的承載比例會發(fā)生改變；顆粒介質(zhì)的粒度和質(zhì)量分數(shù)越大，其承載能力就越強。盡管該理論是建立在滑動摩擦和流體動力潤滑的基礎(chǔ)上，與顆粒流切削潤滑的摩擦和潤滑性質(zhì)具有一定的差異，但其分析方法和重要結(jié)論可以用來指導顆粒流切削潤滑的理論和實踐研究。

1.3.2 顆粒潤滑液的物理性能

顆粒潤滑液的物理性能是其減摩能力的關(guān)鍵影響因素，因此進行顆粒潤滑液物性的試驗和理論分析，也是顆粒流潤滑的重要研究方向。LEE[55]將納米Al2O3顆粒以0.01%～0.3%的體積分數(shù)溶入蒸餾水中，經(jīng)過超聲振蕩獲得納米顆粒懸浮液，并對其黏度和熱導率進行了測量。結(jié)果表明：經(jīng)過5 h 的超聲振蕩，納米Al2O3顆粒能夠很好地擴散并穩(wěn)定懸浮于蒸餾水中，基本沒有顆粒團聚現(xiàn)象發(fā)生；納米Al2O3懸浮液的黏度隨著體積分數(shù)的增加而非線性增加，而熱導率隨體積分數(shù)的增加而線性增加，這從一定程度上解釋了納米顆粒潤滑液能夠同時實現(xiàn)潤滑和冷卻雙重效果的內(nèi)在原因。KEBLINSKI[56]利用顆粒的布朗運動、納米顆粒的聚類效應等理論，揭示了納米顆粒懸浮液的熱導率隨顆粒粒度的減小而增加的內(nèi)在原因，從而為發(fā)揮其切削降溫性能提供了理論依據(jù)。SHARMIN[57]和HEGAB[58-59]進行了水基和植物油基多壁碳納米管顆粒潤滑液的使用性能研究，發(fā)現(xiàn)：無論車削或者銑削加工，顆粒潤滑液都可以使切削溫度、切削力、表面粗糙度和刀具磨損明顯減小。分析其原因在于：碳納米管潤滑液在供液壓力作用下更容易霧化，這提升了潤滑液向切削區(qū)的滲透能力；另一方面，由于多壁碳納米管的表面被基礎(chǔ)液所包圍，所以更易于在刀屑界面形成潤滑油膜，發(fā)揮其減摩作用。此外，碳納米管材料的優(yōu)異導熱性也是帶來潤滑液優(yōu)異性能的重要原因。

2 研究現(xiàn)狀分析

基于上述研究，與其他切削潤滑技術(shù)相比，顆粒流切削潤滑具有以下優(yōu)勢：1）避免或減少了切削液用量，從而減少了切削液污染；2）具有潤滑和降溫雙重效應，且潤滑性能大都好于澆注、MQL 等切削潤滑技術(shù)；3）可用于顆粒潤滑介質(zhì)的材料種類多、粒度范圍大，通過合適的方式可實現(xiàn)顆粒介質(zhì)的定量輸送，有利于實現(xiàn)低成本綠色潤滑；4）材料適用范圍廣，不僅適用于加工鋁合金、中碳鋼等易切削材料，而且能用于加工模具鋼、淬硬鋼、鈦合金、鎳基合金、SiC 等難切削金屬和非金屬材料；5）工藝適用范圍廣，已經(jīng)在車、銑、鉆、磨等工藝中得到初步應用。

顆粒摩擦學是一門新興學科，其發(fā)展還很不成熟，摩擦學著名學者溫詩鑄院士2004 年曾說過：顆粒（粉體）摩擦學是研究顆粒物質(zhì)密集、流動和與界面的交互作用，從摩擦學角度來看，該研究尚屬空白[60]。顆粒流切削潤滑是顆粒摩擦學在切削領(lǐng)域的實踐應用，僅有近20 年的發(fā)展歷史，其理論還很不成熟，實踐中也還有不少問題有待解決。這主要體現(xiàn)在：

1）關(guān)于顆粒介質(zhì)輸送及導入的實踐和理論研究還比較少，相關(guān)裝置的發(fā)展也不成熟，實踐中的參數(shù)設(shè)定還比較盲目。目前常用的顆粒介質(zhì)輸送及導入方式中，填涂式不利于顆粒介質(zhì)的連續(xù)均勻供給；鋪粉式不利于顆粒介質(zhì)的定量控制，節(jié)約成本；送粉式不適于車削、鉆削等連續(xù)切削工藝（顆粒介質(zhì)不易導入切削區(qū)）；配制顆粒潤滑液的流化和霧化導入方式，仍不能擺脫澆注潤滑和MQL 的-60～350 ℃的適用溫度限制，且顆粒介質(zhì)的團聚、沉淀也是必須要解決的問題。

2）關(guān)于顆粒介質(zhì)作用效果的認識還很不一致，顆粒介質(zhì)相關(guān)參數(shù)對其潤滑和降溫性能的影響規(guī)律還沒有得到充分研究。顆粒流切削潤滑是一種復雜的潤滑技術(shù)，涉及的顆粒種類多（石墨、MoS2、WS2、硼酸、SiO2、金剛石等十余種軟質(zhì)及硬質(zhì)顆粒）、粒度范圍大（從幾納米到幾十微米），再加上被切削材料的不同，從而使顆粒介質(zhì)的選擇和最佳應用變得困難[12]。當前關(guān)于顆粒介質(zhì)作用效果的理解還很不深入，研究者的認識大都是基于各自試驗結(jié)果的總結(jié)，相互之間還有差異，有的甚至還存在矛盾，其中最主要的有：顆粒流切削潤滑的降溫性能、顆粒流參數(shù)（材質(zhì)、粒度和供應量）對其使用性能的影響、顆粒流參數(shù)與切削參數(shù)之間的交互作用等。

3）關(guān)于顆粒流切削潤滑的刀具失效和表面完整性的研究還很不全面，當前主要集中在刀具磨損和表面粗糙度兩個方面。顆粒流切削潤滑時，由于微納顆粒的導入，在刀屑和刀工接觸界面間形成了復雜的三體摩擦體系，因此顆粒介質(zhì)的使用必然會帶來刀具失效特征（磨損、崩刃、裂紋等）、失效原因，以及已加工表面形貌和力學性能（顯微硬度、殘余應力）的變化，而當前關(guān)于刀具破損失效和加工表面力學性能的研究還少有涉及。

4）關(guān)于顆粒流切削潤滑機理的研究，還只是停留在試驗現(xiàn)象的簡單解釋和顆粒潤滑液的物性分析上。由于研究對象的難度和專用設(shè)備的缺乏，當前關(guān)于顆粒流切削潤滑過程中，顆粒介質(zhì)的微觀行為和相互作用、保護膜的形成及破壞、顆粒介質(zhì)微觀運動（粘附、碰撞、滑滾等）和摩擦副宏觀特性（摩擦力、摩擦系數(shù)等）之間的聯(lián)系等基本機理的研究還很不足，而基礎(chǔ)理論的缺乏又制約了該技術(shù)的深入發(fā)展。因此，引入多場計算流體動力學（Multifield Computational Fluid Dynamics）、離散元模擬（Discrete Element Modeling，DEM）、平滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）等理論和方法[61-63]，開展顆粒潤滑介質(zhì)作用機理研究，揭示顆粒流切削潤滑的內(nèi)在本質(zhì)，將是該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

3 顆粒流切削潤滑技術(shù)發(fā)展展望

基于上述不足，從促進實踐應用的角度出發(fā)，顆粒流切削潤滑技術(shù)未來必將在以下三個方面取得進展。

1）能實現(xiàn)定量控制、微量供給的顆粒流輸送裝置的研發(fā)。相比于其他切削潤滑技術(shù)，顆粒流潤滑具有承載能力強、摩擦系數(shù)小、潤滑性能好等諸多優(yōu)勢，但基于成本考慮，顆粒流的定量控制和微量供給是該技術(shù)推廣應用的必然要求。當前雖然出現(xiàn)了幾款用于切削潤滑的顆粒輸送裝置（如1.1 所述），但這些裝置都是基于各自研究需求的試驗樣機，很難實現(xiàn)顆粒潤滑介質(zhì)的定量輸送和微量供給，且這些裝置離商品化都還有一定的距離。

2）適用于連續(xù)型切削的顆粒潤滑介質(zhì)導入方法研究。顆粒潤滑介質(zhì)經(jīng)輸送裝置供給到切削部位，再有效導入到刀屑和刀工接觸界面是充分發(fā)揮其減摩降磨作用的前提和基礎(chǔ)。當前，銑削、磨削等斷續(xù)切削工藝大都是通過刀具（或磨具）的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)顆粒介質(zhì)的導入，而鉆削、車削等連續(xù)切削工藝通常是通過配制顆粒潤滑液實現(xiàn)導入，而該方法又嚴重制約了顆粒介質(zhì)潤滑效果的發(fā)揮。為此，研究新的、適合于連續(xù)切削的顆粒介質(zhì)導入方法顯得尤為重要。根據(jù)相關(guān)文獻[64]，采用外加振動輔助的方式促進顆粒介質(zhì)導入，并加速其界面流動就是一種積極的嘗試。

3）顆粒流切削潤滑規(guī)范和標準的建立和發(fā)展。當前，傳統(tǒng)切削潤滑已經(jīng)形成一套比較完善的理論和技術(shù)體系，相關(guān)技術(shù)和性能指標也已列入國家標準[65]。作為一種復雜的潤滑技術(shù)，顆粒流切削潤滑必定也要形成自己的規(guī)范和標準，并建立相應的數(shù)據(jù)庫，這是促進該技術(shù)發(fā)展成熟、推廣應用的必然要求。

4 結(jié)語

切削潤滑是實現(xiàn)精密、高速、低成本加工的必要條件，綠色、低耗、高效是切削潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢。由于具有摩擦系數(shù)小、潤滑性能好、無污染無毒害、自補充自修復等優(yōu)良性能，顆粒流潤滑在切削加工領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。經(jīng)過近20 年的實踐和發(fā)展，關(guān)于顆粒流切削潤滑的顆粒介質(zhì)輸送、潤滑和冷卻效果驗證、切削潤滑機理等方面的研究已經(jīng)取得了較大的進展，但工藝理論不成熟、專用裝備缺乏、顆粒作用機制不清楚仍是該技術(shù)推廣應用的關(guān)鍵制約因素。基于實踐應用的需求，顆粒流切削潤滑技術(shù)將來必定要在商品化顆粒流輸送裝置研發(fā)、連續(xù)型切削工藝的顆粒介質(zhì)導入方法研究、顆粒流切削潤滑的規(guī)范和標準的建立等方面取得進展。隨著相關(guān)理論、技術(shù)和裝備的逐漸成熟，顆粒流潤滑必將成為現(xiàn)有切削潤滑技術(shù)的替代或補充，尤其在高速、重載、難加工材料切削中發(fā)揮重要的作用。