低溫微量潤滑加工技術(shù)研究進展與應(yīng)用

劉明政 李長河 曹華軍 張 松 陳 云 劉 波 張乃慶 周宗明

1.青島理工大學機械與汽車工程學院，青島，2665202.重慶大學機械與運載工程學院，重慶，4000443.山東大學機械工程學院，濟南，2500614.成都工具研究所有限公司，成都，6100005.四川明日宇航工業(yè)有限責任公司，什邡，6184006.上海金兆節(jié)能科技有限公司，上海，2004367.漢能(青島)潤滑科技有限公司，青島，266100

0 引言

目前，切削仍然是金屬材料最重要的機械加工方式。切削加工過程中，改善切削界面的摩擦學性能是提高切削性能的關(guān)鍵要素。切削液的使用已有數(shù)百年歷史，在金屬切削過程中發(fā)揮了顯著的冷卻潤滑作用。在實際生產(chǎn)中，因刀具與工件之間劇烈摩擦，切削區(qū)長時間處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致切削液出現(xiàn)局部沸騰現(xiàn)象，大量微氣泡形成的連續(xù)油氣膜導(dǎo)致熱阻大幅提高，嚴重降低熱量傳遞效率[1]。切削液使用量巨大且受熱揮發(fā)形成的微顆粒嚴重危害工人身體健康，不符合清潔生產(chǎn)的標準。澆注式冷卻需要復(fù)雜的切削液循環(huán)系統(tǒng)，成本高昂。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲汽車制造業(yè)，刀具成本通常只占生產(chǎn)成本的2%～4%，而切削液相關(guān)成本已超過刀具成本，占到生產(chǎn)成本的7%～17%[2]。因此，清潔低耗的冷卻潤滑工藝取代澆注式已成為必然。

隨著機械工業(yè)的發(fā)展，綠色清潔制造已成為未來機械制造領(lǐng)域必然的發(fā)展趨勢。經(jīng)過國內(nèi)外學者大量的研究和實踐，目前成熟應(yīng)用的綠色切削技術(shù)主要有干切削和微量潤滑輔助切削。雖然這兩種技術(shù)應(yīng)用效果良好，但依然存在不可忽視的缺陷。

(1)干切削的優(yōu)點是不使用切削液，避免了急冷現(xiàn)象，減少了工件表面微裂紋的產(chǎn)生，且無需廢液處理，降低了生產(chǎn)成本，清潔無污染；缺點是需在特殊工藝條件下針對非難加工材料才會體現(xiàn)出理想效果，局限性強。對于難加工金屬材料，切削區(qū)高溫導(dǎo)致切屑嚴重黏附在刀具上，加劇刀具磨損和工件表面質(zhì)量惡化，因此，干切削不適用于難加工金屬材料。

(2)準干式微量潤滑(minimum quantity lubrication, MQL)技術(shù)是通過高速氣體將霧化微液滴噴入切削區(qū)，減輕刀具與工件間的摩擦。基于綠色加工要求，植物油替代傳統(tǒng)礦物油作為基礎(chǔ)油，同樣具有良好的潤滑性能，還因可生物降解而對環(huán)境無污染[3]。但MQL冷卻性能不足，高溫易導(dǎo)致油膜破裂、解吸附甚至氧化失效，切削區(qū)域不能形成連續(xù)的油膜潤滑。納米流體微量潤滑(nanofluids minimum quantity lubrication, NMQL)技術(shù)是以MQL技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型冷卻潤滑方式。通過在潤滑油中添加高熱導(dǎo)率的納米粒子，實現(xiàn)強化換熱，改善界面的摩擦性能[4]。但在切削區(qū)高溫環(huán)境(600 ～1000 ℃)下，納米粒子的換熱能力依然有限，與MQL相比溫度下降比例僅為10%～15%。實際生產(chǎn)中，MQL或NMQL用于非難加工材料，如中低碳鋼[5]、鋁合金[6]、鎂合金[7]等，且已取得了良好的效果；對于難加工材料切削的極端環(huán)境，如鈦合金[8]、鎳基合金[9]、高強度鋼[10]等，雖有增益，但降溫上限值低，工件表面仍存在黏附點、燒傷點等缺陷，熱耗散難題依舊無法被有效解決。

切削過程中熱耗散困難已成為制約工件表面質(zhì)量提高的技術(shù)瓶頸，亟需一種高效、顯著、環(huán)保的冷卻工藝。經(jīng)過多年的實踐應(yīng)用，低溫加工技術(shù)展現(xiàn)出優(yōu)異的冷卻性能[11]。低溫技術(shù)具有0～-196 ℃的溫度域，所應(yīng)用的介質(zhì)及其溫度范圍如下：①低溫冷風(cryogenic air，CA)，-50～0 ℃；②液態(tài)二氧化碳(liquid carbon dioxide，LCO2)，-78.5～-25 ℃；③液氮(liquid nitrogen，LN2)，-196～-80 ℃[12-13]。通過將低溫介質(zhì)噴射到切削區(qū)，基于低溫介質(zhì)的物理特性(如劇烈氣化吸熱、高流速等)，利用巨大溫差和增大換熱面積進行強化換熱，有效降低切削區(qū)溫度。低溫可以抑制工件熱軟化，適度增加工件表面硬度和減弱切屑對刀具的黏附作用，改善切削性能，既能提高工件表面質(zhì)量，又能顯著延長刀具壽命，實現(xiàn)增益效果。進一步，通過采用不同溫度域值的低溫介質(zhì)以適應(yīng)不同加工形式及對應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)切削區(qū)溫度維持在合理的低溫區(qū)間，防止冷卻不足或工件過度冷卻硬化。但低溫技術(shù)缺乏潤滑性能，抗磨減摩能力有待提高。

隨著技術(shù)進步，將低溫和MQL(NMQL)進行有機結(jié)合的低溫微量潤滑(cryogenic minimum quantity lubrication, CMQL)技術(shù)實現(xiàn)了兩種技術(shù)之間優(yōu)勢互補，既可大幅降低切削區(qū)溫度，也可使油膜保持有效潤滑能力，對提高工件質(zhì)量起到關(guān)鍵作用，體現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。

本文綜述了典型金屬材料的低溫微量潤滑加工技術(shù)的研究進展和應(yīng)用，歸納了CMQL裝置在不同加工方式下的應(yīng)用形式及工藝特點,分析了CMQL技術(shù)的作用機理，對比分析了CMQL技術(shù)在車削、銑削及磨削加工中相對于微量潤滑技術(shù)或低溫技術(shù)在降低切削熱、力及提高表面質(zhì)量方面的效果，通過綜述分析得出結(jié)論并展望CMQL加工技術(shù)的發(fā)展前景，旨在為CMQL技術(shù)基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 低溫微量潤滑應(yīng)用形式研究

CMQL技術(shù)在各種加工工藝(如車削、銑削、鉆削、磨削)中的供給形式不同，所產(chǎn)生的效果也不相同。一般來說，切削加工中的低溫/潤滑介質(zhì)是通過不同類型輸運管道及其噴嘴以射流的方式噴射到切削區(qū)。介質(zhì)供給形式主要分為兩種：①介質(zhì)通過外置刀具或工件附近的輸運管道及噴嘴噴射(簡稱“外噴式”)；②介質(zhì)通過內(nèi)置在刀具或刀柄中的輸運管道及噴嘴噴射(簡稱“內(nèi)噴式”)。目前，關(guān)于不同加工方式低溫和潤滑介質(zhì)供給的研究集中在外噴式，因為不用改造機床就能實現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，在銑削和鉆削過程中，通過對機床主軸、刀柄和刀具進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，已實現(xiàn)低溫或潤滑介質(zhì)內(nèi)部供給，精確輸送到切削區(qū)。對于車削，通過在刀柄內(nèi)部設(shè)置通道，將低溫介質(zhì)引流至加工區(qū)域，進而實現(xiàn)集成化加工。

1.1 CMQL外噴式

外噴式冷卻是指低溫和潤滑介質(zhì)通過外置輸運管道及其噴嘴，在高壓及一定距離和角度條件下，以射流的形式噴射到切削區(qū)域。每種加工方式均可使用LN2、LCO2和CA三種低溫介質(zhì)，典型應(yīng)用如圖1所示[14-16]。外噴式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便，只需將低溫和潤滑介質(zhì)輸運裝置固定在機床相應(yīng)位置，無需改造機床結(jié)構(gòu)。常規(guī)單噴嘴存在冷卻-潤滑介質(zhì)難以完整覆蓋刀具實際工作面的問題，為解決這一問題，PUSAVEC等[17]設(shè)計了“多噴頭-指向式”射流噴射的結(jié)構(gòu)，通過改變噴嘴數(shù)量和位置實現(xiàn)介質(zhì)覆蓋刀具有效工作面。目前新型供給裝置是通過優(yōu)化刀架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，BIERMANN等[18]在刀架上安裝了輸送低溫-潤滑介質(zhì)的多管道嵌套裝置，低溫介質(zhì)出口位于噴管尖端，MQL出口位于噴管本體的中部，潤滑油霧化微液滴到達噴管尖端后，受到低溫射流的攜帶作用而混合，有效覆蓋前后刀面。

圖1 三種低溫介質(zhì)典型加工應(yīng)用形式[14-16]Fig.1 Three typical processing applications of cryogenic medium[14-16]

鑒于不同加工形式的特征，外噴式冷卻更適用于車削和磨削。對于車削，內(nèi)噴需在刀具體內(nèi)設(shè)置通道，如在車刀刀刃附近開設(shè)通道，這會降低刀體強度，縮短刀具壽命，且車刀固定在刀架，外噴有利于低溫介質(zhì)有效覆蓋刀面及切削刃。對于磨削，雖然已有內(nèi)供液式砂輪，但不適合超低溫介質(zhì)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造復(fù)雜，成本高昂，沒有實用價值，而砂輪高速旋轉(zhuǎn)，外噴有利于將低溫介質(zhì)帶入磨削界面，有效發(fā)揮換熱作用。

對于銑削，銑刀(立銑刀或盤銑刀)的切削刃或刀片均是間隔排布，高速旋轉(zhuǎn)過程將產(chǎn)生氣流場，顯著降低外部介質(zhì)的射流速度，導(dǎo)致進入切削區(qū)的有效流量率下降。對于鉆削，鉆孔空間封閉性強，低溫射流難以有效進入，無法有效發(fā)揮冷卻效果[19]。銑削或鉆削的加工特性及刀具的特殊結(jié)構(gòu)決定了內(nèi)噴式是最佳冷卻方式。

1.2 CMQL內(nèi)噴式

內(nèi)噴式冷卻已逐漸成為銑削或鉆削加工過程中冷卻介質(zhì)的主流供給形式。通過刀具、刀柄和機床主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，可以實現(xiàn)將低溫-潤滑介質(zhì)由內(nèi)腔通道精確噴射到切削區(qū)，提高了介質(zhì)利用率，實現(xiàn)定點定量冷卻。以銑削為例，立銑刀中間設(shè)有內(nèi)部供給通道，通道充分考慮了介質(zhì)流動條件、切削刃與通道間的熱阻以及刀體機械結(jié)構(gòu)強度，如圖2a所示。除了單直通道，內(nèi)噴式立銑刀內(nèi)通道結(jié)構(gòu)還有雙直通道(double straight channel, DSC)和雙螺旋通道(double helical channel, DHC)兩種[20]，如圖2b所示，其中，鉆削過程常用雙螺旋通道結(jié)構(gòu)的鉆頭。內(nèi)通道結(jié)構(gòu)會對微液滴粒徑分布產(chǎn)生明顯影響，出口可以設(shè)置在不同的位置，以適應(yīng)不同加工條件。例如，針對非難加工材料，出口可引導(dǎo)低溫介質(zhì)(LN2、LCO2)離開工件，以防止過度冷卻而引起尺寸變化[21]，如圖2c所示；針對難加工材料，出口可引導(dǎo)低溫介質(zhì)噴到加工表面，增大降溫幅度，保證零件表面完整性[20]，如圖2d所示；針對大切深加工，出口可設(shè)在銑刀端部，確保低溫介質(zhì)有效噴到切削界面[22]，如圖2e所示。

(a)單直通道

(c)背向噴射 (d)前向噴射 (e)底部噴射圖2 內(nèi)噴式銑刀通道結(jié)構(gòu)及噴射方式[21-22]Fig.2 Tunnel structure and jet mode of internal-jetmilling cutter[21-22]

對于LN2，潤滑油無法溶于LN2并且在-196 ℃下會凝結(jié)成固體，導(dǎo)致噴嘴堵塞，因此無法將冷卻介質(zhì)和潤滑介質(zhì)混合后通過一個噴嘴噴出。LN2通常通過內(nèi)通道供給，微量潤滑油通過外通道供給。LCO2或CA也可采用內(nèi)外供給的形式。LCO2，尤其是超臨界二氧化碳(supercriti-cal carbon dioxide，scCO2)，相比于LN2的最大優(yōu)勢是對潤滑油具有良好的溶解性，這使得LCO2或scCO2與微量潤滑油混合后噴射到切削區(qū)成為可能。此外，LCO2和MQL之間沒有負相互作用。與scCO2相比，LCO2更容易處理和獲得，在機械加工領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛。GRGURAS等[23]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行了對比研究，結(jié)果表明非極性潤滑油溶解度高，霧化后粒徑均勻且相同切削參數(shù)下刀具壽命更長。BERGS等[24]比較了兩種輸運方式下銑刀壽命，結(jié)果表明LCO2和微量潤滑油混合后通過單通道噴射能夠有效到達切削區(qū)起到冷卻-潤滑作用，大幅延長銑刀壽命，如圖3所示。

使用LCO2作為冷卻介質(zhì)的新型CryotecTM銑刀為盤式結(jié)構(gòu)[25]，其刀柄內(nèi)部設(shè)有兩個同心通道，內(nèi)層通道(綠色)輸送LCO2，外層通道(紅色)輸送MQL，實現(xiàn)LCO2和潤滑介質(zhì)分離，如圖4所示。同心通道在主軸末端分裂成多個通道，指向各個刀片。在主軸高速旋轉(zhuǎn)過程中從內(nèi)部將冷卻-潤滑介質(zhì)噴射到切削區(qū)，極大提高了滲透率。然而，該方法需要改造機床結(jié)構(gòu)以匹配適合安裝刀柄的主軸。

圖3 LCO2+MQL兩種供給方式的應(yīng)用效果對比[24]Fig.3 Comparison of application effect of two kinds ofLCO2+MQL supply methods[24]

圖4 新型CryotecTM銑刀內(nèi)部結(jié)構(gòu)[25]Fig.4 Internal structure of new CryotecTMmilling cutter[25]

為實現(xiàn)不改造機床結(jié)構(gòu)就能將低溫介質(zhì)輸運到工作界面，內(nèi)噴式刀柄轉(zhuǎn)接裝置應(yīng)運而生。以銑刀為例，內(nèi)噴式刀柄轉(zhuǎn)接裝置主要由刀柄主體和轉(zhuǎn)接器組成，如圖5a所示。刀柄主體實現(xiàn)機床主軸與銑刀的連接。轉(zhuǎn)接器固定于主軸箱體上，軸承實現(xiàn)LN2通道與主軸相對轉(zhuǎn)動。LN2從接口流入刀柄主體內(nèi)部的環(huán)形空腔中，通過銑刀的內(nèi)部通道，從銑刀端部或者側(cè)面噴出[26]。盤銑刀同樣也可在不改動主軸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上應(yīng)用轉(zhuǎn)接刀柄實現(xiàn)低溫介質(zhì)的輸運[27]，如圖5b所示。針對內(nèi)噴式刀柄轉(zhuǎn)接裝置的性能，李寬等[28]仿真分析了輸運LN2條件下刀柄主體的溫度場，結(jié)果顯示覆蓋聚四氟乙烯隔熱層能有效保證軸承、錐形夾頭正常工作。TAHMASEBI等[22]采用流體動力學的方法探究了LN2輸運過程的流動特性以及空化效應(yīng)、隔熱性能、噴嘴形狀對輸運效率的影響，結(jié)果表明改善隔熱性能有助于將LN2輸送到銑刀出口，提高冷卻性能。

(a)內(nèi)噴式立銑刀刀柄轉(zhuǎn)接裝置

(b)內(nèi)噴式盤銑刀刀柄轉(zhuǎn)接裝置圖5 內(nèi)噴式銑削刀柄轉(zhuǎn)接裝置[26-28]Fig.5 Internal jet milling tool holder adapter[26-28]

相較于外噴式冷卻，內(nèi)噴式冷卻具有精準、直接、高效的特點，并且裝置整體集成度高，但內(nèi)噴式冷卻對相關(guān)裝備(刀具內(nèi)通道結(jié)構(gòu)、刀柄隔熱/密封性能及機床集成性)與低溫介質(zhì)輸運/調(diào)控技術(shù)的要求高，實施難度大。具體表現(xiàn)為高壓強制流動的低溫介質(zhì)嚴重影響主軸內(nèi)部關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和材料性能，進而降低隔熱和動密封作用，導(dǎo)致低溫介質(zhì)泄漏與熱損失，且難以避免超低溫對主軸精度的影響。另外，從容器中釋放后的LN2或LCO2會發(fā)生劇烈的相變過程，輸運過程中難以維持低含氣率，難以穩(wěn)定流量、壓力和溫度。因此，開發(fā)性能穩(wěn)定的內(nèi)噴式刀柄、集成化低溫介質(zhì)輸運-機床結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)已成為內(nèi)噴式冷卻應(yīng)用亟待解決的科學問題。

基于此，王永青等[29-30]提出了局限空間內(nèi)定向?qū)бc熱阻強化的隔熱方法，研制了確保LN2穩(wěn)定輸運的中空隔熱主軸和刀柄，并發(fā)明了國內(nèi)首臺LN2內(nèi)噴式加工機床CVM600以及LNC-100型獨立式LN2流量調(diào)控裝置，如圖6所示。試驗結(jié)果表明主軸隔熱、密封性能良好，LN2輸運穩(wěn)定且調(diào)控精準度高。進一步，王永青等[31]探究了LN2內(nèi)噴式主軸迷宮密封件的結(jié)構(gòu)變形對密封性能的影響規(guī)律，結(jié)果顯示，超低溫環(huán)境下，密封件收縮變形導(dǎo)致迷宮密封間隙明顯增加，-188 ℃條件下LN2泄漏量是原來的2倍，密封性能降低。熊偉強等[32]提出了新型scCO2+MQL技術(shù)，發(fā)明了scCO2復(fù)合噴霧系統(tǒng)及其專用噴嘴，并應(yīng)用于難加工材料切削試驗研究中。

(b)液氮內(nèi)噴式超低溫冷卻加工機床圖6 內(nèi)噴式超低溫冷卻加工機床及LN2調(diào)控裝置[31]Fig.6 Internal jet injection type ultra-low temperaturecooling processing machine and LN2 control device[31]

1.3 CMQL裝置類型及適應(yīng)性

不同切削形式的工作特征存在差別，如刀具結(jié)構(gòu)、刀具運動形式，這就導(dǎo)致CMQL裝置對不同切削類型產(chǎn)生不同的適應(yīng)性和冷卻-潤滑效果。對CMQL裝置適用性的歸納總結(jié)如表1所示。

表1 CMQL裝置在不同加工形式下的適應(yīng)性和效果

2 低溫微量潤滑作用機理

由于難加工金屬材料的高強度和低導(dǎo)熱性，其切削過程中復(fù)雜的熱力作用是影響工件表面質(zhì)量的主要原因。低溫技術(shù)和MQL(NMQL)技術(shù)的工作原理完全不同，兩者結(jié)合之后的冷卻-潤滑機制會發(fā)生變化。CMQL可以通過改變工件材料的本構(gòu)關(guān)系來影響熱軟化效應(yīng)。CMQL對切削熱、力及工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律是需要解決的科學問題。

2.1 CMQL潤滑機理

微量潤滑油(植物油)在高壓高速氣體攜帶作用下以氣霧形式滲入切削區(qū)，通過極性基團吸附在刀具與切屑界面以及刀具與工件界面形成邊界潤滑膜，在一定程度上隔阻了刀具前刀面與切屑以及后刀面與工件界面的直接干摩擦。但在切削區(qū)高速、高溫、高壓條件下，潤滑油黏度降低，油膜變得稀薄并發(fā)生破裂，無法完全覆蓋工件表面的微溝槽。另外，超過臨界溫度后，潤滑膜會出現(xiàn)解吸附現(xiàn)象，吸附膜失效，潤滑性能下降，導(dǎo)致刀具與工件界面仍出現(xiàn)干摩擦，直至再次滲透浸潤才能形成油膜，降低了潤滑效果，進而影響了工件加工質(zhì)量。

對于CMQL，低溫狀態(tài)下的潤滑油黏度大，油膜厚度可使摩擦面保持完全隔開的有效狀態(tài)，承載能力較高，如圖7a所示;同時，低溫介質(zhì)使切削區(qū)溫度維持在相對較低水平，不僅使?jié)櫥け３州^高吸附性，還可避免高溫導(dǎo)致油膜氧化失效，如圖7b所示[33]。然而，低溫會使微液滴表面張力和接觸角出現(xiàn)一定程度的增大，引起油膜鋪展面積減小，導(dǎo)致潤滑油對刀具與工件界面毛細通道的滲透能力降低，對潤滑能力產(chǎn)生一定影響，如圖7c所示。

(a)CMQL和MQL對黏度影響 (b)CMQL和MQL對油膜活性影響

(c)CMQL和MQL對液滴潤濕性影響圖7 CMQL潤滑機制[33]Fig.7 Lubrication mechanism of CMQL[33]

MQL的潤滑性能并非絕對隨著環(huán)境溫度降低而升高。潤滑油存在凝點，當環(huán)境溫度高于凝點時，微液滴黏度在低溫環(huán)境中逐漸升高，起到有效潤滑和承載作用；當環(huán)境溫度下降到潤滑油凝點之下后，微液滴會凝固成冰粒，完全喪失流動性，難以有效在刀具與工件界面形成潤滑膜。為保持MQL的潤滑性能，低溫介質(zhì)和潤滑介質(zhì)的供給順序十分重要：在淺冷條件下(溫度高于凝點)，可同時噴射兩種介質(zhì)；在深冷條件下(溫度低于或遠低于凝點)，可先噴射潤滑油，使其形成油膜，再噴射低溫介質(zhì)。這樣即使溫度過低，切削區(qū)溫度仍可使油膜處于高黏度液態(tài)，防止結(jié)冰。

2.2 CMQL冷卻機理

CMQL介質(zhì)以射流的形式噴射到切削區(qū)，冷卻-潤滑介質(zhì)耦合作用下的疊加降溫機制如圖8所示。

圖8 CMQL疊加降溫機制Fig.8 Superposed cooling mechanism of CMQL

(1)在切削過程中，冷卻介質(zhì)與切削區(qū)的刀具和工件進行換熱時，遵循以下對流換熱公式：

Q=hAΔT

(1)

式中，Q為切削熱量，J；h為傳熱系數(shù)，J/(m2·K)；A為換熱面積，m2；ΔT為溫差，K。

由式(1)可知，熱量大小與切削區(qū)溫差成正比，溫差越大，交換熱量越多，冷卻效果越明顯。從換熱角度， LN2溫度范圍為-196～-80 ℃，與切削區(qū)高溫形成巨大溫差，降溫效果最好，且對高速切削過程中的高溫環(huán)境起到明顯降溫作用；LCO2/scCO2溫度范圍為-78.5～-25 ℃，適用于中等速度的切削過程；CA溫度范圍通常為-50～0 ℃，并且溫度可控，可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整以控制切削區(qū)溫度。高速流動的低溫冷風有助于增大對流換熱面積，進一步增強換熱能力。低溫環(huán)境有利于提高潤滑膜生存能力，有效減輕刀具與工件間的摩擦，抑制加工熱效應(yīng)。另外，低溫介質(zhì)可能導(dǎo)致潤滑油凝固，在切削區(qū)摩擦界面發(fā)生潤滑油由固態(tài)到液態(tài)的相變過程，吸收一定熱量[34]。

(2)界面高溫會減小金屬材料表面/亞表面晶粒位錯密度和界面密度，降低對位錯的阻礙，進而加快位錯運動速度；會改變位錯的運動方式，使位錯可在水平和垂直方向上攀移，更容易繞過小尺寸障礙。另外，高溫會引起原子間距增大，金屬鍵變?nèi)醵讛嗔?，容易發(fā)生塑性變形[35]。以上因素使金屬材料纖維組織發(fā)生變化而引起熱軟化，導(dǎo)致摩擦加劇、切削熱增加、切屑對刀具黏附作用加強，嚴重影響工件表面加工質(zhì)量。切削過程中，工件表面硬度主要受加工硬化和溫度影響。CMQL不僅可以冷卻切削區(qū)域，還可以改變工件材料的性能，但低溫和MQL的影響機制并不相同。MQL(NMQL)通過潤滑油膜降低工件與刀具間的摩擦熱，使工件材料對刀具黏合力減小，松弛黏附可以顯著抑制工件塑性變形，減小加工硬化[36]。低溫通過改變材料本構(gòu)關(guān)系，使工件材料的晶粒變得細化和致密，抑制熱軟化，但可能存在過度硬化現(xiàn)象，即低溫是通過影響材料的本構(gòu)關(guān)系而從能量的本質(zhì)上降低切削熱。因此，應(yīng)合理選用低溫介質(zhì)，使工件維持合適硬度，有效減小材料的斷裂應(yīng)變，進而降低斷裂應(yīng)變能。例如，對于中/低碳鋼，可選用冷風淺冷輔助；對于鈦合金、鎳基合金等難加工材料，可選用LCO2或LN2深冷輔助。

圖9 不同工況沸騰換熱機制對傳熱系數(shù)的影響[38]Fig.9 Influence of boiling heat transfer mechanism onheat transfer coefficient under different conditions[38]

(3)在切削區(qū)被移除的熱量中，除了低溫介質(zhì)強化換熱移除的大部分熱量外，還有一部分熱量被潤滑油的沸騰換熱作用所移除[37]。沸騰換熱過程可以分為自然對流換熱、核態(tài)沸騰換熱、過渡沸騰換熱以及膜態(tài)沸騰換熱4個階段，如圖9所示[38]。前兩個階段稱為成核階段，后兩個階段稱為成膜階段。在成核階段，熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大，超過臨界溫度后到達成膜階段，熱導(dǎo)率迅速減小，進而換熱效果顯著降低。ZHANG等[38]研究了NMQL輔助磨削Ti-6Al-4V過程中引入CA對傳熱系數(shù)的影響，結(jié)果表明NMQL單獨使用時降溫能力有限，切削區(qū)溫度超過臨界溫度，而CA+NMQL可以有效降低切削區(qū)溫度，相較于NMQL下降了31.6%，溫度閾值低于成核-成膜的臨界溫度，因而潤滑油傳熱系數(shù)提高了50.1%，大幅增強了換熱能力。

2.3 CMQL對切削力影響機理

切削過程中使用MQL(NMQL)可明顯減小切削力，這是因為極性油霧顆粒吸附在刀具與工件界面形成一層物理膜，起到潤滑和承載作用。在潤滑油中添加的納米粒子，如MoS2、碳納米管、Al2O3等，進入刀具與工件界面起到“滾珠”作用，以滾動摩擦代替原本的滑動摩擦，可有效減小切削力。

低溫介質(zhì)(LN2、LCO2、CA)對刀具與工件界面的不同冷卻程度會對切向力(主切削力)、軸向力(進給力)、徑向力(背向力)的變化趨勢產(chǎn)生不同影響。低溫介質(zhì)通常是噴射到前刀面、后刀面或同時噴到兩者之上。以車削過程LN2冷卻為例，噴到前刀面可降低刀具與切屑間的黏附作用從而減小摩擦力，但LN2的深冷作用會使工件產(chǎn)生一定程度硬化，使得克服材料變形難度增加，導(dǎo)致切削力增大[39]。材料硬化和減小摩擦的競爭關(guān)系影響低溫加工過程中切削力的變化趨勢，這與工件的冷卻程度直接相關(guān)。

LN2在前刀面與切屑間隙的噴射深度影響工件冷卻程度[40-41]。對于圖10a所示的工況一，LN2直接噴射到切屑根部，冷卻程度高，使工件材料硬度變大。雖然LN2可以減小摩擦力，但減小幅度小于工件深冷硬化后切削力增大幅度，因而主切削力增大。LN2單獨噴射在后刀面或前刀面上時，相較于干切削，進給力分別下降2.3%、9.5%，表明摩擦力減小量大于切削力增大量；LN2同時噴前后刀面時，深冷作用使材料去除難度增加，切削力增大量大于摩擦力減小量，因此相比單獨噴射前刀面，進給力增大，但幅度不大，只有1.7%。徑向力增大是因為LN2使工件局部硬度增大，溫度越低，硬化程度越高，徑向力越大。

對于工況二，如圖10b所示，LN2在前刀面噴射位置距離切屑根部相對較遠，工件表面硬化程度低，所以材料去除對切削力的影響較小。此時，LN2噴射位置對工件與刀具界面摩擦力的影響將直接決定切削力變化。以主切削力為例，不同切削參數(shù)下，相較于干切削，同時噴射前后刀面的主切削力均減小，最大減幅為8.1%；只噴射前刀面相較于同時噴射前后刀面，主切削力最大增幅為8.8%，甚至大于干切削，這說明減小摩擦力能力下降。

(a)工況一：介質(zhì)滲透切屑根部

(b)工況二：介質(zhì)未滲透切屑根部圖10 不同冷卻程度對切削力的影響[40-41]Fig.10 Influence of different cooling degree on cutting force[40-41]

LN2深冷作用引起工件表面冷卻程度的差異，導(dǎo)致切削力有不同變化趨勢，這同樣也適應(yīng)于銑削和磨削過程。對于LCO2和CA，其冷卻溫度要遠低于LN2，工件材料硬化程度要低得多，但對切屑黏附作用的抑制效果也相應(yīng)下降。ELANCHEZHIA等[42]在磨削Ti-6Al-4V過程中發(fā)現(xiàn)，LCO2有效抑制熱軟化且工件表面未過度硬化，切向力和法向力分別減小21%和9%。SUN等[43]在車削Ti-6Al-4V時發(fā)現(xiàn)，使用CA(經(jīng)過LN2冷卻，溫度約-130～-110 ℃) 的主切削力和徑向力要大于常溫壓縮空氣。RAHMAN等[44]在車削ASSAB 718HH時使用-10 ℃的CA進行冷卻，發(fā)現(xiàn)三個切削力分量均有效減小。

由上所述，單獨采用低溫介質(zhì)，由于加工材料物理特性不同，深冷作用可能導(dǎo)致材料硬化程度大于降低摩擦程度從而引起切削力增大，而淺冷作用可使降低摩擦程度大于材料硬化程度從而使切削力減小。因此，針對某種材料，低溫介質(zhì)冷卻可能導(dǎo)致切削力增大或減小。另一方面，單獨采用低溫介質(zhì)，降低切屑對刀具黏附能力有限，易引起切削力增大。采用CMQL，油膜在低溫作用下維持有效潤滑厚度，可將切屑和刀面隔開，大幅降低黏附作用，有助于減小切削力。為了有效減小切削力，應(yīng)針對不同難加工金屬材料，探究不同切削參數(shù)下的材料特性變化及材料去除機制，建立量化映射數(shù)據(jù)庫，合理選擇低溫介質(zhì)及其溫度域，既能有效抑制材料熱軟化的黏附效應(yīng)，又可防止深冷過度硬化現(xiàn)象，使降低摩擦程度始終大于材料硬化程度。

2.4 CMQL對表面質(zhì)量影響機理

表面質(zhì)量是體現(xiàn)切削性能的最重要指標。由于切削過程中切屑分離、刀具與工件劇烈摩擦和機床振動等因素，加工表面形成的微間距和微峰谷具有不均勻性[45]。大量研究表明，有效冷卻切削區(qū)和加強刀具與工件界面潤滑是降低熱-力損傷和抑制刀具磨損的根本措施。如2.1～2.3節(jié)所述，CMQL技術(shù)的疊加冷卻作用可顯著降低切削區(qū)溫度。同時，在低溫介質(zhì)降低黏附作用和MQL(NMQL)油膜的抗磨減摩及承載作用下，刀具與工件界面摩擦力減小量大于硬化導(dǎo)致的切削力增大量，競爭能力增強，進而整體減小切削力。切削熱降低可防止金屬表面過度熱塑形，切削力減小可防止表面產(chǎn)生微裂紋，因此CMQL技術(shù)可以有效降低熱-力耦合對工件表面的損傷。

切削加工中，刀具磨損(包含砂輪磨粒磨損)不可避免，但采取合理的措施可減緩磨損。CMQL的疊加冷卻作用使刀具處于低溫狀態(tài)，表面涂層可以保持高硬度進而提高抗磨能力，延長涂層使用時間；低溫可抑制刀具與工件在接觸界面的黏附作用，有效防止積屑瘤或積屑層堆積；同時，低溫有助于抑制難加工合金中特殊元素的化學反應(yīng)活性，極大減緩磨損擴散速度。SIVALINGAM[46]等在切削Ti-6Al-4V時發(fā)現(xiàn)，相較于干切，低溫狀態(tài)下鈦元素擴散量下降了43.9%，顯著抑制了鈦元素的擴散。

刀具涂層磨損脫落最主要的原因是前刀面與切屑的劇烈摩擦，低溫條件下MQL(NMQL)產(chǎn)生的高黏度油膜能夠有效將前刀面與切屑隔開，極大減緩了涂層磨損速度。進一步，CMQL的冷卻-潤滑效果能夠有效遏制前刀面月牙洼出現(xiàn)，崩刃現(xiàn)象也得以避免。SARTORI等[47]使用WC涂層刀具車削Ti-6Al-4V時發(fā)現(xiàn)，LN2+MQL或LN2低溫條件下刀具前刀面未出現(xiàn)明顯月牙洼，而單獨使用MQL時，前刀面出現(xiàn)了不同深度的月牙洼。對應(yīng)不同刀具磨損情況，基于最優(yōu)的冷卻潤滑效果，LN2+MQL工況得到了最小表面粗糙度Ra值(1.208μm)，如圖11所示。

綜上所述，CMQL冷卻和潤滑的耦合作用使工件硬度處于合理范圍內(nèi)，切削熱、切削力和刀具磨損均顯著減小，因此工件表面質(zhì)量得到大幅提高。

3 CMQL車削性能

車削加工的最終目標是獲得高光潔度的工件表面，然而車刀和工件間劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫，尤其是難加工材料，會使切屑黏附在切削刃上，影響切削性能，進一步引起切削力變大和刀具磨損，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量變差。除了合理選擇刀具、設(shè)置切削參數(shù)，有效的冷卻潤滑更是降低切削熱、減小切削力、增長刀具壽命和提高表面加工質(zhì)量的重要措施。CMQL作為新型綠色加工方式，展現(xiàn)出出色的冷卻-潤滑效果。

(a)潤滑(MQL)

(b)低溫(LN2/LCO2)

(c)混合(LN2+MQL)圖11 不同冷卻-潤滑條件下刀具磨損對工件表面質(zhì)量影響[47]Fig.11 Influence of tool wear on workpiece surfacequality under different cooling-lubrication conditions[47]

3.1 切削熱

切削熱是車削加工過程不可避免的物理現(xiàn)象。切削熱的主要來源是前刀面與切屑的摩擦，其次是后刀面與工件的摩擦以及克服工件變形。刀具與工件界面劇烈溫度變化僅局限于表面1～2 mm的區(qū)域[48]，合理選擇冷卻-潤滑方式，不僅可以減少介質(zhì)使用量，也能使切削區(qū)域充分冷卻。

YILDIRIM等[49]研究了MQL、LN2以及LN2+MQL對Inconel 625車削溫度的影響,結(jié)果顯示LN2和MQL協(xié)同作用下，刀具與工件界面溫度最低，相較于MQL下降40.4%，效果優(yōu)于LN2和MQL單獨使用。YIN等[50]研究顯示，加入納米粒子后的降溫效果更佳，這得益于納米粒子優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。BAGHERZADEH等[51]研究了車削Ti-6Al-4V過程中，LCO2+MQL噴射不同車刀面對切削溫度的影響。車削過程中，(LCO2+MQL)(前刀面)策略的切削區(qū)溫度最低，相較于LCO2(前刀面)，溫度降低了43.7%。LCO2的降溫效果相同，但對于(LCO2+MQL)(前刀面)，剛進入切削區(qū)的微量潤滑油在低溫作用下凝結(jié)成固態(tài)，切削開始后會發(fā)生由固到液的相變過程，能夠吸收額外的熱量。ZOU等[52]研究了CA+MQL對3Cr2NiMo車削溫度的影響，結(jié)果顯示CA+MQL的降溫效果最佳，相比MQL下降12.2%；同時探究了在CA的基礎(chǔ)上，不同潤滑油及納米粒子對冷卻效果影響，結(jié)果顯示蓖麻油基和碳族納米粒子結(jié)合能大幅增強冷卻能力，切削區(qū)溫度相較于MQL(純蓖麻油)下降34.6%。這是由于碳族納米粒子具有極高的熱導(dǎo)率，能夠大幅提高換熱能力[53]。因此，對于極高切削區(qū)溫度且低溫介質(zhì)冷卻能力有限時，在潤滑油中添加合適的納米粒子將會是提高降溫能力的有效方式。

3.2 切削力

切削力是影響刀具磨損、表面完整性及機床動力消耗的重要指標，主要源于克服工件材料彈塑性變形、切屑對前刀面摩擦以及已加工表面對后刀面摩擦。切削力受多種因素影響，如工件材料特性、切削參數(shù)、刀具幾何形狀以及切削環(huán)境等。切削環(huán)境主要包括冷卻和潤滑，對切削力變化趨勢產(chǎn)生直接影響。

DAMIR等[54]的研究結(jié)果顯示,采用LN2+MQL相比單獨使用LN2，切向力和進給力均減小，其中LN2(后刀面)+MQL(前刀面)組合切削力和進給力減小幅度最大，分別為11.1%和3.8%。刀架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，LN2通過刀架噴到后刀面上，MQL依舊噴前刀面，如圖12所示，相比只采用LN2時切削力和進給力減小幅度增大，分別為24.3%和11.5%。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，LN2可進入切削區(qū)深處，提高冷卻效果，同時配合MQL的潤滑作用，可有效減小切削力。

圖12 LN2+MQL噴射位置和刀架結(jié)構(gòu)對切削力的影響[54]Fig.12 Effect of LN2+MQL injection position andtool rest structure on cutting force[54]

MEHTA等[55]在LN2+MQL和CA+MQL加工環(huán)境下，對車削Inconel718的切削力進行了對比研究，LN2+MQL和CA+MQL能夠有效減小切削力，效果均優(yōu)于MQL單獨使用，相同切削參數(shù)下，CA+MQL減小切削力的幅度大于LN2+MQL減小的幅度，切向力和進給力分別減小10%和30.2%，這可能是由于CA溫度(-34 ℃)遠低于LN2溫度，材料硬化程度低，有助于材料去除。

3.3 表面質(zhì)量

CMQL能夠有效抑制切削區(qū)熱-力耦合負作用和減緩刀具磨損速度，進而提高工件表面質(zhì)量。如圖13所示，LCO2+MQL產(chǎn)生最優(yōu)表面質(zhì)量，相較于LN2+MQL,Ra下降了32.8%[17]。這說明低溫介質(zhì)在微量潤滑油輔助下的高效散熱和減小切削力機制有助于獲得最小表面粗糙度。但是LN2+MQL并沒有產(chǎn)生良好的表面質(zhì)量，這可能是由于切削速度或切深小，產(chǎn)生的熱量上限過小，而LN2+MQL導(dǎo)致的深冷作用使切削區(qū)溫度過低，引起工件表層/亞表層過度硬化程度遠超過潤滑所降低的界面摩擦作用，導(dǎo)致材料切削性能大幅下降，切削力增大，進而影響表面質(zhì)量。這也是LN2+MQL的Ra高于LN2的原因。

圖13 不同冷卻潤滑狀態(tài)下的表面粗糙度比較[17]Fig.13 Comparison of surface roughness under differentcooling-lubrication conditions[17]

綜上所述，CMQL應(yīng)用在車削中獲得了理想的切削性能，最終效果要優(yōu)于低溫介質(zhì)和MQL的單獨應(yīng)用。但是CMQL的應(yīng)用仍有進一步提高的空間。

首先是低溫介質(zhì)的選擇和切削參數(shù)的匹配。車床在特定切削參數(shù)下所產(chǎn)生的溫度、切削力及刀具磨損存在一定的范圍，如高切削速度會產(chǎn)生更多熱量，導(dǎo)致切削力大和刀具磨損量大，此時應(yīng)當選用降溫能力強的低溫介質(zhì)，如LN2，來有效降低上述指標，獲得理想工件表面質(zhì)量。相反，如果低速切削選擇LN2，雖然大幅降溫，但可能導(dǎo)致工件過度硬化而使切削力和刀具磨損量增大，反而降低表面質(zhì)量。因此，根據(jù)切削參數(shù)所對應(yīng)的評價指標水平，選擇合理的冷卻介質(zhì)及其流量參數(shù)，建立量化對應(yīng)關(guān)系，將有利于提高加工質(zhì)量。

其次是納米粒子應(yīng)用。在微量潤滑油中加入納米粒子可有效提高切削性能，起到增益效果，但是，如果CMQL能夠獲得滿足工程應(yīng)用的工件表面質(zhì)量，再添加納米粒子就會造成資源浪費，增加成本。因此，CMQL輔助加工應(yīng)當合理應(yīng)用納米粒子。

4 CMQL銑削性能

與車刀單切削刃連續(xù)性加工不同，銑刀具有多個刀齒，高速旋轉(zhuǎn)時每個切削刃間歇性加工。另外，銑刀切削刃與工件的接觸長度比車刀大。上述區(qū)別導(dǎo)致銑削過程切削力變化及刀具磨損規(guī)律與車削不同，對工件表面質(zhì)量的影響也不同。

CMQL在銑削過程中同樣發(fā)揮巨大的冷卻-潤滑效果，但由于銑刀結(jié)構(gòu)和運動形式與車削不同，所以冷卻-潤滑介質(zhì)的供給方式也不同。CMQL可有效降低銑削過程中切削熱，作用機理同車削類似。

4.1 切削力

PARK等[56]研究了采用不同銑削速度加工Ti-6Al-4V過程中，MQL、LN2、LN2+MQL對切削力的影響。LN2和MQL均采用外噴式。銑削速度為47.7 m/min時，LN2的切削力大于MQL的切削力，這是因為低速銑削產(chǎn)生的熱量相對較少，LN2超低溫導(dǎo)致工件過度硬化，材料去除困難。銑削速度為76.4 m/min時，高速氣流的阻礙作用使MQL油霧滲透量下降，潤滑效果減弱，而LN2能夠有效移除高速銑削產(chǎn)生的大量熱量，使工件處于適合加工的硬度，因而LN2的切削力小于MQL。無論采用高速銑削還是低速銑削，在LN2+MQL的冷卻-潤滑作用下都獲得最小的切削力，性能優(yōu)于LN2和MQL單獨使用。

PEREIRA等[57]研究了銑削Inconel 718時MQL、LCO2(內(nèi)噴/外噴)、LCO2(內(nèi)噴)+MQL對刀具壽命的影響。如圖14所示，在所有冷卻策略中切削力均對銑刀刀刃磨損程度非常敏感，成正相關(guān)關(guān)系。澆注式切削力最小，但不滿足清潔生產(chǎn)要求。以后刀面磨損量為0.2 mm為例，MQL的切削力最大，可能是高溫使?jié)櫥湍な?，?dǎo)致刀具磨損嚴重。LCO2(內(nèi)噴/外噴)能對切削區(qū)有效冷卻，抑制刀具與工件界面的黏附效應(yīng)，減小刀具磨損。LCO2(內(nèi)噴)的切削力略高于LCO2(外噴)，這是由于內(nèi)噴使LCO2滲透程度高，導(dǎo)致工件硬化程度相對高。LCO2(內(nèi)噴)+MQL的切削力最小，相較于LCO2(內(nèi)噴)下降2.5%，這是由于LCO2不僅有效降溫，還能維持 MQL形成的油膜正常發(fā)揮潤滑-承載作用，有效減小切削力。

圖14 不同冷卻潤滑技術(shù)在不同磨損階段的總切削力演化[57]Fig.14 Cutting force evolution of different cooling-lubrication technologies in different wear stages[57]

4.2 表面質(zhì)量

PUSAVEC等[58]研究了LCO2(內(nèi)噴)、LCO2(內(nèi)噴)+MQL、LCO2(內(nèi)噴)+NMQL對端銑42CrMo4工件表面質(zhì)量的影響。研究表明，LCO2單獨使用導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大，這是由于LCO2沒有潤滑作用；LCO2與MQL(NMQL)結(jié)合后，摩擦因數(shù)大幅減小，這是因為潤滑油受低溫作用形成固態(tài)油膜，阻隔了刀具和工件的摩擦，同時LCO2可使工件出現(xiàn)一定程度硬化，抑制表面材料塑性堆積和熱損傷。如圖15所示，與干切削相比，LCO2(內(nèi)噴)+NMQL提高工件表面質(zhì)量的效果要優(yōu)于LCO2(內(nèi)噴)+MQL，這得益于MoS2納米粒子優(yōu)異的抗磨減摩性能。

圖15 LCO2+MQL(NMQL)輔助銑削對工件表面質(zhì)量的影響[58]Fig.15 Influence of LCO2+MQL(NMQL) assistedmilling on workpiece surface quality[58]

綜上所述，CMQL應(yīng)用在銑削中獲得了理想的切削性能。同車削類似，銑削也存在低溫介質(zhì)匹配和納米粒子使用選擇性的問題?；阢娤髟O(shè)備的特殊性，如刀具和刀柄結(jié)構(gòu)及運動形式，內(nèi)噴式供給已逐漸成為主流。目前問題是，低溫介質(zhì)直接噴射到切削區(qū)，無法回收再利用，這對于工程應(yīng)用，無疑會增加能耗和生產(chǎn)成本。低溫介質(zhì)內(nèi)循環(huán)刀具深冷式銑削或?qū)⒔鉀Q能源和資源消耗的問題，但這種方式主要適用于立銑刀。利用LN2在一定直徑銑刀內(nèi)部螺旋通道中循環(huán)，通過相變吸熱使銑刀保持在-140～-80 ℃的深冷范圍內(nèi)，快速轉(zhuǎn)移切削區(qū)熱量，降低工件溫度。內(nèi)循環(huán)式深冷技術(shù)對銑刀制造工藝、刀柄熱絕緣技術(shù)和供壓系統(tǒng)提出了極高要求。

5 CMQL磨削性能

磨削中，砂輪與工件的接觸面積比車削、銑削工藝要大得多，且主要是磨粒負前角切削，摩擦劇烈、比能高，導(dǎo)致磨削區(qū)產(chǎn)生高溫且熱量大部分流入工件。為保證加工精度，通過有效的冷卻和潤滑來避免工件材料的熱損傷至關(guān)重要。MQL(NMQL)已應(yīng)用于磨削加工，特別是針對鋁合金，可起到良好的減磨降溫作用，但針對難加工材料，MQL(NMQL)的降溫效果有限。為有效降低磨削熱，低溫介質(zhì)也開始應(yīng)用于磨削加工。

PAUL等[59]分析了高碳鋼在不同磨削環(huán)境下表面裂紋產(chǎn)生情況，結(jié)果顯示，干磨的溫度場分布不均勻性形成應(yīng)力梯度，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，濕磨時裂紋產(chǎn)生傾向減小，LN2冷卻時裂紋完全消失，這主要是LN2能夠有效降溫，減小應(yīng)力梯度，難加工材料干磨時易表面燒傷，LN2可有效避免這種現(xiàn)象發(fā)生。FREDJ等[60]在磨削AISI 304過程中發(fā)現(xiàn)，采用LN2冷卻有利于減小工件表面殘余拉應(yīng)力和表面粗糙度。MANIMARAN等[61]在磨削AISI 316L時發(fā)現(xiàn)，LN2能夠有效減小磨削力和比能，相較于干磨分別減小了37%和50%，這是由于低溫能夠有效降低磨屑對磨粒的黏附作用，提高了磨粒的機械強度，使磨粒保持完整和鋒利，然而LN2缺少潤滑作用，對工件表面質(zhì)量提高有限。REDDY等[62]的研究表明，采用相同加工參數(shù)磨削AISI 51200時，MQL的Ra值相較于LN2的Ra值減小了39.8%。LCO2[42]、CA[63]在磨削加工中的應(yīng)用效果也同樣符合上述規(guī)律。低溫介質(zhì)和MQL單獨應(yīng)用尚存在不足，將兩者相結(jié)合可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，進而發(fā)揮出疊加性的冷卻潤滑效果。

5.1 磨削熱

AN等[64]研究了不同切深條件下磨削Ti-6Al-4V時MQL和CA+MQL對磨削區(qū)溫度的影響。隨著切深增加，磨削區(qū)溫度升高到400 ℃以上，導(dǎo)致切削液發(fā)生膜態(tài)沸騰，失去換熱能力。引入低溫冷風后，混合油霧高速穿透砂輪附近的氣障層，在砂輪與工件表面形成潤滑油膜，低溫保持油膜活性，并通過強化換熱降低磨削區(qū)溫度，CA+MQL的降溫幅度相較于MQL提高了23.2%，效果明顯。ZHANG等[65]通過數(shù)值仿真對比分析了磨削Ti-6Al-4V過程中，CA、NMQL和CA+NMQL對工件表面溫度的影響，結(jié)果顯示，由于Ti-6Al-4V的熱導(dǎo)率較小，材料去除過程中能量密度極高，集中在砂輪/工件接觸區(qū)，單獨采用CA和NMQL均難以解決工件表面燒傷的難題，而將兩者結(jié)合后，磨削區(qū)溫度大幅降低，相較于NMQL下降了26.8%，這得益于CA的強化換熱能力和NMQL抗磨減摩能力的協(xié)同作用。另外，研究還發(fā)現(xiàn)增加冷流比可以加速換熱，有助于降低磨削熱[66]。

5.2 比磨削力

磨削過程中砂輪與工件之間的作用力用單位磨削力來進行表征，稱為比磨削力。ZHANG等[38]對比分析了磨削Ti-6Al-4V過程中CA、NMQL和CA+NMQL對比磨削力的影響。如圖16所示，CA的比切向和法向磨削力要大于NMQL的比切向和法向磨削力，雖然CA可一定程度抑制工件熱軟化而減小磨削力，但微量潤滑油中添加的Al2O3納米粒子由于微尺寸效應(yīng)和高表面能，更容易進入砂輪與工件界面，能夠?qū)ぜ砻胬鐪掀鸬教畛渥饔?，發(fā)揮優(yōu)異的抗磨減摩效果[67]。CA和NMQL兩者耦合后，冷卻和潤滑作用有效疊加，對減小磨削力起到增益效果，因而比切向和法向磨削力最小，分別為2.17 N/mm和2.66 N/mm。

圖16 不同冷卻-潤滑方式對比磨削力的影響[38]Fig.16 Effects of different cooling-lubrication methodson specific grinding forces[38]

5.3 表面質(zhì)量

STACHURSKI等[68]研究了磨削加工滾刀過程中CA、MQL及CA+MQL對表面質(zhì)量的影響。結(jié)果顯示，CA的表面粗糙度大于MQL的表面粗糙度，雖然低溫冷風能抑制工件熱軟化，但無任何潤滑作用，提高表面質(zhì)量有限；MQL能減小砂輪與工件間劇烈摩擦，進而有效減小表面粗糙度；CA+MQL可進一步改善表面質(zhì)量；切深為0.03 mm時，CA+MQL相對于MQL，Ra值減小了30.5%。

張高峰等[4]比較分析了磨削GCr15時干式、CA+MQL和CA+NMQL(MoS2)對工件表面輪廓和粗糙度的影響規(guī)律。如圖17所示，CA+NMQL的工件表面形貌最理想，其表面輪廓曲線紋理致密度及波峰波谷最均勻，表明材料堆積及黏附現(xiàn)象程度低，這與工件表面形貌SEM圖結(jié)果一致。對于納米粒子MoS2，Mo原子與S原子間結(jié)合力較強，分子層間的S原子結(jié)合力較弱，受到剪切力時分子層發(fā)生斷裂，形成滑移面，這決定了MoS2具有一定的松散性及延展性[69]。在磨削力的作用下，部分MoS2發(fā)生化學反應(yīng)進而延展成復(fù)合薄膜，此外，具有良好表面活性的MoS2不斷吸附在復(fù)合薄膜處進行微加工，同時還能起到一定修復(fù)作用，故CA+NMQL可以得到較好的表面質(zhì)量。

圖17 CA+MQL(NMQL)輔助磨削對工件表面質(zhì)量的影響[4,69]Fig.17 Influence of CA+MQL(NMQL) assisted grinding on workpiece surface quality[4,69]

目前，CMQL在磨削中的應(yīng)用相對較少，低溫介質(zhì)主要以CA為主，而LN2和LCO2應(yīng)用較少。對于部分類型的砂輪，如剛玉砂輪、碳化硅砂輪，LN2或LCO2低溫會使磨粒過度硬脆化，在磨削力作用下發(fā)生批量化斷裂，嚴重影響磨削精度。對于金剛石或CBN砂輪，這種情況會減弱。雖然CA+MQL的冷卻-潤滑效果在磨削過程同樣得到了類似于車削和銑削的規(guī)律，但是由于砂輪磨削的特殊性，相同工件材料下產(chǎn)生的熱量遠多于車削和銑削，且低溫冷風的溫度有限，CA+MQL輔助磨削難加工材料時可能出現(xiàn)降溫不足的問題，因此基于不同結(jié)構(gòu)納米粒子的高導(dǎo)熱性和抗磨減摩特性，在微量潤滑油中添加納米粒子將成為提高磨削性能的有效方式。同樣需要對磨削參數(shù)與納米粒子類型進行有效匹配，以達到最佳效果。

6 CMQL針對難加工金屬材料綜合應(yīng)用

由CMQL在車削、銑削及磨削中應(yīng)用效果的綜述可以看出，CMQL技術(shù)集中應(yīng)用在航空航天難加工材料的切削加工中。大量文獻表明，非難加工材料在常規(guī)切削參數(shù)下，采用MQL或NMQL即可滿足抑制熱-力耦合損傷的問題，典型材料如45鋼[70]、304不銹鋼[71]、鋁合金[72]、鎂合金[73]等。對于部分極端加工環(huán)境，引入低溫介質(zhì)，如LN2或LCO2，可有效抑制熱耗散難題。對于難加工材料，如鈦合金、鎳基合金、高強度鋼等，由于其自身高強度、高硬度、高韌性及低熱導(dǎo)率等特性，在常規(guī)切削條件下會產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)黏附、燒傷等缺陷，因此，單獨應(yīng)用MQL(NMQL)存在降溫能力有限、低溫介質(zhì)潤滑能力有限的問題，力-熱損傷難以同時有效抑制。CMQL可實現(xiàn)兩者優(yōu)勢互補，顯著改善力-熱損傷難題，提高工件表面質(zhì)量。經(jīng)過文獻檢索和整理，CMQL針對難加工金屬材料的綜合應(yīng)用及其效果如表2所示。

由表2可以看出，針對切削熱、切削力、表面質(zhì)量，CMQL的應(yīng)用效果均優(yōu)于低溫介質(zhì)或MQL(NMQL)單獨應(yīng)用，但是由于加工方式及參數(shù)不同，改善(降低)程度存在較大差異。在同一加工方式及參數(shù)下，LCO2+MQL的效果要優(yōu)于LN2+MQL的效果，這可能是加工過程產(chǎn)生熱量上限相對較低，LCO2+MQL的降溫效果使工件處于最佳切削性能的狀態(tài)，而LN2+MQL的強冷卻能力卻使工件深冷而導(dǎo)致過度硬化。CA+MQL也可說明上述問題，同一條件下，CA溫度越低，切削力反而增大，導(dǎo)致Ra值增大。此外，CMQL中添加納米粒子，更有利于提高工件表面光潔度。

表2 CMQL技術(shù)綜合應(yīng)用及其效果

表2中，關(guān)于應(yīng)用CMQL輔助切削鈦合金的研究較為普遍。鈦合金多用來制造航空發(fā)動機中的翼梁、隔框、接頭、壓氣機片等重要零件。Ti-6Al-4V是一種典型α+β兩相鈦合金，由α相片層(白色相)和β相片層(灰色相)所組成。α相在高溫條件下組織穩(wěn)定，仍保持其力學和抗蠕變性能。β相低溫強度高，但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。Ti-6Al-4V熱導(dǎo)率小，切削熱多集中在切削刃附近的小范圍內(nèi)，其中78%的熱量留在刀具中，只有12%的熱量傳遞到切屑中[94]。鈦合金可在550 ℃下長時間保持穩(wěn)定，但溫度達到600 ℃后，鈦元素的化學反應(yīng)活性增大，氧化后形成硬化層，對刀具有強烈磨損作用；超過650 ℃后，將會發(fā)生α相向β相轉(zhuǎn)變，β相含量增多導(dǎo)致一定軟化效應(yīng)，切屑黏附在刀刃上形成積屑瘤，當積屑瘤從刀刃上剝離時，易將表面硬質(zhì)合金涂層帶走；溫度達到800 ℃時，鈦元素開始與刀具涂層發(fā)生化學反應(yīng)并擴散[95]。低溫加工能夠改變Ti-6Al-4V的微觀組織，防止工件力學性能下降和刀具磨損。UMBRELLO等[96]研究了LN2輔助切削加工對Ti-6Al-4V性能影響，熱-力載荷使加工表面下的材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲、拉伸和晶粒粗化，引起α相片層厚度增大，導(dǎo)致強度降低，采用LN2冷卻加工，可以抑制晶粒生長，保持晶粒細化，使塑性變形均勻分散在晶粒內(nèi)進行，有效減小內(nèi)應(yīng)力，提高Ti-6Al-4V的切削加工性能。ROTELLA等[97]在車削加工Ti-6Al-4V過程中對比分析了MQL和LN2冷卻條件對顯微組織及晶粒細化度的影響，SEM結(jié)果顯示三種工況下材料表面起主導(dǎo)作用的α相晶粒及其間隙中的β相晶粒均出現(xiàn)等軸化現(xiàn)象，但LN2冷卻的晶粒細化均勻且表面較致密的β相結(jié)構(gòu)能夠使材料具有更高的室溫強度。

鎳基合金和高強度鋼也是應(yīng)用CMQL輔助切削加工的典型難加工材料。鎳基合金Inconel 718主要用于航天飛機發(fā)動機燃燒室、導(dǎo)向性葉子、渦輪葉片和增壓盤四大熱端零部件，使用量占比已達50%以上。鎳基合金熱導(dǎo)率小，切削加工過程中刀具與工件表面能量密度極高，低速切削時溫度就能達到900 ℃，而高速切削時可達1300 ℃，導(dǎo)致工件表面燒傷[98]。高強度鋼300M在航天飛機起落架上發(fā)揮關(guān)鍵作用，300M熱導(dǎo)率小、韌性大，高溫高壓環(huán)境下，切削過程不穩(wěn)定，導(dǎo)致工件表面變形嚴重，刀和屑接觸長度大，斷屑困難，易發(fā)生纏繞[99]。采用CMQL可顯著降低切削過程中的力-熱耦合負作用，潤滑油在低溫作用下維持潤滑油膜有效厚度和承載性，避免刀具與工件間的劇烈摩擦。

由表2還可看出，LN2+MQL和CA+MQL較多應(yīng)用于車削，CA+MQL較多應(yīng)用于磨削，LCO2+MQL或scCO2+MQL較多應(yīng)用于銑削，這與加工方式的刀具和刀柄結(jié)構(gòu)以及空間幾何構(gòu)造有關(guān)。在三種加工方式中，最為常見的供給方式為低溫介質(zhì)和MQL 通過各自輸運管道進行外部射流供給，這種方式輸運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需改造機床。潤滑或低溫介質(zhì)通過刀具和刀柄內(nèi)通道以及潤滑油溶于LCO2/ scCO2后通過內(nèi)通道供給的研究相對較少，這是因為該技術(shù)對輸運過程中潤滑-低溫介質(zhì)間的相互負影響、刀具和刀柄幾何結(jié)構(gòu)及機械強度、機床內(nèi)部密封構(gòu)造等工藝要求極高，難以普及推廣，這也對后續(xù)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和裝置的研發(fā)和突破提出更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論與展望

本文針對典型難加工金屬切削過程中熱-力耦合高損傷難題，對綠色加工技術(shù)CMQL裝置在不同加工方式中的應(yīng)用形式及CMQL的作用機理進行了系統(tǒng)性介紹，綜述了近年來CMQL在車削、銑削、磨削中應(yīng)用性能的研究進展。主要發(fā)現(xiàn)如下：

(1)對于車削，基于車刀的塊狀結(jié)構(gòu)，外噴式是常見的冷卻-潤滑介質(zhì)供給形式。增加噴嘴數(shù)量和改進噴嘴位置有利于增大介質(zhì)在車刀面的覆蓋面積。改進刀架結(jié)構(gòu)使冷卻介質(zhì)通過內(nèi)部通道直接輸送到前后刀面能夠更進一步提高覆蓋率和滲透率。對于銑削，基于銑刀及其刀柄的柱狀結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)運動特性，低溫-潤滑介質(zhì)通過銑刀內(nèi)通道供給有利于直接噴射進入切削區(qū)，有效避免高速旋轉(zhuǎn)氣流場的阻礙作用。另外，LCO2或scCO2對潤滑油的可溶性有利于兩者混合后以內(nèi)噴方式供給，尤其適合于銑削。對于磨削，由于砂輪與工件的特殊構(gòu)造和幾何關(guān)系，使得低溫-潤滑介質(zhì)噴射到砂輪表面形成固態(tài)潤滑油膜，在高速旋轉(zhuǎn)砂輪攜帶作用進入摩擦界面，這種方式更有利于避免氣障層導(dǎo)致的有效流量率低的難題。

(2)CMQL的冷卻-潤滑機理復(fù)雜。與MQL相比，CMQL能高效降低切削區(qū)溫度，同時可使?jié)櫥宛ざ茸兇?，油膜厚度可使刀具與工件界面保持完全隔開的有效狀態(tài)，承載能力提高。與低溫相比，CMQL具有優(yōu)異的潤滑能力。CMQL的冷卻和潤滑能力有機耦合且協(xié)同作用，通過抑制熱軟化使工件處于適于材料去除的硬度，進而有效減小切削力。熱-力水平的降低既有助于減緩刀具磨損速度，也利于獲得理想的工件表面質(zhì)量。

(3)難加工金屬切削面臨著高熱-力損傷的嚴峻挑戰(zhàn)。CMQL應(yīng)用在車削、銑削、磨削中，對降低切削溫度、減小切削力和提高工件表面質(zhì)量效果顯著。不同切削參數(shù)下，低溫或者潤滑介質(zhì)單獨應(yīng)用可能對切削性能產(chǎn)生或增益或減益的效果。但是在同一參數(shù)水平下，基于協(xié)同-疊加效應(yīng)，CMQL的應(yīng)用效果顯著優(yōu)于低溫技術(shù)或者潤滑技術(shù)的應(yīng)用效果，對抑制刀具失效、表面燒傷起到了積極的作用，大幅度提高工件表面質(zhì)量?；谖墨I研究，在三種切削方式及對應(yīng)參數(shù)下，CMQL相較于MQL或低溫降低切削熱、切削力、Ra值的幅值最大可分別達到56.2%、47.4%、41%。

近年來，CMQL關(guān)鍵技術(shù)在難加工金屬切削領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著成果，并且關(guān)于CMQL應(yīng)用的文獻數(shù)量呈上升趨勢，但依舊存在一定的局限性。根據(jù)前文系統(tǒng)性的綜述，未來研究方向可能會集中在以下主題：

(1) 適用于低溫環(huán)境潤滑油的設(shè)計與改進。基于清潔環(huán)保和資源可持續(xù)獲取，生物可降解性是制備潤滑油的必要條件?？紤]到低溫使?jié)櫥宛ざ茸兇蠖鴮?dǎo)致流動性、鋪展性和浸潤性下降的現(xiàn)象，需要對潤滑油分子結(jié)構(gòu)進行梯度化改性處理，達到不同加工條件下黏溫特性-浸潤性的平衡適應(yīng)狀態(tài)。

(2)切削參數(shù)與低溫介質(zhì)類型(或納米粒子)匹配性。針對某一種類型難加工材料和目標需求，不同加工方式會設(shè)置特定切削參數(shù)，這就存在切削參數(shù)與低溫介質(zhì)類型合理匹配的問題。如匹配不合理，勢必會造成加工質(zhì)量不理想或者資源過度消耗的后果。依據(jù)特定加工目標和切削參數(shù)，建立評價指標水平與冷卻介質(zhì)水平及其流量參數(shù)的量化對應(yīng)關(guān)系，將有利于提高加工質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)加工效果，合理選擇納米粒子類型，實現(xiàn)CMQL與納米粒子的協(xié)同作用。

(3)抑制CMQL霧滴飄散的新型靜電霧化輔助方式。現(xiàn)有的高壓氣體霧化可能會導(dǎo)致微液滴擴散漂浮，難以實現(xiàn)輸運過程可控，對工人健康造成危害。靜電霧化的方法是通過高壓電場使霧化液滴荷電，荷電霧滴群在靜電場的驅(qū)動作用下按照預(yù)定的運動軌跡精準進入切削區(qū)，有效抑制霧化和輸運過程中液滴飄散。這種技術(shù)有望成為未來CMQL應(yīng)用的新型供給輔助方式。

(4)考慮多因素影響的加工工藝解決方案。CMQL應(yīng)用于航空航天難加工材料切削加工領(lǐng)域需要考慮多種影響因素，包括加工形式、工件材料、刀具類型、冷卻-潤滑介質(zhì)類型、能源消耗等工藝參數(shù)。本文引用的數(shù)據(jù)量不足以支持數(shù)據(jù)庫建立。進一步研究可側(cè)重于具體工藝系統(tǒng)的多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，并建立最優(yōu)加工性能的定量表征數(shù)學模型，以指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。