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)大學機電工程學院，廣州，5100062.科益展智能裝備有限公司，廣州，5105303.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京，1001914.北京理工大學機械與車輛工程學院，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)境問題日益嚴峻，飛濺的切削液接觸到操作者的皮膚，會對其人身健康產生危害，且澆注式切削需要建立一個復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。相關研究報告顯示，切削液的購置與處理費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，各國學者從冷卻和潤滑兩大方向進行了大量探索，誕生了干切削、低溫氣體冷卻、準干式切削等各類清潔切削技術。微量潤滑(minimum quantity lubrication，MQL)切削技術也叫最小量潤滑切削技術，是一種典型的準干式切削方法，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)進行有效潤滑。該技術1997年由德國學者KLOCKE等[2]提出。大量試驗及工程應用證明，微量潤滑技術切削液用量少，可有效減輕刀-屑面摩擦，減小切削力，延長刀具壽命，提高工件表面質量，在多種金屬材料的加工中得到應用。然而，在應用過程中，低溫切削技術潤滑性能不足，而微量潤滑技術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合的冷卻潤滑方式逐漸受到青睞，被稱作微量潤滑復合增效技術[3]。

微量潤滑復合增效技術將各種冷卻方法與微量潤滑技術有效結合，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果[6-7]。微量潤滑復合增效技術中的氣-液復合流體相互影響關系以及低溫氣-液兩相流作用下的界面熱輸運機理更為復雜，導致切削應用難度大。迄今為止，國內外雖然對各類微量潤滑復合增效技術在應用效果和作用機理方面的研究有一定成果，但對微量潤滑復合增效技術的裝置設計以及基于切削加工需求的參數調控缺乏深入研究。本文從理論、裝置、應用三個方向，綜述了各類冷卻媒介與微量潤滑復合增效技術的原理、關鍵裝置及其工藝應用最新研究進展，分析了各類裝置性能及其參數調控特性，總結了微量潤滑復合增效技術在難加工材料切削加工中的應用特點，期望能為清潔切削技術的發(fā)展和工程應用起到技術支撐和參考。

1 微量潤滑及其增效技術發(fā)展歷程

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

圖1 各類清潔切削技術發(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2000”，并組織包括機床廠、刀具廠和汽車廠在內的18家企業(yè)和9所高校科研機構協同攻關[16]，這使德國在高速干切削領域處于領先地位，并使干切削在德國企業(yè)得到了較為廣泛的應用。隨著加工工況日益復雜，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進行了大量研究，并將微量潤滑切削技術成功應用于航空結構件、汽車動力總成等關鍵零部件的加工中[17]。

此外，低溫切削技術同樣是清潔切削技術組成中的重要一環(huán)，其中具代表性的有超低溫液氮(LN2)切削、液態(tài)CO2(LCO2)切削，低溫冷風切削、油水復合切削以及超臨界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)境下切削機理復雜等原因，該技術暫未實現較大規(guī)模的應用。

自提出微量潤滑技術后，許多學者對它進行了研究，綜合Web of Science搜索引擎整理，對1995年至今的文獻進行了整理歸納，結果如表1所示。文獻中針對傳統(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，優(yōu)化MQL工藝參數，在試驗條件下MQL技術達到甚至超過了傳統(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研究文獻數量

相較而言，國內對清潔切削技術的研究起步較晚。李晉年等[19]于1989年發(fā)表了關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，對高速干切削、低溫風冷切削的特點以及綠色刀具的設計等進行了研究。王成勇[21]于2002年首次報道了微量潤滑切削技術在鉆削航空鋁鈦多層復合板中的應用。上海交通大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學、江蘇大學、中北大學、南京理工大學以及青島理工大學等在微量潤滑切削技術方面均持續(xù)進行了研究。對國內文獻報道內容進行分析可以發(fā)現，微量潤滑切削技術研究在國內經歷了微量潤滑應用、不同材質切削特性、微量潤滑機理、微量潤滑系統(tǒng)參數、裝置性能優(yōu)化、加工環(huán)境質量評估等不斷深化的發(fā)展歷程，如圖2所示[20-27]。

圖2 國內微量潤滑切削技術研究歷程Fig.2 Research history of MQL technology in China

東莞安默琳機械制造有限公司與廣東工業(yè)大學通過產學研合作，在國內較早系統(tǒng)地開展微量潤滑技術、裝備與應用研究，涉及微量潤滑裝置及其關鍵部件的開發(fā)設計、微量潤滑系統(tǒng)參數優(yōu)化及其在蠕墨鑄鐵、鈦合金、不銹鋼、高溫合金和復合材料等難加工材料的切削應用等，相關成果在航天、航空、汽車、模具、能源裝備等行業(yè)企業(yè)獲得應用，并在廣西玉柴機器集團有限公司某型發(fā)動機缸體/缸蓋生產線上取得了較好的示范應用效果，且相關成果于2017年底通過了廣東省科技成果鑒定[28]。此后，廣東工業(yè)大學與科益展智能裝備有限公司(匯?？萍技瘓F)繼續(xù)在微量潤滑技術方面進行深度研發(fā)和產業(yè)化，成功實現了1000余臺套微量潤滑設備在汽車、模具、能源裝備等行業(yè)的典型應用，近期還在實施3C領域上萬臺超聲綠色鉆攻機床的微量潤滑技術應用。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、曲軸鉆孔等領域獲得應用。

國家重點研發(fā)計劃“制造基礎技術與關鍵部件”重點專項于2018—2020年間分別圍繞微量潤滑技術相關基礎理論、共性關鍵技術及其成套裝置示范應用設立了相應專項課題，旨在完善微量潤滑技術基礎理論和共性關鍵技術研究，并促進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在航空、航天以及汽車等典型行業(yè)或領域的示范應用。

通過微量潤滑基礎研究和國家重點專項攻關，微量潤滑復合增效技術在鈦合金、不銹鋼、鎳基合金等難加工材料切削加工中逐漸得到應用[29-31]。

2 低溫微量潤滑復合增效技術

面對日益嚴苛的難加工材料切削需求，微量潤滑技術因冷卻性能不足[30]、切削溫度過高導致潤滑劑過早失效而影響刀具壽命及工件質量的問題愈發(fā)明顯。低溫冷媒與微量潤滑技術相結合是目前最為常見的低溫微量潤滑復合增效技術，該技術將各種低溫介質(低溫冷風、低溫氮氣等)與微量潤滑霧?；旌?，噴射到切削區(qū)域，同時實現冷卻和潤滑作用。這種低溫微量潤滑技術充分利用了微量潤滑技術優(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

油水復合切削技術是近年來學者較為關注的一種微量潤滑復合增效技術，也稱為微量油膜附水滴(oil on water，OoW)復合噴霧[34-35]技術。早在1999年，日本名古屋工業(yè)大學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]。國內王愛玲等[36]也于2004年對油水復合切削技術進行了報道，并圍繞相關技術原理及應用進行了研究。

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。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張性，使最初到達活性很高的工件和工具表面上的油膜產生良好的潤滑效果；殘留在工件表面的水會被加工產生的切削熱蒸發(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合金進行了切削實驗，發(fā)現OoW的含水量會影響液滴的黏度，并決定液滴的滲透性。文獻[38-40]分別對45鋼、鈦合金TC4、不銹鋼等難加工材料進行了大量實驗，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：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”結構，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技術和低溫冷風復合OoW技術進行了切削實驗，發(fā)現OoW技術對有效應力影響不大，但可通過減小摩擦來降低切屑的溫度和應變，從而抑制材料的相變，此外，低溫冷風復合OoW技術可進一步降低切屑的溫度和應變，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-切屑有限元模型，如圖5所示。

(a)干切削

(b)OoW

(c)低溫冷風復合OoW圖5 應力、應變、溫度對比圖[42]Fig.5 Contrast diagrams of stress, strain, temperature[42]

OoW技術冷卻介質來源簡易，且對環(huán)境與成本基本沒有額外負擔，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，實現低溫氣體+OoW的復合噴霧并進一步提高切削性能[43]，廣東工業(yè)大學與科益展智能裝備有限公司(匯?？萍技瘓F)、東莞安默琳機械制造有限公司在油水復合噴霧技術方面進行了深入產學研合作，率先提出了油水復合噴霧技術與低溫冷風、超臨界CO2以及低溫液氮等低溫切削技術的復合應用，拓寬了微量潤滑復合增效技術范圍，如圖6所示。目前，廣東工業(yè)大學和上海交通大學等圍繞油水復合噴霧技術應用進行了深入研究，促進了油水復合噴霧技術在滾齒加工、車削、銑削以及磨削加工中的推廣應用。

圖6 OoW低溫復合增效技術Fig.6 The synergistic technology of OoW

2.2 低溫冷風微量潤滑

低溫冷媒復合微量潤滑(CMQL)技術中，最先被提出的就是低溫冷風微量潤滑技術，即在微量潤滑中采用-10 ℃以下的冷風復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、低溫冷風復合MQL技術及常溫MQL技術對淬硬鋼及鎳基高溫合金進行了對比銑削實驗，發(fā)現低溫冷風和低溫冷風復合MQL技術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，不同潤滑油在低溫下霧化特性有所不同，傾點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??；此外，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 ℃的冷風環(huán)境下觀測發(fā)現，相比于傳統(tǒng)MQL，低溫微量潤滑明顯有著更小的液滴，更容易滲透進入切削區(qū)。陳東建等[47]分析了低溫微量潤滑復合增效技術的換熱機理，認為采用低溫OoW技術冷卻時，噴霧射流為氣液兩相射流，霧滴以極高的速度進入切削區(qū)并發(fā)生相變，變成蒸汽的同時帶走大量的熱量，低溫氣流的強制換熱將進一步降低切削區(qū)的溫度，因此冷卻效果會更加明顯。

雖然低溫冷風復合微量潤滑方式有著優(yōu)秀的特性，但受限于設備，更低溫度的冷風制備會消耗高額的功率，還會帶來噪聲、排熱等一系列問題，進一步降低溫度也會存在部分應用問題。張慧萍等[48]進行了-55～-25 ℃的四梯度溫度復合MQL技術車削300M高強度鋼實驗，發(fā)現在-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，導致在冷風管道和切削液管道噴嘴處會產生凝固現象，造成噴嘴堵塞，影響切削性能。

2.3 低溫氮氣微量潤滑

低溫氮氣作為冷卻介質時，相比冷風有著更低的溫度，在射入加工區(qū)時，還能形成氮氣介質層，起到隔氧保護作用[49]。蘇宇等[50-51]在干銑削、切削液、常溫氮氣油霧、低溫氮氣射流(-10 ℃，120 mL/h)和低溫氮氣復合微量潤滑噴霧等冷卻潤滑條件下進行了鈦合金的高速銑削對比實驗，發(fā)現低溫氮氣復合微量潤滑進一步減小了刀具的擴散磨損和黏結磨損，且只要熱裂紋的形成與擴展未引起刀具的崩刃和刀面的剝落，進一步降低低溫氮氣的溫度都可延長刀具的使用壽命。由于液氮(LN2)最低可達-196 ℃，是目前工業(yè)應用中最低溫度的冷卻介質，在理論上非常具有可行性，故目前針對低溫氮氣的研究也主要集中在超低溫液氮。

JAWAHIR等[52]通過實驗發(fā)現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復合冷卻潤滑進行了鈦合金車削實驗，實驗結果如圖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的復合冷卻會進一步減少變質層，減小摩擦因數，延長刀具壽命和改善加工質量，同時發(fā)現LN2與CO2分別混合MQL時，CO2復合MQL獲得了更薄的變質層。

圖7 變質層厚度[53]Fig.7 Thickness correlation of affected layer[53]

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

NGUYEN等[55]認為，由于切削區(qū)滲透潤滑性差，LN2的快速汽化會導致刀具-工件界面上的散熱不足，同時工件非均勻冷卻導致的熱沖擊限制了LN2在工業(yè)中的使用。盡管LN2在應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理研究尚不充分，針對實際工況很難進行調整。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與微量潤滑技術的應用只在某些特定材料-工藝組合或實驗階段。

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行了對比研究,發(fā)現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與潤滑油的復合噴霧所產生的液滴直徑可達2 μm，遠遠小于傳統(tǒng)MQL的10 μm，能更好地實現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的溶解度進行了對比研究，認為油品的運動黏度是影響溶解度的重要因素。AUGSPURGER等[58]設計了低溫微量潤滑的切削實驗，發(fā)現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，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復合MQL技術與切削液、干切等方法對Inconel 718合金進行了銑削加工實驗，并對比研究了表面完整性，后在LCO2復合MQL中嘗試添加納米顆粒MoS2進行研究，結果表明，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中進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)對脂肪族和大多數芳香族碳氫化合物具有較高的溶解度，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。另外，scCO2復合MQL還可以加工傳統(tǒng)MQL方法難以加工的硬質合金，是MQL技術的重要拓展，也是非常有應用前景的低溫微量潤滑復合增效技術[60]。

CLARENS等[61]于2006年提出了基于scCO2復合的冷卻潤滑方式，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-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行了鈦合金車削實驗，發(fā)現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，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質量分數時的油霧場差異，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一步提高復合噴霧冷卻和潤滑效果。STEPHENSON等[63]發(fā)現scCO2流量與MQL油量需要相互適配，油量需要根據氣體流量、抽油管的位置以及油在scCO2中的溶解度等因素決定。目前已有多方關于scCO2冷風方法及其應用效果的報道，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供應不足現象，且存在如低溫微量潤滑參數調節(jié)方法研究尚不完善、低溫切削機理及其適用環(huán)境尚未定論等共性問題，故仍未能實現大規(guī)模應用。

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，微量潤滑復合增效技術有著優(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、復合噴霧方式、工藝參數適配等，各類微量潤滑復合增效技術分別有著各自的應用問題，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，需要進一步研究超低溫環(huán)境下的冷卻潤滑滲透機理，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對霧化特性的影響規(guī)律，以實現微量潤滑復合增效技術推廣應用。

表2 各類微量潤滑復合增效技術

3 微量潤滑復合增效裝置設計

隨著微量潤滑復合增效技術優(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用的深入，也出現了傳輸、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，成了微量潤滑復合增效技術推廣應用的關鍵需求。

微量潤滑相關裝置及其部件設計主要涉及介質發(fā)生裝置、傳輸管道與噴射裝置。介質發(fā)生裝置根據不同增效技術原理有所不同。微量潤滑復合增效技術中冷卻與潤滑介質并非一體，根據它們霧化位置的不同，可分為外置式與內置式。外置式的特點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油霧；內置式霧化是在霧化室內產生，霧化室內部安裝有潤滑油霧化器，在系統(tǒng)內部傳輸并復合噴射至切削區(qū)。外置式裝置中介質采用多流道傳輸，對裝置搭建與傳輸要求相對較低，但切削效果往往不如內置式。內置式微量潤滑復合增效技術裝置不同于常規(guī)，還需要針對介質混合位置、混合方式、傳輸方式、機床及功能部件等進行相應隔熱、恒壓等處理，確保介質穩(wěn)定生成與傳輸，且由于部分冷媒復合微量潤滑液會導致噴嘴出口處凝固、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行改進。

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

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

3.1 低溫冷風微量潤滑裝置

低溫冷風微量潤滑裝置按照低溫冷風產生方式，可分為渦流管制冷(-5～5 ℃)、半導體制冷(最低可達-10 ℃)、壓縮機制冷(最低可達-60 ℃)以及以半導體制冷為核心壓縮機制冷為輔助的復合制冷等[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部產生漩渦，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，進而實現制冷作用[67]。研究人員在渦流管制冷效率優(yōu)化方面進行了多方面研究，包括渦流管流道設計[68]、長徑比優(yōu)化[69]和進氣參數匹配[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特點，KO等[71]最早根據空氣渦流制冷原理研制了外混式的冷風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%。李智揚等[72]觀察到采用渦流管冷卻法進行淬硬鋼銑削加工可有效減輕切屑黏結及黏結磨損現象，進而減小刀具刃口磨損寬度。

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

3.2 液氮復合微量潤滑裝置

將液氮作為冷卻介質時，可靠傳輸與精準調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)境溫度影響極易產生汽化現象，嚴重破壞了傳輸穩(wěn)定性[77]，因此，實現液氮冷卻介質的可靠傳輸，確保切削區(qū)域射流狀態(tài)的精準調控，是液氮裝置設計的主要難點。

美國Air-Products公司開發(fā)的ICEFLY液氮傳輸系統(tǒng)，采用同軸套管(內外管)進行液氮傳輸，通過在外管傳輸低壓氮氣，對內管液氮熱損失進行有效補償，實現了液氮的穩(wěn)定傳輸[78-79]。美國5ME公司基于ICEFLY液氮傳輸系統(tǒng)研制了液氮內噴式冷卻加工機床，并成功用于F-35零部件生產[80]。大連理工大學在液氮傳輸穩(wěn)定性及溫度調控方面進行了深入研究，開發(fā)了獨立式液氮調控系統(tǒng)，研制了主軸-刀柄超低溫隔熱與動密封技術，并以此為基礎，搭建了液氮內噴式加工機床，如圖12所示[81]。

圖12 內噴式液氮冷卻加工機床[81]Fig.12 Internal cooling machine with LN2 cooling[81]

在液氮復合微量潤滑裝置方面，由于液氮或氮氣與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，從而導致油膜失效，影響冷卻潤滑性能[82]。目前液氮復合微量潤滑裝置多以外混式為主，冷卻與潤滑介質分別經過不同流道傳輸后噴射至切削區(qū)域。

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

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

3.3 液態(tài)CO2復合微量潤滑裝置

將液態(tài)CO2作為冷卻介質時，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損壞導致密封失效，影響高壓液態(tài)CO2的傳輸和調控，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的液態(tài)CO2以液體形式穩(wěn)定輸送至切削區(qū)域，進而形成高速低溫的CO2氣體和微米級干冰顆?；旌仙淞?。與液氮或氮氣類似，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液態(tài)CO2復合微量潤滑技術。

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的加熱氣體來降低傳輸管路中的CO2熱損失，進而提高液態(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，并采用耐壓毛細管來傳輸液態(tài)CO2，之后與德國Walter公司以及瑞士Starrag機床公司聯合開發(fā)了Cryo·tecTM雙通道液態(tài)CO2供液系統(tǒng)，實現了切削加工時低溫CO2的穩(wěn)定噴射[94]，通過機床、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)了內混式的液態(tài)CO2與微量潤滑復合裝置，并通過定制密封隔熱主軸、內部傳輸管道與高密封內冷刀柄實現液態(tài)CO2+MQL的內冷傳輸，如圖15所示。

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

圖15 LCO2+MQL內混內噴式主軸[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，并通過旋轉接頭搭建了液態(tài)CO2和MQL的內噴式系統(tǒng)，如圖16所示。

圖16 LCO2+MQL內混內噴式裝置[58]Fig.16 The internal injection device of inside-mixingwith LCO2+MQL[58]

國內對液態(tài)CO2冷卻系統(tǒng)的研制及其復合微量潤滑系統(tǒng)開發(fā)相對較少。肖虎等[97]研制了強壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)，通過在瓶內加裝紫銅管(圖17)可使得瓶內的液態(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液壓復合橡膠軟管傳輸，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復合微量潤滑裝置

在超臨界狀態(tài)下，scCO2既有與氣體相當的高擴散系數和低黏度，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)下實現均勻混油[98]。

為了實現scCO2復合微量潤滑優(yōu)異的低溫潤滑特性，美國密西根大學開發(fā)了scCO2與潤滑油混合的冷卻潤滑內混式裝置，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)，實現了優(yōu)異的冷卻潤滑性能[62-63,99]。與此同時，相關技術在美國Fusion公司進行了產業(yè)化應用，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(匯專科技集團)與廣東工業(yè)大學于2019年合作研制了scCO2供給系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)可對高壓容器內的CO2流體溫度和壓力進行實時監(jiān)測和自動補償，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置了中轉管路，通過改變中轉管路的內徑和長度可實現scCO2流量調節(jié)[102-103]。

將scCO2和OoW技術結合，利用快速膨脹的氣態(tài)CO2噴霧將微細干冰顆粒和OoW液滴的混合物輸送到切削區(qū)，對切削區(qū)域進行冷卻和潤滑，這是scCO2技術的重要拓展，與單純scCO2、OoW冷卻潤滑方式相比，scCO2+OoW技術同時具有冷卻和潤滑效果[104-105]。東莞安默琳機械制造技術有限公司與廣東工業(yè)大學合作開發(fā)了scCO2復合OoW裝置，如圖18所示[104]。該裝置具有兩個獨立的油基和水基切削液儲罐、兩個獨立的切削液空氣混合室和兩個獨立的霧化噴嘴。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的高壓高速空氣射流霧化，然后進入噴嘴。當控制不同的閥時，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復合噴霧裝置結構[104]Fig.18 Structure of scCO2 synergistic device[104]

4 難加工材料切削應用

4.1 鈦合金切削加工

鈦合金有著一系列難加工特性，如熱導率小，與大多數刀具材料具有很強的化學反應性，易形成黏附，切削刃附近的熱應力較高等[107]，是一種典型的難加工材料。

SARTORI等[53]對比了LN2與LCO2分別復合MQL噴霧時車削TC4的加工情況，發(fā)現低溫氣體復合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進行了鈦合金車削實驗，實驗結果表明,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)境會導致刀具硬化，減小黏結磨損，射線能譜分析也顯示其元素擴散性明顯降低。

SCHOOP等[109]采用低溫氮氣進行了TC4的磨削實驗，發(fā)現單一的低溫氮氣會導致亞表面出現微觀結構損傷，但低溫氮氣和MQL混合后即使進一步提高切削速度，在亞表面微觀結構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]通過多組銑削參數對比實驗發(fā)現,scCO2+MQL和scCO2+OoW的復合增效技術均能大幅降低切削溫度，且復合增效技術顯著改善了刀具-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scCO2+MQL或scCO2+OoW的復合有著更好的銑削穩(wěn)定性;從切削力、切削溫度、表面質量、銑削穩(wěn)定性和清潔生產多方面分析，scCO2+OoW復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、熱導率小和加工硬化嚴重等特點，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很難保證其加工質量與效率。

STEPHENSON等[63]采用scCO2+MQL技術與水基切削液澆注式車削方式進行了Inconel 750車削加工的刀具磨損對比實驗，發(fā)現采用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變?yōu)榱司徛脑卵劳菽p。DANISH等[111]進行了Inconel 718的車削實驗，對比了干切、MQL、LN2、LN2+MQL的冷卻方式，發(fā)現單一LN2相比于MQL，其工件表面粗糙度更高且刀具磨損更嚴重，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進行了磨削實驗，實驗結果表明，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合金進行了銑削實驗，發(fā)現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量，但LCO2+MQL可以在減少切削液消耗的基礎上達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高強度鋼

高強度鋼強度高、硬度高、塑性強、韌性強，由于高強度鋼切屑強韌，熱導率較小，故易導致切削熱難以散失，斷屑困難，刀具磨損嚴重[114]。

STERLE等[115]采用LCO2+MQL復合技術進行了42CrMo4鋼鉆削實驗，發(fā)現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，要達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]對熱導率為55～66 W/(m·K)的高熱導鋼進行了銑削加工，發(fā)現與干切削相比， 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，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象，降低工件表層殘余應力。

如表3所示，JAVARONI等[117]通過淬硬鋼AISI 4340磨削實驗，對比了MQL及其復合不同溫度冷風的切削性能，發(fā)現低溫冷風復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 ℃冷風復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 低溫冷風復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，低溫復合微量潤滑技術同樣展現了其優(yōu)秀的性能。

LAI等[43]進行了316L不銹鋼車削實驗，對比了干切、MQL、OoW、-50 ℃冷風、LN2及兩種低溫冷媒復合MQL與OoW的切削性能，如圖22所示，發(fā)現OoW加入能進一步增強冷卻潤滑的作用，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(-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基涂層刀具進行了316L不銹鋼車削實驗，發(fā)現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，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PCB板件進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、干式加工進行了多層金屬鋁板鉆削實驗，發(fā)現使用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70%的圓度誤差。LIN等[121-122]采用4.7 ℃、-4.7 ℃及-25 ℃冷風對復合材料Al-PCB印制電路板的鉆孔進行了研究，發(fā)現用4.7 ℃或-4.7 ℃冷風都可以有效地減小FR-4鉆頭的磨損，但在4.7 ℃時鉆削效果最好；因為過低溫度會導致材料硬化，阻礙排屑，所以當溫度達到-25 ℃時，刀具的磨損更加嚴重；在采用冷空氣、scCO2或LN2作為介質鉆孔時，scCO2鉆孔會導致切屑纏繞和刀具黏連等問題，并嚴重影響刀具壽命和孔壁質量，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復合材料切削中都表現了其優(yōu)勢，但由于油霧會帶來工件污染問題，故大多數復合材料切削過程中不能采用油霧潤滑。

劉建[123]采用PCD刀具進行了低溫冷風復合OoW在SiCp/Al復合材料上的銑削實驗，發(fā)現低溫微量潤滑技術能夠有效地改善磨粒磨損、崩刃及剝落現象，降低刀片表面的黏結磨損程度，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、冷卻潤滑方式及部分結論，如表4所示。

表4 各類微量潤滑復合增效技術研究結果

綜上可以發(fā)現,在大部分金屬材料切削中，微量潤滑復合增效技術相比于傳統(tǒng)切削液或MQL技術均有著以下優(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，低溫復合微量潤滑方式需要根據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行切削加工。

由表4也可以明顯發(fā)現，目前針對微量潤滑相關技術的工藝參數缺乏統(tǒng)一標準。雖然部分學者針對特定工況進行了相關的工藝參數優(yōu)化，但仍舊缺乏理論性的規(guī)范指導，導致低溫微量潤滑技術工藝參數難以界定，影響切削效果。如何選擇合適的工藝參數、工況，以及刀具、加工方式的適配等，仍是需進一步研究的重要問題。

5 經濟與環(huán)境安全性評估

微量潤滑技術在成本和環(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、潤滑油用量、供氣壓力條件下的機床內部切削區(qū)油霧濃度，評價了低溫MQL系統(tǒng)參數對切削油霧生成和環(huán)境空氣質量的影響。研究結果表明：采用更低傾點的潤滑油、更高的潤滑油用量和供氣壓力會導致加工區(qū)油霧濃度的明顯升高，同時細顆粒油霧的比重也會有不同程度的上升，從而增加了環(huán)境油霧危害風險；而低溫MQL能夠有效抑制潤滑油的霧化和降低細顆粒油霧的生成率，相比常溫MQL更加環(huán)保和安全；在低溫MQL切削應用中，通過增強低溫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的潤滑油等手段可以改善切削環(huán)境空氣質量；此外，采用封閉式加工系統(tǒng)也可有效減少散逸到機床外部工作環(huán)境中的油霧，從而降低油霧危害風險。

GUPTA等[125]通過鈦合金銑削實驗對比了干切削、LN2和LN2復合微量潤滑條件的加工性能，并通過總循環(huán)時間、生產率、經濟性分析、能耗和碳排放等環(huán)境參數對加工的經濟性與環(huán)境安全性進行了系統(tǒng)評估，如表5和圖23所示。研究結果表明，與干車削相比，LN2和LN2+MQL的生產率提高了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，盡管液氮和液氮復合微量潤滑技術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合增效技術兼顧了加工性與經濟性，順應了國家綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。

表5 試驗設計

(a)加工總成本

(b)CO2排放

(c)加工能耗

6 結論與展望

微量潤滑的增效技術結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的加工性能?？偨Y分析現有的微量潤滑復合增效技術與裝置的研究成果，可以得到以下結論。

(1)微量潤滑復合增效技術通過引入低溫冷媒進行強換熱，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，提高工件質量，可以有效解決難加工材料的各種切削問題，在絕大多數難加工材料上都展現了優(yōu)秀的切削性能。

(2)微量潤滑復合增效技術能減輕微量潤滑技術導致的油霧污染問題，降低油霧危害風險，綜合各類因素對經濟性與環(huán)境安全性系統(tǒng)的評估，低溫氣體復合微量潤滑增效技術能總體降低切削功耗及各類資源損耗浪費，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，傳輸過程易出現損耗等問題，故目前主要應用于實驗室階段,但其強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合金有著較好的應用前景。

(4)超臨界CO2獲取及保持條件較為簡易，其本質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，在綠色加工領域有著非常大的潛力。

(5)各類微量潤滑復合增效技術均有各自的適用性與應用問題，需要綜合切削環(huán)境適當考慮，其中低溫冷風技術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)油膜附水滴技術在基本不影響成本的情況下能進一步提高微量潤滑技術的冷卻潤滑性能，且能與多種低溫冷媒復合，是一種比較優(yōu)秀的冷卻潤滑方式。

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

(1)缺乏理論性的規(guī)范指導，導致低溫微量潤滑技術工藝參數難以界定，影響切削效果。需要研究霧化特性的影響因素，闡明微量潤滑復合增效技術穩(wěn)定霧化機理，建立潤滑劑種類、流量、液滴、冷媒溫度等各項參數與噴霧場、液滴、霧粒一致性的關聯關系，為微量潤滑復合增效技術的應用提供理論支撐。

(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)相關裝置的內冷傳輸研究較為缺失，如何防止如液氮等超低溫冷媒在內冷傳輸過程中對結構件的影響是目前的難點，國外針對部分冷媒傳輸提出的同軸套管技術，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)目前關于微量潤滑工藝增效技術的工作參數如流量、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，還需進一步開展低溫微量潤滑技術在其他難加工材料和加工工藝上的應用研究，針對特定材料和加工方式，結合低溫氣體應用過程中的材料變性問題，探究加工工藝參數、刀具、機床及增效技術的適配性，建立切削參數數據庫，并研制切削參數智能化的調節(jié)系統(tǒng)。