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高速切削过程中的冷却润滑M010214114 张鹏飞摘要：金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。切削过程中的摩擦影响到切削力、切削温度、刀具的磨损、积屑瘤和鳞刺的形成。这很大程度上影响着已加工表面的质量。本文主要介绍了高速切削过程中的摩擦机理以及相应的冷却润滑的机理，用来改善高速切削的加工质量。Abstract: Metal cutting process is cutting layers of metal in the tool rake face a shove, dominated by shear plastic deformation and the formation of the chip. The friction in the process of cutting affects the cutting force, cutting temperature, tool wear, and the formation of the debris and the scales. This greatly influences the quality of the machined surface. In this paper, the mechanism of friction in the process of high speed machining and the mechanism of the corresponding cooling lubrication are introduced, which is used to improve the machining quality of high speed machining.关键词：高速切削、冷却与润滑、摩擦、切削液1 引言金属切削加工的过程可以归结为切削物 (刀具、磨粒等 )对被切削物的剪切、挤压、变形等引起的剧烈摩擦和磨损的过程。高速切削过程中的摩擦直接影响刀具失效(磨损和破损)， 刀具使用寿命、工件的加工精度以及已加工表面的完整性。特别是高速切削过程中刀具寿命的缩短，限制高速切削的进一步发展和应用。为了使高速切削在实际加工中得到更广泛的应用，应研究清楚高速切削摩擦产生的影响与冷却润滑之间的平衡关系。在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩擦，接触区压力可高达1GPa 以上，切削温度则可高达1000 益以上1。在这样的高温高压下，切削条件极度恶劣，会大大缩短刀具寿命和影响工件的加工质量。为了降低切削温度，延长刀具寿命和提高加工表面质量，往往在加工过程中使用冷却润滑液。冷却润滑液在切削过程中的主要作用就是冷却与润滑，此外还有排屑等附加作用。冷却与润滑的机理就是在刀具与切屑之间形成一次润滑膜，避免刀具与切屑直接接触，同时降低它们之间的剪切系数，从而降低剪切应力。切削加工过程中具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等2。2 高速切削过程中的摩擦在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩图1 高速加工结构及关键技术擦，接触区压力可高达1GPa 以上，切削温度则可高达1000 益以上。如图1所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面与切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数GPa，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生粘结，形成内摩擦，如图1中A区所示。在B区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。故通常把刀屑间的摩擦分为粘结区和滑动摩擦区的外摩擦。刀工摩擦是后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，相比前刀面，后刀面的正压力较小，主要为峰点接触，故同样为滑动摩擦，C区为不发生摩擦的区域。图2 切削加工过程中的摩擦切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀屑间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。 在摩擦对切削过程的影像中，刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响；而刀工摩擦对已加工表面质量以及后刀面磨损有重要影响。因此，研究刀具与工件材料接触表面的摩擦特性至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减少切削摩擦的影响。切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响，采取适当的措施降低切削区的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为改善切削区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗作用，从而带走加工中产生的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切削等。2.1刀具-切屑摩擦在传统的低速切削中，摩擦主要发生在刀具后刀面，在刀具前刀面起作用的主要是库伦摩擦，而在高速切削过程中，由于切屑沿刀具前刀面的流出速度、刀屑接触压力和温度大幅提高，使前刀面和切屑之间的摩擦情况更加复杂，已经不能用传统的库伦摩擦来解释。不断提高的滑动速度和摩擦应力使刀具前刀面产生严重磨损。因此，在高速切削中，刀具磨损速率很大程度上取决于刀屑接触面的摩擦情况2。在高速条件下，虽然刀具表面原有的吸附膜容易被破坏，但高速切削所带来的高温条件，容易使刀具表面形成新的氧化膜， 并且使黏结区材料因高温而软化，使刀屑间的摩擦力降低。Farhat3研究了切屑与前刀面之间的摩擦系数随切削速度的变化情况，研究结果表明随着切削速度的增大，摩擦系数从0.95下降到0.67 这是由于在高速切削的时候，刀屑界面形成一层薄的熔融金属层而使切屑更容易产生剪切滑移。这与文献4中研究的结果相符。即对于不同的切削深度，摩擦系数都是随着切削速度的增大而减小。高速切削时，刀屑之间产生摩擦化学反应，对摩擦系数产生一定的影响。根据邓建新5等人的研究，Al2O3 陶瓷刀具高速干切削时，摩擦系数随切削速度和 TiB2 含量增大呈减小趋势。随切削速度的升高，切削温度增大，刀屑之间产生摩擦氧化反应， TiB2 氧化速度加快，氧化产物增多；TiB2的氧化产物TiO2可在切屑和刀具前刀面之间起固体润滑作用，从而减轻刀具与切屑之间的粘着，减小切削力和前刀面的平均摩擦系数，减轻刀具的磨损，提高刀具的耐磨性能。高速切削时，刀屑界面复杂的摩擦情况很难通过传统的切削实验进行研究，不少学者通过数值模拟进行研究。Arrazola6等人使用任意拉格朗日欧拉(ALE)有限元方法，把刀屑界面分成几个区域，重点研究刀屑界面的摩擦行为。刀屑接触面的摩擦可以通过刀具前刀面上法向应力和摩擦应力之间的关系来表示。Zorev7将刀具前刀面的接触区分成黏结区和滑移区两部分，提出黏结滑移摩擦模型来模拟刀屑接触面的摩擦情况。Wu8扩展了Zorev摩擦模型，他们假设黏结区长度和滑移区长度相等，黏结区的摩擦应力为等效应力的函数，而滑移区的摩擦应力呈线性减小到零。目前，研究者在zorev模型的基础上提出了六种不同的摩擦模型来模拟高速切削过程中前刀面的摩擦情况：(1)常系数摩擦模型；(2)存在两种摩擦系数的模型；(3)黏结区常极限剪切应力与滑动区常库伦摩擦力模型；(4)随温度变化的摩擦系数模型；(5)黏结区随温度变化的极限剪切应力与滑动区常库伦摩擦力模型；(6)黏结区常极限剪切应力与滑动区随温度变化的库伦摩擦力模型9。高速切削加工中，刀具与切屑之间的摩擦系数对切削过程产生重大影响。文献10通过大型仿真软件Deform 3D数值模拟了摩擦系数对切削力、残余应力、等效应力、等效应变和切削温度的影响。结果显示，切削初始状态，切削力随着切削时间的增加而不断增大；切削稳定时，切削力随着摩擦系数的增大而逐渐增大；最大等效应力出现在切削刃附近，等效应力等值线以刀尖为中心向两端扩展，远离切削区时等效应力的值较小，且已加工表面仍存在一定的等效残余应力；随着摩擦系数的减小，切屑和工件已加工表面的塑性变形也逐渐减小。2.2刀具-工件摩擦虽然刀工摩擦力相对于刀屑摩擦力而言要小得多，但是由于刀工摩擦直接作用 于已加工表面上，因此刀工摩擦状态对工件的表面质量和刀工接触区的温度场分布影响很大。文献3比较240mm/min和1000mm /min切削速度下，得到的工件表面质量。结果显示，在1000m/min的切削速度下，刀具和工件之间的摩擦产生高温，熔融铁薄层均匀分布在工件表面，使加工表面更光滑、更均匀。使用 240m/min的切削速度进行切削的时候，由于产生部分熔融，冷却过程中出现不同程度的收缩而使加工表面出现微小的空隙。刀工摩擦使刀具的后刀面产生磨损带磨损， 导致刀具间隙角的减小，引起工件已加工表面摩擦力的增大，从而影响了工件的发热量，导致加工产品产生残余应力。有学者11采用带有磨损带的碳化钨硬质合金刀具和正常的碳化钨硬质合金刀具进行高速切削实验，研究磨损带对工件生热的影响。比较的结果显示，前者刀工接触区的温度大大升高，接近最高温度的 45% ，而后者刀工摩擦产生的热量并不明显。此外，刀具后刀面磨损后，会在工件的已加工表面留下明显的拖带。3高速切削过程中刀具的磨损高速切削，刀具磨损机理和磨损形态与刀具成分、工件材料、切削环境和切削条件等因素有关。有研究表明12-13 ，高速切削时，刀具的磨损形态主要是前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损、微崩刃以及边界磨损等。3.1前刀面磨损高速切削中，刀具前刀面的月牙洼磨损主要产生机理是扩散和氧化。高速切削时，刀具前刀面的元素发生扩散，破坏了刀具的成分，从而降低了刀具表面的强度和硬度，改变了刀具材料的机械性能；同时，高温下的氧化作用产生了(如 Co3O4、CoO和TiO2等)脆性、疏松、低强度的易磨损氧化膜，使前刀面容易产生严重的月牙洼磨损。最近，有学者14利用弹道实验装置，研究了硬质合金刀片高速切削低碳钢( C22 )过程中前刀面月牙洼磨损及其演化过程。研究显示，刀具前刀面产生月牙洼磨损后，切屑随着月牙洼的几何形状紧贴在刀具的前刀面上，月 牙洼轮廓给切屑附加了一定的曲度；相同的切削厚度，刀具产生月牙洼磨损后， 刀屑接触长度从0.41mm增大到0.55mm。由于刀屑接触长度的增大，使得刀屑间的摩擦加剧， 导致了刀屑接触区的温度上升。对于CBN刀具高速切削P20模具钢，其主要磨损机理是扩散磨损 ，切削时CBN刀具的耐磨性明显比WC硬质合金刀具好。在1000m/min的切削速度下，前刀面月牙洼的主要特征是在其表面出现铁元素迁移层图。铁元素迁移层集中在月牙洼中心附近温度最高的地方。平滑的迁移层及其涂覆在月牙洼表面的方式表明工件在切削过程中出现熔融了。月牙洼上的能谱分析(EDX)也显示刀工界面发生熔化，特别是在月牙洼上熔化更严重。在1000m/min的切削条件下，切削温度非常高(1500)，使CBN刀具中的B和N溶解扩散到熔融状态的铁层里。这一熔融状态的铁元素层连同B和N随即从刀具材料上被挤出接触区。而且刀具始终与工件产生的新表面接触，增强了B和 N的扩散， 加速了前刀面的月牙洼磨损。有研究15表明，刀具前刀面涂层可减缓月牙洼磨损。如使用金刚石涂层刀具，由于金刚石涂层刀具硬度高、导热系数小、耐热性好， 高速切削时，在刀屑界面上起到应力屏障、热屏障、化学扩散屏障等作用，增强刀具表面抗扩散磨损、抗氧化磨损的能力，所以使用金刚石涂层刀具进行高速切削，开始时产生不明显的月牙洼，随着涂层的逐渐磨损，月牙洼才缓慢形成和扩展。3.2后刀面磨损后刀面磨损是高速切削刀具最经常发生的磨损形式，可看作是刀具的正常磨损。高速切削时，高温区域接近切削刃，刀屑接触长度短以及切削力集中在切削刃附近，使后刀面磨损形态呈现出与常速切削相似的较均匀但位置较靠近刀尖部位的带状。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能，使切削力增大，切削温度升高，工艺系统振动加剧，加工质量降低16。高速切削过程中的切削速度是影响刀具磨损和使用寿命的一个重要因素。文献17通过高速切削实验，研究陶瓷刀片切削镍基合金时切削速度对刀具后刀面磨损和刀具寿命的影响， 对比了圆形刀片和四方刀片的磨损性能。研究结果表明，后刀面磨损、月牙洼磨损以及塑性变形是陶瓷刀具高速切削时的磨损机理。圆形刀片的主要磨损机理是后刀面磨损和刀尖磨损，而四方刀片的主要磨损形态是月牙洼磨损。圆形刀片比四方刀片更适合高速切削镍718合金。在实验结果的基础上可以得出250m/min是最佳的切削速度，超过这个速度会对刀具的寿命产生负面的影响。刀具材料也是高速 切削过程中， 影响刀具磨损和使用寿命的一个重要因素。硼化物在摩擦过程中容易经由氧化而生成具有较低剪切强度的润滑膜。根据 Al2O3/TiB2陶瓷刀具切削淬硬钢时，TiB2含量和切削速度对刀具后刀面磨损的影响。可以看出TiB2含量越高，Al2O3/TiB2陶瓷刀具的抗磨能力越强。当切削速度v 120m/m in 时， 后刀面磨损量(VB值)随着v的增加呈减小趋势5。文献18中使用真空烧结方法研制了不同C与N比值的Ti(C，N)基金属陶瓷刀片。通过不同切削速度下干式车削20CrM n工件的切削实验，研究Ti(C，N)基金属陶瓷刀具高速切削时磨损机理。结果表明：高速切削Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的主要磨损形式是粘结、氧化和扩散磨损；减小Ti(C，N)固溶体中C与N的比值可改善Ti(C，N)基金属陶瓷刀具的 耐磨性，提高Ti(C，N)基金属陶瓷刀具抗氧化磨损的能力。靠近切削刃的区域，其磨损特征主要是来自刀具与工件直接接触产生的磨损。远离切削刃的区域，高温时，空气中的氧与金属陶瓷中的Co与TiC等发生氧化作用， 产生较软的氧化物 (如Co3O4、CoO和TiO2等)导致刀具材料的力学和物理性能下降，产生氧化磨损，加剧刀具的磨损。3.3微崩刃微崩刃是在切削刃上产生的小缺口，常在断续高速切削过程中发生。它是脆性较大的金刚石、陶瓷、立方氮化硼等刀具高速切削时，伴随着后刀面磨损发生的损坏形式。通常刀具微崩刃大小在磨损限度以内时，刀具仍可继续使用 。LT55陶瓷刀具高速铣削铸铁时，会产生因机械冲击或热冲击而引起的平行/垂直切削刃的机械疲劳裂纹， 随着裂纹不断扩展就引起刀刃碎裂或断裂。涂层刀具高速切削时由于温度较高， 涂层与基体的结合强度减弱也常出现微崩刃19。CBN刀具是由无数细小的CBN颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接，且存在不均匀的内应力，因此高速切削过程中产生的高温切屑流摩擦刮研CBN刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击使CBN刀具产生微崩刃。减小进给量，改变刀具主偏角以增加稳定性，以及选择韧性好的刀具材料都可减小微崩 刃出现的概率20。3.4边界磨损刀具磨损时，还常常在后刀面上刀工接触或前刀面上刀屑接触的边缘处产生边界磨损。由于这种磨损发生在接触边界，故对接触摩擦和切削力、切削热等没有太大的影响，但沟槽过大会严重降低刀尖强度，造成刀具严重破损，副刀面的沟槽还会严重影响已加工表面的质量。高速切削不锈钢、高温合金(如Inconel718 )时，工件表面的加工硬化使刀工接触边界的工件材料硬度最高，容易形成边界磨损；另外，使用陶瓷刀具高速切削铸铁以及加工外圆时刀具也容易发生边界磨损21。4 高速切削过程中的冷却与润滑大量的研究表明，冷却/润滑条件对刀具磨损有重要的影响。切削加工中润滑的主要目的是为了减少刀具与工件表面的摩擦，通常是在由刀具、工件和切屑所组成的摩擦副之间形成具有润滑作用的润滑膜。在切削区的高温高压条件下，摩擦副间存在粘结、峰点接触，大多数情况只能形成边界润滑状态3-4 。对于传统的冷却润滑方式，切削介质主要以浇注的形式供给到切削区，其冷却能力主要依靠切削介质自身的性能。切削介质本身的性能。而对于一些先进的绿色冷却润滑技术，像一些以气态为主的切削介质（如氮气、空气）以高压射流的方式喷射到切削区，通过强制对流换热过程来达到冷却效果。与液体相比，气体射流本身的比热和导热系数低，冷却性能差。但是通过这种高压力、大流量和高流速的强制对流作用，使气体更容易渗入到切削区内部，充分与切屑、刀工作面相接触，增加了动态换热面积，另外，通过降低切削介质的温度增加切削介质与切削区的温差，同样可以达到较好的冷却效果 。切削液通过渗透作用进入到刀具与切屑或工件之间，通过物理、化学吸附或化学反应在接触表面形成一层很薄、具有一定承载强度的边界润滑膜。切削液的润滑特性主要是由切削液的物理化学特性（润滑膜的形成、保持及本身性能）决定，润滑膜形成越快，吸附力越大、剪切强度越低，又能耐压耐热，切削液的润滑效果越好。一般情况下，边界润滑的摩擦因数比干摩擦小的多，在对于一些难加工材料的加工时。切削使切削状态恶劣，刀具磨损严重，很难满足生产的需求，而通过施加切削介质来改善切削区的摩擦状态，可以大大降低刀具磨损，提高加工效率 。如加工中常用的微量润滑技术，在高速加工过程中体现了良好的润滑效果，可以有效的降低刀具与工件之间的摩擦，从而降低刀具磨损。下面介绍几种典型的冷却润滑技术。4.1 使用切削液进行冷却润滑切削液（ cutting fluid coolant）是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具业用液体，切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病，对车床漆也无不良影响，适用于黑色金属的切削及磨加工，属当前最领先的磨削产品。 切削液各项指标均优于皂化油，它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点，并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。人们在磨制石器、铜器和铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量。在古罗马 时代，车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油，16 世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从 1775 年英国的约翰威尔金森（J.wilkinson）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。到 1860 年经历了漫长发展后，车、铣、刨、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的应用。19 世纪 80 年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。FWTaylor发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高对30% 40%的现象和机理。针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂”一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动植物油易变质，使用周期短。20 世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用 矿物油和动植物油合成的复合油。1924年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹和齿轮加工。图3 润滑油润滑刀具材料的发展推动了切削液的发展，1898 年发明了高速钢，切削速度较前提高24倍。1927年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高 2 5 倍。随着切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求，这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。1915年生产出水包油型乳化液，并于1920年成为优先选用的切削液用于重切削。1948 年在美国研制出第一种无油合成切削液，在20 世纪70年代由于油价冲击而使应用成本提高。近十几年来， 由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和工件材料的发展，推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它必将推动切削液技术向更高领域发展。金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒工件及磨粒磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量5。切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮）、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和 刀具耐用度。切削液的冷却性能和其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。水的导热系数和比热均高于油，因此水的冷却性能要优于油。4.2低温冷却技术为有效地降低在切削区产生的过高的温度，往往采用将液态气体直接传输到切削区和刀具切削刃附近的低温切削技术。低温切削(Cryogenic Machining)利用液态氮(-186 )、CO2 液体 (-76 )及其他低温液体的冷却特性、可极大地提高刀具寿命、加工精度、表面质量和生产效率，与干式切削相比可减小切削力 10%20%、磨削力60%左右，切削一般钢材时切削温度下降 3004006-7。低温切装置的原理有以下几种：利用瓶装液体 CO2 的自喷对切削区直接冷却：用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区：采用液态氮或 CO2 从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的。有的采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显8。图4 低温冷却装置示意图实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。采用液态氮(LN) 直接冷却刀头的低温切削自动控制装置，该装置是由美国 Nebraska-Lincoln 大学的王志勇博士开发研制的，它成功地解决了用 PCBN 刀具加工 Si3N4 陶瓷的难点。从有限元模型的切削温度分布可以看出，采用低温冷却技术可降低 PCBN 刀头的温度，确保 PCBN刀具的红硬性和金属软化效应，大大减少刀具的磨损 9。实验还表明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断。普通碳素钢的力学性能极大地受切削温度的影响，在低温下易于脆裂，因此切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这为低温冷却在切削加工中有助于断屑提供了可行性的基础。4.3 喷雾冷却技术随着高速切削的发展，刀具承受着比过去高得多的压力、摩擦力和温度，虽然刀具材料的进步极大地促进了切削效率的提高，但切削区的冷却始终是提高刀具寿命的一条重要措施。鉴于防止废弃切削液对环境的污染，采用喷雾冷却不失为一种较好的选择。喷雾冷却是利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却的10。汽化的方式分为两种：泡状汽化和层状汽化。雾化冷却切削区属泡状汽化，当雾滴落于温度较高的表面时，形成汽化中心，气泡的脱离带动雾滴液体剧烈翻动，使雾滴进一步汽化，把热量带走，细小水滴产生相变成为蒸气。浇注式冷却使液体产生层状汽化，汽化时蒸气成层状，汽化层把被加热的表面和冷却介质分离，所以液体浇注冷却仅是对流和热传导起主要作用。喷雾冷却装置的气流元件主要由引流和被引流两大部分组成，根据引流部分所处位置的不同可分为喷射器和环形气流放大器两种。蒸气喷射器是喷射器中最为典型的一种，其结构，主要由喷嘴、吸入室和扩压器三大部分组成 11。喷嘴的功能是产生高速的扰流，对吸入室的气体产生扰动，带动吸入室的气体一起流入扩压器中，从而产生气流放大作用。环形气流放大器的特点是高压的气体从图5 喷雾冷去装置示意图缝隙很小的环形间隙流出，形成高速气流，流入喉部，再从扩张段流出，流动过程中诱发大量周围的自由空气一同运动，从而产生较大的气流输出。环形气流放大器由环形气流室、扩张室和引流室三部分组成，特点是结构比较精巧，通过调节环形气流室内的气流参数就可调节总气流量的大小。在相同切削条件下选用 YT15 机夹可转位刀具同时做干式切削和喷雾冷却切削对比实验，工件材料为 J-55 钢料，采用一般乳化切削液作为喷雾剂，用显微镜观察发现，喷雾冷却的刀具前刀面磨损很少，刀尖高度稍有磨损，负后刀面没有明显磨损， 后刀面有一定的磨损量。干式切削负后刀面磨损严重，且有深的沟槽，前刀面形成月牙洼，后刀面有一定的磨损量。干式切削时切屑颜色为深兰色，喷雾冷却时切屑颜色为土黄色。实验表明，喷雾冷却对切削热的抑制十分有效，经过一段时间切削后，用手触摸刀具和工件仍有凉感，刀具寿命和生产率大幅度提高12-13。4.4 微量冷却润滑技术切削液的冷却、润滑、排屑等作用在加工过程中得不到充分有效的发挥，而废旧冷却液的处理已成为不可忽视的经济和环境因素。为了降低生产成本，减少对环境的污染，就必须限制或废止切削液的使用。切削液主要有以下负面问题：增加制造成本，在工件总的加工成本中，切削液费用占 7%17%，而刀具的成本大约只占 2%4%; 未经处理的切削废液排入江河湖泊，严重破坏了生态环境; 水基切削液含有一些对人体有害的化学成分，会引起工人呼吸道和肺部的诸多疾病，与人体直接触会诱发多种皮肤病。在目前还不能很有效地实施干式切削的情况下，采用最小量冷却润滑技术(MQCFA) 的准干式切削是比较有效的一种加工方法 14-16。图6 微量润滑装置示意图采用 MQCFA 要掌握的关键技术是：(1)如何保证润滑液可靠地进入切削区，对加工进行充分有效的润滑；(2)如何确定加工所需的润滑液用量。目前解决第一个问题主要有两种方法：一种方法是“外喷法”，将油气混合物从外部喷向加工区。这种方法简单易行，但润滑液的消耗量大，尤其对某些封闭式加工(如钻、铰等) 效果不好。另一种是“内喷法”，在刀具中开出油气通道，油气混合物从这些通道直接喷向加工区，对加工区进行迅速有效的润滑。这种方法润滑比较充分，润滑液的消耗量少，特别适合于封闭式加工，但刀具结构较复杂。而对于第二个问题，目前主要用实验方法来解决。一台典型的加工中心在湿式切削中，每分钟需要 20100L 的切削液，而采用 MQCFA 技术每小时只需要 0.030.2L 的切削液。OSHA 制mg/m3定的切削液标准中规定：空气中雾剂数量的最大允许值为 5.0，期望能达到 0.5mg/m3，而且生产成本不能过高17-20。5 结束语制造业的经济性要兼顾环境保护的重要性，有利于环保的清洁生产加工方式微量冷却润滑技术必将得到更深入的研究和推广应用。以低温冷却技术、喷雾冷却技术技术为代表的切削液使用新概念已引起发达国家企业界和学术界的重视，随着机械工业面临越来越大的环保压力，迫使工厂不得不考虑采用环保型的生产工艺，这对于我国可持续发展战略的实施和经济增长目标的实现将起着积极的作用。就切削加工润滑方法而言，切削液润滑是最传统和应用最广的润滑方法，但切削液润滑适用的切削温度较低，而且由于在制造、使用、处理及排放等阶段对环境造成严重污染而受到严格限制刀具表面润滑和抗磨涂层润滑技术具有良好的应用前景，但相应的涂层易因磨损脱落而发生失效.据此可以认为，切削加工中最有前途的润滑技术为刀具自润滑技术，利用该技术可以赋予刀具以优异的减摩和抗磨性能， 并可以起到节省冷却系统、减少设备投资、降低加工成本、减少资源消耗和防止切削液产生的环境污染等作用，在高速切削、干切削、硬切削和难加工材料的加工等方面具有广阔的应用前景。参考文献1 陈日曜.金属切削原理M. 北京: 机械工业出版社，1993.2 邓建新，葛培琪，艾兴.切削加工润滑技术研究现状及展望. 摩擦学学报，2003.23（6）：546550.3 任家隆，邱炎宝，王波等. 车削加工中射流冷却机理的探讨. 华东船舶工业学院学报.1999，13（4）：4952.4 杨颖.低温冷风在绿色加工中应用的若干问题研究， 博士学位论文.重庆大学.2004.5 孙建国，论绿色切削液的必要性与可行性，润滑与密封， 2001(2): 6874.6 Hassan A， Yao Z Q. Minimum lubrication on milling