清洁切削加工及赋能技术研究进展与展望

李长河

青岛理工大学 山东青岛 266520

教授、博士生导师 李长河

1 序言

传统制造业采用浇注大量矿物性金属加工液的方法（又称为湿切），实现加工过程的冷却、润滑、排屑和防锈等功能，已经具有数百年历史。然而，从矿物性水溶性切削液的大量使用全过程分析，发现其存在以下威胁：①每年全球消耗超过400万吨的切削液，其制备依赖于有限矿物资源和淡水等战略性经济资源的巨额耗费，制造源头不符合可持续发展原则。②切削液在高温高速高压加工环境下产生大量的油雾和PM2.5悬浮颗粒，排至大气对自然环境造成不可修复的破坏，被操作人员吸入则对健康造成极大威胁，制造过程破坏了自然坏境。③不但在加工过程中使用切削液会带来巨大的能耗和购买成本负担，而且废弃切削液需要严格无害化处理后才能排向自然环境，这也导致巨额的后处理成本，切削液使用与处理费用是工具费用的3～5倍。

可持续制造（又称为绿色制造）是“双碳”战略下的必然选择。干式切削是较为理想的绿色制造工艺，但由于干式切削仅采用高压气体进行冷却润滑，没有解决高能量密度切削区的润滑和热耗散难题，因此其应用局限于切削区能量密度较低的普通材料的切削加工，无法完全代替湿切。准干式零件制造是介于干切削与浇注式之间的冷却润滑技术，又称为微量润滑（Minimum quantity lubrication,MQL），是一种洁净精密零件成形新工艺，如图1所示。技术提出的宗旨是通过向切削区供给1%～5%湿切用量的润滑剂，起到切削区冷却、润滑和防锈等功能。

图1 零件成形工艺的转型升级

2 微量润滑研究进展与展望

从事微量润滑相关油品和装备的国内外企业已初步将技术推广应用，然而，目前微量润滑技术仅能应用于铝合金铣削等普通工况，对于航空航天难加工材料加工、磨削加工等工艺，微量润滑仍然存在冷却润滑能力不足的技术瓶颈。因此，学者们开展了深入的研究探索，开拓出纳米增强生物润滑剂微量润滑、静电雾化微量润滑和低温气体雾化微量润滑等新工艺。

2.1 纳米增强生物润滑剂微量润滑

鉴于微量润滑磨削冷却能力差的缺陷，学术界急于寻找一种新的微量润滑方式应用于磨削加工中。强化换热的研究结果表明：固体的换热能力大于液体，液体的换热能力大于气体。而且对于同类同质量的固体材料，材料体积越小、粒径越小，材料的比表面积越大，导热性能越高[1]。

纳米增强生物润滑剂微量润滑是基于上述背景和强化换热理论，提出的一种新型的高效、低耗、清洁、低碳的精密加工生产方式。具体做法是将一定量的纳米级固体粒子加入到可降解的微量润滑液中制备成纳米增强生物润滑剂，通过高压气体将纳米流体进行雾化，并以射流的方式喷入到磨削区。高压气体起冷却、除屑和输送润滑液的作用，微量润滑液起润滑和减磨的作用。在相同粒子体积含量下，纳米级固体粒子的表面积和热容量远大于毫米级或微米级的固体粒子，因此纳米流体的导热能力将大幅度增加。纳米粒子增加了磨削区流体的换热能力，起到了强化换热、降低磨削区温度的作用。更进一步的研究结果表明：纳米粒子具有极好的抗磨减摩特性和高的承载能力，因此可进一步提高磨削区的润滑减磨的摩擦学性能。纳米粒子参与强化换热的纳米流体微量润滑磨削方法，最大限度增加了微量润滑磨削的换热能力和润滑性能，解决了微量润滑换热能力不足的技术瓶颈，为微量润滑在磨削加工中的应用开辟了一条新途径[2]。

2.2 静电雾化微量润滑

当前微量润滑技术对于润滑剂雾化过程多采用气动雾化方式，研究发现液体雾化破碎过程中气液两相间存在剧烈的能量交换行为，雾化时伴随着大量细小油雾颗粒的产生。若液滴粒径过小，则在气流作用下易发生飞移飘散，此外液滴与工件表面碰撞过程中，出现的液滴反弹和液冠飞溅破碎现象也会导致小液滴扩散至周围环境[3]。液滴形成与碰撞过程产生的细小液滴中包含一定量的PM10（粒径＜10μm）和PM2.5（粒径＜2.5μm）可吸入颗粒物，研究表明PM10颗粒的沉降时间为8.2s，PM2.5颗粒的沉降时间超过1.5h。当空气中悬浮颗粒超过一定浓度时会严重危害呼吸系统健康，这些细小颗粒沉积在呼吸道、肺泡、支气管等器官内，会造成过敏、肺炎、刺激性反应、哮喘和肺气肿等，甚至可诱发喉癌等多种癌症，严重威胁人体健康。污染液滴的形成及人体吸收过程如图2所示。

图2 污染液滴形成及人体吸收过程

降低喷雾气体压力会产生粒径较大的液滴，但其穿透能力差且粒径分布不均匀，难以突破高速旋转的刀具/工件周围的气障层实现有效润滑；提高喷雾气体压力则会产生大量的细小油雾颗粒，对环境和人体健康产生一定的威胁，这一问题成为传统气动雾化微量润滑不可调和的矛盾。微量润滑切削中油雾飘散不仅会对环境和操作人员健康产生威胁，同时也降低了润滑剂的有效利用率。基于以上考虑，急需寻找一种新的雾化方式，可以在细化液滴粒径的同时提高其穿透和沉积性能，避免细小液滴的飞移飘散。

静电雾化技术凭借其雾化粒径小、均一度高和包覆性强等特点，已经在生物类材料及医药材料的纳米颗粒、纳米胶囊、纳米纤维、微纳薄膜及燃料电池制备等高新技术领域展现出了其他雾化方式无可比拟的巨大优势。此外，在水煤浆雾化、液体燃料雾化、静电喷涂及喷墨打印等领域的研究表明，液体荷电雾化可以明显细化液滴粒径、减小液滴尺寸分布范围并提高液滴有效沉积率和均匀度。借鉴荷电流体雾化及输运沉积优势，近年来国内外学者相继展开了静电雾化微量润滑（EMQL）研究工作。青岛理工大学、浙江工业大学率先提出了静电雾化微量润滑切削概念，在电压为20～60kV的条件下进行了高温镍基合金GH4169的磨削加工，研究结果表明随着电压幅值的增大，磨削力逐渐降低，在电压为60kV时获得了最小的切向和法向比磨削力，分别为3.03N/mm和6.61N/mm，相比于未荷电工况分别下降了15.08%和22.13%。而且，荷电可有效降低液滴平均粒径，缩小液滴粒径分布宽度[4]。

2.3 低温气体雾化微量润滑

纳米增强生物润滑剂微量润滑虽然向基础油中添加了热导率较大的纳米粒子，在一定程度上提高了热量向外界传出的比例，但是对于钛合金等难加工材料磨削来说，在磨削过程中会产生比普通加工材料更多的热量。纳米流体虽然能够强化换热，但是纳米粒子含量极少，气体的强化换热并没有得到充分的发挥，所以有望进一步改进此润滑方式，从而解决换热不足的技术瓶颈。

低温气体雾化纳米流体微量润滑（CNMQL）是一种新的冷却润滑方式，是指利用高速低温气体替换原来的常温压缩空气，将纳米流体进行雾化后喷射到磨削区。高速低温气体主要起到降温及清除磨屑的作用，纳米流体主要起到优良的润滑作用。CNMQL结合了低温冷风强迫换热效果和纳米流体优异的减摩抗磨润滑效果，因此是实现低耗环保的一种新的冷却润滑介质供给方式，为磨削加工过程中提高工件表面质量和降低砂轮磨损开辟了一条新的途径。重庆大学、广东工业大学和青岛理工大学等进行了探索性研究，并证实了低温气体雾化纳米流体微量润滑在换热性能方面显著提升[5]。

3 结束语

清洁切削加工技术的发展在过去10余年历经波折，尽管取得了一定的进展和应用，但在航空航天等高端领域的应用中依然存在技术瓶颈。因此，探索静电雾化等赋能技术对其冷却润滑性能的提升是目前学者的主要工作。进一步地，突破生物润滑剂的高温氧化，实现清洁切削装置和机床、生产线的信息融合与智能感知，搭建清洁切削案例库等问题，是清洁切削的发展方向。