清潔切削加工及賦能技術研究進展與展望

李長河

青島理工大學 山東青島 266520

教授、博士生導師 李長河

1 序言

傳統(tǒng)制造業(yè)采用澆注大量礦物性金屬加工液的方法（又稱為濕切），實現(xiàn)加工過程的冷卻、潤滑、排屑和防銹等功能，已經(jīng)具有數(shù)百年歷史。然而，從礦物性水溶性切削液的大量使用全過程分析，發(fā)現(xiàn)其存在以下威脅：①每年全球消耗超過400萬噸的切削液，其制備依賴于有限礦物資源和淡水等戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源的巨額耗費，制造源頭不符合可持續(xù)發(fā)展原則。②切削液在高溫高速高壓加工環(huán)境下產(chǎn)生大量的油霧和PM2.5懸浮顆粒，排至大氣對自然環(huán)境造成不可修復的破壞，被操作人員吸入則對健康造成極大威脅，制造過程破壞了自然壞境。③不但在加工過程中使用切削液會帶來巨大的能耗和購買成本負擔，而且廢棄切削液需要嚴格無害化處理后才能排向自然環(huán)境，這也導致巨額的后處理成本，切削液使用與處理費用是工具費用的3～5倍。

可持續(xù)制造（又稱為綠色制造）是“雙碳”戰(zhàn)略下的必然選擇。干式切削是較為理想的綠色制造工藝，但由于干式切削僅采用高壓氣體進行冷卻潤滑，沒有解決高能量密度切削區(qū)的潤滑和熱耗散難題，因此其應用局限于切削區(qū)能量密度較低的普通材料的切削加工，無法完全代替濕切。準干式零件制造是介于干切削與澆注式之間的冷卻潤滑技術，又稱為微量潤滑（Minimum quantity lubrication,MQL），是一種潔凈精密零件成形新工藝，如圖1所示。技術提出的宗旨是通過向切削區(qū)供給1%～5%濕切用量的潤滑劑，起到切削區(qū)冷卻、潤滑和防銹等功能。

圖1 零件成形工藝的轉型升級

2 微量潤滑研究進展與展望

從事微量潤滑相關油品和裝備的國內外企業(yè)已初步將技術推廣應用，然而，目前微量潤滑技術僅能應用于鋁合金銑削等普通工況，對于航空航天難加工材料加工、磨削加工等工藝，微量潤滑仍然存在冷卻潤滑能力不足的技術瓶頸。因此，學者們開展了深入的研究探索，開拓出納米增強生物潤滑劑微量潤滑、靜電霧化微量潤滑和低溫氣體霧化微量潤滑等新工藝。

2.1 納米增強生物潤滑劑微量潤滑

鑒于微量潤滑磨削冷卻能力差的缺陷，學術界急于尋找一種新的微量潤滑方式應用于磨削加工中。強化換熱的研究結果表明：固體的換熱能力大于液體，液體的換熱能力大于氣體。而且對于同類同質量的固體材料，材料體積越小、粒徑越小，材料的比表面積越大，導熱性能越高[1]。

納米增強生物潤滑劑微量潤滑是基于上述背景和強化換熱理論，提出的一種新型的高效、低耗、清潔、低碳的精密加工生產(chǎn)方式。具體做法是將一定量的納米級固體粒子加入到可降解的微量潤滑液中制備成納米增強生物潤滑劑，通過高壓氣體將納米流體進行霧化，并以射流的方式噴入到磨削區(qū)。高壓氣體起冷卻、除屑和輸送潤滑液的作用，微量潤滑液起潤滑和減磨的作用。在相同粒子體積含量下，納米級固體粒子的表面積和熱容量遠大于毫米級或微米級的固體粒子，因此納米流體的導熱能力將大幅度增加。納米粒子增加了磨削區(qū)流體的換熱能力，起到了強化換熱、降低磨削區(qū)溫度的作用。更進一步的研究結果表明：納米粒子具有極好的抗磨減摩特性和高的承載能力，因此可進一步提高磨削區(qū)的潤滑減磨的摩擦學性能。納米粒子參與強化換熱的納米流體微量潤滑磨削方法，最大限度增加了微量潤滑磨削的換熱能力和潤滑性能，解決了微量潤滑換熱能力不足的技術瓶頸，為微量潤滑在磨削加工中的應用開辟了一條新途徑[2]。

2.2 靜電霧化微量潤滑

當前微量潤滑技術對于潤滑劑霧化過程多采用氣動霧化方式，研究發(fā)現(xiàn)液體霧化破碎過程中氣液兩相間存在劇烈的能量交換行為，霧化時伴隨著大量細小油霧顆粒的產(chǎn)生。若液滴粒徑過小，則在氣流作用下易發(fā)生飛移飄散，此外液滴與工件表面碰撞過程中，出現(xiàn)的液滴反彈和液冠飛濺破碎現(xiàn)象也會導致小液滴擴散至周圍環(huán)境[3]。液滴形成與碰撞過程產(chǎn)生的細小液滴中包含一定量的PM10（粒徑＜10μm）和PM2.5（粒徑＜2.5μm）可吸入顆粒物，研究表明PM10顆粒的沉降時間為8.2s，PM2.5顆粒的沉降時間超過1.5h。當空氣中懸浮顆粒超過一定濃度時會嚴重危害呼吸系統(tǒng)健康，這些細小顆粒沉積在呼吸道、肺泡、支氣管等器官內，會造成過敏、肺炎、刺激性反應、哮喘和肺氣腫等，甚至可誘發(fā)喉癌等多種癌癥，嚴重威脅人體健康。污染液滴的形成及人體吸收過程如圖2所示。

圖2 污染液滴形成及人體吸收過程

降低噴霧氣體壓力會產(chǎn)生粒徑較大的液滴，但其穿透能力差且粒徑分布不均勻，難以突破高速旋轉的刀具/工件周圍的氣障層實現(xiàn)有效潤滑；提高噴霧氣體壓力則會產(chǎn)生大量的細小油霧顆粒，對環(huán)境和人體健康產(chǎn)生一定的威脅，這一問題成為傳統(tǒng)氣動霧化微量潤滑不可調和的矛盾。微量潤滑切削中油霧飄散不僅會對環(huán)境和操作人員健康產(chǎn)生威脅，同時也降低了潤滑劑的有效利用率。基于以上考慮，急需尋找一種新的霧化方式，可以在細化液滴粒徑的同時提高其穿透和沉積性能，避免細小液滴的飛移飄散。

靜電霧化技術憑借其霧化粒徑小、均一度高和包覆性強等特點，已經(jīng)在生物類材料及醫(yī)藥材料的納米顆粒、納米膠囊、納米纖維、微納薄膜及燃料電池制備等高新技術領域展現(xiàn)出了其他霧化方式無可比擬的巨大優(yōu)勢。此外，在水煤漿霧化、液體燃料霧化、靜電噴涂及噴墨打印等領域的研究表明，液體荷電霧化可以明顯細化液滴粒徑、減小液滴尺寸分布范圍并提高液滴有效沉積率和均勻度。借鑒荷電流體霧化及輸運沉積優(yōu)勢，近年來國內外學者相繼展開了靜電霧化微量潤滑（EMQL）研究工作。青島理工大學、浙江工業(yè)大學率先提出了靜電霧化微量潤滑切削概念，在電壓為20～60kV的條件下進行了高溫鎳基合金GH4169的磨削加工，研究結果表明隨著電壓幅值的增大，磨削力逐漸降低，在電壓為60kV時獲得了最小的切向和法向比磨削力，分別為3.03N/mm和6.61N/mm，相比于未荷電工況分別下降了15.08%和22.13%。而且，荷電可有效降低液滴平均粒徑，縮小液滴粒徑分布寬度[4]。

2.3 低溫氣體霧化微量潤滑

納米增強生物潤滑劑微量潤滑雖然向基礎油中添加了熱導率較大的納米粒子，在一定程度上提高了熱量向外界傳出的比例，但是對于鈦合金等難加工材料磨削來說，在磨削過程中會產(chǎn)生比普通加工材料更多的熱量。納米流體雖然能夠強化換熱，但是納米粒子含量極少，氣體的強化換熱并沒有得到充分的發(fā)揮，所以有望進一步改進此潤滑方式，從而解決換熱不足的技術瓶頸。

低溫氣體霧化納米流體微量潤滑（CNMQL）是一種新的冷卻潤滑方式，是指利用高速低溫氣體替換原來的常溫壓縮空氣，將納米流體進行霧化后噴射到磨削區(qū)。高速低溫氣體主要起到降溫及清除磨屑的作用，納米流體主要起到優(yōu)良的潤滑作用。CNMQL結合了低溫冷風強迫換熱效果和納米流體優(yōu)異的減摩抗磨潤滑效果，因此是實現(xiàn)低耗環(huán)保的一種新的冷卻潤滑介質供給方式，為磨削加工過程中提高工件表面質量和降低砂輪磨損開辟了一條新的途徑。重慶大學、廣東工業(yè)大學和青島理工大學等進行了探索性研究，并證實了低溫氣體霧化納米流體微量潤滑在換熱性能方面顯著提升[5]。

3 結束語

清潔切削加工技術的發(fā)展在過去10余年歷經(jīng)波折，盡管取得了一定的進展和應用，但在航空航天等高端領域的應用中依然存在技術瓶頸。因此，探索靜電霧化等賦能技術對其冷卻潤滑性能的提升是目前學者的主要工作。進一步地，突破生物潤滑劑的高溫氧化，實現(xiàn)清潔切削裝置和機床、生產(chǎn)線的信息融合與智能感知，搭建清潔切削案例庫等問題，是清潔切削的發(fā)展方向。