安慶龍，韋靖，高斌，黨嘉強(qiáng)，徐錦泱，明偉偉，陳明

1上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；3航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司

1 引言

我國(guó)是制造大國(guó)，但制造業(yè)中的環(huán)境污染給工業(yè)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。綠色制造有效改變了制造業(yè)中的環(huán)境污染問題，已逐漸成為世界制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。其中，清潔切削是實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工環(huán)境、操作人員和生產(chǎn)資源和諧可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車及船舶等各大工業(yè)領(lǐng)域[2]。清潔切削是指以減少或禁止使用大量冷卻潤(rùn)滑液為導(dǎo)向，通過微量潤(rùn)滑(MQL)及低溫輔助微量潤(rùn)滑(CMQL)等手段去除零件材料的機(jī)械加工技術(shù)[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，主要集中在新型冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)調(diào)控、微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削過程建模、刀具磨損機(jī)理及加工表面完整性創(chuàng)成等方面[4-6]。本文對(duì)近年上海交通大學(xué)在難加工材料微量潤(rùn)滑及低溫輔助加工方面的研究進(jìn)行綜述，包括微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削加工基礎(chǔ)理論、典型難加工材料微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削機(jī)理和微量潤(rùn)滑及低溫輔助加工表面完整性創(chuàng)成等方面的研究。

2 微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削加工基礎(chǔ)理論

2.1 微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削加工工作原理

為了保證加工表面質(zhì)量和加工精度，需嚴(yán)格控制切削過程中的切削溫度和切削力。傳統(tǒng)冷卻潤(rùn)滑方式常采用高壓冷卻液澆注到切削區(qū)域，容易造成環(huán)境污染且冷卻效果較差。MQL是通過在壓縮空氣中混入微量潤(rùn)滑油/水，形成微米級(jí)霧狀氣液兩相射流，對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑的新技術(shù)，具有環(huán)境污染低和資源利用率高的優(yōu)點(diǎn)，已成為一種替代切削液的有效手段。由于微量潤(rùn)滑參與冷卻的介質(zhì)較少，導(dǎo)致切削過程中無(wú)法起到較好的冷卻效果?；诖耍疚膶⑽⒘繚?rùn)滑技術(shù)和低溫輔助結(jié)合，提出了一種超臨界二氧化碳低溫輔助微量潤(rùn)滑加工技術(shù)(scCO2-MQL，CMQL)，其同時(shí)具備了較好潤(rùn)滑和冷卻的優(yōu)點(diǎn)。CMQL工作原理和實(shí)物如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳低溫輔助微量潤(rùn)滑工作原理和實(shí)物[7，8]

此系統(tǒng)包括三個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)液器，分別裝載液態(tài)二氧化碳、植物油和去離子水，并使用空氣壓縮機(jī)為霧化提供動(dòng)力。超臨界二氧化碳(scCO2)可通過加壓、加熱及霧化等一系列過程獲取，其壓力和溫度的最低值分別維持在72.8atm和31.2℃。植物油和去離子水潤(rùn)滑介質(zhì)由單獨(dú)的運(yùn)輸通道輸送到混合容器中，在壓縮空氣作用下進(jìn)行霧化，最后與scCO2混合后進(jìn)入噴嘴，形成了低溫微量潤(rùn)滑介質(zhì)(溫度約為-78℃)，并通過噴嘴噴向加工區(qū)域。scCO2-MQL中的微量潤(rùn)滑液可減小刀-屑摩擦，降低切削力，延緩刀具磨損；其中的超臨界二氧化碳介質(zhì)可以強(qiáng)化對(duì)流換熱效應(yīng)，大幅降低切削溫度。基于此裝置，本文對(duì)難加工材料微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削加工開展了系列研究工作。

2.2 微量潤(rùn)滑流場(chǎng)分析

針對(duì)微量潤(rùn)滑切削中的流場(chǎng)分布特征，上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)做了大量研究工作，包括外冷式MQL切削區(qū)流場(chǎng)建模及仿真、內(nèi)冷孔MQL出口流場(chǎng)建模與仿真以及MQL流場(chǎng)分布試驗(yàn)測(cè)量及工藝參數(shù)優(yōu)化等。姜立[9]采用Fluent多相流中的離散相模型，通過積分拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程求解切削液霧化顆粒的軌道，從而對(duì)螺紋車削中切削區(qū)的MQL流場(chǎng)分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣離開噴嘴時(shí)的最高速度接近220m/s，高速氣流能夠通過切屑側(cè)面進(jìn)入前刀面的切削區(qū)域，并在切屑與前刀面之間形成渦流，因此切屑表面和刀-屑分離處存在高壓區(qū)域，使進(jìn)入此區(qū)域的氣流速度降低，并且進(jìn)入切削區(qū)域的霧滴速度和直徑較大，只有在霧炬邊緣會(huì)有較小的霧滴。

梁旭[10]以實(shí)際粒子圖像測(cè)速法(PIV)的流場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)反向建立了內(nèi)冷孔出口MQL雙螺旋流場(chǎng)模型，并研究了霧化參數(shù)和內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)冷孔出口流場(chǎng)的作用(見圖2)。研究發(fā)現(xiàn)：較高的入口壓強(qiáng)有利于增大出口流場(chǎng)速度和減小平均霧滴粒徑，而流量對(duì)速度場(chǎng)和顆粒分布的影響較??；當(dāng)內(nèi)冷孔由方形到扇形再到圓形變化時(shí)，出口流速更高且霧化速度更好；當(dāng)提高內(nèi)冷孔螺旋角角度，出口流速減小而霧滴粒徑增大，冷卻潤(rùn)滑效果變差。與此同時(shí)，也基于PIV技術(shù)獲取了不同加工方式下MQL流場(chǎng)分布特征(見圖3)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)MQL的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)與仿真結(jié)果規(guī)律一致，有效驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.3 微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削摩擦磨損特性

針對(duì)MQL及CMQL過程中的摩擦磨損特性，Chen J.等[11]對(duì)現(xiàn)有的銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，加入低溫輔助微量潤(rùn)滑環(huán)境(見圖4)，表征了硬質(zhì)合金與復(fù)合材料切削過程在不同冷卻潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能。

圖5為不同條件下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化規(guī)律，可得：干摩擦中摩擦系數(shù)高達(dá)0.55，且摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定；scCO2條件中摩擦系數(shù)降低至0.30，但超過一定時(shí)間后摩擦系數(shù)顯著增加；scCO2-WMQL中摩擦系數(shù)為0.31，且隨時(shí)間變化基本保持穩(wěn)定；scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL由于具有優(yōu)異的冷卻潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)降低至0.10。由此可以得出結(jié)論：在低溫射流中加入MQL潤(rùn)滑介質(zhì)可顯著改善切削區(qū)的摩擦特性，從而達(dá)到控制切削力和切削溫度的目的。

圖5 不同CMQL條件下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化規(guī)律[11]

3 典型難加工材料微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削機(jī)理

3.1 鈦合金

An Q.等[7]和梁旭等[12]研究了側(cè)銑鈦合金時(shí)在干切、scCO2、scCO2-WMQL及scCO2-OoWMQL四種切削環(huán)境下的刀具磨損、切削扭矩和表面形貌分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管scCO2有優(yōu)異的冷卻性能，但是由于缺少M(fèi)QL的潤(rùn)滑劑，最終導(dǎo)致刀具磨損量相對(duì)干切提高了111%。而scCO2-OoWMQL在抑制刀具磨損以及穩(wěn)定切削扭矩等方面有優(yōu)越性能，最終得到不同條件下后刀面磨損量的大小如圖6所示，其中scCO2>干切>scCO2-WMQL>scCO2-OoWMQL。Cai Xiaojiang等[13]通過研究MQL工作參數(shù)對(duì)切削鈦合金過程中切削力、刀具磨損以及加工表面質(zhì)量的影響發(fā)現(xiàn)，提高供油率可有效降低切削力和表面粗糙度，但隨著供油量的增加，切削刃的侵徹深度增加，切削刃的長(zhǎng)度明顯縮短。Liu Z.等[14]通過研究干切和微量潤(rùn)滑兩種方式車削鈦合金時(shí)的刀具磨損發(fā)現(xiàn)，與干切相比，MQL條件下刀具壽命顯著提升，微量潤(rùn)滑可減小后刀面與工件的摩擦，延緩刀具磨損，防止涂層脫落。可以看出，在鈦合金切削加工中，為了抑制刀具磨損，潤(rùn)滑似乎比冷卻更加重要。

圖6 不同冷卻潤(rùn)滑條件下鈦合金銑削刀具磨損形貌[7]

3.2 不銹鋼

如圖7所示，姜立[9]對(duì)比了不同冷卻潤(rùn)滑條件下車削304不銹鋼螺紋的切削力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在所有試驗(yàn)條件下，干式切削的合力均大于微量潤(rùn)滑，而冷卻液澆注下切削合力最小，但微量潤(rùn)滑在速度較高的切削條件下具有更加明顯的效果，在螺紋加工領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)濕式潤(rùn)滑的可能性。同時(shí)在研究不同潤(rùn)滑方式下切屑形態(tài)和刀具磨損的分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)于切屑形態(tài)的影響較小，但對(duì)刀具磨損形態(tài)產(chǎn)生重要作用。在干式切削時(shí)，刀具前刀面磨損以剝落磨損為主，黏著磨損為輔；微量潤(rùn)滑時(shí)，前刀面磨損以黏著磨損為主，剝落磨損為輔；澆注式的前刀面是黏著磨損和剝落磨損共同作用，而刀具后刀面主要是黏著磨損。

圖7 三種潤(rùn)滑方式下切削不銹鋼螺紋的最大切削合力對(duì)比[9]

3.3 鑄鐵

Tu L.等[15]對(duì)比了灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵三種材料在干切、scCO2以及scCO2-MQL三種環(huán)境下的切削力、切削溫度、表面粗糙度和刀具磨損差異。發(fā)現(xiàn)在三種加工環(huán)境中，scCO2-MQL條件下切削力、切削溫度和表面粗糙度值均最小，與干切相比，scCO2-MQL條件下的切削力減小了約26%～34%，切削溫度降低了約30%～40%，表面粗糙度Ra值降低了約15%～42%，刀具壽命延長(zhǎng)了約20%～40%。由此可得，超臨界二氧化碳低溫微量潤(rùn)滑切削加工憑借其出色的冷卻和潤(rùn)滑效果可以顯著改善鑄鐵的切削性能。

3.4 高溫合金

Wang C.D.等[16]從刀具磨損機(jī)理方面對(duì)高溫合金在微量潤(rùn)滑條件下的銑削加工進(jìn)行了系列化研究，獲得了不同冷卻潤(rùn)滑條件下的刀具磨損變化規(guī)律。如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)，刀具出現(xiàn)嚴(yán)重崩刃現(xiàn)象，因此無(wú)涂層刀片不適用于加工高溫合金。而微量潤(rùn)滑能有效延長(zhǎng)涂層刀具的使用壽命，但MQL噴嘴沿刀具切出方向布置的潤(rùn)滑效率要優(yōu)于沿刀具切入工件方向布置。崩刃、溝槽磨損和涂層剝落分別是干切削、沿切入和切出方向MQL的主要失效模式。

(a)逆銑

3.5 金屬基復(fù)合材料

Chen J.等[11]開展了不同冷卻潤(rùn)滑條件下金屬基復(fù)合材料(TiB2/7075)切削性能研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用scCO2時(shí)，銑削溫度顯著降低；在scCO2-WMQL條件下，銑削溫度低于scCO2條件下的溫度；但在scCO2-OMQL條件下，銑削溫度高于scCO2條件下的溫度。低溫加工可以使銑削環(huán)境中的最高溫度降低10%以上，在scCO2-WMQL條件下可降低36.76%。低溫加工可以使切削區(qū)銑削溫度降低20%以上，在scCO2-WMQL條件下可降低40.88%。干切削條件下的刀具壽命最短，scCO2，scCO2-WMQL，scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL條件下的刀具壽命增長(zhǎng)，與干切相比，分別增加了38.46%，98.08%，117.31%和198.08%。特別是scCO2-OoWoMQL在延長(zhǎng)硬質(zhì)合金刀具壽命方面具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。

3.6 CFRP及CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)

Zou F.等[17]研究了CFRP層壓板在低溫條件下的加工性能，特別關(guān)注了銑削溫度、銑削力、表面質(zhì)量和表面生成機(jī)理，分析了不同切削參數(shù)下冷卻潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)CFRP銑削性能的影響。如圖9所示，發(fā)現(xiàn)在低溫輔助微量潤(rùn)滑條件下加工表面質(zhì)量最好。在所有切削環(huán)境中，切削力和切削溫度隨切削參數(shù)的變化相似。同時(shí)研究結(jié)果表明，冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)CFRP復(fù)合材料切削加工中材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理均有影響，一方面可歸因于避免碳纖維和樹脂基體性能退化，另一方面可歸因于刀具側(cè)面和加工表面之間的摩擦系數(shù)變化。該工作首次驗(yàn)證了CMQL冷卻潤(rùn)滑方法應(yīng)用于復(fù)合材料加工的可行性。

圖9 不同冷卻潤(rùn)滑條件下切削加工CFRP表面及邊緣質(zhì)量[17]

Xu J.等[18]對(duì)MQL在CFPR/Ti疊層結(jié)構(gòu)鉆削過程中的適用性展開研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩相材料而言，MQL的引入會(huì)增大鉆削過程中軸向力，切削過程中CFRP層產(chǎn)生粉末狀切屑，在潤(rùn)滑油作用下黏聚成團(tuán)并黏附在刀具表面上，從而增大了刀具表面與工件間的摩擦力，導(dǎo)致軸向力上升。

4 微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削加工表面完整性

在加工過程中，改變冷卻潤(rùn)滑環(huán)境會(huì)對(duì)切削力和切削溫度等產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致加工表面完整性隨之動(dòng)態(tài)演變，針對(duì)不同加工方式下冷卻潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)加工表面完整性的作用規(guī)律，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)也開展了系列研究工作。

4.1 鉆削加工表面完整性

Ji M.等[19]研究了不同冷卻潤(rùn)滑環(huán)境下鉆削CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)的加工性能，發(fā)現(xiàn)在干切削環(huán)境下CFRP孔壁出現(xiàn)了嚴(yán)重機(jī)械和熱損傷，纖維拔出、纖維/基體脫粘以及鈦合金切屑劃痕主導(dǎo)了孔壁的損傷模式。而在MQL條件下，CFRP孔壁質(zhì)量得到了顯著提升，孔壁表面較為光滑平整，無(wú)明顯宏觀缺陷(見圖10)。

(a)干切削

同時(shí)，Xu J.等[20]發(fā)現(xiàn)MQL條件下鉆削扭矩整體呈下降趨勢(shì)，意味著在MQL環(huán)境下鉆頭與孔壁間的摩擦力降低，進(jìn)而使孔壁質(zhì)量得到了有效提升。另外，MQL對(duì)于提高CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)的制孔精度有明顯作用。在MQL環(huán)境下，CFRP層孔徑偏差得到了大幅改善，在高速條件下這一現(xiàn)象更為明顯。對(duì)于鈦合金層而言，原本的擴(kuò)孔偏差變?yōu)榭s孔偏差。

4.2 銑削加工表面完整性

Cai C.等[21]在銑削鈦合金TC4時(shí)研究了scCO2、scCO2-WMQL和scCO2-OoWMQL四種冷卻潤(rùn)滑環(huán)境對(duì)加工表面形貌和表面粗糙度的作用。結(jié)果表明，在scCO2-OoWMQL切削環(huán)境下，加工表面質(zhì)量最好，表面粗糙度最小，而單純scCO2環(huán)境下由于刀-工接觸區(qū)摩擦情況惡化，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量最差(見圖11)。同時(shí)分析了四種切削環(huán)境下已加工表面輪廓及其頻譜和切削力及其頻譜，發(fā)現(xiàn)拍振發(fā)生時(shí)表面輪廓的主頻等于切削力包絡(luò)的主頻(拍振頻率)，scCO2-OoWMQL和scCO2-WMQL可以很好提高銑削穩(wěn)定性。Tu L.等[15]也研究了不同冷卻潤(rùn)滑條件下銑削灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)亞表面層組織分布。如圖12所示，在切削過程中，晶粒沿著進(jìn)給方向發(fā)生塑性變形，石墨易斷裂，但CMQL條件下加工表面光滑平整，晶粒變形更加均勻。

圖11 不同冷卻潤(rùn)滑條件下加工鈦合金表面粗糙度隨切削參數(shù)演變規(guī)律[21]

圖12 不同冷卻潤(rùn)滑條件下銑削灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵亞表層組織[15]

4.3 磨削加工表面完整性

Dang J.等[8]將微量潤(rùn)滑及低溫輔助技術(shù)應(yīng)用在超高強(qiáng)鋼的磨削加工中，對(duì)比了干磨、冷卻液澆注、scCO2和scCO2-OoWMQL四種冷卻潤(rùn)滑條件下加工表面完整性的分布規(guī)律。發(fā)現(xiàn)相比干磨削和澆注式磨削，scCO2磨削表面輪廓的最大高度急劇減少，加工表面質(zhì)量大幅度提升(見圖13)。

圖13 不同冷卻潤(rùn)滑條件下磨削表面三維形貌[8]

在scCO2-OoWMQL條件下，磨削表面質(zhì)量不如scCO2條件下好，磨削表面出現(xiàn)了輕微涂覆現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，這是由于磨削過程產(chǎn)生的高溫高壓使微量潤(rùn)滑油膜發(fā)生破裂，導(dǎo)致水滴附著在砂輪和工件表面，加上超高強(qiáng)鋼切屑的黏性，使得砂輪局部出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致磨粒參與切削的刃口變鈍，最終磨削表面殘留材料。相比其他磨削環(huán)境，scCO2能在加工表面產(chǎn)生更深的晶粒細(xì)化層。Dang J.等[22]采用新型聚焦離子束切割(FIB)表征技術(shù)從磨削表面提取了表層TEM試樣，分析了表層組織分布特征，發(fā)現(xiàn)晶粒大小沿深度方向呈現(xiàn)出明顯的梯度分布特征，最表層出現(xiàn)超細(xì)納米晶，然后是超細(xì)晶、超細(xì)板條和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，揭示了磨削表面強(qiáng)化層組織演變的機(jī)理。如圖14所示，在外界機(jī)械作用下，晶粒發(fā)生塑性變形，內(nèi)部位錯(cuò)出現(xiàn)大幅度增殖。在變形過程中，位錯(cuò)開始出現(xiàn)相互纏結(jié)，形成位錯(cuò)墻，位錯(cuò)墻吸收周圍的位錯(cuò)形成位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞屬于不穩(wěn)定的亞晶粒，在變形過程中逐漸演變成為最終的晶粒。此外，在變形層中還可以觀察到明顯的碳化物彌散析出現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)比了不同冷卻潤(rùn)滑條件下表面殘余應(yīng)力的分布發(fā)現(xiàn)，相比于干磨削和澆注式磨削，低溫射流磨削可以在表面引入較大幅值的殘余壓應(yīng)力。

圖14 磨削表面強(qiáng)化層組織演變機(jī)理[22]

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要回顧了近幾年來(lái)上海交通大學(xué)在難加工材料MQL及CMQL加工方面的部分研究成果，主要涵蓋微量潤(rùn)滑流場(chǎng)分布建模與試驗(yàn)、微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削摩擦磨損特性、典型難加工材料(如鈦合金、高溫合金、不銹鋼和復(fù)合材料等)微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削機(jī)理、微量潤(rùn)滑及低溫輔助切削對(duì)不同加工方式下表面完整性創(chuàng)成的作用等，研究?jī)?nèi)容包括微量潤(rùn)滑流場(chǎng)、刀屑摩擦系數(shù)、切削力、切削溫度、切削表面質(zhì)量及刀具磨損機(jī)理等指標(biāo)隨冷卻潤(rùn)滑條件變化的規(guī)律，揭示了相應(yīng)的機(jī)理，這些研究成果對(duì)于加速清潔切削相關(guān)技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用具有十分重要的參考意義。