汪 喜，袁堯輝，李偉秋※，王成勇，顏炳姜

（1.科益展智能裝備有限公司，廣州 510770；2.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006；3.匯?？萍技瘓F股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

微量潤滑（Minimum Quantity Lubrication，MQL）技術(shù)是以高速霧粒的形式向切削區(qū)域供給潤滑劑。與傳統(tǒng)切削液相比，MQL 使?jié)櫥瑒└邼B透性，改善了冷卻潤滑條件，且使用高降解率的潤滑油，大幅降低了切削液對環(huán)境和人體的危害，避免了廢液處理難題，MQL 逐步取代傳統(tǒng)切削液已成為趨勢。

微量潤滑技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，離不開微量潤滑裝置或系統(tǒng)的輔助。為了充分發(fā)揮微量潤滑技術(shù)優(yōu)勢，一方面要求微量潤滑裝置或系統(tǒng)具有良好的霧化、傳輸以及油量調(diào)控性能。霧化是微量潤滑技術(shù)的根本，潤滑劑霧化顆粒越小，滲透性和吸附性越強，在刀具和工件表面更易形成潤滑膜[1-2]。霧化顆粒在傳輸過程中，與通道壁碰撞，易堆積液化成大顆粒的油滴，甚至有可能在油霧出口處出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象[3]，因此提高潤滑劑霧粒的傳輸效率非常有必要。不同材料、不同加工方式，對油量的需求也不盡相同，如淬硬模具鋼的銑削加工，油量在32 mL∕h 時，切削力小，刀具磨損量少[4]；蠕墨鑄鐵鉆削加工時，油量在5 mL∕h 時，能較好地改善鉆孔過程的潤滑性[5]；不銹鋼車削時，油量在33 mL∕h 時，刀具磨損量少[6]；而對于淬硬模具鋼的磨削，油量控制在200 mL∕h 時為最佳[7]，因此油量的調(diào)控也非常重要。另一方面要求微量潤滑裝置或系統(tǒng)提供的油霧是集中噴射，油霧出口離刀尖及切削區(qū)比較近（30～50 mm）[8-9]，其原因是距離越遠，油霧越容易發(fā)散，冷卻潤滑效果也就越差。

微量潤滑裝置或系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中，由于絕大多數(shù)金屬切削工況條件較為復(fù)雜（機床結(jié)構(gòu)、工件、加工工藝、夾具等），導(dǎo)致噴嘴布置存在諸多干涉，油霧出口難以接近刀尖及切削區(qū)，達不到較好的冷卻潤滑效果；此外，微量潤滑切削過程中產(chǎn)生的大量油霧在短時間內(nèi)無法消散，對環(huán)境質(zhì)量和人體健康的影響不容忽視。隨著微量潤滑技術(shù)的不斷推廣，對先進微量潤滑裝置的要求也越來越高，研發(fā)高性能微量潤滑裝置或系統(tǒng)對于促進國內(nèi)微量潤滑技術(shù)的推廣具有重要意義。國家重點研發(fā)計劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”重點專項也于2018-2020 年分別圍繞微量潤滑技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論、共性關(guān)鍵技術(shù)及其成套裝置示范應(yīng)用設(shè)立了相應(yīng)專項課題，促進微量潤滑裝置或系統(tǒng)的優(yōu)化升級和推廣應(yīng)用。

本文綜述了典型微量潤滑裝置的研究進展和應(yīng)用，歸納了各類型微量潤滑裝置的原理、技術(shù)特點、涉及的關(guān)鍵部件和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了各類型微量潤滑裝置應(yīng)用形式及發(fā)展方向，通過綜述分析得出結(jié)論并展望微量潤滑裝置發(fā)展前景，旨在為微量潤滑裝置或系統(tǒng)的進一步升級優(yōu)化和工程應(yīng)用提供參考。

1 常用微量潤滑裝置

現(xiàn)有微量潤滑裝置根據(jù)潤滑油霧化方式的不同，可分為外置式微量潤滑裝置和內(nèi)置式微量潤滑裝置兩種。

1.1 外置式微量潤滑裝置

外置式微量潤滑裝置的原理是利用壓縮空氣將定量的油在噴嘴出口處霧化，并噴射至切削區(qū)域進行冷卻潤滑。按照潤滑油供給方式，常用的外置式微量潤滑裝置可分為負壓引液型、壓力罐壓液型以及微泵供油型3 種。

1.1.1 負壓引液型微量潤滑裝置

負壓引液型微量潤滑裝置是通過吸液部件產(chǎn)生負壓從而使?jié)櫥瑒┍晃牍艿漓F化后從噴嘴出口處噴出。如圖1所示為北京航空航天大學(xué)研制的負壓引液型微量潤滑裝置[10]，其將壓縮空氣分成兩路，一路依次經(jīng)過收縮-擴張孔來產(chǎn)生負壓，通過吸液管將潤滑液吸入吸液裝置中；另一路進入油罐內(nèi)，將潤滑液經(jīng)吸液管壓入吸液裝置中，最終潤滑液在吸液裝置中與壓縮空氣混合霧化，從噴嘴噴出。成都飛機工業(yè)有限責(zé)任公司[11]開發(fā)的微量潤滑裝置也采用了類似的供油方式。

圖1 負壓微量潤滑裝置

此類裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于安裝，但若氣源壓力不穩(wěn)定，負壓吸油量會時大時小，難以精確控制油量，油霧顆粒也會時大時小，影響冷卻潤滑效果。

1.1.2 壓力罐壓液型微量潤滑裝置

壓力罐壓液型微量潤滑裝置通過壓力油箱產(chǎn)生的壓力，使?jié)櫥瑒┝魅雮鬏敼艿?，并在噴嘴端?jīng)壓縮空氣霧化形成微細油霧。圖2 所示為一款油氣同芯傳輸?shù)膲阂菏焦┯偷奈⒘繚櫥b置[12]，其通過調(diào)壓閥對油罐內(nèi)部壓力進行穩(wěn)壓，使得潤滑劑穩(wěn)定地經(jīng)油管輸送至噴嘴處，壓縮空氣在噴嘴處將潤滑劑霧化，同時在油路上設(shè)置有油量調(diào)節(jié)裝置，以便對油量進行控制，進而控制油霧大小。上海某公司[13]是通過壓縮空氣推動油缸內(nèi)的活塞來控制缸內(nèi)油壓的穩(wěn)定，以保證油量的穩(wěn)定供給，此裝置不僅設(shè)置有油量調(diào)節(jié)裝置，還設(shè)置有氣量調(diào)節(jié)裝置，可以實現(xiàn)不同比例的油、氣混合。

圖2 壓力罐壓液型微量潤滑裝置

壓力罐壓液型微量潤滑裝置同樣具有設(shè)備簡單、運動部件少、易操作、油霧輸出連續(xù)性好等特點，但在使用中仍存在潤滑油用量難調(diào)控、油霧輸出量受固有壓降影響大等缺點。

1.1.3 泵供油型微量潤滑裝置

為改善負壓引液型和壓力罐壓液型微量潤滑裝置難以精確控制油量的缺陷，小型氣動或電動微量油泵被用于精確控制切削過程中微量潤滑油的用量。

圖3 泵油MQL系統(tǒng)

如圖3 所示，意大利Dropsa 公司[14]利用液體泵從油槽中吸油，經(jīng)補償器和節(jié)流閥定量地輸送至混合器中，與同時接入的壓縮空氣混合霧化。為實現(xiàn)多噴嘴噴射油霧，Dropsa 公司[15]還采用氣驅(qū)機械泵提供穩(wěn)定的油量，并分配給多個混合塊，壓縮空氣將每個混合塊中的潤滑油混合霧化，從多個噴嘴噴出，實現(xiàn)多噴嘴對一個或多個切削區(qū)域進行充分冷卻潤滑，也可以適應(yīng)多種工況的需求。該裝置雖能進行多點潤滑，但是氣體分成多路后，流量會減少，分流也會不均勻，會影響對切削區(qū)域的冷卻潤滑效果。

同樣采用機械泵供油的還有四川大學(xué)[16]利用蠕動泵向噴嘴穩(wěn)定供給潤滑油；韓國首爾科技術(shù)大學(xué)[17]用抽水泵向混合器穩(wěn)定供給潤滑液。為了監(jiān)測潤滑液的流量，美國UNIST 公司[18]在氣驅(qū)泵供油的微量潤滑裝置中增加了流量計，以實時檢測流量。

以上所述的外置式微量潤滑裝置在油量調(diào)節(jié)上都是粗略調(diào)節(jié)，并且不具備可重復(fù)性，完全憑感觀判斷油量的大小。油量的精確可控性，是產(chǎn)生多種油霧量大小，滿足不同工況需求的先決條件。

某智能裝備有限公司[19]發(fā)明了一款用精密的電子泵來控制油量的微量潤滑裝置。如圖4 所示，其原理是通過壓縮空氣對油罐加壓，加壓后的潤滑油接入一個或多個精密電子泵中，通過PLC 控制電子泵的開關(guān)頻率和通電時間，即可精確控制油量的大小。雖然此裝置加油時也需要停機，但是其油量的調(diào)節(jié)是精確可控的，油量范圍較大（0～150 mL∕h），且可重復(fù)調(diào)節(jié)，在應(yīng)對不同工況需求時，調(diào)節(jié)更方便，適用范圍更廣。

圖4 微量潤滑原理與裝置

1.1.4 外置式微量潤滑裝置的關(guān)鍵部件

在MQL 裝置使用過程中，一些核心部件起到了關(guān)鍵作用，如氣驅(qū)機械泵、噴嘴等。

圖5 所示為上海某科技有限公司[20]開發(fā)的一款應(yīng)用于MQL 裝置或系統(tǒng)的精密機械潤滑泵，其原理為當(dāng)壓縮空氣進入氣體腔時，活塞桿尾部壓力增大，推動活塞桿向前移動，使液體腔縮小，壓力增大，推開單向閥堵頭，潤滑劑泵出；隨后液體腔壓力釋放，單向閥堵頭復(fù)位，出油口密閉；當(dāng)氣體腔壓力釋放，活塞彈簧推動活塞向后復(fù)位，同時在液體腔產(chǎn)生一定的負壓吸入潤滑劑，以備下一次泵油。雖然此類泵可實現(xiàn)連續(xù)定量供油，但油量調(diào)節(jié)的可重復(fù)性差。

圖5 油泵結(jié)構(gòu)

圖6 所示為某智能裝備有限公司[21]開發(fā)的微細油霧噴嘴。高壓氣流將輸送至噴嘴的潤滑油霧化后，撞擊在霧化錐上，霧化錐和支架產(chǎn)生高頻振蕩，使油霧二次霧化，形成更小的油霧顆粒從噴嘴噴出。該公司[22]還開發(fā)了一款約束型噴嘴，利用射流的柯恩達效應(yīng)及卷吸作用，實現(xiàn)油霧的集中噴射，如圖7所示。

圖6 微細油霧噴嘴

圖7 約束型噴嘴

圖8 所示為美國UNIST 公司[23]設(shè)計的混合噴嘴，油與空氣混合霧化生成的油霧從噴嘴中心噴出時，外圍還有一層空氣包裹著油霧，一方面使油霧噴射更集中，另一方面利于清掃切屑。

圖8 混合噴嘴

外置式微量潤滑裝置在實際應(yīng)用時，通常需要架設(shè)噴嘴，但在復(fù)雜零部件和復(fù)雜走刀路徑加工條件下，外布噴嘴容易受到夾具、工件、裝卸料裝置等的干涉，其冷卻潤滑性能也受到一定的影響。

1.2 內(nèi)置式微量潤滑裝置

內(nèi)置式微量潤滑裝置是在裝置內(nèi)部產(chǎn)生油霧，再通過管路接入內(nèi)冷主軸或內(nèi)冷刀桿，從刀具的內(nèi)冷孔噴出，油霧出口離刀尖和切削區(qū)域更近。此外，由于內(nèi)置式微量潤滑裝置產(chǎn)生的油霧顆粒相對較小，油霧的滲透性更好，更容易在刀具和工件表面形成潤滑油膜，冷卻潤滑效果也更佳[24]。

1.2.1 常壓型內(nèi)置式微量潤滑裝置

北京某技術(shù)有限責(zé)任公司[25]在霧化罐的頂部安裝一個文丘里霧化器，如圖9所示，進氣口接入壓縮空氣后，在文丘里處產(chǎn)生負壓，經(jīng)吸液管將霧化罐下部的油液吸入霧化器進行霧化，行成油霧后，從油霧出口引出，在吸液的管道處還設(shè)置有油量調(diào)節(jié)裝置，以實現(xiàn)不同油霧量的控制。日本株式會社[26]也采用了類似結(jié)構(gòu)，不同的是其采用控制閥組對文丘里的霧化壓力進行控制，來實現(xiàn)不同油霧量的控制。

圖9 內(nèi)冷微量潤滑裝置

東莞某節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司[27]在油缸內(nèi)設(shè)置有3個文丘里霧化器，通過控制霧化器工作個數(shù)，可提供3種油霧量。該裝置的油霧除了可以接機床的內(nèi)冷系統(tǒng)從內(nèi)冷刀具中噴射出來，也可以與外置噴嘴相接，應(yīng)用于非內(nèi)冷刀具加工的場合。

壓縮空氣經(jīng)霧化器使?jié)櫥瑒╈F化后，壓力都會降低，再加上長距離傳輸過程中壓力損失，使得上述內(nèi)置式微量潤滑裝置針對直徑6 mm以上的內(nèi)冷刀具時，表現(xiàn)為氣體氣壓不足、流量小、油霧供不應(yīng)求。為此，德國ROTHER TECHNOLOGIE 公司[28]在裝置中加入了2 個比例閥，如圖10 所示。其中，一個比例閥控制霧化壓力，實現(xiàn)不同油霧量的供給，另一個比例閥控制霧化罐內(nèi)部壓力，當(dāng)內(nèi)冷刀具內(nèi)冷孔較大時，霧化罐內(nèi)部壓力下降過快，低于比例閥設(shè)定的壓力值時，閥門打開，通過向霧化罐內(nèi)補充壓縮空氣來穩(wěn)住霧化罐內(nèi)部壓力，保證油霧的穩(wěn)定供給。而廣東工業(yè)大學(xué)與某智能裝備有限公司[29]是在裝置中增加了補氣系統(tǒng)，當(dāng)霧化罐內(nèi)壓力過低時，即可打開相應(yīng)的補氣閥，向霧化罐內(nèi)補充壓縮空氣，目的是調(diào)節(jié)霧化罐內(nèi)壓力，保證油霧壓力的穩(wěn)定。

圖10 內(nèi)置式MQL裝置

圖11 所示為德國BIELOMATIK 公司[30]開發(fā)的內(nèi)置式微量潤滑裝置，其在裝置中加入補氣裝置的基礎(chǔ)上，在油罐內(nèi)部還安裝有多層篩選結(jié)構(gòu)，只有小顆粒的油霧才能通過篩選，從油霧出口被引出，大顆粒的油霧會回流至潤滑液當(dāng)中，等待再次霧化。為了獲得多種油霧量，該裝置設(shè)置多達9 個油霧發(fā)生器，油霧發(fā)生器分別由電磁閥組控制，控制霧化器工作的個數(shù)，即可實現(xiàn)對油霧量的控制，進而滿足不同工況的加工需求。

圖11 多流量的內(nèi)置式MQL裝置

1.2.2 增壓型內(nèi)置式微量潤滑裝置

常壓型內(nèi)置式微量潤滑裝置的氣源壓力一般為0.5～0.7 MPa，經(jīng)過霧化器后壓力更低，將其應(yīng)用于深孔加工時，難以滿足斷屑排屑的要求，容易堵塞排屑槽，加速刀具磨損，甚至?xí)嗟丁?/p>

針對此問題，東莞某節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司[31-32]發(fā)明了一款增壓型微量潤滑裝置，如圖12 所示，其采用增壓泵將壓縮空氣加壓至1～1.6 MPa，再通過文丘里將潤滑油霧化，得到高壓的油霧，進而滿足深孔加工的要求。該裝置設(shè)置有2個增壓泵，分別向2個霧化器提供高壓氣體，控制霧化器工作的個數(shù)可實現(xiàn)油霧量大小的調(diào)節(jié)；另外由于油罐容積較小，且內(nèi)部有壓力，而為了保證裝置長時間工作而不停機加油，此裝置還引入了自動補液的裝置，油罐內(nèi)的低液位報警后，即可觸發(fā)補液系統(tǒng)進行自動補液，當(dāng)液位到達高液位后，再觸發(fā)停止自動補液。在此基礎(chǔ)上，廣東工業(yè)大學(xué)與某智能裝備有限公司[33]對其進行了升級改造，聯(lián)合開發(fā)了一款增壓型可自動調(diào)節(jié)油量的微量潤滑裝置，該裝置使用兩個比例閥分別控制3個文丘里霧化器的霧化壓力和霧化罐內(nèi)部壓力，當(dāng)2 個比例閥形成穩(wěn)定的壓力差，即可使裝置穩(wěn)定地提供油霧。通過PLC 控制壓力差與霧化器工作個數(shù)的不同組合，即可實現(xiàn)不同油霧量的自動切換，其系統(tǒng)內(nèi)部初始設(shè)定了24 種油量，還可根據(jù)實際情況自定義設(shè)置。該裝置與數(shù)控機床聯(lián)機后，可通過相應(yīng)的代碼自動調(diào)用不同的油量，自動化程度高，可滿足多工序、多工況的需求。

圖12 高壓型內(nèi)置式微量潤滑裝置

1.2.3 內(nèi)置式微量潤滑系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

內(nèi)置式微量潤滑裝置需要配合內(nèi)冷數(shù)控機床一起使用，共同組成內(nèi)置式微量潤滑系統(tǒng)。內(nèi)冷數(shù)控機床中核心部件（內(nèi)冷主軸、內(nèi)冷刀柄等）的結(jié)構(gòu)，直接影響微量潤滑的冷卻效果。

上述內(nèi)置式微量潤滑裝置主要應(yīng)用于具有單通道內(nèi)冷主軸的數(shù)控機床，這類裝置產(chǎn)生的油霧顆粒雖然小，但始終擺脫不了離心力的影響，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速（10 000 r∕min以上）過高時，只有少部分油霧從內(nèi)冷刀具的內(nèi)冷孔噴出，大部分油霧受離心力作用，會附在內(nèi)冷通道的內(nèi)壁凝結(jié)，形成大的油滴后從內(nèi)冷孔甩出，其冷卻潤滑效果會大大折扣。

為提高油霧傳輸率，避免油霧液化，日本株式會社設(shè)計了3 款內(nèi)冷刀柄。第一款[34]是在內(nèi)冷刀柄設(shè)計有排氣通路，如圖13 所示，當(dāng)?shù)毒邇?nèi)冷孔堵塞，導(dǎo)致出氣量減少時，排氣通路的流量會增加，會使液化的油迅速再次霧化從排氣通路排出，也就避免了油霧液化堆積。第二款[35]是在內(nèi)冷刀柄中安裝有多孔的整流器，如圖14 所示，由于整流器上的孔比較小，油霧通過時會被加速，能有效地阻止油霧的液化。第三款[36]是將第二款內(nèi)冷刀柄中的多孔整流器換成空腔組透過層，如圖15 所示，此部件為微小空洞呈密集狀態(tài)的燒結(jié)金屬塊，當(dāng)?shù)毒邇?nèi)冷孔噴出油霧量有減小趨勢時，空腔組透過層中高壓的油霧會膨脹加速流出，進而補充刀具內(nèi)冷孔噴出的油霧量，總而言之，此部件具體有緩沖壓力變化的作用，可保障油霧噴射的穩(wěn)定。

圖13 帶排氣通路的內(nèi)冷刀柄

圖14 帶整流器的內(nèi)冷刀柄

圖15 帶緩沖器的內(nèi)冷刀柄

類似的結(jié)構(gòu)，廣東工業(yè)大學(xué)與某智能裝備有限公司[37]聯(lián)合開發(fā)了一款內(nèi)冷刀柄，如圖16所示。其通過調(diào)節(jié)內(nèi)部調(diào)節(jié)件與內(nèi)冷針的位置，來提高油霧的傳輸效率，此外，該刀柄的還結(jié)合了超聲波技術(shù)，切削過程中，刀柄的高頻振動使工件與切削刃之間會有周期性的短暫分離，分離的瞬間，油霧更容易進入切削區(qū)域，冷卻效果更佳。

考慮到多數(shù)金屬切削加工采用的機床不具備內(nèi)冷功能，且時常由于機床結(jié)構(gòu)、工件結(jié)構(gòu)、夾具結(jié)構(gòu)等的影響，無法在主軸外圍架設(shè)噴嘴，此時可以將內(nèi)置式微量潤滑裝置產(chǎn)生的油霧接在特殊的噴嘴上。某智能裝備有限公司[40]開發(fā)了一款可自動換刀的環(huán)形噴嘴，如圖18 所示，此噴嘴是套在刀柄上，噴嘴的多個噴孔環(huán)形布置，噴射方向向刀具中心匯聚，油霧噴射出來時將完全包裹住刀具，為了使該噴嘴隨刀柄一起自動換刀，該噴嘴嵌套在固定件上，而固定件安裝在主軸旁邊的支架上。此款噴嘴能很好地避開各種干涉，此外，由于不隨主軸轉(zhuǎn)動，油霧完全不受離心力的影響，進而保障了油霧對刀具及切削區(qū)域的有效冷卻潤滑。

圖16 超聲波內(nèi)冷刀柄

圖17 內(nèi)冷雙通道主軸

圖18 環(huán)形噴嘴結(jié)構(gòu)

為了讓不具備內(nèi)冷功能的數(shù)控機床使用內(nèi)冷刀具，該智能裝備有限公司[41]還開發(fā)了一款適用高速加工的外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄，如圖19 所示，內(nèi)置式微量潤滑裝置產(chǎn)生的油霧經(jīng)入口進入刀柄內(nèi)部通道，再通過內(nèi)冷刀具內(nèi)冷孔噴出。此款刀柄在軸承座與刀柄之間采用非接觸式迷宮型間隙密封，從而解決了接觸式密封的外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄在長時間高速轉(zhuǎn)動時發(fā)熱嚴重，密封件易損壞，轉(zhuǎn)速不能過高的問題，將外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄的轉(zhuǎn)速由原來的3 000～4 000 r∕min 提高至18 000 r∕min，使此類刀柄既可滿足粗加工的要求，也可以滿足精加工的加工要求。

圖19 外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷刀柄

2 復(fù)合增效型微量潤滑裝置

準干式微量潤滑切削技術(shù)通過高速氣體將霧化油霧顆粒噴入切削區(qū)域，增加了潤滑劑的滲透性，減輕刀具與工件的摩擦。但微量潤滑冷卻性能不足，高溫易導(dǎo)致油膜破裂、解吸附甚至氧化失效，切削區(qū)域不能形成連續(xù)的油膜潤滑[42]。為此，一些學(xué)者在現(xiàn)有微量潤滑裝置基礎(chǔ)上，從潤滑和冷卻兩方面進行了一些探索，形成一些復(fù)合增效型微量潤滑裝置，如靜電微量潤滑裝置、油水復(fù)合微量潤滑裝置和納米流體微量潤滑裝置。

2.1 靜電微量潤滑裝置

靜電微量潤滑裝置的原理是通過對潤滑液或潤滑液氣霧荷電，有效減小潤滑液滴的粒徑、表面張力和潤滑角，提高潤滑液的潤濕和滲透能力，進而提高荷電潤滑液滴的蒸發(fā)散熱能力[43]，同時荷電液滴在電場力的作用下沉積吸附性能增強，潤滑油膜更易生成，潤滑性能更佳。

如圖20 所示，浙江工業(yè)大學(xué)[44-45]在噴嘴上設(shè)置有電極，壓縮空氣將油泵輸送過來的切削液在噴嘴處霧化同時，噴嘴處的電極放電，使切削液氣霧帶電并從噴嘴噴出。考慮到壓縮空氣流速較快，油霧荷電的時間較短，導(dǎo)致油霧顆粒的帶電量多少不一，浙江工業(yè)大學(xué)[46-48]還考慮將在電極設(shè)置在輸液通道上，利用高壓靜電裝置經(jīng)電極對潤滑液進行荷電，再通過壓縮空氣與荷電的潤滑液混合霧化，經(jīng)噴嘴噴出，其原因是微量潤滑裝置中潤滑液的流速較慢，消耗量較少，一般為20～30 mL∕h，對其荷電的時間充足，霧化后顆粒帶電量均勻。

圖20 荷電微量潤滑裝置的噴嘴

青島理工大學(xué)與內(nèi)蒙古民族大學(xué)[49]共同開發(fā)一套靜電微量潤滑磨削系統(tǒng)，如圖21 所示。該系統(tǒng)除了通過負極對噴嘴放電，還通過正級對工件進行放電，帶負電荷的油霧顆粒從噴嘴噴出后，一方面受噴嘴負電荷的排斥，另一方面受工件正電荷的吸引，更容易更均勻地在工件表面形成潤滑油膜，進而使?jié)櫥Ч谩?/p>

據(jù)了解，2017年安徽省啟動“兩治三改”（治理違法建設(shè)、違法用地和改造棚戶區(qū)、城中村、老舊小區(qū)）。截至2018年9月下旬，全省已累計完成違法建設(shè)治理322.01萬平方米、違法用地治理面積11519.09畝，分別占全年目標任務(wù)的88.90%、89.56%。

圖21 荷電微量潤滑裝置

2.2 油水復(fù)合微量潤滑裝置

油水復(fù)合微量潤滑裝置的原理是壓縮空氣將水和油充分混合霧化后經(jīng)噴嘴噴射至切削區(qū)域，其中微量潤滑油參與潤滑，而水遇到切削熱后，氣化帶走大量的熱，達到強制降低切削溫度的目的。

上海某科技有限公司[50]在普通型外置式微量潤滑裝置中增加水供應(yīng)系統(tǒng)，如圖22 所示，潤滑油通過精密氣動泵泵至噴嘴處，水通過壓力罐經(jīng)壓縮空氣壓至噴嘴處，最后在混合噴嘴中通過壓縮空氣將水、油同時霧化，形成油膜附水滴噴射至切削區(qū)域。某有限公司[51]也采用類似的結(jié)構(gòu)發(fā)明了一款油水復(fù)合微量潤滑裝置，不同的是該裝置設(shè)置有霧化單元，定量的油、水、氣充分混合后再從噴嘴噴出，這種混合方式能使水和油混合更充分，更容易形成油膜附水滴。

圖22 油水氣三相微量潤滑裝置

為了減小油霧顆粒的大小，使其更容易產(chǎn)生油膜附水滴，某智能裝備有限公司[52]將內(nèi)置式微量潤滑裝置與外置式微量潤滑裝置結(jié)合，開發(fā)了一款油水復(fù)合裝置，如圖23 所示，該裝置的油霧由油罐內(nèi)的霧化器產(chǎn)生，細小的油霧由壓縮空氣輸送至噴嘴處，而水是經(jīng)過壓縮空氣加壓后，通過精密微量泵精確定量控制后，傳送至噴嘴處，最后再由壓縮空氣將定量的水和細小的油霧顆粒進行混合，進而更多地形成油膜附水滴，提升對切削區(qū)域的冷卻潤滑性能。該裝置的優(yōu)點是油霧顆粒相對較小，水量可以精確控制，且可重復(fù)調(diào)節(jié)。

圖23 油水復(fù)合微量潤滑裝置原理

為了使油、水混合更充分，能形成更多的油膜附水滴，油水復(fù)合噴嘴起到關(guān)鍵的作用。上海某科技有限公司[53]開發(fā)了一款油水復(fù)合噴嘴，如圖24 所示。該裝置中氣、油、水在噴嘴內(nèi)部分開傳輸，在柯恩達效應(yīng)的卷吸作用下，氣水混合形成水氣兩相流，氣油混合形成油氣兩相流，最后在噴嘴前端形成油膜附水滴。

圖24 油水復(fù)合噴嘴

油水復(fù)合微量潤滑裝置的特點是讓水參與對切削區(qū)域的強化換熱，水量過多油量過少會影響潤滑性能，水量少油量多，冷卻性能受限，因此需控制油水比例，盡可能多的形成油膜附水滴，使冷卻與潤滑效果同時達到最佳。

2.3 納米流體微量潤滑裝置

相關(guān)研究表明，微量潤滑氣流的冷卻效果很有限，針對磨削加工時，滿足不了磨削區(qū)強化換熱的需要。由強化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠大于液體和氣體[54]。為了讓固體材料參與潤滑劑強化換熱，同時讓固體材料有良好的流動性能和穩(wěn)定性能，一些高?？紤]將納米顆粒與潤滑液混合制成納米流體，再通過微量潤滑裝置將其霧化噴射至加工區(qū)域進行冷卻潤滑。

如圖25 所示，青島理工大學(xué)[55]采用納米級的石墨顆粒與潤滑劑混合，制成穩(wěn)定的納米流體，再通過液體泵輸送至噴嘴處，壓縮空氣與納米流體在噴嘴混合室中充分混合霧化，從噴嘴出口噴出。

圖25 納米流體微量潤滑裝置原理

青島理工大學(xué)[56]還開發(fā)了另外一款納米流體微量潤滑裝置，不同的地方是其對噴嘴進行了改造，噴嘴中心通道穩(wěn)定地輸送納米流體，四周的多孔通道輸送壓縮空氣，并以一定角度向中心匯集，一方面產(chǎn)生空氣隔離層，另一方面將定量的納米流體霧化噴入加工區(qū)域，如圖26所示。

上述納米流體微量潤滑裝置是以氣動力作為納米流體潤滑液霧化的驅(qū)動力，霧粒分布不夠均勻，且不可控。為此，江蘇科技大學(xué)[57]將高壓靜電場引入納米流體微量潤滑裝置，如圖27 所示，其將可調(diào)高壓靜電發(fā)生器的正極與刀具相連，負極與噴嘴相連并提供直流負高壓，從而在刀具與噴嘴間建立高壓靜電場，納米流體經(jīng)注射泵輸送至噴嘴后，在電場的作用下破碎成帶電霧滴從噴嘴噴射出，帶負電的霧滴受噴嘴同性電荷的排斥，并受到刀具表面異性電荷的吸引，在電場力的推動下沿著電力線作定向運動，從不同方向飛向切削區(qū)。通過調(diào)節(jié)靜電場可調(diào)控納米流體霧滴的大小、分布及運動軌跡。該系統(tǒng)可以有效減少霧滴的飄移散失，降低空氣中霧滴濃度，改善工作環(huán)境。青島理工大學(xué)[58]也開發(fā)了一款類似工作原理的納米流體微量潤滑裝置。

江蘇科技大學(xué)[59]還通過兩個注射泵同時向帶電噴嘴提供水基納米流體和油基納米流體，兩種納米流體在高壓靜電場的作用下，在混合腔充混合形成帶電的納米流體油膜水滴后從噴嘴口噴出，有效結(jié)合水和固體納米顆粒的高冷卻性能與油的優(yōu)異潤滑性能，同時利用電荷的吸附性，一方面使油膜附水滴分布均勻，另一方面使周圍環(huán)境中的霧狀顆粒盡快沉積，減少對環(huán)境的污染。

圖26 納米流體噴嘴

圖27 可控納米流體微量潤滑裝置原理

納米流體微量潤滑裝置的主要特點是使固體參與強化換熱，同時引入高壓靜電場可以增加霧粒分布的均勻性和可控性。

3 結(jié)束語

本文針對準干式微量潤滑切削技術(shù)，對微量潤滑裝置的研究進展和應(yīng)用進行了系統(tǒng)性介紹，總結(jié)了微量潤滑裝置或系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的技術(shù)特點，如表1 所示。同時綜述了各類型微量潤滑裝置的原理、技術(shù)特點、涉及的關(guān)鍵部件和應(yīng)用現(xiàn)狀，主要結(jié)論如下。

表1 常溫微量潤滑裝置的分類與技術(shù)特點

（1）外置式微量潤滑裝置的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單的負壓引液式供油和壓力罐壓液式供油，到精密微量泵供油的發(fā)展趨勢，油量由粗略調(diào)節(jié)逐漸過渡到了可重復(fù)式精確調(diào)節(jié)；同時，為了解決外置式微量潤滑裝置在實際應(yīng)用中存在的噴嘴易干涉、界面成膜性能難保證等問題，適用于主軸內(nèi)冷傳輸?shù)膬?nèi)置式微量潤滑裝置得到了較好發(fā)展。為了適應(yīng)多工況的需求，內(nèi)置式微量潤滑裝置的油霧變化量由幾種發(fā)展至多達24 種或以上；為了提高微量潤滑裝置或系統(tǒng)的自動化程度，由手動調(diào)節(jié)發(fā)展為自動調(diào)節(jié)，并開發(fā)了一系列的核心部件，如精密供油泵、微量潤滑噴嘴以及微量潤滑專用內(nèi)冷主軸和內(nèi)冷刀柄等。

（2）復(fù)合增效型微量潤滑裝置有兩個增效方向，潤滑和冷卻。潤滑方面的增效是一方面通過電場力減小油霧顆粒的粒徑，提高霧粒的滲透性，另一方面帶電的油霧顆粒在電場力的作用吸附力更強，從而使油霧在刀具和工件表面更容易形成潤滑油霧，潤滑性能更佳。冷卻方面的增效是讓復(fù)合在油霧中水分和納米級的固體顆粒參與切削區(qū)域的強化換熱，以達到強制降溫的目的。

近年來微量潤滑裝置在微量潤滑技術(shù)的推動下得到了快速發(fā)展，應(yīng)用范圍也在不斷擴大，如應(yīng)用于汽車領(lǐng)域發(fā)動機的加工，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域難加工材料（鈦合金、高溫合金、復(fù)合材料等）的加工，應(yīng)用于3C領(lǐng)域的手表、手機零件的加工等，但其依舊存在一定的局限性。微量潤滑裝置的未來發(fā)展方向可能在以下幾個方面：

（1）現(xiàn)有微量潤滑裝置多為數(shù)控機床的附加品，推廣模式對限于單元技術(shù)的推廣，在裝置調(diào)控方面不僅需要手動調(diào)節(jié)，還時常受現(xiàn)場的加工條件的限制，難以發(fā)揮微量潤滑的優(yōu)勢，需要考慮微量潤滑裝置與加工機床的集成化設(shè)計，提高微量潤滑裝置與加工機床的集成度和自動化程度；

（2）微量潤滑裝置應(yīng)用于難加工材料加工時表現(xiàn)為冷卻不足、潤滑性能難維持，除本文綜述的靜電微量潤滑、油水復(fù)合微量潤滑以及納米流體微量潤滑技術(shù)外，也有部分高校研究了系列低溫復(fù)合增效微量潤滑技術(shù)，如低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)、超臨界CO2微量潤滑技術(shù)、液氮微量潤滑技術(shù)等，進一步發(fā)揮常規(guī)微量潤滑裝置與低溫切削裝置的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)高穩(wěn)定性和高可靠性的低溫復(fù)合增效微量潤滑裝置也是未來研究方向之一。