1.2 切削液的研究现状

随着切削速度的提高以及新型难加工材料的不断出现，切削液广泛应用于金属尤其是难加工材料的切削加工。传统意义上讲，切削液的作用主要包括冷却、润滑、清洗、防锈，国内外现有的研究成果主要针对这四项基本作用；随着切削液用量的逐渐增大以及环保意识的加强，新型环保型切削液也成为研究热点。

1.2.1 切削液的渗透模型

1．前刀面渗透模型

切削过程中切削液的冷却和润滑效果取决于其渗透到切削区界面，并在最短时间内通过化学或物理吸附形成一层低剪切强度薄层的能力[1]。由于刀具—切屑界面处剧烈的挤压、摩擦和高温，切削液渗透到前刀面的能力对于刀具寿命是非常重要的。基于毛细管理论，切削液在前刀面的经典渗透模型主要有两个：Williams-Tabor渗透模型[2,3]和Godlevski液滴蒸发模型[4]。

Williams-Tabor渗透模型指出，界面处毛细管网内的切削液的分子运动在控制切削液的功能上起到了至关重要的作用。工件与刀具前刀面之间的接触面布满了互通的毛细管网，切削液在毛细管网内的运动和输送比其绝对反应更为重要。界面处典型的毛细管形状定义为长为l、横截面为a×ma的长方体，如图1-1（a）所示，切削液以液体和蒸汽的形式渗透入切削区界面。Williams-Tabor建立了切削液进入前刀面的渗透模型并进行了试验验证。Godlevski液滴蒸发模型认为单个毛细管为直径r、长度l的圆柱形，如图1-1（b）所示，该毛细管沿刀具—切屑界面的全部接触面积上分布，其一端封闭。该模型指出，切削液在单一圆柱形毛细管的渗透过程包括三个阶段：液相进入，微液滴爆炸，通过气相充满毛细管。Godlevski对以水和蓖麻油作为切削液的渗透模型参数进行了计算，并给出了计算模型和试验结果之间的相关性。

2．后刀面渗透模型

随着精密、超精密加工技术的发展，表面加工质量变得越来越重要。切削液在后刀面的渗透能力直接影响表面形成过程及加工质量，因而引起人们越来越多的关注。

在高速铣削过程中，由于无法到达切削区，常规乳液冷却液的效率非常低。而最小量润滑技术（Minimum Quantity Lubrication, MQL）可以有效渗透到切削区，喷嘴位置和进给方向是其重要影响因素[5]。MQL可以通过高压和精确喷雾提高切削液渗透到切削区的能力，其中气流供给在运输切削液气雾到达后刀面和加工表面接触区的过程中发挥了重要作用[6]。基于Navier-Stokes方程和Reynolds方程，建立了稳态条件下正交切削时切削液渗透到后刀面接触区的模型[7]，如图1-2所示。对切削液在空气、CO2和N2喷雾中的渗透性能进行了评估，并与两种传统的施加方式进行比较。该模型表明，微量润滑喷雾能完全渗透到切削区。后刀面附近的切削温度通过有限元进行分析，结果表明MQL可以有效抑制后刀面附近的温度。

另一种分析模型通过研究切削液的雾化、飞溅和扩散的主要机制，提出了使用切削液时气溶胶粒径分布和气溶胶产生的预测模型[8]，结果表明气溶胶大小和生成速率是流体性质、工艺参数、应用条件和切削时间的函数。该结果可用于量化加工过程中使用切削液带来的环境影响。

3．高压冷却下切削液的渗透模型

由于可以更好地渗透到刀具—切屑与刀具—工件的接触区并提供有效的冷却和润滑作用，高压冷却技术可以有效地影响刀具的磨损状态，切削液的喷射位置和流速直接影响刀具寿命[9]。高压、大流量的切削液同时喷射到刀具—切屑与刀具—工件接触区时，刀具寿命最长；其他高压冷却条件下的刀具寿命甚至比干切削和常规冷却还要短。涂层硬质合金刀具的磨损机理受到切削液的施加压力及浓度的影响[10]，前后刀面处的磨损机理均为材料黏结。使用高压冷却技术可以使刀具—切屑接触长度减少，在减少刀具磨损方面比常规冷却及干切削更有效。

淬硬钢车削过程中切削液的施加采用高速窄脉冲射流技术并与常规冷却和干切削相比[11]，综合考虑主切削力、刀具—切屑接触长度、切削速率、切削温度、表面粗糙度、刀具寿命以及切屑形态，高压MQL的整体性能优于其他两种切削条件。图1-3所示为不同切削条件下切屑形态的对比。

1.2.2 切削液的施加方式

随着环保意识的加强以及企业降低生产成本的要求，目前已经进行了大量的研究以减少切削液在生产中的使用，干切削和半干（近干）切削越来越受到工业界的青睐[12]。在半干加工（如MQL技术）中，少量的切削液在改善摩擦和切削加工性能方面起到了重要作用[13,14]。切削液的施加方式直接影响其冷却和润滑性能[15]，如图1-4所示。

1．施加方式

干切削和MQL技术为消除污染、降低成本和能耗、改善操作环境提供了可能[15]。通过涂层硬质合金刀具在不同切削液施加方式中的磨损方式的试验研究[16]，结果表明，所观察到的磨损形式是由热因素决定，而不是通过降低摩擦系数；在特定条件下，试图强行润滑对刀具寿命是有害的。图1-5所示为磨损一定程度后的后刀面磨损带宽度，MQL和MQL_EP的后刀面减摩性能明显不如常规冷却，常规冷却表现出最低的刀具磨损。

相较于干切削和常规冷却，高速窄脉冲射流技术可以降低高速铣削的切削力和刀具磨损，提高刀具寿命和加工表面质量[17]，如图1-6所示。在改善表面加工质量和降低刀具磨损方面，脉冲射流的性能优于干切削和常规冷却。

由于干切削和MQL切削的缺点，加工过程中的少量润滑技术（Little Quantity Lubricant, LQL）被提出[18]。在圆周铣削工件表面收集振动信号并在时域、频域和时频域内分析，结果表明振动信号受到切削液的显著影响；切削参数的选用应以降低振动及减少切削液的使用为目的。基于超声雾化技术，开发了一种新的紧凑型切削液应用系统[19]，其系统参数对喷雾特性的影响也进行了相应的研究。

2．应用参数

切削液的应用不是任意的，切削液压力和喷嘴位置等应用参数会直接影响切削液的使用性能。例如，喷嘴位置对MQL的切削加工性能（如切削力、表面粗糙度和温度）有重要影响[20]；当MQL施加到前刀面，刀具寿命和干切削基本一致，但应用到刀具后刀面则可以延长刀具寿命[21]。增加切削液的压力通常将提高刀具的使用寿命并降低工件材料的黏附倾向[22]。高压冷却液的应用带来更好的刀具寿命和表面粗糙度。不同的冷却液施加压力可能会导致剪切带厚度和切屑锯齿状结构的显著变化[23]。

现有研究还开发了用于将少量油雾集中喷射入切削区的三种特殊结构的喷嘴，研究了其在MQL加工过程中所表现出的性能，并与普通放流冷却相比较[24,25]。采用有限体积法通过计算机流体动力学进行油雾流动的可压缩湍流分析，结果表明，油雾靠近切削刃的质量流率急剧增加，特别是对于一个盖型喷嘴的斜喷；切削试验中这个特殊设计的喷嘴对于提高刀具使用寿命是相当有效的。一种雾化型切削液（Atomization-based cutting fluid, ACF）喷淋系统被开发并在钛合金的宏观尺度切削条件下进行了评估[26]，通过试验研究了施加参数（包括流动速率、距离、冲击角度、类型和喷雾气体压力）对切削力、刀具寿命和切屑变形的影响，结果表明相较于放流冷却，该喷雾系统有效地延长了刀具使用寿命。

1.2.3 切削液的加工性能

加工过程中切削液的性能评估[1,27-29]主要是根据对切削性能的影响（例如刀具寿命/刀具磨损，包括涂层刀具[30,31]、切削力、温度、切屑变形等）以及加工表面质量（表面粗糙度、尺寸精度、表面硬度、残余应力等）。

1．对切削加工性能的影响

基于水基和油基切削液在不锈钢切削过程中的作用的研究，低速时油性切削液在接触区域形成的固体保护膜，降低了黏附性并防止沉积物的形成[32]。切削速度较低时切削液会影响摩擦[33]。当使用CCl4作为润滑剂车削铜时，切削速度从相对较低的1m/min增大时，切削厚度比和摩擦系数随之变大，切削速度30～40m/min时接近干切削的值。干切削时切削参数随切削速度的变化不大，如图1-7所示。中等速度下某些工件材料中的固体润滑剂夹杂物可能会积聚，高速下材料的热软化会缓解刀具—切屑接触区的摩擦。

基于边界润滑理论对近干切削摩擦系数进行了分析，并修正了Oxley加工理论[34]。研究表明，近干切削的切削力比干切削要低，润滑作用对切削力的影响大于冷却作用。对MQL条件下正交切削过程的吸附特性、摩擦学性能及切削加工性能监控的研究[35]结果表明，吸附量与润滑效果密切相关，氧气供给量发挥了重要作用。通过理论研究与试验验证相结合的方法，也研究了不同切削液施加技术下热量产生和传递过程模型[36]。

考虑到不同类型的切削液对刀具寿命、刀具磨损机理、加工表面粗糙度和切屑形式的作用，切削液的应用在延长刀具寿命和切屑形式控制方面可以产生积极的影响[37]。不同工艺参数下车削钢过程中，MQL对切削温度、切屑形态、尺寸精度以及刀具磨损的影响研究表明[38-40]，同干切削及放流冷却相比，MQL的应用可以大幅降低切削温度和刀具磨损率，而且切屑形态及切屑—刀具相互作用状态变得更加有利。深孔钻加工中，与连续冷却相比，不连续的MQL会引起刀具寿命的显著降低，而且具有高冷却能力的低黏度型切削液可以显著延长刀具寿命[41]。此外，MQL为消除浪费、降低成本、减少功率消耗及改善作业环境提供了可能[15]。通过不同切削条件下表面粗糙度和波纹度、表面粗糙度承载比和形貌特征的对比分析可知，冷却和润滑条件显著影响加工表面特性[42]。与常规冷却相比，合理加工工艺参数下的干切削或MQL可以形成更好的表面形貌。

北京工业大学魏源迁等[43]研究了经喷雾形成的微量油膜附水滴切削液的切削性能；江苏大学的王贵成等[44]分析了MQL切削液施加方式对渗透能力的影响，并从表面粗糙度、切屑形态等方面分析了切削液的作用[45]。

使用切削液的主要目的是降低切削温度、减少摩擦、延长刀具寿命、提高加工效率和表面质量。但不是在所有情况下使用切削液均能够降低刀具磨损或提高表面质量[46]。一些研究得到相反的结果，这些试验数据表明，干切削消耗较少的功率并可以产生更平滑的表面[47]，在一定的切削条件下干切削是比较适合的，或者这些结果是由于切削液使用不当造成的。基于刀具磨损累积模型，切削液在铝基复合材料加工过程中，由于缺乏润滑膜的形成，高压冷却的切削液对刀具寿命影响较小[48]，使用新的金刚石刀具时其磨损会更大。用涂层硬质合金刀具面铣AISI 8640钢时，与矿物油、半合成和合成切削液相比，干切削表现出最佳的刀具寿命和表面粗糙度，梳状裂纹是刀具的主要失效模式，切削液的冷却作用对刀具寿命是有害的[49]。使用切削液对刀具寿命不一定有益，它会稍微增加月牙洼磨损，甚至使月牙洼磨损转移至更靠近刀尖的位置，同时使磨损区域更深更窄；高速时对刀具后刀面磨损的影响更显著，会显著降低刀具寿命[50]。

与切削性能类似，并不是所有的切削液均可以提高加工表面质量[46]。与切削液条件下相比，干切削对Inconel 718合金半精加工表面完整性的研究表明，在加工影响区，干切削带来较优的表面质量，如残余应力、表面粗糙度（图1-8）、显微硬度，加工表面没有严重的微观结构改变[51]。

2．切削液中的添加剂

为了提高综合性能，切削液中通常加入多种功能添加剂。易切添加剂（如S、Ca、Cu、Bi）直接影响切削性能和加工表面完整性（奥氏体不锈钢的硬度和应变诱发马氏体相变[52]等）。添加剂的力学和物理—化学作用机制是极其重要和复杂的[53]，如含硫极压添加剂，由于钢和刀具之间摩擦膜的形成（图1-9），含硫添加剂表现出极佳的降低切削功率和减小刀具磨损的作用。

切削液中添加剂的浓度也影响切削进给力、表面粗糙度和切屑形式[54]。采用未涂层高速钢刀具铣削42CrMo4时，切削力之间的差异很小；含硫添加剂的最佳浓度为5%，对应最低的切削力和表面粗糙度。由于磷的活性较差，磷添加剂并未导致反应层的生成，仅在表面形成吸附层。对干切削、采用矿物油的MQL和放流冷却条件下的切屑形态也进行了研究（图1-10），随着润滑的增加，剪切角增大。

油包水型乳化液的乳化剂浓度（阴离子型、非离子型和阳离子型表面活性剂）影响其极压性能。可以采用接触角对润湿和润滑性能之间的关系进行表征，湿润表面的能力对摩擦学性能起到了关键作用，切削液的润滑效果主要取决于乳化剂的类型和浓度[56]。此外，水也直接影响切削液的性能，例如，硬水对含有阳离子型和非离子型表面活性剂混合物的浓缩液的稀释过程有显著的影响[57]。

3．对表面形成的影响

在刀具—切屑和刀具—工件材料的接触区，加工过程受到机械、热和化学作用的影响。加工表面的性能受到刀具、工件、切削液和其他周围环境介质之间的摩擦—物理和摩擦—化学相互作用的影响。同时，新形成的表面也决定了摩擦状态[58]。切削液的化学作用机制包括各参与表面之间的化学反应以及加工表面的化学状态[55]。加工后的表面产生吸附或反应层，并且不能由普通的清洗过程去除。已加工表面化学状态的变化会影响后续的生产或服役性能。图1-11所示为加工过程中表面反应层的生成及影响[54]。典型的机加工表面覆盖了多个不同的层[59]，如图1-12所示。最外层是污染层（污垢、油、油脂和加工过程的残留物等）；接下来是很薄的吸附层和反应层；最里面是机械加工形成的、带有晶粒组织变形的厚厚的边界层。

切削液对加工表面的化学作用会改变表层和亚表层的元素含量[54]，如图1-13所示。切削液采用5%含硫添加剂的基础油时，在加工表面1.5nm的深度有明显的S元素的峰。硫添加剂与加工新形成的、活性极高的金属表面发生反应，形成硫化铁的反应层。含硫的矿物油和加工表面的硫元素存在相关性。加工表层和亚表层元素含量变化将导致加工表面的性能改变。

由于常规仪器试验和检测的难度，一些新的方法被用于切削液的评价。分子动力学模拟用于研究材料去除过程中切削液对表面生成过程和摩擦接触条件的影响[60]。图1-14所示为有无切削液条件下材料去除瞬间的状态。图1-14（a）中的箭头表示切削液的原子接近切屑和工件表面并且似乎渗透入其中。切削液条件下切屑的长度稍微缩短，如图1-14（b）黑色箭头所示。白色箭头表明切削液作用下所产生的表面轮廓包含较多的原子，它比真空条件下更加平滑。对切削过程的剪切应力和温度也进行了分析，但是工件表面的温度上升分析仍存在问题[60]。结合电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）和多变量数据分析，提出了切削液浓度和pH值的评价模型[61]，这对于加工工艺和在线质量监测具有重要意义。

西安交通大学、复旦大学、东方汽轮机有限公司等单位合作研究了切削加工中切削液对金属构件微组织的作用机理，分析了切削液在原子水平上与工件的化学反应和对金属工件表面的腐蚀机理[62]，以及对加工表面成分、微观形貌的影响[63-65]，证明切削液和金属部件的加工质量存在十分密切的联系。

1.2.4 环保型切削液

1．新型环保型切削液

切削液在金属加工过程中起到重要作用，但是也带来环境保护和操作人员健康的问题[66]，比如切削条件影响了切削液油雾PM10和PM2.5的质量浓度[67]。切削液的主要缺陷是其在使用、维护和处置过程中对成本、环境和人员健康的影响[68]。切削液在整个生命周期内会带来显著的健康和环境危害，因而其离心、化学混凝及电化学混凝等处理方法已经被广泛研究[69]。环保型/生物降解润滑油的发展是减少切削液不良效果的重要途径[70]，大量关于新型环境友好型切削液的研究正在进行中，甚至是冷空气[71]、气态或者液氮[72]。

由于其可再生性、低毒性和可生物降解性[73]，天然植物油是矿物油极具吸引力的替代物，如添加离子型和非离子型表面活性剂的豆油或改性大豆油和水的乳化液[74]。得益于热稳定性和氧化稳定性，椰子油也被尝试用作切削液，并且在AISI 304不锈钢车削过程中的刀具寿命和表面粗糙度方面表现出优异的性能[75]。AISI 1040钢车削过程中，与基础润滑油相比，如果将粒度为50nm的硼酸固体润滑剂作为添加剂加入椰子油中，由于硼酸的润滑作用，切削温度、刀具后刀面磨损和表面粗糙度均会显著下降[76]。

AISI 316L不锈钢铰孔和攻丝过程中，在表面质量、硬化层厚度和尺寸精度方面，新型植物油基切削液表现出比矿物油更好的性能[77]。Inconel 718合金端铣过程中可降解植物油也可以用在最小量冷却润滑（Minimum Quantity Cooling Lubrication, MQCL）条件下[78]，植物油基切削液MQCL能有效提高Inconel 718合金的可加工性，并延长刀具寿命、减少切削力，如图1-15所示。

山东大学的刘镇昌[79-81]对切削液及在切削中的作用机理进行了系统的研究。河南大学的孙蓉等[82]研究了TiO2纳米微粒—茶皂素水基乳化液的切削行为；江南大学的李淑芬[83]以合成新型水基切削液为出发点进行环保型水基切削液的研制。重庆大学的王家序等[84]合成出新型非离子表面活性剂并研制出环保水基切削液。

2．切削液的处理

加工过程中，由于固体颗粒杂质、切削区的高温以及各成分与刀具、工件表面的化学反应，切削液的成分及性能会发生变化，这取决于切削过程、操作条件、切削液特性和冷却系统。摩擦过程、机床摩擦系统、机械系统故障也受到切削液变化的影响[85]。切削液会受到微生物的污染，在实验室条件下切削液的微生物污染及其在金属加工过程实际冷却系统的生存能力已经被证实[86]，微生物与潜在的健康风险存在直接或间接的关联。现有文献对于切削液的微生物降解潜力也进行了相关研究[87]。

1.2.5 切削液研究现状小结

从国内外研究现状分析可知，基于传统的冷却、润滑、清洗、防锈作用，切削液的研究集中在以下4个方面：

（1）切削液的施加方式及其渗透到切削区的能力；

（2）切削液对加工过程中切削力、刀具磨损、切屑变形的作用；

（3）新型环保型切削液的研发；

（4）切削液对加工表面粗糙度、残余应力及硬度的影响。

随着精密、超精密加工技术的发展，相比于加工效率和刀具寿命，高的加工表面质量变得越来越重要，特别是对于在极其恶劣的环境中服役的、有长寿命和高稳定性要求的精密零部件，如汽轮机和燃气轮机的叶片、转子等核心零部件。切削液对精密加工表面完整性和加工表面长期服役性能的影响将成为切削液技术的重要研究方向。

国内外学者对切削液加工表面质量的影响进行了初步研究，但目前的研究仅局限于表面粗糙度、残余应力等基本的表面性能，缺乏对复杂组织成分工件材料的针对性分析；研究过程中切削液的成分及性能通常视为“黑箱”，切削液的理化性能仅用于切削液自身的评价，没有与加工表面质量建立起关联。