切削加工中的冷却润滑技术
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实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。采用液态氮 (LN)直接冷却刀头的低温切削自动控制装置，该装置是由美国 Nebraska-Lincoln 大学的王 志勇博士开发研制的，它成功地解决了用 PCBN 刀具加工 Si3N4 陶瓷的难点。从有限元模型 的切削温度分布可以看出， 采用低温冷却技术可降低 PCBN 刀头的温度， 确保 PCBN 刀具的红 硬性和金属软化效应，大大减少刀具的磨损
every minute of a few millimeters to hundreds of meters, the pressure up to 2 ~ 3Gpa. Cutting except friction outside, still have a tool and cut metal internal molecular internal friction, cutting area interface temperature can reach 600 ~ 800 ℃. Such a high temperature and high pressu -re will make tool strength and hardness is reduced, therefore in the machining process need to adopt cooling lubrication technology, so as to ensure cutting tool life and workpiece surface in -tegrity, cutting efficiency and machining precision.
Cutting processing of cooling lubrication technology
GAO Haitao (Rapid manufacturing engineering center,shanghai university,shangahi 200444,China) Abstract ： In the metal cutting process, the cutting in every time new plane, speed change
图 1 切削加工中的摩擦
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切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响， 尤其是在高速切削难加工材料时， 刀屑 间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。在摩擦对切削过程的影像中， 刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响；而刀工摩擦对已 加工表面质量以及后刀面磨损有重要影响。 因此， 研究刀具与工件材料接触表面的摩擦特性 至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减少切削摩擦的影响。 切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响， 采取适当的措施降低切削 区的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为改善切削 区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗作用，从而带走加工中产生 的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切削等。 在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形， 切削区的冷却过程就是固体和流体之 间的传热过程。 切削介质的冷却作用是通过介质与加工区进行复杂的热交换， 将全部或大部 分切削热带走而实现降温。 其冷却作用是通过介质与加工区进行复杂的热交换， 将全部或大 部分切削热带走而实现降温。 其冷却作用大小主要取决于切削介质本身的导热性能， 如导热 系数、比热、汽化热、气化速度和它对金属表面的润湿性能等，以及切削介质的供给方式， 包括压力、流量和速度等因素。一般，对于切削介质，其本身导热系数越大，则热传导的能 力越强；比热越大，其本身的容热能力越大，冷却作用也越好 4 。 对于传统的冷却润滑方式， 切削介质主要以浇注的形式供给到切削区， 其冷却能力主要 依靠切削介质自身的性能。切削介质本身的性能。而对于一些先进的绿色冷却润滑技术，像 一些以气态为主的切削介质（如氮气、空气）以高压射流的方式喷射到切削区，通过强制对 流换热过程来达到冷却效果。 与液体相比， 气体射流本身的比热和导热系数低， 冷却性能差。 但是通过这种高压力、大流量和高流速的强制对流作用，使气体更容易渗入到切削区内部， 充分与切屑、刀工作面相接触，增加了动态换热面积，另外，通过降低切削介质的温度，增 加切削介质与切削区的温差，同样可以达到较好的冷却效果 温冷风等技术均是采用这种冷却方式。
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。目前的低温氮气射流、低
2 切削加工中的润滑
切削加工中润滑的主要目的是为了减少刀具与工件表面的摩擦，通常是在由刀具、工件 和切屑所组成的摩擦副之间形成具有润滑作用的润滑膜。 在切削区的高温高压条件下， 摩擦 副间存在粘结、峰点接触，大多数情况只能形成边界润滑状态
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Байду номын сангаас
。
切削液通过渗透作用进入到刀具与切屑或工件之间，通过物理、化学吸附或化学反应在 接触表面形成一层很薄、 具有一定承载强度的边界润滑膜。 切削液的润滑特性主要是由切削 液的物理—化学特性（润滑膜的形成、保持及本身性能）决定，润滑膜形成越快，吸附力越 大、剪切强度越低，又能耐压耐热，切削液的润滑效果越好。 一般情况下，边界润滑的摩擦因数比干摩擦小的多，在对于一些难加工材料的加工时。 切削使切削状态恶劣，刀具磨损严重，很难满足生产的需求，而通过施加切削介质来改善切 削区的摩擦状态，可以大大降低刀具磨损，提高加工效率 而降低刀具磨损。下面介绍几种典型的冷却润滑技术。
Key words: metal cutting; friction; cooling; lubrication
1 金属切削中的摩擦
金属切削过程中， 刀具与工件材料之间发生着强烈的摩擦接触作用， 形成了刀具前刀面 /切屑和后刀面/工件已加工表面的两方面摩擦
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。如图1所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面
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。
实验还表明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断。普通碳素钢的力学性能极大地 受切削温度的影响，在低温下易于脆裂，因此切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这 为低温冷却在切削加工中有助于断屑提供了可行性的基础。 2.3 喷雾冷却技术 随着高速切削和强力切削的发展，刀具承受着比过去高得多的压力、摩擦力和温度， 虽然刀具材料的进步极大地促进了切削效率的提高， 但切削区的冷却始终是提高刀具寿命的 一条重要措施。鉴于防止废弃切削液对环境的污染，采用喷雾冷却不失为一种较好的选择。 喷雾冷却是利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却的
切削加工中的冷却润滑技术
高海涛 （上海大学 快速制造工程中心，上海 200444）
摘要：在金属切削加工中，切削每次都在新生面上进行，速度变化每分钟数毫米至数百米，压力 高达 2 ～ 3GPa 。切削时除外摩擦外 , 还有刀具与切入金属内部的分子内摩擦，切削区界面温度可达 600 ～ 800 ℃。这样的高温高压会使刀具的强度和硬度降低，因此 在加工过程中需要采用冷却润滑 技术，从而保证刀具寿命，工件表面的完整性，切削效率和加工精度。 关键词： 金属切削；摩擦；冷却；润滑
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之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小 磨削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量 8 。 切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮） 、切屑和工件间的 对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件 和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和 其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。水的导热系数和比热均高于 油，因此水的冷却性能要优于油。 2.2 低温冷却技术 为有效地降低在切削区产生的过高的温度，往往采用将液态气体直接传输到切削区和 刀具切削刃附近的低温切削技术。低温切削(Cryogenic Machining)利用液态氮(-186℃)、 液体 CO2 (-76℃)及其他低温液体的冷却特性，可极大地提高刀具寿命、加工精度、表面 质量和生产效率，与干式切削相比可减小切削力 10%～20%、磨削力 60%左右，切削一般钢材 时切削温度下降 300～400℃ 910 . 低温切装置的原理有以下几种：利用瓶装液体 CO2 的自喷对切削区直接冷却：用经干 燥的空气维持杜瓦瓶的恒压， 利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮， 经特制的喷嘴喷 向切削区：采用液态氮或 CO2 从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的。有的采用刀 具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显
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。如加工中常用的微量润滑技
术，在高速加工过程中体现了良好的润滑效果，可以有效的降低刀具与工件之间的摩擦，从
2.1 使用切削液进行冷却润滑 切削液（cutting fluid, coolant）是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却 和润滑刀具业用液体， 切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成， 同时具备良好的冷 却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基乳 化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病，对车床漆也无不良影响，适用于黑色金 属的切削及磨加工，属当前最领先的磨削产品。 切削液各项指标均优于皂化油，它具有良 好的冷却、清洗、防锈等特点，并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环 境不污人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。 人们在磨制石器、 铜器和铁器时， 就知道浇水可以提高效率和质量。 在古罗马时代， 车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油， 16 世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从 1775 年英国的约翰·威尔金森 （ J ．wilkinson ）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和 油在金属切削加工中的应用。到 1860 年经历了漫长发展后，车、铣、刨、磨、齿轮 加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的应用。 19 世纪 80 年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。 F·W·Taylor 发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高对 30% ～ 40% 的现象和机理。 针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂” 一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。 随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区 域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动 植物油易变质，使用周期短。20 世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各 种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和动植物 油合成的复合油。1924 年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹 和齿轮加工。 刀具材料的发展推动了切削液的发展，1898 年发明了高速钢，切削速度较前提高 2 ～ 4 倍。1927 年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高 2 ～ 5 倍。随着 切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求，这时人们又 开始重新重视水基切削液的优点。 1915 年生产出水包油型乳化液，并于 1920 年成为 优先选用的切削液用于重切削。 1948 年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在 20 世纪 70 年代由于油价冲击而使应用成本提高。 近十几年来 , 由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和 工件 材料的发展，推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保 护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它必将推动切削液技术向更高领域发 展。 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切 屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率 消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的 切削加 工性能。 在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工件及磨粒－磨屑
与切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数GPa，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生 粘结，形成内摩擦，如图1中A区所示。在B区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。 故通常把刀屑间的摩擦分为粘结区和滑动摩擦区的外摩擦。 刀工摩擦是后刀面与工件已加工 表面之间的摩擦， 相比前刀面， 后刀面的正压力较小， 主要为峰点接触， 故同样为滑动摩擦， C区为不发生摩擦的区域。
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实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。采用液态氮 (LN)直接冷却刀头的低温切削自动控制装置，该装置是由美国 Nebraska-Lincoln 大学的王 志勇博士开发研制的，它成功地解决了用 PCBN 刀具加工 Si3N4 陶瓷的难点。从有限元模型 的切削温度分布可以看出， 采用低温冷却技术可降低 PCBN 刀头的温度， 确保 PCBN 刀具的红 硬性和金属软化效应，大大减少刀具的磨损
every minute of a few millimeters to hundreds of meters, the pressure up to 2 ~ 3Gpa. Cutting except friction outside, still have a tool and cut metal internal molecular internal friction, cutting area interface temperature can reach 600 ~ 800 ℃. Such a high temperature and high pressu -re will make tool strength and hardness is reduced, therefore in the machining process need to adopt cooling lubrication technology, so as to ensure cutting tool life and workpiece surface in -tegrity, cutting efficiency and machining precision.
Cutting processing of cooling lubrication technology
GAO Haitao (Rapid manufacturing engineering center,shanghai university,shangahi 200444,China) Abstract ： In the metal cutting process, the cutting in every time new plane, speed change
图 1 切削加工中的摩擦
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切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响， 尤其是在高速切削难加工材料时， 刀屑 间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。在摩擦对切削过程的影像中， 刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响；而刀工摩擦对已 加工表面质量以及后刀面磨损有重要影响。 因此， 研究刀具与工件材料接触表面的摩擦特性 至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减少切削摩擦的影响。 切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响， 采取适当的措施降低切削 区的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为改善切削 区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗作用，从而带走加工中产生 的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切削等。 在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形， 切削区的冷却过程就是固体和流体之 间的传热过程。 切削介质的冷却作用是通过介质与加工区进行复杂的热交换， 将全部或大部 分切削热带走而实现降温。 其冷却作用是通过介质与加工区进行复杂的热交换， 将全部或大 部分切削热带走而实现降温。 其冷却作用大小主要取决于切削介质本身的导热性能， 如导热 系数、比热、汽化热、气化速度和它对金属表面的润湿性能等，以及切削介质的供给方式， 包括压力、流量和速度等因素。一般，对于切削介质，其本身导热系数越大，则热传导的能 力越强；比热越大，其本身的容热能力越大，冷却作用也越好 4 。 对于传统的冷却润滑方式， 切削介质主要以浇注的形式供给到切削区， 其冷却能力主要 依靠切削介质自身的性能。切削介质本身的性能。而对于一些先进的绿色冷却润滑技术，像 一些以气态为主的切削介质（如氮气、空气）以高压射流的方式喷射到切削区，通过强制对 流换热过程来达到冷却效果。 与液体相比， 气体射流本身的比热和导热系数低， 冷却性能差。 但是通过这种高压力、大流量和高流速的强制对流作用，使气体更容易渗入到切削区内部， 充分与切屑、刀工作面相接触，增加了动态换热面积，另外，通过降低切削介质的温度，增 加切削介质与切削区的温差，同样可以达到较好的冷却效果 温冷风等技术均是采用这种冷却方式。
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。目前的低温氮气射流、低
2 切削加工中的润滑
切削加工中润滑的主要目的是为了减少刀具与工件表面的摩擦，通常是在由刀具、工件 和切屑所组成的摩擦副之间形成具有润滑作用的润滑膜。 在切削区的高温高压条件下， 摩擦 副间存在粘结、峰点接触，大多数情况只能形成边界润滑状态
5, 6
Байду номын сангаас
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切削液通过渗透作用进入到刀具与切屑或工件之间，通过物理、化学吸附或化学反应在 接触表面形成一层很薄、 具有一定承载强度的边界润滑膜。 切削液的润滑特性主要是由切削 液的物理—化学特性（润滑膜的形成、保持及本身性能）决定，润滑膜形成越快，吸附力越 大、剪切强度越低，又能耐压耐热，切削液的润滑效果越好。 一般情况下，边界润滑的摩擦因数比干摩擦小的多，在对于一些难加工材料的加工时。 切削使切削状态恶劣，刀具磨损严重，很难满足生产的需求，而通过施加切削介质来改善切 削区的摩擦状态，可以大大降低刀具磨损，提高加工效率 而降低刀具磨损。下面介绍几种典型的冷却润滑技术。
Key words: metal cutting; friction; cooling; lubrication
1 金属切削中的摩擦
金属切削过程中， 刀具与工件材料之间发生着强烈的摩擦接触作用， 形成了刀具前刀面 /切屑和后刀面/工件已加工表面的两方面摩擦
13
。如图1所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面
12
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实验还表明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断。普通碳素钢的力学性能极大地 受切削温度的影响，在低温下易于脆裂，因此切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这 为低温冷却在切削加工中有助于断屑提供了可行性的基础。 2.3 喷雾冷却技术 随着高速切削和强力切削的发展，刀具承受着比过去高得多的压力、摩擦力和温度， 虽然刀具材料的进步极大地促进了切削效率的提高， 但切削区的冷却始终是提高刀具寿命的 一条重要措施。鉴于防止废弃切削液对环境的污染，采用喷雾冷却不失为一种较好的选择。 喷雾冷却是利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却的
切削加工中的冷却润滑技术
高海涛 （上海大学 快速制造工程中心，上海 200444）
摘要：在金属切削加工中，切削每次都在新生面上进行，速度变化每分钟数毫米至数百米，压力 高达 2 ～ 3GPa 。切削时除外摩擦外 , 还有刀具与切入金属内部的分子内摩擦，切削区界面温度可达 600 ～ 800 ℃。这样的高温高压会使刀具的强度和硬度降低，因此 在加工过程中需要采用冷却润滑 技术，从而保证刀具寿命，工件表面的完整性，切削效率和加工精度。 关键词： 金属切削；摩擦；冷却；润滑
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之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小 磨削力和摩擦热，提高砂轮耐用度以及工件表面质量 8 。 切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具（或砂轮） 、切屑和工件间的 对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件 和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和 其导热系数、比热、汽化热以及粘度（或流动性）有关。水的导热系数和比热均高于 油，因此水的冷却性能要优于油。 2.2 低温冷却技术 为有效地降低在切削区产生的过高的温度，往往采用将液态气体直接传输到切削区和 刀具切削刃附近的低温切削技术。低温切削(Cryogenic Machining)利用液态氮(-186℃)、 液体 CO2 (-76℃)及其他低温液体的冷却特性，可极大地提高刀具寿命、加工精度、表面 质量和生产效率，与干式切削相比可减小切削力 10%～20%、磨削力 60%左右，切削一般钢材 时切削温度下降 300～400℃ 910 . 低温切装置的原理有以下几种：利用瓶装液体 CO2 的自喷对切削区直接冷却：用经干 燥的空气维持杜瓦瓶的恒压， 利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮， 经特制的喷嘴喷 向切削区：采用液态氮或 CO2 从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的。有的采用刀 具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显
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。如加工中常用的微量润滑技
术，在高速加工过程中体现了良好的润滑效果，可以有效的降低刀具与工件之间的摩擦，从
2.1 使用切削液进行冷却润滑 切削液（cutting fluid, coolant）是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却 和润滑刀具业用液体， 切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成， 同时具备良好的冷 却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基乳 化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病，对车床漆也无不良影响，适用于黑色金 属的切削及磨加工，属当前最领先的磨削产品。 切削液各项指标均优于皂化油，它具有良 好的冷却、清洗、防锈等特点，并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环 境不污人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。 人们在磨制石器、 铜器和铁器时， 就知道浇水可以提高效率和质量。 在古罗马时代， 车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油， 16 世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从 1775 年英国的约翰·威尔金森 （ J ．wilkinson ）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和 油在金属切削加工中的应用。到 1860 年经历了漫长发展后，车、铣、刨、磨、齿轮 加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的应用。 19 世纪 80 年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。 F·W·Taylor 发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高对 30% ～ 40% 的现象和机理。 针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂” 一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。 随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区 域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动 植物油易变质，使用周期短。20 世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各 种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和动植物 油合成的复合油。1924 年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹 和齿轮加工。 刀具材料的发展推动了切削液的发展，1898 年发明了高速钢，切削速度较前提高 2 ～ 4 倍。1927 年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高 2 ～ 5 倍。随着 切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求，这时人们又 开始重新重视水基切削液的优点。 1915 年生产出水包油型乳化液，并于 1920 年成为 优先选用的切削液用于重切削。 1948 年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在 20 世纪 70 年代由于油价冲击而使应用成本提高。 近十几年来 , 由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和 工件 材料的发展，推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保 护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它必将推动切削液技术向更高领域发 展。 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切 屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率 消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的 切削加 工性能。 在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工件及磨粒－磨屑
与切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数GPa，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生 粘结，形成内摩擦，如图1中A区所示。在B区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。 故通常把刀屑间的摩擦分为粘结区和滑动摩擦区的外摩擦。 刀工摩擦是后刀面与工件已加工 表面之间的摩擦， 相比前刀面， 后刀面的正压力较小， 主要为峰点接触， 故同样为滑动摩擦， C区为不发生摩擦的区域。