摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1. 文章导读

金属切削液浇注式的使用方式不能满足减排降碳的迫切需要，基于生物润滑剂的微量润滑（MQL）是一种有效替代浇注式润滑的润滑方式。然而，气动雾化MQL的雾化性能较差，不利于职业健康。因此，静电雾化MQL是解决其技术瓶颈的有效方式已进行初步的探索性研究。静电雾化MQL借助静电场对液滴赋能，荷电后的液滴改善了雾化性能并增加了表面活度。同时，优异的雾化性能增强了微液滴界面的渗透与润湿性能，进而改善了加工过程中的刀具磨损与表面质量。另外，该方式采用的无毒、可降解、可再生的纳米增强生物润滑剂不仅符合可持续制造的要求还能增强界面传热与摩擦学的热力学特性。

近期，青岛理工大学机械与汽车工程学院的李长河教授、张彦彬教授、许文昊研究生等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《静电雾化微量润滑加工：从机理到应用》的综述，系统介绍了静电雾化微量润滑的研究背景、最新进展及未来展望。图1展示了微量润滑衍生技术的发展里程碑，其中静电雾化MQL是MQL发展的最新发展和替代技术。

亮点：
● 系统揭示了低表面能液滴静电赋能机理。
● 从分子结构的角度分析了纳米生物润滑剂的性。
● 阐述了雾化介质破碎和渗透的动力学行为。
● 展望了改善极端界面摩擦的工艺、设备和系统。

图1 微量润滑技术沿革图。

2. 研究背景

切削液作为机械加工工业的重要组成部分已经有数百年的使用历史，其主要功能是冷却、润滑、清洗、防锈等。在金属切削过程中选择合适的润滑工艺和切削液，可以延长刀具的使用寿命，提高机械加工效率和表面质量。然而，传统金属切削液浇注式的使用方式不仅能够增加使用成本而且严重威胁工人的职业健康。面对环境污染、碳排放加剧、资源枯竭以及温室效应的剧烈演变，应该摒弃这种润滑方法。微量润滑（MQL）作为新型可持续润滑技术越来越受到世界各国的重视，然而，传统气动雾化MQL雾滴的表面能逐渐降低；射流的运动轨迹、雾滴粒径及其分布、雾滴与工件界面接触状态不能实现参数化可控输运；射流的穿透力、吸附力和浸润性能不足，对生物润滑剂的雾化效果不是很理想，粒径较大、尺寸分布不均、表面活性度低等，这些均会影响切削区的成膜性能。

为解决上述气助式微量润滑的技术瓶颈，学者们开发了静电雾化微量润滑。静电雾化一直具有一直以来都是一个有广泛的工业背景和重要学术价值的领域，该技术的发展对促进人类社会的技术进步具有重要意义。因此，学者们试图通过静电雾化MQL来解决上述技术瓶颈的同时赋能制造业的绿色转型。在本文中，李长河教授等人对静电雾化MQL的最新进展进行了详细介绍。

3. 最新进展

静电雾化MQL的集成化设备开发主要集中在荷电喷嘴结构与随动系统，如图2所示。为提高静电雾化效率，保持良好的雾化效果，研究学者提出了多能场耦合雾化的方式。接触式荷电方式原理为，介质输运至荷电管中通过接触高压荷电管进行荷电，接触荷电后的液体在气体的辅助下雾化成荷电液滴。电晕式荷电方式的原理为图3，在喷嘴处放置有电晕放电电极，当电极电压超过一定阈值时，周围会产生电晕放电，电晕区存在大量游离的粒子，被气体雾化后的液滴在电晕区荷电。（iv）为磁场增强电晕放电雾化装置，在电晕区施加横向磁场，使液滴的荷电性能更强。

图2 静电雾化MQL实施装置。（iii）经许可转载。版权所有（2020）Elsevier。

图3 静电雾化赋能机制。（b）经许可转载。版权所有（2020）Springer Nature。

常用做静电雾化介质的生物润滑剂具有可再生可降解、毒性小等优点，而且独特的分子结构使之在切削区的成膜能力更加优异。通常用作生物润滑剂的基油为植物油，植物油主要由甘油三酯和少量游离的脂肪酸组成，一分子的甘油三酯又包括三分子的脂肪酸，不同的脂肪酸其分子结构也不同。脂肪酸分子结构主要由碳链和极性基团（-OH、-COOH等）组成，其中极性基团具有很强的吸附性，这有利于生物润滑剂的成膜，如图4所示，生物润滑剂的成膜机理。然而，碳碳双键（C=C）的存在会使脂肪酸分子发生弯曲，这会不利于生物润滑剂成膜的稳定性。另外，学者们通常添加纳米粒子增强生物润滑剂的减摩与传热性能。

图4 纳米生物润滑剂的润滑性能及润滑机理评估。（a）经许可转载。版权所有（2016）Elsevier。（b）经许可转载。版权所有（2020）Elsevier。

静电雾化MQL的雾化性能较气动雾化MQL有所改善，具体表现在，降低雾化液滴的平均粒径，改善液滴分布的集中性方面（图5）。另外，荷电后液滴的表面活度增加，更有利于液滴的渗透与润湿。衡量液滴荷电性能的主要指标是荷质比，影响荷质比的因素也有很多，如图5所示的静电雾化MQL中雾化参数对荷质比的影响规律。

如图6所示，荷电生物润滑剂在切削界面的渗透与吸附改善了界面摩擦学行为，增强了液滴的减摩抗磨性能，从而改善了刀具磨损等加工指标。另外，如图7所示，荷电液滴在界面的接触行为有所改善，微小液滴的吸附性能有所增强，这些均有利于降低切削加工中的环境油雾，保证工人的职业健康。

图5 不同参数下的雾化特性。缩写：DW：去离子水；CO：蓖麻油；SO：葵花籽油；SONB：葵花籽油纳米生物润滑剂；DWNF：去离子水纳米流体；CONB：蓖麻油纳米生物润滑剂。（a）经许可转载。版权所有（2021）Elsevier。（d）经许可转载。版权所有（2015）Springer Nature。（e）经许可转载。版权所有（2015）Elsevier。

图6 静电雾化在改善工具磨损中的评估。（c）经许可转载。版权所有（2018）Elsevier。

图7 静电雾化制造的环境质量评价。缩写：FR：流量；AP：气压；SS：主轴速度；CD：切割深度。（b）经许可转载。版权所有（2021）Elsevier。（d）经许可转载。版权所有（2019）Springer Nature。

4. 未来展望

（1）科学问题

目前，微小液滴（<10μm）的荷电仍然很困难，需要进一步加强静电赋能的效果。在磁场的作用下，自由电子的轨迹会发生变化，磁增强静电场产生的自由电子发生拉莫尔运动，大大增加了液滴和自由电子之间的碰撞概率，随后增加了液滴的电荷。然而，磁增强静电场的理论还没有得到实质性的发展，关于电子在磁场下的动能和轨迹的修正模型也没有被揭示出来。

生物润滑剂润滑和冷却共存的局限性值得关注。高粘度的生物润滑剂有利于润滑，但不利于传热。不饱和度高的生物润滑剂不利于润滑，而极性基团多的生物润滑剂有利于润滑。对于需要高润滑和冷却性能的工作条件，例如在航空航天难加工材料的加工过程中既要避免热损伤又要确保优异的表面质量，那么改善生物润滑剂冷却和润滑性能的共存是关键。

（2）工程问题

现有的MQL是通过使用独立的专用设备来实现。此外，由于技术障碍，无法实现喷嘴位置、场参数、纳米生物润滑剂参数和加工参数（切削速度、切削深度和其他参数）的协调控制。云数据库提供了一个很好的解决方案，如果可以建立数据库，那么机床的加工信息和润滑和冷却信息可以交互集成，然后在反馈中执行，这是一个非常可行的解决方案。

纳米生物润滑剂由于其先进的作用机理和优异的加工性能，已应用于某些加工领域，尤其是精密零件的制造。然而，应解决使用这些雾化纳米气溶胶的安全问题。因此，必须建立一套完整的评估体系，以评估纳米生物润滑剂在使用过程中的安全性。

除了绿色润滑技术外，超声波振动、纹理刀具、等离子射流、低温加工等其他工艺的使用也可以提高加工表面的质量，耦合多工艺加工是复合增效的优选方案。