微量润滑(MQL)加工包括在加工过程中应用微量的润滑剂，以试图取代传统的洪水冷却剂系统。了解流体性能和MQL性能之间的相关性可以帮助从各种选择中选择润滑剂，而无需经过广泛的加工测试。本研究比较了9种不同的MQL流体的物理性能、润湿性、摩擦学性能(润滑性和极压(EP)性能)、雾特性和可加工性，以确定测量的性能与MQL钻孔和扩孔性能的相关性。结果表明，低流体粘度、高雾浓度、大雾滴直径和高润湿性与良好的可加工性最相关。虽然很难得出很强的关系，但在温和的切割条件下，低粘度流体的最佳加工，也可能具有更高的雾浓度，最大的滴度和最佳的润湿性。
介绍
切削液的洪水和刀具输送已广泛应用于汽车发动机和变速器的加工。使用大量切削液会影响环境并增加制造成本，并可能导致地面污染、能耗过剩、需要湿式切屑处理和潜在的健康和安全问题（Stoll等人，2008年；菲利波维奇和斯蒂芬森，2006年）。虽然干式加工可以完全消除对切削液的使用，影响加工性能的问题，如润滑性差、刀具寿命缩短、工件和刀具的热损伤等。（Sun等人，2006；Davim等人，2007；海涅曼等人，2006）。
因此，近干式，也称为微量润滑(MQL)加工被发展为高切削流体加工和干式加工之间的折衷。MQL涉及到使用一种细小的油雾，而不是大量的金属加工流体(MWF)。MQL应用中的润滑剂流量通常小于50ml=h，与传统的洪水应用相比，其流体流量减少了20,000倍以上。与湿式加工相比，MQL可能具有许多优势，包括改善环境、降低工厂的基础设施需求和降低总体成本。
MQL已在许多加工过程中得到研究，如钻孔（布拉加等，2002年）、铣削（廖和林，2007年）、车削（苏等，2006年；神田和奥基巴瓦，2007年）和研磨（席尔瓦等，2005年；沈等，2008年）。这些研究表明，通过适当的选择MQL系统和切割参数，可以获得与洪水润滑相当或更好的性能。然而，关于微量润滑（MQL）的理想润滑剂的研究相对较少。由于使用的体积小，微量润滑（MQL）润滑剂需要表现良好，以取代传统的mwf。微量润滑（MQL）润滑剂通常是油，而典型的MWFs是由约5%的油和95%的水组成的水性流体。
微量润滑（MQL）润滑剂常是植物油，它比矿物油具有优越的润滑性。Suda等人（2002）评估了三种合成多元醇酯和一种粘度范围为19至48摄氏度的植物油。他们发现合成材料比植物油更好，而且粘度在攻丝试验中并不重要。Itoigawa等人（2007）比较了非极性矿物油和极性植物油。他们发现，极性植物油的摩擦力较低，但在较高的温度下，有益的影响就消失了。
因为有如此多的微量润滑（MQL）润滑剂具有非常不同的性能（每个供应商都创建自己的配方），了解流体性能和微量润滑（MQL）性能可以帮助选择未来进行微量润滑（MQL）加工的润滑剂，而无需经过广泛的加工测试。因此，本研究的目的是测试商业微量润滑（MQL）润滑剂，以试图确定哪些性能或台式试验对预测这些流体的加工性能很重要。评估包括检查导热系数、润湿性、润滑性、极端压力(EP)性能和雾特性。然后，将这些结果与加工传动阀体时的功耗、表面粗糙度和孔径进行比较，以确定这些测试是否可以作为实际加工性能的预测指标。
微量润滑（Mql）润滑剂及评价方法
从6个供应商那里获得了9个微量润滑（MQL）润滑剂测试样品，命名为A到I，其已知的物理性能列于表1。润滑剂的粘度（8.8至69cSt）和闪点（182至280C）有很大的范围。润滑剂E与润滑剂D相同，只是添加了硫化EP成分。
在本研究中，润滑剂B被用作测试其他商业MQL润滑剂的参考流体，因为它目前是通用汽车公司MQL加工试验中使用的标准润滑剂。评价指标可分为三组：
物理性质，包括密度、粘度、闪点和导热系数。由于供应商没有提供热导信息，本研究进行了测量以完成物理性能。
台式测试，包括润湿性、摩擦学特性和雾的表征。采用固着滴法确定其润湿性。摩擦学性能包括润滑性和EP性能，分别用攻丝力矩和钉块法测量。雾的特性是测量机器外壳中每种流体产生的雾的大小和浓度。
可加工性，指金属易于加工到可接受的表面光洁度。工件采用铝制传动阀体。记录了不同流体钻孔的功耗，测量并比较了孔径和表面粗糙度。
表1已测试的MQL润滑油（按粘度上升顺序排序）
实验设置和结果
物理性能-导热率
在微量润滑（MQL）加工中，产生的热量与传统加工相同，但可以带走热量的流体要少得多。因此，流体的热特性可以是其除热能力的一个指标。为了考虑温度对微量润滑（MQL）润滑剂的影响，使用热性能分析仪KD2Pro(ThermTest公司，德克萨斯州)在25、50、75和90C下测量导热系数。一种水基液体，Trimsol(在所有测试中都标记为WB)，也在5%的浓度下进行了测试，以与微量润滑剂（MQL）润滑剂进行比较。每个润滑剂样品都在一个具有温度控制的热隔离箱中进行测量，以确保结果的可靠性。
每个案例均进行了3次测量，发现变化小于0.003W=m-K。表2的结果表明，微量润滑（MQL）润滑剂(A-I)的导热系数要比水或水基流体低得多。这意味着MQL流体的有效除热率低于传统的水基流体。热去除不良会导致在加工过程中对工件和刀具的热损伤。此外，在25~90C的测量范围内，微量润滑（MQL）润滑剂的导热系数不受温度的影响，而水和水基流体的导热系数随温度的升高而增加。导热系数范围为0.138~0.160W=m-K，且随流体粘度的增加而有增加的趋势。
表2不同流体温度下微量润滑（MQL）润滑剂的导热率（W=m-K）
工作台测试
润湿性。润湿性是用来描述流体扩散、渗透和覆盖工具和工件的能力的术语(Sillman，1992年)。流体的润湿性定义为液滴与固体表面之间的热平衡以及与气相之间的接触角。接触角越小，流体的润湿性就越高。如图1所示，接触角θ的Young方程为：
其中，S、L、G分别代表固体、液体和气体，⋎为界面张力矢量。
采用KRU(德国KRU¨SS)开发的液滴测量系统，采用固着液滴法测量DAS10。对液滴进行成像（如图1所示），计算机自动拟合液滴的轮廓并计算出接触角。分别在抛光铝(Al)6061和碳化钨(WC)表面上测量接触角，以模拟铝基工件材料和工具材料。样品表面用乙醇清洗，并在试验之间干燥。
每种情况下的三个测量值都取了平均值，如图2所示。微量润滑（MQL）润滑剂的接触角比水和水基流体的接触角更小，这意味着微量润滑（MQL）润滑剂可以更彻底地润湿表面，这意味着微量润滑（MQL）润滑剂具有更好的润湿性。所有微量润滑（MQL）润滑剂之间的接触角在铝材上为8.0~20.6，在WC上为7.6~26.5。由于润湿性通常与流体的表面张力(cLG)直接相关，因此表面张力是通过使用表面张力计（模型21，飞世雪科学公司）来测量的。对水和丙酮进行了测试，以确保测量的准确性。结果如表3所示，测量的表面张力(⋎LG)均为类似的，因此，流体之间接触角的差异可能是由于它们与固体表面的界面张力(⋎SL)不同，因为⋎SG在等式中总是相同的 (1).此外，研究结果还表明，微量润滑（MQL）润滑剂在润湿铝时通常比WC更有效，这也与不同接触面产生的⋎SL有关。
润滑性。攻丝试验是评估润滑剂切割性能的标准筛选方法(Zimmermanetal.，2003)。在本研究中使用了自攻扭矩机（美国，密歇根州）。工件是一个预钻的6061铝板。预先钻孔的孔充满润滑剂，然后用1200rpm旋转的M8工具钢抽打。在攻丝过程中记录了扭矩数据，如图3所示。平台区域的平均值被用来表示在特定流体中产生的扭矩。
由于流体之间的差异通常很小，因此为每个微量润滑（MQL）润滑剂抽取6个孔以改进分析。此外，为了确保数据具有可比性，在每个测试样品前后都对液体B进行了测试，如图4所示。被测流体的测量转矩由流体B的转矩归一化，这被分配为一个相对的攻丝扭矩为100。如图5中可以看出，水基流体的润滑性比MQL润滑剂更差（扭矩更高）。误差条表示与平均值之间的一个标准差。所有测试MQL流体的最大差异为12%（测试流体A和I）。分辨率S用于评估测试结果的敏感性(Zimmermanetal.，2003)，
其中，σ2between fluids提供了流体间变化的估计，而σ2within fluid估计了单个流体的平台平均的方差。这里测量的33的高分辨率表明，流体之间的变化明显大于单个流体内的变化。
表3 微量润滑（MQL）润滑剂的表面张力结果
图3：攻丝扭矩测试中的测量数据示例。（图可在网上提供彩色版本。）
图4在微量润滑（MQL）润滑剂上进行攻丝扭矩评估的测试程序。（图可在网上提供彩色版本。）
图5 所选微量润滑（MQL）润滑剂的归一化攻丝转矩效率（值越高表示润滑性越差）。
极端压力特性。采用EP试验来评价润滑剂在极端加工条件下的性能。本研究采用Falex针块机（图6）进行EP试验(ASTMD3233)。一个钢销在两个钢vee块之间旋转，并施加一个增加的载荷迫使vee块在一起。负载是以1.11kN(250磅）的增量增加到最大的17.8kN(4000磅）。当达到最大负载时，当针断裂时，或当磨损的针停止与vee块接触时扭矩开始下降时，测试结束。一般来说，具有更好EP性能的流体可以在销断裂前承受更高的载荷。所有测试润滑油的结果如图7所示，以最大负荷表示。被测试的MQL润滑剂具有广泛的EP性能。含氯化石蜡的Trimsol作为水基液体作为EP添加剂，也具有较好的EP性能。流体E具有EP添加剂，比流体D具有更好的EP性能。
图6销向端块测试配置。（图可在网上提供彩色版本。）
图7 所选微量润滑（MQL）润滑剂的针和静脉块EP测试结果（值越高表示EP性能越好）。
雾的特征。微量润滑（MQL）润滑剂通过混合空气和少量的润滑剂来产生应用于加工过程的油雾。因此，了解润滑剂与生成的雾之间的关系有助于优化加工过程。雾由微量润滑（MQL）系统产生，并以40ml=h的流速通过以6000rpm旋转的WC铰刀进入机器外壳。外壳空气通过管道连续排放到雾控制器。然后，使用来自MSP公司（明尼苏达州海岸审查公司）的微孔均匀沉积冲击器(MOUDI)在管道系统中取样部分空气和雾，以测量雾颗粒的大小和浓度。实验装置的原理图如图8所示。
图8雾表征MOUDI试验的实验设置。
空气通过MOUDI以30L=min的空气流量采样30min。MOUDI由10个冲击器级组成，切割尺寸为18-0.056mm，以捕获相应的薄雾尺寸。在测试前后，对每个阶段的过滤器进行称重，以确定每个尺寸范围内的颗粒质量。根据处理后的数据，可以计算出空气中值空气动力直径(MMAD)和空气样品中油滴的浓度。MMAD是计算出的空气动力学模型直径，表示粒子质量的中点，即一半的粒子质量在较大的粒子上，一半在较小的粒子上。
雾测量结果列于表4，其中rg表示MMAD的几何标准差。雾浓度在8.84~11.80mg=m3之间变化，雾MMAD在2.90~4.07mm之间变化。MMAD比通常观察到的稍小，通常为5到10毫米(Dasch和Kurgin，2010)。从表4中还可以看出，粘度较低的MQL润滑剂产生了相对较高的雾浓度和MMAD值较大的雾滴。
加工试验。为了比较润滑油在实际加工条件下的性能，我们使用比洛马蒂克MQL系统测试了两种加工过程。在这个双通道MQL系统中，空气和流体分别通过主轴输送，然后在工具架的入口混合，形成一种薄雾，然后通过工具喷射。为了避免来自不同流体的污染，系统在测试前总是以高流速清洗系统15分钟。对油流速也进行了校准，以确保试验之间的可比性。由于该系统是专门为MQL润滑剂（一种油基流体）设计的，因此在加工试验中没有使用水基流体进行比较。
每个试验所使用的条件如表5所示。这两个流程包括：
在铸造的393铝合金传动阀体上钻三个滑孔。
使用PCD铰刀在阀体上铰接相同的三个阀孔。
在阀体内预制钻孔，因此去除的材料相对较少。这些部件在EnshuJE50S数控机床上进行加工，最大主轴速度为12,000RPM。测试工具来自Komet1公司（绍姆堡，伊利诺斯州）。粗钻是一种双凹槽碳质物阶梯钻，高度抛光以提高润滑性。铰刀有8个PCD插入物，每个直径有4个插入物。对所有的测试都进行了主轴功率测量。一个单体光谱单元被安装在主轴上，主轴记录直流电流读数，并将其转换为电压读数。电压数据用一个校准过的因子转换为功率。
表4 微量润滑（MQL）润滑剂的雾液浓度和MMAD
表5 机械加工试验设置
加工功耗。当阀体上的阀孔先钻取后，记录加工功率。每个滑芯孔在不同的深度上有两个直径，如图9所示。由于阀体结构复杂，阀芯孔加工产生了复杂的功率分布，如图10所示。为了比较功率，我们使用流体B作为参考流体，并将测试流体的功率轮廓覆盖在参考流体的功率轮廓上。两个叠加区域之间的差异被视为加工过程中总能耗的差异。表6中的正值表示比流体B所需的能量，负值表明测试流体比流体B更有效。
孔质量。在加工试验之后，测量阀体孔的表面光洁度和直径，以比较每种流体的性能。使用泰勒霍布森塔lysurf（英国）轮廓仪测量阀体铰孔的表面粗糙度。测量长度为15mm，截止长度为0.8mm，计算表面粗糙度Ra。对三个扩孔孔分别进行了三次测量。结果如图11中所示，误差条代表三个孔中9次测量的平均值的一个标准偏差。
图9 阶梯钻=铰刀阀体滑阀孔加工方案。
图10使用流体B加工阀体(a)钻孔和阀芯孔(b)扩孔的动力分布示例。
阀体孔的直径测量使用空气柱计(Intra公司，韦斯特兰，密歇根州)。图12列出了不同润滑油在阀体上的三个孔的小直径和大直径的平均值。一般来说，低粘度的MQL流体产生更细的表面饰面和更准确的孔尺寸带有高粘度的液体。原因可能与它们的雾特性有关，下面将讨论。注意，液体A是一个例外，因为它的表面光洁度和直径精度略低于液体B-D。
表6 用微量润滑（MQL）润滑油进行阀体加工的能耗比较
图11 阀体铰孔阀孔表面粗糙度
图12 阀体铰接阀芯直径（刀具直径分别为8.531和9.631mm）。
相关性分析与讨论
具有良好润滑性、润湿性和热性能的流体有望具有较高的加工效率。为了分析这些关系，我们根据讨论的流体物理性质，包括流体测试结果和可加工性，计算了所有测试之间的相关性。相关系数(r)的计算方法为：
其中，X和Y为所比较的两种性质的实验数据。
表7显示了流体物理性质与所有工作台式试验之间的相关性。粗体值是在5%的显著性水平（样本量为9时为0.602）上相互良好相关的属性。可以看出，低粘度与高润湿性（低接触角）、高雾浓度和大雾直径有关。高润湿性是因为低粘度的流体很容易在表面扩散。低粘度流体倾向于产生大颗粒的现象与水基流体发现的更大的颗粒尺寸(比MQL流体的粘度更低)相一致(Dasch和Kurgin，2010)。雾浓度高可能是由于雾样品中颗粒尺寸大造成的。热导率也被发现与润湿性和雾水平有关，尽管它们在理论上无关。这些相关性可能更与粘度有关，因为导热系数和粘度之间有很强的相关性，为0.747。
表7流体物理性质与台架试验之间的相关系数
表8显示了所有台架试验和机加工试验之间的相关性。结果表明，大雾直径(MMAD)与较低的能耗、更细的表面光洁度和更准确的直径相关，高雾浓度也可以提高表面光洁度和直径精度。由于MQL加工是通过刀具喷涂的雾完成的，因此高雾浓度和大雾大小可以在切割区创造一个相对较湿的环境是合理的。因此，可以产生更好的表面光洁度和更精确的直径。此外，高润湿性（小接触角）与直径精度相关，这也可以解释为湿润切割区域的能力。其他试验的弱相关性或不相关性可能是真实的，或者很难在短期和温和的加工试验中测量。在EP测试中，具有更好的EP性能的流体可以得到测试这并不能反映阀体加工的优势，因为该工艺很可能不是在边界润滑条件下。
表8 台架试验与机加工试验之间的相关系数
表9 物理性能与机械加工试验之间的相关系数
从表7和表8将物理性能与加工性能联系起来，如表9所计算，我们可以得出低粘度导致大颗粒雾浓度高，可以提高能耗所示的加工能力，提高表面光洁度和直径精度。此外，粘度较低的润滑油具有较好的润湿性，可以提高直径精度。
结论
本研究评估了9种商业MQL流体和一种常见的MWF，基于其导热性、润湿性、润滑性、EP性能、雾的生成和可加工性，以确定流体性能的重要性。传统的MWFs通常是水性的，而MQL润滑剂通常是直油。如本研究所示，与水基液体相比，MQL润滑油的除热性能较差，但提高了润湿性和润滑性。在MQL润滑剂中，加工结果表明，低流体粘度、高雾浓度、大雾滴直径和高润湿性与良好的可加工性最相关。与EP性能缺乏相关性可能与本研究中使用的温和加工条件有关，这些条件很可能不在边界润滑范围内。虽然根据这些实验结果很难得出关系，但在这些温和的加工条件下，低粘度流体的最佳加工，符合高雾浓度、大液滴尺寸和良好的润湿性。