切削時刀屑接觸區為邊界摩擦狀態，冷卻潤滑劑難以進入，其作用可用毛細管理論解釋。在切削試驗與理論分析的基礎上，提出了圓錐形毛細管模型。
動力學分析結果表明：冷卻潤滑劑的微粒尺寸越小，冷卻潤滑效果越好。刀屑接觸面的吸附作用能形成邊界潤滑膜，圓錐形毛細管能限制冷卻潤滑劑的滲透深度，負壓力可為冷卻潤滑劑的滲透提供動力。
切削時切屑與前刀面間會產生劇烈摩擦，冷卻潤滑劑(氣態、液態或氣液混合)很難形成流體潤滑，屬于邊界摩擦潤滑。此時，冷卻潤滑劑是靠滲透到接觸區的縫隙中而起作用的。由于刀屑的相對運動形成毛細管現象，產生泵吸作用，因而有助于冷卻潤滑劑的滲入。1958年Merchant 用顯微鏡發現了刀屑接觸區存在直徑約為0.2 μm的毛細管，為毛細管理論的提出提供了實驗依據。1977年，Williams 提出了長×寬×高=〖WTBX〗l×ma×a〖WTBZ〗的長方體毛細管模型，并認為液體進入毛細管后先是液相滲入，而后是氣相滲入或形成努森流。1997年Godlevski提出了長×半徑=l×r的圓柱體毛細管模型，認為液體進入毛細管后會迅速蒸發出現液滴爆炸現象，在毛細管口(刀屑分離)處會形成“蒸汽冒”，妨礙后續液體的進入。對此國內的研究較少。
本文作者將在切削試驗基礎上提出一種新的毛細管模型，并對其進行動力學分析，研究冷卻潤滑劑進入刀屑接觸區的過程與作用機制。
1切削試驗
在干切、乳化液及水蒸氣冷卻潤滑3種條件下，采用YT15硬質合金車刀切削45#鋼60 min后停止切削，取下刀片，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其前刀面。
切削用量：ap=10 mm，f=0.1 mm/r，vc=119，106，95，85 m/min；乳化液含量為5%（體積分數），流量取3 L/min；水蒸氣溫度為125 ℃，壓力為0.2 MPa，流量為45 L/min，噴嘴直徑為2 mm，冷卻距離為20 mm。
2 試驗結果
試驗結果表明，與干切削和采用乳化液相比，采用水蒸氣冷卻潤滑時，刀具后刀面磨損速度可分別減小約50%和40%。用S3400n型掃描電子顯微鏡(SEM)得到前刀面形貌照片如表1所示。可看出，在干切、乳化液及水蒸氣條件下，前刀面上都有白色粘結物，經能譜分析(見圖1)知，其中O元素和Fe元素含量很高，主要是鐵的氧化物。這應該是45#鋼切屑中的Fe氧化后形成的。從位置來看，白色粘結物都出現在刀屑分離處附近，其形成過程可能是切屑與前刀面分離時，切屑底層部分金屬堆積的結果。
對比可知，水蒸氣冷卻潤滑時白色粘結物呈現出一定的規律性。圖2給出了表1中vc=119，85 m/min時，前刀面月牙洼磨損形貌的放大圖。圖2(a)中的標線1為切削刃，1、2間為毗鄰切削刃的前刀面，2、5間為月牙洼區，2、3間是刀屑接觸的粘結區，3、5間是刀屑接觸的滑動區。滑動區4、5間為鐵氧化物，3、4間存在與切削刃垂直的深色條紋，該區應是“毛細管”存在的區域。從圖2(a)，(b)可看出，白色的鐵氧化物與深色條紋是連成一體的，并呈現圓錐形，可認為是圓錐形“毛細管”模型的試驗證據。而干切和用乳化液冷卻潤滑時這種現象不十分明顯，可認為“毛細管”作用比較微弱。另外，乳化液中的水包油液滴尺寸約為1 μm，而水蒸氣中水分子的動力學半徑約為28×10-4 μm， Merchant研究得到的毛細管尺寸約為2×10-1μm，這說明冷卻潤滑劑的微觀尺寸越小，其滲透性能越好……
3、圓錐形毛細管模型
在分析試驗結果與前刀面摩擦狀態的基礎上，可將切削區的毛細管假設為圓錐形。從而不難理解，冷卻潤滑劑中的微粒尺寸(分子直徑或動力學直徑)越小，冷卻潤滑效果越好。這是因為微粒尺寸越小，在圓錐形毛細管中滲透得越深，即距離刃口越近。由于切削溫度最高點并不在刃口處，而在f1區離刃口有一段距離的位置，該點處于內摩擦區，冷卻潤滑劑分子很難到達。如果冷卻潤滑劑的分子越接近A點，其冷卻潤滑效果可能會越好……
在毛細管中水分子的流速與流量受3種因素影響：刀屑接觸面的性質、毛細管形狀和負壓力。
切削區實際上是刀屑新鮮表面接觸區，存在許多斷裂的化學鍵，非常活潑，具有極高的能量，從而極易與外界物質分子作用來降低其表面能。刀屑接觸面對水分子的作用力遠遠超過水分子間的作用力，形成了分子引力場，即產生了吸附作用，從而形成邊界潤滑膜。
圓錐形毛細管可影響冷卻潤滑劑的滲透深度。當分子半徑較小時，在圓錐形毛細管中滲透較深；反之分子半徑較大時，滲透較淺，甚至不能進入毛細管。
進入毛細管的水分子在泵吸作用(負壓力)下可向毛細管深處滲透，但在刀屑接觸面對水分子引力場的作用下，其速度逐漸減小，在圓錐形毛細管的頂點處速度減小至0，即形成了邊界潤滑膜。
4 結論
(1)在試驗結果和理論分析的基礎上，提出了刀屑接觸區的圓錐形毛細管模型。利用該模型可說明冷卻潤滑劑中微粒尺寸越小，在毛細管中滲透越深，越能接近切削溫度最高處，形成邊界潤滑膜面積越大，冷卻潤滑效果越好。
(2)通過動力學分析可知，冷卻潤滑劑在毛細管中的流速與流量受刀屑接觸面的性質、毛細管形狀和負壓力3種因素的影響：刀屑接觸面的吸附作用，使冷卻潤滑劑流速和流量逐漸減小，在錐形毛細管的頂點處二者均為0；毛細管的圓錐形結構可限制冷卻潤滑劑微粒的滲透深度；負壓力(泵吸作用)是冷卻潤滑劑微粒在毛細管中滲透的動力。
(3)圓錐形毛細管模型可為小分子冷卻潤滑劑滲入切削區的研究和應用提供一定的理論基礎。
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