切削时刀屑接触区为边界摩擦状态，冷却润滑剂难以进入，其作用可用毛细管理论解释。在切削试验与理论分析的基础上，提出了圆锥形毛细管模型。
动力学分析结果表明：冷却润滑剂的微粒尺寸越小，冷却润滑效果越好。刀屑接触面的吸附作用能形成边界润滑膜，圆锥形毛细管能限制冷却润滑剂的渗透深度，负压力可为冷却润滑剂的渗透提供动力。
切削时切屑与前刀面间会产生剧烈摩擦，冷却润滑剂(气态、液态或气液混合)很难形成流体润滑，属于边界摩擦润滑。此时，冷却润滑剂是靠渗透到接触区的缝隙中而起作用的。由于刀屑的相对运动形成毛细管现象，产生泵吸作用，因而有助于冷却润滑剂的渗入。1958年Merchant 用显微镜发现了刀屑接触区存在直径约为0.2 μm的毛细管，为毛细管理论的提出提供了实验依据。1977年，Williams 提出了长×宽×高=〖WTBX〗l×ma×a〖WTBZ〗的长方体毛细管模型，并认为液体进入毛细管后先是液相渗入，而后是气相渗入或形成努森流。1997年Godlevski提出了长×半径=l×r的圆柱体毛细管模型，认为液体进入毛细管后会迅速蒸发出现液滴爆炸现象，在毛细管口(刀屑分离)处会形成“蒸汽冒”，妨碍后续液体的进入。对此国内的研究较少。
本文作者将在切削试验基础上提出一种新的毛细管模型，并对其进行动力学分析，研究冷却润滑剂进入刀屑接触区的过程与作用机制。
1切削试验
在干切、乳化液及水蒸气冷却润滑3种条件下，采用YT15硬质合金车刀切削45#钢60 min后停止切削，取下刀片，用扫描电子显微镜(SEM)观察其前刀面。
切削用量：ap=10 mm，f=0.1 mm/r，vc=119，106，95，85 m/min；乳化液含量为5%（体积分数），流量取3 L/min；水蒸气温度为125 ℃，压力为0.2 MPa，流量为45 L/min，喷嘴直径为2 mm，冷却距离为20 mm。
2 试验结果
试验结果表明，与干切削和采用乳化液相比，采用水蒸气冷却润滑时，刀具后刀面磨损速度可分别减小约50%和40%。用S3400n型扫描电子显微镜(SEM)得到前刀面形貌照片如表1所示。可看出，在干切、乳化液及水蒸气条件下，前刀面上都有白色粘结物，经能谱分析(见图1)知，其中O元素和Fe元素含量很高，主要是铁的氧化物。这应该是45#钢切屑中的Fe氧化后形成的。从位置来看，白色粘结物都出现在刀屑分离处附近，其形成过程可能是切屑与前刀面分离时，切屑底层部分金属堆积的结果。
对比可知，水蒸气冷却润滑时白色粘结物呈现出一定的规律性。图2给出了表1中vc=119，85 m/min时，前刀面月牙洼磨损形貌的放大图。图2(a)中的标线1为切削刃，1、2间为毗邻切削刃的前刀面，2、5间为月牙洼区，2、3间是刀屑接触的粘结区，3、5间是刀屑接触的滑动区。滑动区4、5间为铁氧化物，3、4间存在与切削刃垂直的深色条纹，该区应是“毛细管”存在的区域。从图2(a)，(b)可看出，白色的铁氧化物与深色条纹是连成一体的，并呈现圆锥形，可认为是圆锥形“毛细管”模型的试验证据。而干切和用乳化液冷却润滑时这种现象不十分明显，可认为“毛细管”作用比较微弱。另外，乳化液中的水包油液滴尺寸约为1 μm，而水蒸气中水分子的动力学半径约为28×10-4 μm， Merchant研究得到的毛细管尺寸约为2×10-1μm，这说明冷却润滑剂的微观尺寸越小，其渗透性能越好……
3、圆锥形毛细管模型
在分析试验结果与前刀面摩擦状态的基础上，可将切削区的毛细管假设为圆锥形。从而不难理解，冷却润滑剂中的微粒尺寸(分子直径或动力学直径)越小，冷却润滑效果越好。这是因为微粒尺寸越小，在圆锥形毛细管中渗透得越深，即距离刃口越近。由于切削温度最高点并不在刃口处，而在f1区离刃口有一段距离的位置，该点处于内摩擦区，冷却润滑剂分子很难到达。如果冷却润滑剂的分子越接近A点，其冷却润滑效果可能会越好……
在毛细管中水分子的流速与流量受3种因素影响：刀屑接触面的性质、毛细管形状和负压力。
切削区实际上是刀屑新鲜表面接触区，存在许多断裂的化学键，非常活泼，具有极高的能量，从而极易与外界物质分子作用来降低其表面能。刀屑接触面对水分子的作用力远远超过水分子间的作用力，形成了分子引力场，即产生了吸附作用，从而形成边界润滑膜。
圆锥形毛细管可影响冷却润滑剂的渗透深度。当分子半径较小时，在圆锥形毛细管中渗透较深；反之分子半径较大时，渗透较浅，甚至不能进入毛细管。
进入毛细管的水分子在泵吸作用(负压力)下可向毛细管深处渗透，但在刀屑接触面对水分子引力场的作用下，其速度逐渐减小，在圆锥形毛细管的顶点处速度减小至0，即形成了边界润滑膜。
4 结论
(1)在试验结果和理论分析的基础上，提出了刀屑接触区的圆锥形毛细管模型。利用该模型可说明冷却润滑剂中微粒尺寸越小，在毛细管中渗透越深，越能接近切削温度最高处，形成边界润滑膜面积越大，冷却润滑效果越好。
(2)通过动力学分析可知，冷却润滑剂在毛细管中的流速与流量受刀屑接触面的性质、毛细管形状和负压力3种因素的影响：刀屑接触面的吸附作用，使冷却润滑剂流速和流量逐渐减小，在锥形毛细管的顶点处二者均为0；毛细管的圆锥形结构可限制冷却润滑剂微粒的渗透深度；负压力(泵吸作用)是冷却润滑剂微粒在毛细管中渗透的动力。
(3)圆锥形毛细管模型可为小分子冷却润滑剂渗入切削区的研究和应用提供一定的理论基础。
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