本文是一篇博士论文选题，本文基于边界层理论、摩擦学理论、雾化理论、传热学理论及相关性理论，采用理论分析、数值计算和实验验证的方法，对 MQL 加工中的油滴喷射方向、输送形式、润滑油渗透、边界润滑和参量相关性进行了研究，建立了 MQL 油滴界面树状毛细管雾化渗透和液相渗透的模型，建立了气态吸附速度模型和气态多分子层吸附模型，分析了 MQL 车削流场，寻求出了较佳喷射方向，得到了 MQL 雾化分布和渗透油量的基本规律，揭示了不同可降解润滑油和纳米添加剂对 MQL 加工的影响，定量分析了过程参量、表面质量参量之间的相关关系，进一步丰富和发展了 MQL 加工及金属切削理论。
第 1 章 绪论
1.1 课题背景
制造业是指对原材料进行加工以及对零部件进行装配的工业部门总称。制造业是立国之本、强国之基，从根本上决定着一个国家的综合实力和国际竞争力。制造业是推动工业化和现代化的主力军，制造业的持续发展和转型升级，是主要发达国家现代化的共同经验[1]。
制造业一方面创造了大量社会财富，但同时也消耗了大量有限资源，是造成当前环境污染问题的主要根源之一。因此，践行绿色和智能制造之路[2-3]，大力推动制造业可持续、高质量的发展，已成为人类共识。
1996 年，国际标准化协会颁布了关于环境管理的 ISO14000 系列标准，德国、美国、加拿大和日本等国家也相继制定出更加严格的工业排放标准。
随着美国“再工业化”战略和德国工业 4.0 计划地提出，2015 年 5 月 19 日，中国也提出了制造业行动纲领—《中国制造 2025》。该纲要指出，深化制造业与互联网融合发展，推进制造过程智能化，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。全面推行绿色制造，加大先进节能环保技术、工艺和装备的研发力度，加快制造业绿色改造升级[4]。
2017 年 1 月 05 日，国务院发布了《“十三五”节能减排综合工作方案》，该通知指出我国能源需求刚性增长，资源环境问题仍是制约我国经济社会发展的瓶颈之一。要求到2020 年，全国万元国内生产总值能耗比 2015 年下降 15 %，能源消费总量控制在 50 亿吨标准煤以内。全国化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放总量分别控制在 2001 万吨、207 万吨、1580 万吨、1574 万吨以内，比 2015 年分别下降 10 %、10 %、15 %和 15 %。全国挥发性有机物排放总量比 2015 年下降 10 %以上[5]。
机械加工作为制造零件的主要方法，在传统生产过程中需要大量使用切削液。切削液的使用能够显著提高刀具耐用度和改善加工表面质量，起到了润滑、冷却、清洗、防锈的作用[6-7]。但切削液的大量使用使得产品成本大幅增加、破坏了生态环境、危害操作者身体健康。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 微量润滑概念地提出
鉴于传统大量切削液使用的负面影响，国内外学者相继提出了多种少、无切削液的绿色切削技术，比如干切削[10-11]、气体润滑技术（包括液氮冷却加工[12-13]、低温 CO2 冷却加工[13-14]、气体润滑技术[15-16]、低温冷风切削[17-18]等）、微量润滑（Minimum Quantity Lubrication，MQL）[19]加工等技术。其中干切削技术对机床的刚度和热稳定性、刀具的性能有很高的要求，气体润滑技术受限于设备成本和润滑性不足的问题，使得 MQL 加工技术得到国内外广大学者的青睐。
MQL 加工技术，以压缩空气为载体或者直接喷射微米级的切削液雾滴到工件与刀具之间的变形区，达到冷却润滑的目的。MQL 采用的润滑油是可生物降解得，在自然环境中能够自行分解。MQL 切削液的消耗量远低于传统大量浇注，一般消耗量为 10~50 mL/h，不需要废液处理。相比于传统大量浇注式冷却润滑，虽然 MQL 切削液用量很少，但加工质量并不降低。
与 MQL 并列的另外一个理念是微量冷却（Minimum Quantity Cooling，MQC），这两者统称为微量冷却润滑（Minimum Quantity Cooling Lubrication，MQCL）。MQL 使用润滑油作为切削液，具有良好的润滑性能，从而能够减少刀具和工件、切屑之间的摩擦及粘著，相应地减小热量的产生。而油品自己本身由于微量和较低的比热使得直接冷却性能较差。MQC 使用乳化液和水作为切削液，冷却为主，润滑作用不足。目前关于 MQC 的应用和研究相对较少[19]。
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第 2 章 MQL 基础理论知识
2.1 引言
在切削加工过程中，MQL 以气体为载体输送微量油滴，渗透进入刀具-工件界面起到润滑作用。MQL 作用以润滑油雾化为起点，油滴依次穿越空气流场、毛细管内流动、受热汽化，最终渗透吸附形成边界膜，涉及到喷雾学、流体力学、非平衡态热力学和吸附学等基础理论。
一般用射流稳定曲线描述射流破碎过程特性，即射流连续部分长度随射流速度变化的特性曲线[119]。射流连续部分的长度与液体物理性质和流出速度、环境状况及喷嘴结构等因素有关。尽管实验条件不同，但曲线形状大致相同，如图 2.1 所示，射流长度用无因次的形式给出，是孔口到破裂点的距离。
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2.2边界层理论
对于粘性很小的流体，粘性对流动的影响实际上仅限于贴近固体表面的一个薄层，受到粘性显著影响的这一薄层，称之为边界层[120-121]。在边界层外，粘性完全可以忽略。从边界层厚度很小这个前提出发，可建立简化的粘流体运动方程。 它在平板上游的速度分布是均匀的。紧靠平板表面，是速度显著变化的边界层，其厚度沿流动力向逐渐增大。在边界层外，速度分布几乎也是均匀的，这一区域按理想流体处理。
流体运动时，表征运动特性的物理量或运动参数一般都随时间和空间位置而变化，常用拉格朗日法和欧拉法描述流体的运动。拉格朗日法以研究流体个别质点运动为基础，通过对每个流体质点运动的研究来获得整个流体运动。欧拉法着眼于流场中空间点的流体质点运动要素或物理量的变化规律。用欧拉法描述流体运动，各物理量可表示为空间坐标和时间变量的连续函数。用欧拉法来研究流体运动问题，可归结为研究含有时间 t 为参变量的流场中各物理量的变化规律，包括矢量场（速度场等）和标量场（压强场、密度场和温度场等）。
拉格朗日法物理概念清晰，理论上能直接得出各质点的运动轨迹以及运动参数在运动过程中的变化，但在数学上常常遇到很大的困难。在实际应用中，大多数工程问题并不需要知道每个质点的轨迹和运动情况的细节，因此，采用欧拉法更加方便。
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第 3 章 MQL 油滴喷射特性对润滑性能的影响 ............................... 27
3.1 引言 ................................. 27
3.2 MQL 油滴喷射方向对润滑性能的影响 .......................... 27
第 4 章 油滴渗透和吸附对 MQL 润滑性能的影响 ................................. 55
4.1 引言 ................................. 55
4.2 切削液毛细管渗透过程及模型 .............................. 55
第 5 章 基础油对 MQL 润滑性能的影响 ................................... 73
5.1 引言 ....................................... 73
5.2 可生物降解基础油的选取 .................................. 73
第 7 章 基于 Copula 函数的 MQL 切削参数相关性分析
7.1 引言
MQL 切削加工表面的形成，也是切屑的形成过程，同时伴随着切削力、切削热、振动等物理现象的发生。因此，切削力、切削温度、振动等过程参数和切屑变形、工件加工质量之间是紧密相关得。为了深入揭示 MQL 切削加工机理，需要深入研究如切削力、振动、声反射等过程参数（信号）与切屑变形、加工表面质量之间的相关性问题。
早期研究[165-167]采用线性相关系数描述分析变量间的相关关系，无法准确度量切削过程变量之间复杂的非线性、非对称关系。进而文献 [168-170]运用数理统计的方法，得出切削过程变量之间的相关关系。文献[171]采用了通过自适应神经模糊推理系统模型来讨论切削参数和切削力以及表面粗糙度之间的相关程度大小。
作为一种新的相关性研究方法，Copula 函数最大优势是便于构造多变量的联合分布函数。从概率论和统计学角度出发，可以精确地定量描述变量之间的映射相关结构，近年来被广泛应用于金融、水文、故障诊断、可靠性和切削加工等领域[172-177]。
在机械加工过程中，切削力是常用的监测参量[178]，易于实现信号采集，能反映出切削工况的实时变化。基于数理统计方法可以很方便地拟合出切削力、表面粗糙度、加工表面硬度、切屑变形等变量的边缘分布函数以及 Copu
