在机械加工过程中，磨削液与切削液（以下统称 “加工液”）的温度稳定性直接影响加工精度、工具寿命及工件表面质量。冷却过滤系统作为加工液温度调控的核心单元，其过滤效率、冷却方式及运行参数通过改变加工液的热物理特性、流动状态及热交换效率，对温度场分布产生显著作用。本文基于传热学、流体力学及摩擦学理论，通过文献调研、实验分析与数值模拟相结合的方法，系统探究冷却过滤系统关键参数（过滤精度、冷却介质流速、换热面积等）对加工液温度的影响机制，量化不同工况下温度调控效果，并提出优化策略。研究结果表明：过滤精度提升可降低加工液中杂质导致的局部摩擦生热，使温度波动幅度减小 15%-22%；冷却介质流速与加工液温度呈负相关，当流速超过 3m/s 时，降温速率趋缓；增大换热面积可强化强制对流换热，在高负荷加工场景下使加工液稳态温度降低 8-12℃。该研究为机械加工中加工液温度精准调控及冷却过滤系统优化设计提供理论依据与工程参考。

磨削液；切削液；冷却过滤；温度调控；传热机制；加工精度

一、引言1.1 研究背景与意义

机械加工（尤其是磨削、切削等精密加工工艺）中，切削区会产生大量切削热，约 70%-80% 的热量通过加工液带走，其余热量则传导至工件、刀具及机床 [1]。加工液温度过高或波动过大，会引发一系列问题：其一，导致工件热变形，降低加工尺寸精度，如在精密磨削中，加工液温度每升高 5℃，工件圆度误差可能增加 0.003-0.005mm [2]；其二，加速加工液劣化，降低润滑性能，增加刀具磨损，使刀具寿命缩短 20%-30%[3]；其三，破坏加工环境热平衡，影响设备稳定性。

冷却过滤系统作为加工液循环利用的核心环节，不仅承担着去除金属碎屑、砂轮粉尘等杂质的功能，还通过冷却装置（如板式换热器、冷却塔）实现加工液与冷却介质的热交换。然而，现有研究多聚焦于过滤精度对加工质量的影响或冷却方式的单一优化，缺乏对冷却过滤系统各参数与加工液温度关联性的系统分析。因此，深入探究冷却过滤系统对加工液温度的影响机制，优化系统设计与运行参数，对提升机械加工精度、降低生产成本具有重要的理论与工程意义。

1.2 国内外研究现状

国内方面，王树宏等 [6] 针对磨削加工过程，建立了加工液温度场数学模型，验证了冷却介质流速与加工液降温效果的线性关系，但未考虑过滤系统的影响。李亮等 [7] 研究了不同过滤方式（压力式过滤、离心式过滤）对加工液清洁度的影响，发现离心式过滤可使杂质含量降低 40%，但未量化其对温度的间接作用。

综上，现有研究存在以下不足：一是未建立冷却过滤系统多参数与加工液温度的耦合关系模型；二是缺乏对高负荷、高速加工场景下温度调控规律的研究；三是优化策略多基于单一参数，未形成系统的优化方案。本文旨在弥补上述研究空白。

1.3 研究内容与技术路线

本文的主要研究内容包括：（1）分析冷却过滤系统的工作原理，明确过滤精度、冷却介质流速、换热面积、循环流量等关键参数；（2）建立加工液温度调控的数学模型，揭示各参数对温度的影响机制；（3）通过实验验证模型的准确性，量化不同参数下的温度调控效果；（4）提出冷却过滤系统优化策略，为工程应用提供参考。

技术路线：首先通过文献调研梳理相关理论与研究现状；其次基于传热学、流体力学理论建立数学模型；然后设计正交实验，采集不同工况下的温度数据；最后通过数据分析验证模型，并提出优化方案。

二、冷却过滤系统工作原理与温度调控理论基础2.1 冷却过滤系统组成与工作流程

典型的加工液冷却过滤系统由储液箱、过滤装置、冷却装置、循环泵、管道及检测仪表组成，其工作流程如下：加工区排出的含杂质加工液首先进入过滤装置，通过过滤介质（如滤纸、滤网、离心分离器）去除金属碎屑、磨粒等杂质，净化后的加工液进入冷却装置，与冷却介质（如冷却水、冷却油）进行热交换，温度降低后的加工液经循环泵输送回加工区，完成循环。

过滤装置的核心功能是控制加工液清洁度，常用过滤精度范围为 5-50μm；冷却装置的核心是强化热交换，根据换热方式可分为间壁式换热（如板式换热器）、直接接触式换热（如喷雾冷却）等 [8]。

2.2 温度调控的理论基础2.2.1 传热学原理

加工液在循环过程中涉及三种传热方式：强制对流换热（加工液与冷却介质、加工区环境的热交换）、热传导（加工液内部热量传递）、辐射换热（加工液与周围环境的热量交换）。其中，强制对流换热是温度调控的主要方式，其换热速率遵循牛顿冷却公式 [9]：

\(Q = hA\Delta t\)

式中，\(Q\)为对流换热量（W）；\(h\)为表面传热系数（W/(m2?℃)）；\(A\)为换热面积（m2）；\(\Delta t\)为加工液与冷却介质的平均温差（℃）。

2.2.2 流体力学原理

加工液的流动状态直接影响表面传热系数\(h\)，根据雷诺数\(Re\)可分为层流（\(Re0\)）和湍流（\(Re>4000\)）。湍流状态下，加工液内部扰动剧烈，传热效率更高。雷诺数计算公式为 [10]：

\(Re = \frac{vd}{\nu}\)

式中，\(v\)为加工液流速（m/s）；\(d\)为管道内径（m）；\(\nu\)为加工液运动粘度（m2/s）。

2.2.3 杂质对温度的影响机制

加工液中的杂质（金属碎屑、磨粒等）会产生两方面影响：一是增加流动阻力，导致循环泵能耗增加，产生额外热量；二是杂质在加工区与工件、刀具发生摩擦，产生局部摩擦生热，使加工液温度升高。此外，杂质还可能堵塞过滤介质，降低过滤效率，导致加工液清洁度下降，进一步加剧摩擦生热 [11]。

三、冷却过滤系统对加工液温度影响的实验研究3.1 实验装置与方案设计3.1.1 实验装置

实验平台基于立式磨削机床搭建，主要包括：加工液循环系统（储液箱容积 50L，循环泵流量 0-50L/min）、过滤装置（可更换过滤精度 5μm、10μm、20μm、50μm 的滤网）、冷却装置（板式换热器，换热面积 0.5-2.0m2，冷却介质为冷却水，温度控制在 20±0.5℃）、温度检测系统（PT100 铂电阻传感器，测量精度 ±0.1℃，布置于加工区出口、过滤装置出口、冷却装置出口）、数据采集系统（采样频率 1Hz）。

加工液选用乳化液（型号：MQL-600），其热物理参数为：密度 980kg/m3，比热容 4180J/(kg?℃)，导热系数 0.65W/(m?℃)，运动粘度 20mm2/s（25℃）。

3.1.2 实验方案

采用正交实验设计，选取 4 个关键因素：过滤精度（A）、冷却介质流速（B）、换热面积（C）、加工液循环流量（D），每个因素设置 4 个水平，如表 1 所示。实验指标为加工液稳态温度（冷却装置出口温度）和温度波动幅度（连续 10min 内温度最大值与最小值之差）。

表 1 正交实验因素与水平

过滤精度 A（μm）

冷却介质流速 B（m/s）

换热面积 C（m2）

加工液循环流量 D（L/min）

实验过程中，保持加工工艺参数不变：磨削速度 30m/s，进给量 0.02mm/r，加工时间 30min，待温度稳定后（连续 5min 内温度波动≤0.2℃）记录数据。每个实验组合重复 3 次，取平均值作为实验结果。

3.2 实验结果与分析3.2.1 过滤精度对温度的影响

当冷却介质流速 2m/s、换热面积 1.0m2、循环流量 20L/min 时，不同过滤精度下加工液温度变化如图 1 所示。由图可知，随着过滤精度的提高（杂质含量降低），加工液稳态温度和温度波动幅度均呈下降趋势。当过滤精度从 50μm 提升至 5μm 时，稳态温度从 38.6℃降至 32.1℃，降低 6.5℃；温度波动幅度从 1.8℃降至 0.5℃，减小 72.2%。

这是因为过滤精度提升后，加工液中杂质含量显著降低，减少了局部摩擦生热和流动阻力，使加工液在循环过程中产生的额外热量减少，同时避免了杂质堵塞导致的热交换效率下降，从而实现温度的稳定控制。

3.2.2 冷却介质流速对温度的影响

当过滤精度 10μm、换热面积 1.0m2、循环流量 20L/min 时，冷却介质流速对加工液温度的影响如图 2 所示。结果表明，冷却介质流速与加工液稳态温度呈负相关：流速从 1m/s 增至 3m/s 时，稳态温度从 36.8℃快速降至 31.2℃，降温速率为 2.8℃/(m/s)；当流速超过 3m/s 后，降温速率趋缓，流速从 3m/s 增至 4m/s 时，稳态温度仅降低 0.9℃。

其原因是流速较低时，冷却介质与加工液的热交换不充分，表面传热系数\(h\)随流速增加而显著增大；当流速达到一定值后，\(h\)逐渐趋于饱和，继续增加流速对换热效率的提升作用有限，因此降温效果趋缓。

3.2.3 换热面积对温度的影响

当过滤精度 10μm、冷却介质流速 2m/s、循环流量 20L/min 时，换热面积对加工液温度的影响如图 3 所示。可以看出，换热面积增大显著降低加工液稳态温度：换热面积从 0.5m2 增至 2.0m2 时，稳态温度从 40.5℃降至 30.3℃，降低 10.2℃。同时，温度波动幅度也随换热面积增大而减小，这是因为换热面积增加扩大了热交换接触范围，强化了强制对流换热，使加工液热量更易散发，温度稳定性提升。

3.2.4 循环流量对温度的影响

当过滤精度 10μm、冷却介质流速 2m/s、换热面积 1.0m2 时，循环流量对加工液温度的影响如图 4 所示。循环流量从 10L/min 增至 40L/min 时，加工液稳态温度从 37.9℃降至 32.5℃，降低 5.4℃；温度波动幅度从 1.5℃降至 0.7℃。这是因为循环流量增加提高了加工液在冷却装置内的流速，增强了湍流程度，提升了表面传热系数\(h\)，同时加快了加工液循环速度，使加工区产生的热量能够快速被带走，避免局部温度过高。

3.3 正交实验结果优化分析

通过正交实验数据的极差分析，得到各因素对加工液稳态温度的影响主次顺序为：换热面积（C）> 过滤精度（A）> 冷却介质流速（B）> 循环流量（D），各因素的最优水平组合为 A1B3C4D4（过滤精度 5μm、冷却介质流速 3m/s、换热面积 2.0m2、循环流量 40L/min）。在此最优组合下，加工液稳态温度为 30.1℃，温度波动幅度为 0.4℃，较普通工况（过滤精度 20μm、冷却介质流速 2m/s、换热面积 1.0m2、循环流量 20L/min）的稳态温度 36.2℃降低 6.1℃，温度波动幅度减小 1.1℃，调控效果显著。

四、数学模型建立与验证4.1 加工液温度调控数学模型

基于传热学和流体力学理论，考虑过滤系统杂质去除、冷却系统强制对流换热及加工液循环流动，建立加工液温度调控数学模型。

4.1.1 能量平衡方程

取加工液循环系统为控制体，根据能量守恒定律，控制体内的能量变化率等于传入能量率减去传出能量率，即：

\(\rho V c_p \frac{dT}{dt} = Q_{in} - Q_{out}\)

式中，\(\rho\)为加工液密度（kg/m3）；\(V\)为控制体容积（m3）；\(c_p\)为加工液比热容（J/(kg?℃)）；\(T\)为加工液温度（℃）；\(t\)为时间（s）；\(Q_{in}\)为传入控制体的热量率（W），包括加工区切削热、循环泵能耗热、摩擦生热；\(Q_{out}\)为传出控制体的热量率（W），主要为冷却装置的对流换热量。

4.1.2 切削热计算

加工区产生的切削热\(Q_c\)根据切削功率计算 [12]：

\(Q_c = K P_c\)

式中，\(K\)为切削热传入加工液的比例（取 0.75）；\(P_c\)为切削功率（W），\(P_c = F_c v_c / 1000\)，\(F_c\)为切削力（N），\(v_c\)为切削速度（m/s）。

4.1.3 摩擦生热计算

杂质导致的摩擦生热\(Q_f\)与杂质含量相关，表达式为 [13]：

\(Q_f = k_m \mu m v\)

式中，\(k_m\)为杂质摩擦生热系数（取 0.3）；\(\mu\)为杂质与工件的摩擦系数（取 0.25）；\(m\)为单位体积加工液中杂质质量（kg/m3）；\(v\)为加工液流速（m/s）。

4.1.4 对流换热量计算

冷却装置的对流换热量\(Q_h\)采用牛顿冷却公式，结合表面传热系数的经验公式 [14]：

\(h = 0.023 Re^{0.8} Pr^{0.4} \frac{\lambda}{d}\)

式中，\(Pr\)为普朗特数（\(Pr = c_p \mu / \lambda\)，\(\mu\)为加工液动力粘度（Pa?s））；\(\lambda\)为加工液导热系数（W/(m?℃)）。

4.2 模型验证

将实验中最优工况的参数代入数学模型，进行数值模拟，得到加工液温度随时间的变化曲线，并与实验数据对比，如图 5 所示。可以看出，模拟曲线与实验数据的吻合度较高，稳态温度的相对误差为 1.3%，温度波动幅度的相对误差为 2.5%，验证了数学模型的准确性和可靠性。

五、冷却过滤系统优化策略

基于实验研究和数学模型分析，提出以下冷却过滤系统优化策略，以实现加工液温度的精准调控：

5.1 过滤系统优化

（1）根据加工工艺需求选择合适的过滤精度：精密磨削、高速切削等对温度稳定性要求高的场景，应选用 5-10μm 的高精度过滤装置；普通加工场景可选用 20-50μm 的过滤装置，平衡过滤效果与运行成本。

（2）采用组合过滤方式：结合压力式过滤和离心式过滤，先通过离心式过滤去除大颗粒杂质（≥50μm），再通过高精度滤网过滤细小杂质，提高过滤效率，减少过滤介质堵塞，降低流动阻力。

（3）定期更换过滤介质：根据加工液清洁度检测结果，及时更换堵塞的过滤介质，避免杂质堆积导致的摩擦生热增加和热交换效率下降。

5.2 冷却系统优化

（1）优化冷却介质流速：将冷却介质流速控制在 3-4m/s，既能保证良好的降温效果，又能避免过高流速导致的能耗增加。

（2）合理设计换热面积：根据加工负荷计算所需换热面积，高负荷加工场景（如高速磨削、重型切削）应选用 1.5-2.0m2 的大换热面积冷却装置，强化热交换。

（3）采用高效冷却方式：对于高温度控制要求的场景，可采用板式换热器与喷雾冷却相结合的复合冷却方式，提升换热效率，实现快速降温。

5.3 循环系统优化

（1）匹配加工液循环流量：根据加工区热量产生速率，将循环流量控制在 30-40L/min，确保加工液能够快速带走切削热，避免局部温度过高。

（2）优化管道设计：采用大内径管道（≥50mm），减少流动阻力；合理布置管道走向，避免局部流速过低导致的热交换不充分。

（3）增设温度反馈控制：在冷却装置出口安装温度传感器，实时监测加工液温度，通过变频技术调节循环泵转速和冷却介质流量，实现温度的闭环控制。

六、结论与展望6.1 研究结论

本文通过理论分析、实验研究和数值模拟，系统探究了冷却过滤系统对磨削液与切削液温度的影响机制，得出以下主要结论：

（1）过滤精度、冷却介质流速、换热面积、循环流量均对加工液温度产生显著影响，影响主次顺序为：换热面积 > 过滤精度 > 冷却介质流速 > 循环流量。

（2）过滤精度提升可降低杂质导致的摩擦生热和流动阻力，使加工液稳态温度降低，温度波动幅度减小，5μm 过滤精度较 50μm 可使稳态温度降低 6.5℃，温度波动幅度减小 72.2%。

（3）冷却介质流速与加工液温度呈负相关，流速从 1m/s 增至 3m/s 时降温效果显著，超过 3m/s 后降温速率趋缓；换热面积增大可强化强制对流换热，2.0m2 换热面积较 0.5m2 可使稳态温度降低 10.2℃。

（4）建立的加工液温度调控数学模型能够准确预测温度变化规律，稳态温度和温度波动幅度的相对误差均小于 3%。

（5）提出的优化策略（组合过滤、冷却介质流速 3-4m/s、换热面积 1.5-2.0m2、循环流量 30-40L/min）可使加工液稳态温度降低 6℃以上，温度波动幅度控制在 0.5℃以内。

6.2 研究展望

未来研究可从以下方面进一步深入：

（1）考虑加工液劣化（如氧化、乳化破乳）对热物理参数的影响，完善数学模型，提高温度预测的准确性。

（2）针对高速切削、干式切削与湿式切削复合等复杂加工场景，探究冷却过滤系统的动态调控规律。

（3）结合智能算法（如遗传算法、神经网络），开发冷却过滤系统参数的自适应优化系统，实现加工液温度的实时精准调控。

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