MQL 加工技术(微量润滑加工技术)

MQL 加工技术(微量润滑加工技术) 1 引言

在金属切屑加工中, 切削液具有冷却、润滑、排屑、清洗和防锈等功能, 使用切屑液对延长刀具使用寿命、减少切削力、保证加工精度和加工质量起着重要作用。然而随着人类对环境、健康和成本的日益关注, 切削液所带来的负面影响已不容忽视: 切削液的处理和排放易引起环境污染。切削液雾对操作工人的健康构成威胁, 易诱发多种皮肤病、呼吸道和肺部疾病甚至是癌症。此外, 切削液的使用成本相当昂贵。据德国最新统计数据表明:与切削液有关的费用相当于全部制造费用的7%~17%, 而工具费用仅占2%~4%[1]。在可持续发展战略下, 国家对环境污染的要求越来越严格,切削液的处理费用也越来越高。鉴于环境保护和降低成本的需要, 干切削和半干切削加工技术成为必然选择。干切削技术是在切削过程中不使用任何切削液的加工方法, 它可完全消除切削液带来的负面影响。但是由于缺少切削液的润滑、冷却等作用, 切削刀具承受的负荷大, 切削热无法及时移走, 刀具磨损快, 加工精度和表面光洁度难以保证, 因此它只适用于特定的切削条件。半干切削加工, 具有多种不同的方法: 低温冷风、液氮冷却、水蒸气冷却和MQL 等。其中MQL 是近年来各国学者研究得较多的一种技术, 它综合了干切削和浇注式切削的优点, 是一种经济的绿色环保加工技术, 对此加以介绍。

2 MQL 加工技术

MQL 是将压缩空气和微量切削液( 一般为2- 30mL/h) 混合雾化后, 喷射到加工区, 对刀具和工件进行有效润滑的一种半干切削技术。在MQL 加工中, 切削液的使用量极少, 润滑效果却十分显著, 它可以大大减少工件—刀具—切屑之间的摩擦和粘着,抑制温升, 保证加工质量, 既降低成本, 又不会对环境造成污染,并且加工后的工件和切屑保持干燥, 缩短工时。

2.1 MQL 切削液

在传统的浇注式切削中, 切削液的选择主要依据其冷却润滑等切削性能, 而在MQL 加工中, 切削液耗量低, 使用时间长,这就要求切削液不仅具有良好的切削性能, 还必须与环境相容,并保持化学稳定性。因此, 原来认为次要的性能如生物降解性、氧化稳定性和储存稳定性就成为选择切削液的重要依据。据研究[2]: 合成酯在上述方面性能颇佳, 适合MQL 加工。文献[2]还对合成酯的润滑机理进行了探讨。图1 显示了甲烷基丙酸盐( 一种典型的合成酯) 和正乙烷( 一种典型碳氢化合物) 在新鲜金属表面的吸附特性: 烷基丙酸盐表现了良好的吸附性, 而且如果供氧,合成酯在新鲜金属表面的吸附性增加。这同MQL 切削液的吸附特性很相似, 在MQL 切削区, 切削液微小颗粒也是被大量含有氧的空气包围着。虽然吸附性与润滑性并非完全等同, 但切削液的物理化学吸附作用是影响其润滑效果的主要因素。如果切削液在金属表面的吸附性高, 则其形成润滑膜的可能性越大, 润滑效果越好。

此外, 由于植物油、脂肪醇、聚乙二醇等的高生物降解性, 也常被选用为MQL 切削液。具体介质的选择取决于供给的方式、涉及到的材料、加工工艺和工件所需的后续处理( 如退火、表面处理或涂层处理等) 。

2.2 MQL 切削液供给方式

MQL 加工中, 非常精确地将微量切削液供给加工点是相当重要的。通常, MQL 切削液的供给方式分为外部供给和内部供给两种方式[3]。外部供给通过一个或多个外置喷嘴将切削液雾滴喷到加工点, 这种供给方式常用于锯削、铣削和车削中。在钻削、绞削和攻丝中, 外部供给仅适用于长度/直径小于3 的情况。外部供给的特点是操作简单, 但喷嘴的定位易受多种因素干扰而存误差。内部供给通过刀具内置管道将切削液雾供给加工点,这种供给方式适用于长度/直径较大的情况, 特别是在加工深孔时, 使用内部供给可以排除喷嘴定位误差, 确保加工点不断有切削液供给。内部供给对刀具要求高, 费用也昂贵。

3 MQL 加工技术的研究

20 世纪90 年代, 美国WDonald 等人对切削加工中有关切削液的适量问题进行了研究, 在满足加工要求的条件下, 对切削液的浓度、工件材料、刀具类型等进行观察, 并对切削力、刀具磨损和表面粗糙度进行分析, 得出了最适当的切削液用量。近十几年来, 各国学者相继开展了一系列的研究, 主要有:西班牙的

C.Angulo 等学者应用含Co8%的高速钢刀具对锻造铝合金5083- H112 分别进行了高速MQL 和浇注式铣削试验[4],并对MQL 加工中喷雾供给参数的优化进行了探讨, 比较了不同喷雾方向( 45°和135°, 如图2 所示) 、不同切削液流量( 0.06ml/min 和0.04ml/min) 对于刀具磨损的影响, 结果表明:

( 1) 高速铣削时, 采用浇注法的切削液很难渗透到加工区,而采用MQL 法的切削液在压缩空气的作用下, 易进入切削区域, 起到冷却润滑和排屑的作用。在相同的切削用量条件下,MQL 法加工引起的刀具磨损比浇注法小, 同为MQL 法切削时,切削液流量越大, 刀具磨损越小;

( 2) MQL 铣削中, 喷雾方向很重要, 喷嘴在135°处引起的刀具磨损小于45°处所引起的刀具磨损, 这是因为喷嘴处于45°位置时切削液不能很好的渗透到切削区域, 而喷嘴处于135°位置时切削液可以很好的渗透到切削区域;

( 3) 与浇注式切削相比, MQL 可以减少95%的切削液用量,

大大节约了生产成本。图2 MQL 喷嘴的位置巴西的Durval U.Braga 等学者在对铝- 硅合金A356 进行的钻削试验中, 比较了MQL 式切削和浇注式切削的加工质

量, 在刀具磨损程度相当的情况下, 采用MQL 法可以获得比浇注法更小的表面

粗糙度。

日本的T.Obibawa 等学者在应用PVD- TiN/AlN 涂层硬质合金刀具精车Inconel718 的实验中, 采用了MQL 式、干式和浇注式三种切削方式, 并对MQL 加工中工艺参数的优化进行了探讨, 比较了不同切削速度( 10ml/s 和15ml/s) 、不同空气压力( 0.4MPa 和0.6MPa) 对刀尖寿命( 以刀尖磨损0.25mm 所切削的时间计算) 和加工表面粗糙度的影响, 结果表明:

( 1) 在低切削速度、低空气压力下, MQL 加工中的表面粗糙度和刀具寿命均优于干切削和浇注式切削;

( 2) 在同一切削速度下, 刀尖的磨损随着空气压力的增大而增加;

( 3) 同一空气压力下, 刀具磨损和工件表面粗糙度随着切削速度的增加而增加, 刀具寿命呈下降趋势。美国的C.Ju 等学者对MQL 在周铣中的加工效果和加工经济性进行了研究, 得到的结论是:MQL 能达到与浇注式相当的切削质量, 与浇注式相比, MQL 可节约20%的制造成本。日本的T.Wakabayashi 等学者在对S55C 碳钢进行的铣削试验中[2], 比较了干式、MQL 式和浇注式铣削的加工效果, 通过对铣削力、表面粗糙度和后刀面磨损测量表明:MQL 加工效果可以达到甚至优于浇注式铣削的加工效果, 而浇注式铣削又优于干式加工效果。

4 MQL 加工中的关键问题

切削加工中润滑的主要目的是为了减小刀具与工件之间的

摩擦系数, 实现润滑的基本原理是在由刀具、工件和切屑所组成

的摩擦副之间形成具有润滑作用的润滑膜。在切削过程中, 刀-

屑和刀- 工件接触面间承受高温高压作用, 切削液的润滑效果

主要与切削液的性质、数量、切削参数、工件刀具材料和环境等

因素有关。要成功实施MQL 技术, 关键在于以下几点。

4.1 切削液用量的确定

MQL 技术是在保证有效润滑的前提下, 尽可能减少切削液的用量。因此, 切削液用量的确定是MQL 中的核心问题。据研究[5],切削过程中的润滑属于边界润滑, 边界润滑的效果与润滑油量密切相关。如图3 所示, 当润滑油量很少时, 首先在整个表面上形成单分子吸附层, 使表面自由能达到最低。随后, 油量增加吸附膜厚度均匀增加, 吸附膜形状如图3 中A 所示。以后, 自由能降低将依靠减少吸附膜的表面积, 所以油量继续增加, 油表面构成图中的B。当油量充足时, 润滑油将充满粗糙峰谷而图中的C。由此可知: 润滑油量在A 与C 之间时, 粗糙峰顶处的油膜厚度维持不变, 而摩擦只是在峰顶, 所以油量不影响摩擦系数的取值。此