微量润滑切削技术分析
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微量润滑技术是一种有效的绿色制造技术,在润滑、除屑等方面具有突出优势,低温MQL技术作为一种方便应用机械加工现场的新型冷却润滑技术,在钛合金、高温合金以及高硬度材等难加工材料的高速加工中具有优异的性能,可以在目前工艺装备的基础上进一步提高难加工材料的加工率和加工质量。
在金属切削加工过程中,通常都要使用切削液。切削液在切削加工中主要起冷却、润滑、排屑和防锈的作用,有助于提高刀具耐用度,减少工件热变形,保证工件已加工表面质量等。但是切削液的大量使用也造成了很多负面影响,不仅导致生产成本大大增加,还给环境和人体健康带来了巨大的潜在危害。
高速切削是高性能加工的一种主要工艺技术,已经广泛应用于航空、模具、汽车等行业。由于机床主轴高速回转(8000~60000r/min)会在刀具周围产生离心高速、高压气流,依靠常规加大切削液流量、降低切削温升的办法已不能达到理想的效果。采用有效的冷却润滑条件,可以有效降低切削温度,改善切削摩擦状态,抑制刀具磨损,成为进一步提高加工效率的主要技术途径。与此同时,在金属切削加工领域涌现出了多种用于替代传统湿式冷却润滑加工方法的环境友好的新型绿色切削加工技术,如干式、液氮冷却、喷雾冷却、风冷和微量润滑切削等。

微量润滑切削

微量润滑(Minimal Quantity Lubrication,MQL)切削是指将压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油混合汽化后,形成微米级的液滴,喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法。切削液的用量一般仅为0.03~0.2L/h(传统湿法切削的用量为20~100L/min),可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦,防止粘结,延长刀具寿命,提高加工表面质量。MQL的应用优势明显,适用范围广阔,国内外关于MQL的研究包含了几乎所有的切削工艺,如钻削、铣削、车削和磨削等。
MQL技术融合了干式切削与传统湿式切削两者的优点:一方面,MQL将切削液的用量降低到极微量的程度,不仅显著降低切削液的使用成本,而且通过使用自然降解性高的合成酯类作为润滑剂,最大限度地降低了切削液对环境和人体的危害;另一方面,与干式切削相比,MQL由于引入了冷却润滑介质,使得切削过程的冷却润滑条件大大改善,刀具、工件和切屑之间的磨损显著减小,有助于降低切削力、切削温度和刀具的磨损。这种切削技术也称为半干式切削,在二十一世纪以绿色环保为主题的影响下有着很大前景。

MQL油雾系统

图1是Accu-Lube和Vogel的MQL的系统结构图。主要由油雾供给系统、喷嘴和润滑油三部分构成。

1.储液罐 2.控制阀 3.调压阀 4.电磁脉冲 5.空气流量调节旋钮 6.润滑剂流量调节旋钮 7.金属箱 8.固定装置 9.进气孔 10.输出管道 11.喷嘴
(a)Accu-Lube

1.储液罐 2.润滑剂流量控制按扭 3.电磁脉冲 4.微量泵 5.空气流量调节旋钮 6.出气口 7.喷嘴
(b) Vogel
图1 常见的MQL油雾装置


(a)外置式

(b)内置式
图2 MQL供液系统

MQL的供液系统

MQL供液系统主要有2种形式:一种是外置式供液系统;一种是内置式。内置式供液系统集成在机床内部,润滑油和压缩空气的混合物通过机床主轴内孔和刀具内置的输送管道导入加工区,冷却润滑油雾供给更加容易。但该方式对主轴结构提出了新的要求,常常限制了主轴的最高转数。外置式供液系统是单独设计,油雾供给的结构简单,几乎不需要改造机床。润滑油和压缩空气在机床外部通过混合装置混合后可由多个喷嘴引出,作用于加工区的刀具和工件。但是当加工的工件直径变化较大或换刀时,原来喷嘴的位置必须经过手动或通过其他的辅助定位系统的校正,来实现喷嘴轴向、径向和角度的正确定位。外部式油雾供给中,对特定的加工方法(如钻削)还存在工艺上的困难。采用目前技术,润滑油雾在加工区最多只能实现长径比约2~3的润滑。深孔构件的铣削也存在相似的问题。
对于微量切削液的传输雾化,也有2种形式(如图2所示):一种是单通道,这种形式需要一个单独的雾化装置,然后把雾化好的液滴和压缩空气的混合物,通过一个通道传输到喷嘴;另一种为双通道,不需要单独的雾化装置,通过两个通道,里面小通道为微量切削液,外部大通道为压缩空气,在靠近喷嘴处(雾化区)或利用喷嘴进行雾化,进而喷射到切削区。与双通道系统相比,单通道系统更便于制造,但在输送润滑油雾时,特别是在具有强烈离心作用下的旋转主轴中时,油雾会被分散,这常导致加工区油雾不均匀,使加工质量变差。

MQL的润滑油

为了尽量减小对环境和人体的影响,MQL中使用的润滑油,不能再采用那些含有大量有毒添加剂成分的传统切削液,作为MQL切削加工用切削液,其绿色润滑剂的基础油有合成酯、植物性切削油、聚α-烯烃(PAO)和聚乙二醇等。而常采用生物降解性高的合成酯和油脂。虽然植物油也具有很好的生物降解性,但其在高的切削温度下,在工件、刀具和上有树脂化的趋势,切削性能也不理想,因此基本不使用。
此外,润滑油雾中油滴颗粒的大小和聚集度对加工区刀具和工件接触表面的润滑效果有影响。油滴大小的影响因素一般包括压缩空气的压力、润滑油用量和喷嘴距离。在同等气压下,随着润滑油用量和喷嘴距离的增加,油滴变大,速度减小。在润滑油用量相等时,随着气压的增大,液滴变小,速度增大。因此,颗粒较大的油滴速度低,在传输中由于自身重力更容易发生偏离,导致加工区不能充分供油,影响润滑效果。
通常油滴的粒径一般控制在2μm以下。油滴颗粒的聚集度主要依赖于润滑油的用量和性质、压缩空气的用量、以及喷嘴的结构。

MQL的影响因素

为了充分发挥MQL的应用优势,寻求经济、生态和加工性能三方面的应用最佳平衡点,必须全面研究影响MQL应用性能的各种因素。MQL切削加工工艺系统受到大量影响因素的交互作用,工艺模型异常复杂。不同工艺、不同刀具、不同工件材料和不同MQL工艺系统设置(包括油雾供给和混合方式、油雾供给方向、喷嘴距离、润滑油性质、润滑油用量、压缩空气压力等)所表现出的切削加工性能有非常明显的差异。
由此可见,MQL工艺系统对切削加工性能的影响最大,其次是加工条件,如工件材料、刀具系统以及切削参数等。

MQL的切削加工性能

大量研究结果已证实,在对钛合金、淬硬钢、高温合金和不锈钢等材料的切削加工应用中,与使用干式切削和湿法切削相比,MQL表现出了良好的切削性能,正确合理的使用MQL能有效提高刀具耐用度,改善工件已加工表面质量。
由于常规的MQL技术在高速切削难加工材料时,切削区温度过高会使刀具表面的润滑膜失去润滑效果,采用有效的降温手段可进一步提高MQL的效果。如果能大幅降低现有压缩空气的温度,则一方面可以提高切削区换热的强度,改善换热效果;另一方面,换热效果的提高又可以使润滑液滴在刀具表面形成的润滑膜进一步保持润滑能力,从而提高刀具的耐用度。如果将MQL与氮气结合使用,MQL能表现更好的切削性能,这主要是由于氮气的隔氧作用。
高速干切削加工从根本上解决了切削液带来的弊端,不仅有利于工人的健康和环境的保护,而且可以降低加工成本,无疑是一种很有发展前途的绿色加工工艺。但应用领域受到一定的限制。微量润滑技术是一种有效的绿色制造技术,在润滑、除屑等方面具有突出优势,低温MQL技术作为一种方便应用机械加工现场的新型冷却润滑技术,在钛合金、高温合金以及高硬度材等难加工材料的高速加工中具有优异的性能,可以在目前工艺装备的基础上进一步提高难加工材料的加工率和加工质量。
本文作者:南京航空航天大学 何宁 李亮 戚宝运
原载:机电商报专刊《金属切削》2008年11月号
上载于:2010-3-1 13:54:53

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