MQL 加工技术(微量润滑加工技术)
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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。
此时, 一旦峰顶的油膜破坏, 峰谷的油依靠自由能减少的趋势迅速补充峰顶, 使峰顶油膜得到恢复; 而当油膜只能达到A 或者更少时, 由于油膜很薄难以流动, 峰顶油膜破坏后的不到补充油量, 于是产生干摩擦。
当油量超过C 以后, 摩擦系数将不稳定。
由此可见, 对切削区进行有效润滑, 并不是切削液越多越好,而是存在一定的量值范围。
量值范围与切削液的性质、摩擦副的材料属性、表面粗糙度等因素有关。
MQL 技术就是将有限量的切削液以细小雾滴的形式均匀的展布在加工区, 从而达到不浪费切削液, 而又保证有效润滑的目的。
4.2 切削液的渗透切削液能否充分地发挥润滑作用, 其渗透能力强弱是一个重要的因素。
在浇注式切削中, 切削液渗透效率不高, 特别是在高速加工中效率更低。
在MQL 加工中, 细小雾滴状的切削液在一定压力的气流作用下以较高的速度和动能射向切削区, 渗透性大大增强, 其渗透性与具体的切削参数( 切削速度、进给量和切削深度) 、雾滴密度、雾滴速度、雾滴大小、喷雾方向等多种因素有关。
当压力过小, 速度过低时, 切削液受旋转工件或刀具周围的空气阻力影响无法到达切削区; 当压力过大, 速度过高时,雾滴冲击切削区过猛或在切削点反弹, 不能有效地吸附在切削区。
仅当上述多种因素满足一定的协调关系时, 雾滴才能地很好地渗透到切削区并附着在加工点上, 形成有效的润滑膜。
4.3 切削工艺参数的优化在切削过程中, 切削液要起到有效的润滑作用, 切削液所形成的边界膜必须保持一定的温度。
边界膜的强度受切削区的温度、载荷、化学变化多种因素影响。
当切削区的压力、温度、摩擦副的相对运动速度超过了一定的范围, 则边界膜不断磨损、破裂并脱落, 润滑失效, 摩擦副处于无润滑的干切削状态。
因此, 要保证润滑的有效性, 必须使切削区的温度、压力控制在一定的范围内, 而切削区的温度、压力反过来又受到切削液的冷却润滑效果、工艺参数的选取的影响, 这也就是说切削区的温度、压力与切削液的冷却润滑效果、切削参数的选取相互牵连, 相互制约。
由此可见, 要取得良好的切削效果, 工艺参数的优化十分重要。
5 尚待解决的主要问题与发展趋势MQL 技术是对传统浇注式切削生产方式的一种革命性变革, 它作为一项新的加工方法, 正得到越来越广泛的重视。
虽然国内外学者作了大量的研究, 取得了一系列的成果, 但仍存在一些问题有待于进一步探索和解决。
