绿色切削中的MQL技术（下）

HEATS · 发表于 2010-9-12 10:15:28

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　　普通钢件的MQL切削

　　以30ml/h的植物油用量铣削S45C钢时，在切速为750m/min以下情况下，相比传统浇注切削，MQL对抑制刀具磨损是十分有利的。在750m/min时，逐渐加大植物油用量至30ml/h，发现刀具磨损状况随着用量的增大而改善，若继续增加植物油用量，对抑制刀具磨损却没有更多帮助。另外在750m/min以上切速时，刀具磨损迅速加剧，MQL的效果不甚理想。

　　以8.5ml/h的BP CILORA 128(粘度较高)切削液用量铣削ASSAB 718 HH钢时，在低速、低进给、低切深情况下，相比传统浇注切削，MQL技术大大降低了切削力，减少了后刀面磨损，改善了已加工表面质量，避免了切屑中的集中热应力，减小了毛刺重量和长度。

　　以9.6ml/h的某种水溶性油用量普通速度车削S45C钢时，MQL在抑制刀具磨损、改善表面粗糙度、控制积屑瘤生成方面达到和传统浇注切削相同的水平。若采用含有极压剂的切削液，更能有效地延长刀具磨损。

　　以200ml/h的某种水溶性油用量普通速度车削中碳钢时，结果表明，在低速、高进给情况下，MQL相比浇注切削要好。它不仅降低了切削力和进给力，也减少了切削力的变化幅度，从而减少了刀具在切削时由于振动而造成的磨损。已加工表面质量得到了改善，切屑的厚度也比浇注切削下的切屑厚度大。

　　以MQL技术和涂层刀具相结合，能够取得最好的使用效果。当使用高速钢涂层钻头加工X90GrMoV18合金钢时，加工直径8.5mm、长25mm的通孔，切速为30m/min，进给速度为0.1mm/r。当用TiAlN涂层高速钢钻头进行纯粹干钻削时，钻3.5m的切削长度后钻头便被损坏；采用(TiAlN+MoS2)复合涂层钻头和最小润滑时，钻削长度增加到115m。

　　钛合金、高硅铝合金及不锈钢等难加工材料的MQL切削

　　以MQL技术高速切削钛合金的实验中，刀具发生严重剥落及切屑变色。说明微量润滑高速切削难加工材料钛合金与传统浇注切削相比还是有一定差距的。

　　以MQL结合低温风冷技术切削加工高硅铝合金零件和不锈钢的实验结果表明，这种方法能延长刀具的使用寿命，能抑制积屑瘤的产生，提高加工表面精度，可省去废液和废液处理系统，降低生产成本，防止环境污染。

　　以MQL结合水雾(冷却)的复合喷雾润滑冷却方法连续车削不锈钢的实验结果表明，这种方法能在切削区润滑困难的连续切削中有效发挥作用，可提高已加工表面质量并减少工具磨损。而且可以通过改变喷雾中油雾和水雾的用量随时调整润滑和冷却效果。

　　3 MQL的实际应用

　　目前，MQL技术的加工对象主要是铸铁、钢和铝合金上进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削和铝合金的端面铣削等。

　　美国的Tbyssen公司将润滑系统集成在主轴中，其流量由CNC程序控制，该单元在6.5s时间内可钻削10个直径8mm、中心距为20mm的孔，每小时使用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少，因此处理费用大幅降低。

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　　a.汽车制造业b.汽车配件业c.机床制造业d.手工业e.其他工业f.高速加工铣床g.加工中心h.专机i.普遍机床k.其它机床

　　图1微量润滑的应用状况

　　在德国，MQL装置近几年来每年有15000套的市场(如图1)，而且还将进一步增加。MQL与新型刀具的结合使用也方兴未艾。可以预测，在未来两三年内，德国制造的加工中心中将有5%用MQL与润滑性涂层刀具相结合来取代浇注式冷却。

　　4 MQL的环境及经济性能评价

　　在许多金属加工中，油类的润滑剂被激烈搅动后在车间空气中形成污染的油气雾，润滑剂中的添加剂、微生物和其他成分雾化后也同样可能被操作者吸入体内，对人体的呼吸系统、消化系统造成危害，甚至可能致癌；另外油雾还会在厂房上部形成一层粘附物，给日常保养带来麻烦。因此，对不同加工方法造成的空气油雾微粒浓度的研究是十分必要的。

　　传统浇注法与MQL所造成的空气中油雾微粒浓度是不同的。美国Cicinati大学和Techsolve.Inc.公司的联合研究项目进行了MQL和浇注切削下产生的空气油雾微粒浓度对比实验，在Tongil TNV-80CNC立式加工中心上分别以11ml/min和6.5l/min的用量对AISI/SAE 4340钢件进行了钻削和铣削。结果表明，在较低的切削速度和金属切除率下MQL法造成的空气中油雾微粒生成率(每分钟产生的微粒量)在钻削时是传统浇注法的340～3300倍；而在铣削时则是其100～140倍。在较高速度及金属切除率下，这个比值会更大。

　　另外，不同切削液的油雾微粒生成率也是不同的。同等条件下，纯合成液的油雾微粒生成率远远高于水溶性切削液，甚至使得车间空气油雾浓度超过当前美国OSHA(Occupational Safety and HealthAdministration)和NIOSH(National Institute forOccupational Safety and Health)规定的标准。

　　MQL相比传统浇注切削方式能够大大减少切削液的用量，避免了废液的处理，降低了加工成本(包括切削液的购买费用、储存费用及废液处理费用等)，而且在某些条件下能获得相等甚至更好的加工性能。它标志着人们在摆脱传统浇注切削加工的道路上迈出了关键性的一步。但是它也面临着自身固有的挑战，即在人们免除了传统切削液所造成的臭味、细菌和酶菌等损害健康的因素的同时，却造成了加工区油雾微粒浓度迅速增加，同样对环境及健康造成了不利的影响。另外由于较高的油雾微粒生成量，使得采用MQL加工方法的机床上必须具有封闭、抽吸通风以及空气清新设施，给MQL加工带来了附加的成本。

　　5 MQL尚待深入研究的问题

　　MQL作用机理方面的研究

　　当前的实验研究主要是针对某几种材料、几种不同的加工方法的研究，得出的只是局部的结论，需要更进一步探讨MQL切削时油膜的均匀性、渗透性和润滑冷却性能的规律以及工件、刀具和切屑在不同的加工方法、切削用量下本质变化的内在规律。

　　MQL润滑液输送方位、出口压力以及油雾用量的最优化

　　一般来讲，内喷法相比外喷法更能对加工区进行迅速有效的润滑，特别适合于封闭式加工，但刀具结构较复杂。对于外喷法，油泵输出的油量、喷嘴喷出的油量与实际输送到刀具上起润滑作用的油量是不同的。不同的喷嘴方位对刀具磨损的影响是比较显著的。铣削加工中最有效地喷嘴方位是油雾出口正对着刀具切出点。这三者的不同参数用量组合对于提高加工性能、降低生产成本，利于环境保护的整体效果而言有一个最优化的问题，需要做进一步深入研究。

　　高速切削难加工材料时MQL与新型刀具、低温风冷技术和水雾冷却技术结合使用的研究

　　MQL方法能够提供和浇注切削相当甚至更好的润滑性能，但其冷却效果却不尽人意。高速切削难加工材料时产生的大量热量不能及时散去，使得切削温度迅速升高，导致润滑剂润滑性能剧烈下降，加工性能变差。因此，MQL技术结合新型刀具及冷却性能强的低温风冷和水雾冷却技术的深入研究对于难加工材料的高速加工具有重大的意义。

　　加工参数对油雾微粒生成率的影响

　　加工参数如切速、切深、刀具材料、刀具几何形状、工件材料等都会对油雾生成率造成影响。比如在较高的切速下，会产生较高的切削温度，从而加速切削液的蒸发，导致较高的空气油雾浓度。

　　MQL油雾发生装置的设计研究

　　加工区不同方位油雾浓度测量结果显示:空气中油雾微粒产生的一个重要来源不是加工过程，而是输送油雾到加工区的传送过程。目前绝大多数的MQL装置都是采用压缩空气来作为油雾传送载体的，因此下一步研究的重点将会集中于微量油雾传送单元的设计上。另外发生装置产生油雾颗粒的大小及分布对加工性能也有一定的影响。

　　油雾颗粒的安全性及防护技术研究

　　加工中产生的油雾颗粒越小，就越容易飘散到空中，被人体吸入。已有的控制颗粒大小的方法之一为添加微量聚合物，如丙烯酸酯或聚异丁烯等，使其与油雾微滴相结合形成较大、较重的颗粒，不易扩散到空中。对于MQL方法来说，深入研究其产生油雾颗粒的大小和分布，控制其大小和浓度的措施以及开发排放油雾装备的防护技术对于其在绿色、经济加工道路上的发展有较大的意义。

　　6小结

　　绿色切削研究过程中所涌现出来的众多技术均是对传统生产方式的一种重大创新。作为这些技术中的重要分支之一，MQL可以大大减少摩擦，抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量，使用润滑液很少，效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。MQL由于其自身的优越性必将得到更加广泛的重视和推广。

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