削减冷却液

秦迪

' }* v4 d1 y+ u' u3 A越来越多的加工车间正在寻找在加工时降低冷却液用量的方法，采用空气/油雾-最小量润滑(MQL)-或不用润滑剂的干式加工。可提供非常惊人的经济与生态益处。但是，这些技术的优点与局限性必须与合适应用及切削要求符合时才能得以成功应用。
( C! r+ U8 f! ]2 M  a. h减少润滑油
7 \% e; }2 Q, S+ c最少量润滑，或称准干式润滑，是将最少量切削液与空气混合成为气雾，以提供控制润滑，减少切削边缘区的摩擦。
: j0 O8 B  H: P6 eMQL概念是大约15年前为了解决下述几方面问题而提出的即与各加工车间空气中浮游的切削液颗粒有关的环境侵害及职业危害问题。切削液的管理，此技术减少了购买切削液的需求及废切削液的处理成本。
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涡流管将热空气与加工车间气流隔开，输送冷空气，用于切削区的干式冷却。
此外，减少了工件、刀具及机床的清洗次数。气雾差不多在加工过程中全部用完，因此，工件、刀具及机床仍然保持干燥。加工车间采用MQL技术加工部件，切屑干净、干燥，可以立即回收利用。MQL混合系统输送准确数量的气雾，将气雾的液滴直径控制到特定的公差，保持最佳湿润与润滑。MQL流体的流速为30ml/hr～500ml/hr——比泛流冷却的用量低许多数量级。在泛流冷却中，消耗的冷却液用量多达10升/分钟。例如，如果MQL气雾内的润滑油液滴设定为0.1µm～1µm，则冷却液用量不到50ml/hr。
/ ?( l0 @* K2 z虽然某些MQL技术供应商宣称，此技术可采用任何切削液，但是，大多数加工车间都采用高度精制的植物油或酣类润滑油。这些高性能的油脂具有非材出色的润滑性与自然溶解特性，而且，它们还是环保型的产品。
' V! J6 H) A! h2 H7 n" y. H  {' l此外，植物仙类切削液不会挥发，在气雾中采用它们来冷却切削，能够稳定受控地移除热量。这有助于将刀具的温度保持稳定，消除刀具热震的可能性。在要求使用硬质合金刀具的应用中，这一点非常重要，因为水基冷却液通过水的蒸发移除大量热，迅速移除切削时产生的大量热将会使硬质合金刀具发生热震，并引起硬质合金刀具内钴粘合剂的分解。
) x- G4 v6 B6 e& x& @' q+ \5 F0 ~将MQL气雾输送到冷却区有两种方法。第一种是依靠外部MQL供应系统，其中空气与油通过喷嘴混合与输送至切削处。此系统成本低廉，可将现有机床改造成MQL。它不需要对机床或控制进行大量改造。然而，在某些应用中，使用这种MQL输送系统存在一些缺点，例如，在深钻孔中，很难将润滑空气/油雾输送至刀具/工件界面。另一个实例是带自动换刀装置的机床MQL输送系统所用的外部设备及其喷嘴，会干扰换刀装置。
$ m  x1 W7 j1 {4 t7 Z& q7 k$ a设计采用MQL的机床具有内部供应系统，通过主轴将空气与油输送至刀具。其中一种类型是配备一个空气/油混合室，通过内主轴管直接将气雾输送至刀具。刀具内的管道将气雾输送至切削区。在主轴速度高时，离心力会将气雾中的油滴甩到主轴管的外壁上，这样、无法将最佳量的空气/油气雾输送至刀具。
7 x! c7 M0 \4 O, [为了克服这一点，另一种设计是通过周围空气管道内的中心管、使油通过主轴。空气与油在刀具附近的室内混合，因为空气/油气雾只在小段距离受主轴旋转的影响，刀具尖端的排出反应据说得到了改善。通过机床刀具直接进行润滑油预先设置，这两种设计都精确控制每个刀具的润滑油排出量。而且，内部MQL系统没有外部装置，不会对其它设备造成干扰。
0 J4 J+ J1 q: p9 X0 f# r内部输送MQL系统的刀具需要特别考虑。通过刀具输送气雾的通道必须设计为方向突然改变尽可能少。这对大直径刀具来说颇具挑战性，囚为大直径刀具中的气雾流动必须改变方向，以到达其外径与切削区。
* w7 I/ s3 {  S2 f' F0 c干切削
完全干式切削，或即采用压缩空气用于冷却，是硬化不锈钢部件加工的普通工业方法。
; J2 L6 e( _( `& T' Y在这些应用中，产生大量的热，冷压缩空气的冷却效应减少了热震发生的机会。虽然干切削产生的温度一般比采用湿切削的要高，但是，在干式加工周期中，温度的变化较低，刀具切削边缘的热应力亦较低。
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' w! l9 z$ j1 r1 m在铣周期中，湿切削的温度变化比干切削大，导致刀具边缘产生热应力。
0 O: O# w: i! g# p2 n4 k想消除使用、回收及再利用切削液的成本及棘手问题的加工车间，并非是干加工的唯一对象。刀具材料暴露于不稳定热负载下的操作也应该考虑采用此工艺。带涂层的硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼(CBN)及多晶金刚石(PCD)非常脆，受到热应力易碎裂或断裂。表面产生的热应力——这一点在硬质合金刀具的车、铣操作中尤其严重。例如，在铣操作中，刀具进入与离开工件时，刀具切边受热与冷却。两者之间的温差导致快速而重复地发生热膨胀与收缩，这些波动会产生疲劳。最终会在垂直于刀具边缘的地方形成象梳子一样的热开裂，从而开始损坏刀具。
, V, b# I9 U  }+ y3 \( T% V7 }湿法切削的优点和缺点
/ g% O! l7 c& G0 ?0 j1 c5 r切削液——冷却液与润滑油配方——在加工中起到以下几方面的作用：从切削点移除切屑；清洁刀具与工件：为工件与机床提供防腐保护；粘住灰尘与切削中产生的微屑；冷却刀具与工件；减少刀具磨损；改善切削精度。此外，切削液的润滑能力可减少摩擦，延长刀具寿命，减少碎屑在切刀边缘积聚，改善工件表面加工质量切削液也有一些缺点。对某些个人来说，它们可能引发过敏反应、呼吸系统刺激，甚至中毒与感染。此外，它们的价格昂贵，废液处理成本高。美国职业安全与健康研究所规定金属加工液气雾浓度的允许接触水平是0.5mg/cu-m。而采用传统的泛流冷却与润滑方法，汽车部件制造厂的油雾水平估计是20～90mg/cu-m。这两年来，切削液的购买、管理与废液处理的成本已大幅上升。例如，汽车工业最近的一项调查显示，冷却液的成本占总生产成本的20%，相比之下，刀具的成本占7.5%。目前，废冷却液的处理成本己超过了冷却液本身的成本，而且正在增加。因此，各加工车间都被某些应用中减少切削液用量的技术所吸引，即使采用这些技术会稍微缩短刀具的使用寿命。
1 h* q9 ]# i3 O特殊涂料
刀具涂料在保护切边不受热量与应力作用方面亦起着十分重要的作用。在干加工中，将特殊工程涂料系统与富钴区基材结合，开发了一种坚韧的表面与坚硬的内层。此种涂料特别厚——20µm——通过结合传统与介质温度化学气相沉积工艺，可产生多层。在生产这些涂料的过程中，第一层碳氮化钛提供所需的对基材的粘附。然后，增加第二层耐磨碳氮化钛，帮助控制侧面与刀口磨损。最后，顶层氮化钛提供防积聚边缘，使其更易于确定刀片上的磨损。
文章关键词： 刀具