绿色切削中的微量润滑技术.doc

绿色切削中的微量润滑技术摘要：综述了MQL(微量润滑)技术的国内外研究现状，提出了MQL技术进一步推广应注意的关键性问题。探讨了MQL技术的发展趋势，指出绿色制造技术已经取得了一定进展，微量润滑技术也因为其环保特性逐渐被认可。1 微量润滑(MQL)技术 当前，环境、资源、人口成为世界面临的三大主要问题，全球环境的恶化程度与日剧增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。制造业在将制造资源转变为产品的过程中产生大量废弃物，形成制造业对环境的主要污染源。由于制造业量大面广，因而对环境的总体影响很大。可以说，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。随着人类环保意识的提高以及各国陆续推出的各项切削液的限制政策，“绿色制造技术”、“环境无害技术”、“清洁生产”、“工业生态学”等既可满足生产需要，又合理使用资源的名词日益引起人们的重视。制造过程的绿色化，也成为当今各国竞相研究的焦点。 微量润滑技术MQL(Minimal Quantity Lubrication)是在压缩气体中混入微量的无公害油雾，代替大量切削液对切削点实施冷却润滑。MQL是一种有效的绿色制造技术，切削液以高速雾粒供给，增加了润滑剂的渗透性，提高了冷却润滑效果，改善了工件的表面加工质量；使用切削液的量仅为传统切削液用量的万分之一，从而大大降低了冷却液成本，使切削区域外的刀具、工件和切屑保持干燥，避免了处理废液的难题；MQL可以根据工况规定润滑的最佳浓度，而且消除了切削液中悬浮的硅粒子污染，改善了工人的工作环境；MQL系统简单、占地小，易于安装在各种类型的机床上。 2 微量润滑技术的作用机理 机械加工过程中，刀具和金属接触表面会产生高温，而在传统切削液的冷却作用下，高热固体金属会急速冷化产生淬火效应，金属表面会产生淬火马氏体组织，使金属变硬的同时脆性增强。由于淬火反应的强烈程度与温差成正比，而提高生产速度会使刀具温度更高，所以提高生产速度将产生强的淬火效应导致刀具寿命降低。 微量润滑系统中润滑剂是以微米级雾粒进给，不会产生淬火效应。在刀具没有过热的情况下，切削速度提高，工件切削层的破裂点会提前出现，也即切削破裂点将远离刀尖，使得破裂点的高温难于传给刀尖。 切削热集中在工件及切屑上，刀具唯一的热源只有和切屑的接触点，切削速度提高亦会使切屑易于弯曲并以高速离开工件及刀具，从而有效减少切屑传导切削热的时间。此外，适宜的高温可以软化切削工件的表面，减小切削力，更易于切削。 对于切削液的渗透机理，有着多种不同的假设。一种比较普遍的观点认为：由于切削区摩擦接触界面上存在着强大的拉压应力和剪切应力，在这些应力的综合作用下，必然会产生微裂纹。根据物理学中的毛细现象原理，微裂纹可以作为毛细管，会把切削液引入摩擦接触区。水蒸气作绿色冷却润滑剂的作用机理及切削试验研究这篇文章对水蒸气作绿色冷却润滑剂的作用机理作了研究，证实了在切屑沿前刀面流出的过程中，前刀面与切屑底面的滑擦和耕犁作用使刀一屑接触区形成了大量的毛细管，通过虹吸作用，使切削液渗透到切削区。同时比较了切削液以流体及蒸气形式的渗透时间，结果表明，切削液以较小直径的雾粒形式可以更迅速渗透至加工表面。微量润滑系统形成的微雾粒大小与蒸气雾粒相当，而且速度高，更利于高速进入毛细管，实现更好的润滑效果。 3 MQL技术的关键问题 最小量润滑技术综合了传统切削和干式切削的优点，得到了研究者们及制造厂家的充分认可，在车、铣 、钻、磨等加工过程中取得了良好的实验效果。相关研究之外，许多企业致力于开发并生产微量润滑系统，如德国lubfix公司，德国福鸟(VOGEL)公司，意大利科诺润滑(Technosystems)公司等。也有许多企业将MQL系统实际应用于生产线并取得了很好的效果。如福特汽车公司已把微量润滑技术应用于汽车动力系统零件的加工；Grob公司作为设备制造商在缸体和变速箱的加工中使用了1个或2个通道的最小量润滑系统；Guehring公司指出，MQL不仅在经济上比一般的湿式加工有优越性，而且还有助于切屑处理，该公司在整体硬质合金钻头上采用MQL取得了明显的效果。 虽然MQL技术已有一定程度的进展，但在该技术逐步推广的过程中，还存在各种各样的问题亟待解决。 3.1 MQL系统的方案选择 最小润滑技术主要包括气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式(图1)。气雾外部润滑方式：将切削液送人高压喷射系统并与气体混合雾化，然后通过一个或多头喷嘴将雾滴尺寸达毫、微米级的气雾喷射到加工刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；气雾内冷却方式：通过主轴和刀具中的孔道直接将冷却气雾送至切削区域，进行冷却和润滑。根据加工需要，可将两种润滑方式配合使用，以获得最佳冷却润滑效果。 图1 MQL系统方案 外部润滑系统一般由空气压缩机、油泵、控制阀、喷嘴及管路附件组成，集成后的系统成本低廉，质量轻，可以方便地安装在机床上。不过，由于喷嘴的方位对润滑效果影响显著，需要确定喷嘴的最佳位置及喷射角度；外部润滑的雾粒很难进入深孔钻削的加工区域，所以对于深孔加工冷却润滑效果不好；外部润滑的雾粒颗粒小，容易四处飞散，对工作环境会有一定影响，所以需要有配套的防护设施。 内部润滑系统通过主轴和刀具内部通道供给润滑剂，可以直接到达加工区域，润滑充分，一般效果会好于外部润滑。但内部润滑系统也有缺点：使机床主轴和工具系统的结构变得复杂，甚至会影响整台机床的工作性能；当主轴转速过高时受离心力作用影响，切削液易粘附在主轴和工具的内孔壁，不易达到切削区，目前使用内部MQL技术的机床主轴转速一般不超过20 00030 000 rmin；加工过程中切屑易堵塞喷口，严重影响润滑效果；内部润滑系统需重点考虑雾粒生成装置，生成雾粒的直径必须足够小，才能避免惯性及重力的影响，使雾粒保持悬浮状态，从而顺利通过内部通道。 32 机床结构的要求 微量润滑的冷却效果一般不理想，加工区域产生的高温引起了各种负面作用：高温的切屑对操作者很危险；工件受温度影响会产生预硬化或变形；机床、支柱和刀具的受热膨胀会导致结构尺寸发生变化，影响加工质量。鉴于此，机床整体应设计成可实现温度补偿的对称结构(如德国Hueller Hille公司制造的SpechtS00t型干式加工中心，采用的是完全热对称结构)，也可采用辅助的冷却设备，如液氮冷却、二氧化碳冷却等方式降低切削区的温度。微量润滑切削后的废屑带有大量热，机床内一般应设计排出废屑传送带。使用外部润滑系统的机床，结构易于布置，安装时应注意不妨碍其它部件的工作。对于内部润滑系统来说，切削液是以悬浮粒子的形式喷射至加工区域，而悬浮粒子的自由流动情况是传输性能的关键，在机床结构设计时应包含主轴至刀具的过渡段，过渡段路径必须有利于润滑剂流动，人口处需满足密封效果，且不能影响主轴旋转的精度；出口位置需确保润滑剂达到刀具的切削刃。 33 刀具的要求 微量润滑的切削过程中，润滑剂吸收的热量很少，多数热量一部分被切屑带走，一部分被刀具吸收，所以对刀具的性能提出了更高的要求。首先，刀具应有优异的耐高温性能，因此需要新型的刀具材料或刀具热防护硬表面涂层。其次，切屑和刀具之间的摩擦系数要小，最好是在刀具硬涂层的顶面有一层润滑膜，以减少刃口产生积屑瘤。第三，由于加工刀具切削刃承受极大的机械应力和热应力，因此对刃口硬度、抗冲击韧性要求更高，刀具几何参数及切削用量的选取要合理，并有利于迅速排屑，减少热量堆积。对于内喷法MQL系统中的刀具来说，首先应根据MQL系统设计相应的刀具内部通道，并重新设计刀具结构参数。其次，刀具应设计相应的油雾人口及出口，人口处需利于雾粒通过，出口处需做好切屑的防护，否则飞溅的切屑容易破坏润滑剂出口。 34 MQL系统中的润滑剂 在切削区高温高压条件下，形成流体润滑状态是不可能的，大多数情况下只能形成边界润滑状态，此时需要的润滑剂的量极少，所以润滑性能的优劣取决于润滑膜的形成速度和保护润滑膜的能力。通常要求润滑膜形成快，表面附着系数高，能够抑制刀具与切屑和刀具与工件接触面之问的粘结，又能耐压和耐热，而其本身的剪切强度应远远低于工件或切屑材料的剪切强度，使得摩擦产生在润滑层内部，从而降低切削中的摩擦，减小切削力和切削温度。当然，润滑剂的环保型、安全性和可再生性是选择的首要条件。 润滑剂的量是切削性能的重要影响因素之一，不同的加工方式需要润滑剂的量亦不同。例如，铣削是一种表面操作，它需要最少量润滑，而深孔钻削需要的润滑剂量比较多。发生装置产生油雾颗粒的大小及喷射方位也即雾液分布对加工性能也有一定的影响，而形成雾粒的大小和润滑剂组成、压