微量潤(rùn)滑（MQL）高速切削加工工藝技術(shù)介紹

　　高速切削是高性能加工的一種主要工藝技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、模具、 汽車等行業(yè)。由于機(jī)床主軸高速回轉(zhuǎn)(8000～60000r/min)會(huì)在刀具周圍產(chǎn)生離心高速、高壓氣流，依靠常規(guī)加大切削液流量、降低切削溫升的辦法 已不能達(dá)到理想的效果。采用有效的冷卻潤(rùn)滑條件，可以有效降低切削溫度，改善切削摩擦狀態(tài)，抑制刀具磨損，成為進(jìn)一步提高加工效率的主要技術(shù)途徑。與此同 時(shí)，在金屬切削加工領(lǐng)域涌現(xiàn)出了多種用于替代傳統(tǒng)濕式冷卻潤(rùn)滑加工方法的環(huán)境友好的新型綠色切削加工技術(shù)，如干式、液氮冷卻、噴霧冷卻、風(fēng)冷和微量潤(rùn)滑切 削等。

　　微量潤(rùn)滑切削

　　微量潤(rùn)滑(Minimal Quantity Lubrication，MQL)切削是指將壓縮氣體(空氣、氮?dú)狻⒍趸嫉?與極微量的潤(rùn)滑油混合汽化后，形成微米級(jí)的液滴，噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤(rùn) 滑的一種切削加工方法。切削液的用量一般僅為0.03～0.2L/h(傳統(tǒng)濕法切削的用量為20～100L/min)，可有效減小刀具與工件、刀具與切屑 之間的摩擦，防止粘結(jié)，延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工表面質(zhì)量。MQL的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，適用范圍廣闊，國(guó)內(nèi)外關(guān)于MQL的研究包含了幾乎所有的切削工藝，如鉆 削、銑削、車削和磨削等。

　　MQL技術(shù)融合了干式切削與傳統(tǒng)濕式切削兩者的優(yōu)點(diǎn)：一方面，MQL將切削液的用量降低到極微量的程度，不僅顯著降低切削液的使用成本，而且通 過(guò)使用自然降解性高的合成酯類作為潤(rùn)滑劑，最大限度地降低了切削液對(duì)環(huán)境和人體的危害；另一方面，與干式切削相比，MQL由于引入了冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)，使得切 削過(guò)程的冷卻潤(rùn)滑條件大大改善，刀具、工件和切屑之間的磨損顯著減小，有助于降低切削力、切削溫度和刀具的磨損。這種切削技術(shù)也稱為半干式切削，在二十一 世紀(jì)以綠色環(huán)保為主題的影響下有著很大前景。

　　MQL油霧系統(tǒng)

　　MQL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由油霧供給系統(tǒng)、噴嘴和潤(rùn)滑油三部分構(gòu)成。

　　MQL的供液系統(tǒng)

　　MQL供液系統(tǒng)主要有2種形式：一種是外置式供液系統(tǒng)；一種是內(nèi)置式。內(nèi)置式供液系統(tǒng)集成在機(jī)床內(nèi)部，潤(rùn)滑油和壓縮空氣的混合物通過(guò)機(jī)床主軸內(nèi) 孔和刀具內(nèi)置的輸送管道導(dǎo)入加工區(qū)，冷卻潤(rùn)滑油霧供給更加容易。但該方式對(duì)主軸結(jié)構(gòu)提出了新的要求，常常限制了主軸的最高轉(zhuǎn)數(shù)。外置式供液系統(tǒng)是單獨(dú)設(shè) 計(jì)，油霧供給的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎不需要改造機(jī)床。潤(rùn)滑油和壓縮空氣在機(jī)床外部通過(guò)混合裝置混合后可由多個(gè)噴嘴引出，作用于加工區(qū)的刀具和工件。但是當(dāng)加工的 工件直徑變化較大或換刀時(shí)，原來(lái)噴嘴的位置必須經(jīng)過(guò)手動(dòng)或通過(guò)其他的輔助定位系統(tǒng)的校正，來(lái)實(shí)現(xiàn)噴嘴軸向、徑向和角度的正確定位。外部式油霧供給中，對(duì)特 定的加工方法(如鉆削)還存在工藝上的困難。采用目前技術(shù)，潤(rùn)滑油霧在加工區(qū)最多只能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)徑比約2～3的潤(rùn)滑。深孔構(gòu)件的銑削也存在相似的問題。

　　對(duì)于微量切削液的傳輸霧化，也有2種形式：一種是單通道，這種形式需要一個(gè)單獨(dú)的霧化裝置，然后把霧化好的液滴和壓縮空氣的混合物，通過(guò)一個(gè)通 道傳輸?shù)絿娮欤涣硪环N為雙通道，不需要單獨(dú)的霧化裝置，通過(guò)兩個(gè)通道，里面小通道為微量切削液，外部大通道為壓縮空氣，在靠近噴嘴處(霧化區(qū))或利用噴嘴 進(jìn)行霧化，進(jìn)而噴射到切削區(qū)。與雙通道系統(tǒng)相比，單通道系統(tǒng)更便于制造，但在輸送潤(rùn)滑油霧時(shí)，特別是在具有強(qiáng)烈離心作用下的旋轉(zhuǎn)主軸中時(shí)，油霧會(huì)被分散， 這常導(dǎo)致加工區(qū)油霧不均勻，使加工質(zhì)量變差。

　　MQL的潤(rùn)滑油

　　為了盡量減小對(duì)環(huán)境和人體的影響，MQL中使用的潤(rùn)滑油，不能再采用那些含有大量有毒添加劑成分的傳統(tǒng)切削液，作為MQL切削加工用切削液，其 綠色潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油有合成酯、植物性切削油、聚α-烯烴(PAO)和聚乙二醇等。而常采用生物降解性高的合成酯和油脂。雖然植物油也具有很好的生物降解 性，但其在高的切削溫度下，在工件、刀具和上有樹脂化的趨勢(shì)，切削性能也不理想，因此基本不使用。

　　此外，潤(rùn)滑油霧中油滴顆粒的大小和聚集度對(duì)加工區(qū)刀具和工件接觸表面的潤(rùn)滑效果有影響。油滴大小的影響因素一般包括壓縮空氣的壓力、潤(rùn)滑油用量 和噴嘴距離。在同等氣壓下，隨著潤(rùn)滑油用量和噴嘴距離的增加，油滴變大，速度減小。在潤(rùn)滑油用量相等時(shí)，隨著氣壓的增大，液滴變小，速度增大。因此，顆粒 較大的油滴速度低，在傳輸中由于自身重力更容易發(fā)生偏離，導(dǎo)致加工區(qū)不能充分供油，影響潤(rùn)滑效果。

　　通常油滴的粒徑一般控制在2μm以下。油滴顆粒的聚集度主要依賴于潤(rùn)滑油的用量和性質(zhì)、壓縮空氣的用量、以及噴嘴的結(jié)構(gòu)。

　　MQL的影響因素

　　為了充分發(fā)揮MQL的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，尋求經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和加工性能三方面的應(yīng)用最佳平衡點(diǎn)，必須全面研究影響MQL應(yīng)用性能的各種因素。MQL切削加工 工藝系統(tǒng)受到大量影響因素的交互作用，工藝模型異常復(fù)雜。不同工藝、不同刀具、不同工件材料和不同MQL工藝系統(tǒng)設(shè)置(包括油霧供給和混合方式、油霧供給 方向、噴嘴距離、潤(rùn)滑油性質(zhì)、潤(rùn)滑油用量、壓縮空氣壓力等)所表現(xiàn)出的切削加工性能有非常明顯的差異。

　　由此可見，MQL工藝系統(tǒng)對(duì)切削加工性能的影響最大，其次是加工條件，如工件材料、刀具系統(tǒng)以及切削參數(shù)等。

　　MQL的切削加工性能

　　大量研究結(jié)果已證實(shí)，在對(duì)鈦合金、淬硬鋼、高溫合金和不銹鋼等材料的切削加工應(yīng)用中，與使用干式切削和濕法切削相比，MQL表現(xiàn)出了良好的切削性能，正確合理的使用MQL能有效提高刀具耐用度，改善工件已加工表面質(zhì)量。

　　由于常規(guī)的MQL技術(shù)在高速切削難加工材料時(shí)，切削區(qū)溫度過(guò)高會(huì)使刀具表面的潤(rùn)滑膜失去潤(rùn)滑效果，采用有效的降溫手段可進(jìn)一步提高M(jìn)QL的效 果。如果能大幅降低現(xiàn)有壓縮空氣的溫度，則一方面可以提高切削區(qū)換熱的強(qiáng)度，改善換熱效果；另一方面，換熱效果的提高又可以使?jié)櫥旱卧诘毒弑砻嫘纬傻臐?rùn) 滑膜進(jìn)一步保持潤(rùn)滑能力，從而提高刀具的耐用度。如果將MQL與氮?dú)饨Y(jié)合使用，MQL能表現(xiàn)更好的切削性能，這主要是由于氮?dú)獾母粞踝饔谩?/p>

　　高速干切削加工從根本上解決了切削液帶來(lái)的弊端,不僅有利于工人的健康和環(huán)境的保護(hù),而且可以降低加工成本,無(wú)疑是一種很有發(fā)展前途的綠色加工 工藝。但應(yīng)用領(lǐng)域受到一定的限制。微量潤(rùn)滑技術(shù)是一種有效的綠色制造技術(shù)，在潤(rùn)滑、除屑等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，低溫MQL技術(shù)作為一種方便應(yīng)用機(jī)械加工現(xiàn)場(chǎng) 的新型冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，在鈦合金、高溫合金以及高硬度材等難加工材料的高速加工中具有優(yōu)異的性能，可以在目前工藝裝備的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高難加工材料的加工率 和加工質(zhì)量