張春燕 王貴成 裴宏杰 沈春根

摘要:為保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,最小量潤滑技術(shù)MQL(Minimum Quantity Lubrication)應(yīng)運(yùn)而生。文章探討了MQL的作用原理和MQL的特點(diǎn),分析了MQL的應(yīng)用效果,指出了MQL是21世紀(jì)高新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。

關(guān)鍵詞:MQL技術(shù);最小量潤滑;高新技術(shù)

中圖分類號(hào):TG156文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)21-0005-02

在傳統(tǒng)的機(jī)械制造過程中,人們?yōu)榱私档颓邢鳒囟?、延長刀具使用壽命、改善加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率,通常澆注大量的切削液。切削液在給人們帶來利益的同時(shí),也帶來了一系列的負(fù)面影響,主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面:首先,切削液會(huì)造成環(huán)境污染,切削液在使用過程中揮發(fā)、飛濺及滲漏會(huì)造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化,使用完的切削液如未經(jīng)處理或處理不當(dāng)直接排放會(huì)污染水、土壤和空氣,影響動(dòng)植物的生長,破壞生態(tài)環(huán)境;其次,切削液的購買、管理、使用、處理及廢棄排放需消耗大量的能源和資源;再次,危害工人健康。目前廣泛使用的切削液或多或少都含有對(duì)人體有害的化學(xué)成分,例如亞硝酸鹽、鉻酸鹽、氯化合物等。在高速或重載切削條件下,切削液破碎、汽化或發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成煙霧,釋放有害氣體和油霧,使得車間內(nèi)空氣污濁,引發(fā)操作工人肺部與呼吸道的多種疾病,甚至是癌癥。面對(duì)降低成本,改善條件和保護(hù)環(huán)境的要求,“綠色切削”越來越受到人們的青睞,其中最小量潤滑技術(shù)MQL應(yīng)用最為廣泛,是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。

一、MQL技術(shù)的作用原理和特點(diǎn)

MQL切削技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是利用噴嘴將壓縮空氣和微量的環(huán)保型切削液混合霧化后噴射到加工區(qū),對(duì)加工區(qū)提供精確量的懸浮微粒,即懸浮微粒的直徑被保持到精確公差范圍內(nèi)以保持最佳潤濕和潤滑屬性,對(duì)刀具和工件進(jìn)行潤滑冷卻,減小刀具和工件之間的摩擦,抑制溫升,提高切削性能,如圖1所示。MQL加工技術(shù),具有一系列優(yōu)越性:(1)MQL技術(shù)所使用的切削液用量極少,一般為0.03～0.2L/h,而一臺(tái)典型的加工中心在進(jìn)行傳統(tǒng)澆注式切削時(shí),切削液用量高達(dá)20～100L/min,為MQL切削液用量的幾萬倍左右;(2)MQL技術(shù)所使用的切削液為環(huán)保型切削液,減少對(duì)人員和環(huán)境的危害;(3)切屑上幾乎無油,清潔和干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可以回收使用,不會(huì)污染環(huán)境。加工后的工件上附著的油很少,簡化工件清洗工序,或大幅度延長清洗劑的壽命;(4)省去消耗大量能耗的冷卻循環(huán)系統(tǒng);(5)不需要切削液管理;(6)安裝方便;(7)提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。綜合考慮加工成本、生產(chǎn)效率、環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)者健康等方面,MQL是一種綜合優(yōu)化的切削加工方法。

二、MQL技術(shù)的研究和應(yīng)用

20世紀(jì)90年代,美國W·Donald等學(xué)者對(duì)切削加工中有關(guān)切削液的適量問題進(jìn)行了研究,在滿足加工要求的條件下,對(duì)切削液的濃度、工件材料、刀具類型等進(jìn)行觀察,并對(duì)切削力、刀具磨損和表面粗糙度進(jìn)行分析,得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧?。近十幾年?在各國學(xué)者和工程師的努力下,MQL技術(shù)得到了深入的研究和廣泛應(yīng)用:

巴西的Durval U.Braga等學(xué)者對(duì)鋁-硅合金A356進(jìn)行了鉆削試驗(yàn),比較傳統(tǒng)澆注式切削(切削液:濃度4%的乳化液,流量:2.4m3/h)和MQL切削(切削液:礦物油,流量:10mL/h,空氣壓力/流量:4.5×105Pa/72m3h-1)的加工效果。MQL可以獲得比傳統(tǒng)澆注式切削更小的表面粗糙度,相同的刀具壽命。

ELID(Electrolytic In-process Dressing)是一種超精密鏡面磨削技術(shù),日本的Y.Pan等學(xué)者為了減少磨削液對(duì)環(huán)境污染的影響,將MQL技術(shù)應(yīng)用于ELID磨削中(磨削液流量:49mL/min,

27mL/min,6.4mL/min,空氣壓力:0.2MPa)。結(jié)果表明,通過MQL可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定環(huán)保的ELID磨削。

美國的C.Ju等學(xué)者對(duì)MQL的加工經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究,與傳統(tǒng)澆注式切削相比,MQL可節(jié)約20%的制造成本。

在傳統(tǒng)鉆削鋁-鈦多層復(fù)合板時(shí),由于鉆削切屑的摩擦磨損作用,會(huì)導(dǎo)致鋁板孔呈喇叭形,質(zhì)量難以保證。我國王成勇等學(xué)者將最小潤滑技術(shù)應(yīng)用于鉆削多層復(fù)合板,結(jié)果表明,MQL技術(shù)能保證孔的加工質(zhì)量。

三、MQL技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)

(一)MQL噴霧系統(tǒng)

要進(jìn)行MQL切削加工,其前提是配置相應(yīng)的MQL切削液噴霧裝置,簡單地說,就是精密控制切削液量的噴液裝置。目前世界上主要應(yīng)用兩種供液系統(tǒng),每種系統(tǒng)分別有兩種形式,如圖2所示。(1)外置式供液系統(tǒng):將切削液送入高壓噴射系統(tǒng)并與氣體混合霧化,然后通過噴嘴將霧滴尺寸達(dá)微米級(jí)的氣霧連續(xù)不斷地噴射到切削區(qū),對(duì)刀具進(jìn)行冷卻和潤滑;(2)內(nèi)置式供液系統(tǒng):通過主軸和刀具中的孔道直接將冷卻氣霧送至切削區(qū)域,進(jìn)行冷卻和潤滑。根據(jù)加工需要,可將兩種冷卻潤滑方式配合使用,以獲得最佳冷卻潤滑效果。

在應(yīng)用外置式供液系統(tǒng)時(shí),切削液霧滴性質(zhì)隨噴嘴與切削區(qū)方位、距離的不同而不同,進(jìn)而影響切削加工質(zhì)量。從噴嘴中噴出后的切削液霧滴顆粒在運(yùn)行到切削區(qū)的過程中受到氣體宏觀流動(dòng)和湍流脈動(dòng)的強(qiáng)烈影響,從而不斷地與周圍流場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換,使得其運(yùn)行速度和顆粒大小不斷地發(fā)生變化。如果噴嘴對(duì)準(zhǔn)前刀面,霧滴逆著切屑流動(dòng)的方向注入,滲透效果不佳。如果噴嘴對(duì)準(zhǔn)后刀面,會(huì)受到后刀面處負(fù)壓區(qū)氣流場(chǎng)的卷吸作用,使切削液進(jìn)入切削區(qū)較為容易。如果噴嘴對(duì)準(zhǔn)刀刃兩側(cè),會(huì)受到切削區(qū)周圍氣流場(chǎng)的有利載入作用,也可以取得良好的加工效果。因此,在實(shí)際切削加工過程中,噴嘴通常應(yīng)位于后刀面或刀具側(cè)面處。此外,噴嘴距切削區(qū)的距離也是影響加工效果的一個(gè)重要因素,霧滴從噴嘴噴出后到達(dá)切削區(qū),與刀具、工作接觸,出現(xiàn)噴霧撞壁現(xiàn)象。如果噴嘴距切削區(qū)距離過短,霧滴撞壁速度過高,則易反彈,不利于滲透,如果距離過長,霧滴撞壁速度過低,不能沖破切削區(qū)周圍氣流場(chǎng)的阻礙,也不利其進(jìn)行切削區(qū)。只有距離恰當(dāng)時(shí),霧滴的速度和大小適中,切削液才能沉積在壁面進(jìn)而滲透,才能起到良好的冷卻潤滑效果。

當(dāng)鉆削、鉸孔和攻絲等長度/直徑比較大時(shí),使用內(nèi)置式供液系統(tǒng)比較合適。不管刀具的位置如何,刀刃上不斷有切削液的供給。正因?yàn)槿绱?內(nèi)置式供液系統(tǒng)適用于不同尺寸的刀具。在深孔鉆削中,大的長度/直徑比使內(nèi)置式供液系統(tǒng)成為絕對(duì)必要。但是當(dāng)?shù)毒呋蚬ぜD(zhuǎn)速較高時(shí),切削液霧滴易粘在管壁上,并不能到達(dá)切削點(diǎn)。此時(shí),可采用雙管道系統(tǒng)或?qū)⒅鬏S內(nèi)霧液通道改為非回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),以抑制離心力的作用。

(二)MQL切削液

應(yīng)用于MQL加工的切削液與傳統(tǒng)澆注式加工的切削液有著本質(zhì)的不同,MQL中所使用的切削液除了應(yīng)具備傳統(tǒng)切削液的冷卻、潤滑、清洗、防銹等功能外,還應(yīng)具備無毒、不傷害操作者、不污染環(huán)境及不容易腐敗變質(zhì)等性能。其可生物降解性、氧化安定性、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、冷卻潤滑性等指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)切削液。目前MQL切削加工中常用的切削液為合成酯和植物油。

(三)切削液的最佳用量

應(yīng)用MQL技術(shù)是在保證有效潤滑的前提下,盡可能減少切削液的用量,提高切削液利用的有效性。因此,切削液用量的確定是MQL技術(shù)中的核心問題。切削過程中的潤滑屬于邊界潤滑,邊界潤滑的效果與潤滑油量密切相關(guān)。對(duì)切削區(qū)進(jìn)行有效潤滑,并不是切削液越多越好,而是存在一定的量值范圍,目前在實(shí)際應(yīng)用通常切削液用量通常選為0.03～0.2L/h。

(四)切削用量

在切削過程中,切削液要起到有效的潤滑作用,切削液所形成的邊界膜必須保持一定的溫度。邊界膜的強(qiáng)度受切削區(qū)的溫度、載荷、化學(xué)變化多種因素影響。當(dāng)切削區(qū)的壓力、溫度、摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過了一定的范圍,則邊界膜不斷磨損、破裂并脫落,潤滑失效,摩擦副處于無潤滑的干切削狀態(tài)。因此,要保證潤滑的有效性,必須使切削區(qū)的溫度、壓力控制在一定的范圍內(nèi),而切削區(qū)的溫度、壓力反過來又受到切削液的冷卻潤滑效果、工藝參數(shù)的選取的影響,這也就是說切削區(qū)的溫度、壓力與切削液的冷卻潤滑效果、切削參數(shù)的選取相互牽連,相互制約。由此可見,要取得良好的切削效果,切削用量的選擇十分重要。實(shí)驗(yàn)研究表明:在MQL中,較高的切削速度,較低的進(jìn)給速度,較小的切削深度有利于良好的表面質(zhì)量。

四、結(jié)語

MQL技術(shù)可以用極微量的切削液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的需澆注大量切削液的澆注式切削,減少與切削液相關(guān)的費(fèi)用和工藝,保護(hù)環(huán)境和工人健康,實(shí)現(xiàn)綠色加工,它將是現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一,在制造業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(基金編號(hào):50675088),江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):BK2006077),高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(基金項(xiàng)目:KXJ05019)。

作者簡介:張春燕(1976-),女,湖北黃岡人,常熟理工學(xué)院機(jī)械工程系講師,研究方向:高新機(jī)械制造技術(shù)。