绿色切削中的MQL技术 - 文章

绿色切削中的MQL技术

作者：南京航空航天大学李新龙何宁李亮

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在机械制造领域，切(磨)削加工中使用的切削液对提高加工效率与加工质量具有重要作用，但切削液在制造、使用、处理和排放的各个时期均会对环境造成严重污染，而在加工过程完成以后，清除零件表面切削液附着物时还会产生所谓的“二次效应”污染。

据统计，切削液的使用成本相当昂贵，把切削液和有关设备的费用、能耗费、处理费、人工费、维修费及材料费加在一起达到了全部制造费用的7%～17%，而全部刀具费用仅为总制造费用的2%～4%。

1996年，国际标准化协会颁布了关于环境管理的ISO14000 系列标准，德国、美国、加拿大和日本等国家也相继制定出更加严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。

面对降低生产成本，改善生产条件和可持续发展对环境保护的要求，更迫于有关法律的压力，合理利用制造资源、废弃物少、环境污染小、可进行良性循环的“绿色制造”技术必将会成为21 世纪制造领域的主要发展趋势。

1 绿色加工技术的原理与特点

人们在寻找替代原有切削液浇注方法的绿色加工技术过程中，进行了多方面有益的尝试，创造出多种具有代表性的切削润滑冷却技术) 生物稳定型切削液、喷雾冷却、液氮冷却、低温风冷切削、MQL及干切削等。从优质、高效、经济以及环保的角度出发，上述各种技术各有其自身的特点和优越性。

1) 生物稳定型切削液

生物稳定型切削液依靠其配方中所含的特定成分来延长使用寿命，当该特定成分的含量降低后(如排放后)就不具有这种抗菌的功能，很容易被生物所分解，对人体和环境基本无害。生物稳定型切削液在国外已形成系列产品，并已推向中国市场，如Mobilcut系列水溶性切削液、德国ARAL系列切削液、英国嘉士多公司的水溶性切削液。

2) 喷雾冷却

喷雾冷却是利用气液两相流体的混合体以高压(3～6 个大气压)雾化的方式喷射到加工区，雾化的质点颗粒在切削区的高温作用下发生相变(汽化)，吸收大量的切削热。高速气流中所携带的细小的雾滴容易渗透到切削接触区，改善了切削液的渗透性，降低了摩擦和摩擦热，润滑作用得以充分发挥。与切屑有关的排屑问题也在不同程度上得以消除。另外还省去了切削液的处理费用，减少了环境污染。喷雾冷却常采用的介质有水、乳化液、植物油及动物油等，其中以乳化液应用最广。

3) 低温风冷切削

低温风冷切削是采用-10～-100℃的冷风强烈冲刷加工区的一种方法。它可以显著均匀地降低加工区、刀具及工件的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量。如果在冷风中供给微量润滑油，则改善效果更加明显。目前常用的介质有空气、氮气(有液氮蒸发后加热到所需温度和常温氮气冷却到所需温度两种方式) 和二氧化碳(干冰蒸发)等。

4) 液氮冷却

液氮冷却加工方法采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工，利用材料的低温脆性，使其在韧性降低、塑性减小的情况下完成切屑和工件的分离。

5) 干切削

干切削是指在切削加工中不使用切削液的工艺方法，它从源头上消除了切削液带来的一系列环境负面效应。

干切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国也最盛行。美国LeBlond Makino公司也已经开发出用陶瓷刀具和CBN刀具对铸铁进行高速干切削的“红月牙”工艺并投入实际生产，取得了良好的经济效益。

实施干切削，并不是简单地停止切削液的使用，必须要对包括机床、工件特别是刀具在内的整个工艺系统进行全面的考虑。目前出现的各种新型刀具(包括采用先进材料的刀具、进行涂层处理的刀具和优化几何参数与结构的刀具) 为干切削的实施提供了有力的保证。刀具材料性质的研究也很有必要，实际上，对于陶瓷刀具来讲，由于干切削降低了热冲击和热疲劳的可能，其加工效果往往优于普通湿切削。

干切削的应用在铸铁材料上比较成功，但其范围还不是很广泛，对钢和难加工材料的干切削也正在研究之中。

6) MQL

MQL技术是将压缩气体与极微量润滑液混合汽化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。在德国，由于人们对它是否同时具有冷却功能还存在意见上的分歧，而分别称之为微量润滑和微量润滑冷却。

MQL可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用，使用的润滑液很少，而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。

MQL法所使用的润滑液用量非常少，一般为0.03～0.2L/h，而一台典型的加工中心在进行湿切削时，切削液用量高达20～100L/min。而且MQL技术只要使用得当，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境，故又称之为准干式切削。

2 MQL的研究现状

实验证明MQL技术在切削液不同种类和用量、不同加工材料、不同刀具、不同加工方法以及不同加工参数下所表现出来的加工性能是有差别的。

1) 铝合金的MQL切削

采用MQL技术高速铣削铝合金时，其刀具寿命可与浇注切削相当。而且在油雾润滑状态下，刀具上的材料粘附很少。

以20ml/h 的植物油用量钻削铝合金的实验结果表明，在低速、低进给情况下，MQL相比浇注切削效果要差一点；在较高切速、较高进给下，MQL的效果要比浇注切削要好。

2) 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。

3) 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。

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。

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

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

1) 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。

2) 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。

3) 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。

4) 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。

5) 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。

6) 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。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/18/2007)


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