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MQL加工与MS弹簧芯系统 |
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作者：NT工具公司 成泽保广 来源：汽车制造业 |
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近年来，人们在产业废弃物的减少、资源再利用和生产工厂环境对策等几方面所做的工作，都已初见成效，然而就金属加工现场的环境改善工作来说，却还不能令人满意。以ISO14001为代表对环境问题的关注，成为近年来的热门课题。一些大型企业正在推进加工技术的改良，如干式加工、半干式加工正在受到越来越多地关注。
所谓MQL（Minimum Quantity Lubrication，半干式）加工就是用大量的压缩空气和微量的切削油代替切削液，形成喷雾来润滑和冷却切削面的一种方式。切削油的使用量大约是10～100cc/h。目前已经有一些生产线采用了这种方式，并取得了较为明显的效果。
图1 汽车零件加工线的废液处理费
MQL加工的预期效果
在以往的湿加工时，要使用大量的冷却液，从而需要处理大量的废液。冷却液的飞散和在工件上附着等情况会导致其流入周围环境里的量增多，给环境和卫生方面都带来诸多不利影响。而采用MQL加工，由于使用冷却液的量非常少，对环境污染的改善效果相当明显。
另外，湿加工过程中冷却液废液的处理伴随而来的处理成本也决不可轻视。图1所示为某汽车零件生产线的废弃物处理费比例表，可以很清楚地看到冷却液的废液处理费占全部处理费的比例接近40%，而且用于驱动冷却装置泵的电力消耗也很惊人。
图2所示为同一汽车零件生产线的消费电量。冷却液装置相关的电力消耗占全部的30%左右。湿加工时所耗费的冷却液的相关费用，有废液处理费、驱动冷却装置的电费、冷却液的购入成本，初步估算这笔费用将占汽车零件加工成本的3%～6%。由于MQL加工能够大幅度地降低这方面的费用，所以其可以带动加工成本大幅降低。
图2 汽车零件加工线的电力消耗
MQL喷雾发生装置在MQL加工中十分必要。定量比例的压缩空气和切削液在装置内混合产生油雾；雾气从喷雾发生装置送入刀尖时，喷雾量和喷雾颗粒的直径是一个问题。喷雾发生装置的雾化如没有一定量的空气流量，则雾量少，无法生成高浓度的雾气。这并不仅仅是喷雾装置的问题，发生装置和连有冷却管的切削工具等喷雾供给孔的直径如果太小，也无法确保空气的流量，喷雾发生装置将无法生成理想的雾气；而颗粒较大的雾气在运输时，会附着在管道以及主轴的内壁形成液状，使喷雾的损耗变大。
因此，运输中雾气的颗粒直径越小越好。一般情况下，运输中的粒径为4μm 的干雾比较好。另外，运输途中的流速越快，雾气颗粒会变得越大。也就是说，在确保流量的同时又不提高流速是喷雾运输较为合适的方式，但是雾气颗粒并不是越小越好。如前所述，从不易附着在管壁上这点上来讲，颗粒小的喷雾表现较好，但如果在遇到刀具、工件表面时也难于附着的话就会降低润滑效果。所以接近工具、工件表面时使用较易附着的颗粒大的喷雾反而效果更好。
MQL加工的具体化
技术人员要想确认在各种各样的加工条件下MQL加工的可行性，即使清楚MQL的概要，也需要在实际加工测试后进行评估，但可能没有合适的MQL加工设备。此时，如果能在现有的设备上实现MQL加工，则能够很方便地进行测评。只要购入市面上有售的喷雾发生装置安装在机床外部，然后将这个喷雾发生装置和与机床上有关的冷却装置接连起来，使其能够向刀尖供给喷雾，则能够很方便地将MQL加工具体化。如果能够通过使用现有机械设备作事前测评，那么MQL的效果会更加具体化，更加有助于加工现场对这一技术的推广。
MQL加工用MS弹簧芯系统
在MQL加工中最大的问题是深孔加工，特别是在L/D＞5时的孔加工。刃具的崩刃、加工后内径光洁度不佳等都使MQL加工变得困难。原因是在深孔加工时，MQL的喷雾从刀具前端开始供给，从刀尖出来的喷雾会带着切屑一起向孔口处排出，而如果孔较深的话，喷雾可能会在途中被消耗掉，使得孔口处完全无法润滑，从而切屑的流动性变差，切屑堵塞导致加工扭矩增大，同时由于刀具的外周和孔内面之间无润滑的状态引起摩擦扭矩增大，最终导致刀具的崩刃以及加工面的粗糙。
图3 MQL加工用的MS弹簧芯的构造和机能
作为解决这一问题的方法之一，本文特别介绍一种新型MQL加工用MS弹簧芯系统。该弹簧芯系统由NT工具公司最新推出。目前，NT工具公司的产品在中国由力丰工具有限公司独家总代理。该弹簧芯系统的构造和机能见图3，该系统的重点在于其在弹簧芯的内径侧设计了多个喷嘴，正如之前提到的，最初生成并运输的是颗粒小的喷雾，而在喷雾通过弹簧芯内径侧的喷嘴时，喷雾的流速变快、喷雾的颗粒变大、形成容易附着的湿雾。（根据达到一定的流速时，喷雾的颗粒增大的原理）由于湿雾从刃具外周喷出，雾气附着在刀具外周和排屑槽，从而大大提高了润滑性。因此，L/D=5以上深孔入口处也能保证润滑性，从而促进了切屑的流动，防止了孔内径和刀具外周摩擦抵抗的增大。其润滑原理见图4，这种钻孔加工上的问题，在加工铝合金时更容易发生。即使是对铝合金这样切屑排出性差的加工，通过使用MS弹簧芯系统采用MQL加工也可以顺利完成。
图4 用MS弹簧芯做深孔加工时的润滑原理
MS弹簧芯加工案例
使用刀具中心供油的OH弹簧芯、刀具中心和外周同时润滑的MS弹簧芯、泛用的水溶性冷却液内冷这三种冷却方式进行铝合金深孔加工，测定在加工时发生的轴向力和扭矩后进行比较。加工条件是在A2017铝合金上使用5mm的钻头进行无退刀的80mm的深孔加工（L/D=16）。转速N=10 000r/min，进给f=0.44mm，喷雾时使用MQL切削油JOOM CLEAN 150cc/h进行加工。如图5所示，使用MQL-OH弹簧芯加工时随着加工深度变深，轴向力、扭矩都变大。特别是在加工深度超过50mm后，扭矩变得相当高。
图5 切削扭矩、推力的比较
然而，使用MQL-MS弹簧芯对刀具中心和外周两途径同时供给喷雾，从加工开始到80mm深度时，轴向力、扭矩都没有变化。这即使和以往使用较多的刀具中心供给冷却液的加工方式相比，也毫不逊色。
另外一个例子，在SCM415材料上用4mm钻头进行深度为77mm（L/D＞19）的孔加工，使用从钻头刀尖供给喷雾的MS-OH弹簧芯和从钻头刀尖及外周两途径同时供给喷雾的MS弹簧芯来加工，直至钻头折断，来比较两者对刀具寿命的影响。此时的加工条件是，转速N=6 366r/min，进给f=0.15mm，用ecomist植物油29cc/h进行加工，结果见图6。由此可以看出，使用从钻头刀尖和外周两途径同时供给喷雾的MS弹簧芯加工，刀具寿命将是使用普通中心供油弹簧芯的2倍以上。 
图6 OH弹簧芯和MS弹簧芯加工比较
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(7/24/2008) |
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