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对MQL“最少量润滑剂”加工的理解 |
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作者：Cross Huller公司 Ron Quaile |
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我们一直都通过在散热器中填充冷却液而保持轿车冷却。在制造业中也适合实施同样的预处理，其中经常采用冷却液来解决机床、刀具和工件热稳定性问题，同时还用它来排屑。但是冷却液是否对每个加工过程都一样是必须的？
在一个加工过程的寿命周期操作成本中，冷却液成本大约占15%。这种成本不断上升。它包括与采购、过滤、分离、处置以及EPA(美国环保局)记录保存等有关的成本。冷却液处置的成本已经高出其初始成本，并且这种成本还在继续上升。对于冷却液的使用、处置和劳动保护，人们正在酝酿甚至更加严格的法规。因此，湿式加工中的冷却液是一个严峻的经济问题。一种可选项，即采用“最少量润滑剂”加工，或称MQL，正作为一种节省成本和符合环保要求的选项而替代某些湿加工过程。
MQL可以大大降低冷却液成本，同时保护工人和环境。它还可以改善刀具寿命和表面粗糙度 — 尽管刀具寿命通常是应用湿加工方式所考虑的原因。MQL可以保证更好的寿命，原因有二:(1)对于给定操作可以规定润滑的最佳浓度，(2)消除切削液中悬浮的硅粒子污染。
MQL加工过程适合铸铁，也适合铝加工。存在的挑战(所有都在下面介绍)包括精密控制润滑剂混合系统、维持热稳定性、选择合适的切削刀具和排屑等。
润滑剂的控制
对所配置的润滑剂量进行控制是很重要的，因为不同的过程需要不同的润滑量。例如，铣削是一种表面操作，它需要最少量润滑。深孔钻削是一种需要不同润滑水准的操作。而对于攻丝和螺纹切削操作需要第三等级的润滑，因为其表面压力高。
MQL混合系统的目的是提供精确量的悬浮微粒。也就是说，悬浮微粒的直径被保持到精确公差范围内以保持最佳加湿和润滑属性。在针对MQL设计的机床中，润滑性可以用零件程序中改变悬浮微粒的量和持续时间的参数加以控制。早期以这种方式采用油气混合物的尝试失败了，因为在高速情况下会出现油气分离现象。但是，新的系统已经被证明在维持润滑性方面如湿加工一样有效。一个实例是Cross Hüller的“Specht Duo”，一种建造用于湿式或MQL操作的两主轴CNC生产模块，其中带有精密分配系统。这种分配系统被集成在电主轴外罩中。
在设计采用MQL的机床中，分配系统集成在主轴中。
由CNC程序来控制提供精密润滑剂量的分配阀。润滑剂与空气混合以形成所需要的气/油悬浮粒子混合物。然后，它通过刀具中的导管进给到切削刃上。由于悬浮粒子的产生点和切削面之间距离短，因此可以对特定加工过程和切削刀具实现和维持最佳冷却和润滑条件。当主轴从一个加工孔位置快移到另一个时，悬浮粒子关闭。这就避免了在工件和机床表面的油积聚现象，减少了操作员清理机床的必要性。由于用MQL系统产生的切屑基本保持干燥，消除了费时又费钱的冷却液回收操作。
硅污染
除了控制润滑性外，MQL还通过消除悬浮在冷却液中的磨蚀性硅粒子而提高了刀具寿命和表面粗糙度。铝工件包括大约13%的硅，这种硅会降低刀具寿命和导致表面粗糙度很差。微细铝/硅粒子有可能悬浮在湿的加工冷却液中。尽管过滤系统滤掉了40 mm的粒子，但小于40 mm的粒子会穿过系统而与冷却液一起重新循环。
MQL的热稳定性
在应用MQL时，维护热稳定性和零件公差的策略包括减少引发的热量以及对热增长的补偿等。
热的控制是MQL中需要考虑的一个重要方面，该过程可能需要重新设计以实现这一点。当用MQL方式加工图示转向节时，在加工前先对零件进行隔离直到它充分冷却为止。
通过改变加工工序的顺序可以减少热效应。在湿加工操作中，零件通常是先粗加工然后精加工。槽和腔体的粗加工，连同螺纹和攻丝工序都是在过程的早期进行的，然后进行精加工。但是在MQL加工中，粗加工被减少到使零件疲劳的程度。在零件热处理前进行精加工。一般地，具有紧密定位公差的轴承孔和榫钉孔将在过程的较早阶段进行精加工。然后，其他在完成精加工后进行的工序不受热侵蚀的影响，诸如钻削和攻丝等。
有一种相关的MQL策略是隔离来料直至其温度稳定为止。铝轮转向节的加工过程提供了这方面一个实例。对于该过程，零件直接来自一个邻近的铸造厂。用一个温度测头测量来件的温度。如果温度太高，则零件排队隔离，直至它们足够冷却适合加工为止。一旦转向节达到了所需要的温度，就用机器人将它们装到机床中进行切削操作。
如果库存量太小，不好隔离零件，则可选方式是对某特定零件开发一个专有温度补偿算法。之所以需要零件特定算法是因为复杂的零件在加热后可能不会均匀膨胀。在一个实例中，对一个汽缸头进行了人工加热以确定它的膨胀情况。从该试验开发了一个检查表，并将它包含在零件程序中。基于由测头测定的温度，在所加工的特征所处的位置上进行了自动补偿。
切削刀具
用于铣削、钻削、攻丝、精加工凸轮孔和精加工阀座及导杆的MQL过程都需要在切削刀具中带有润滑导管。借助该导管，零件程序所规定的悬浮粒子润滑剂可以达到刀具的切削刃上。
随着悬浮粒子被泵入刀具的导管中，任何通道直径的突然变化或者盲端都将阻止悬浮粒子的自由流动。悬浮粒子将对自己重新分级为较大的油珠，从而失去悬浮粒子的润滑性。
因此，MQL加工中使用的切削刀具必须包括一个过渡段来支持MQL从主轴往刀具的流动。导管的路径(其分支以及方向的变化)必须有利于润滑剂流动，而导管出口的位置要确保润滑剂到达了刀具的切削刃上。
排屑
存在大量不用冷却液而高效排屑的技术。例如，带陡角的不锈钢切屑排出装置可以消除切屑巢现象；真空系统可以回收细雾和灰尘；切屑传送器可以将切屑从机床上排出。机床的污染采用一个响应性的混合系统加以控制。这样就可以免掉人工清理粘在机床壁上切屑的必要。
MQL的实施
免掉加工中冷却液产生了与热、刀具寿命以及排屑等相关的挑战，但是某些系统和策略却可以满足这些挑战的需要。不用冷却液的散热需要采用不同的方式来处理零件。还需要采用润滑剂导管的非标刀具(以及高性能涂层和耐热材料)。同时还必须采用排屑系统。
此外，MQL的最佳实施需要利用适当设计的机床。这样的一台机床可以允许使用如在湿式加工过程中相同的进给速度和转速。刀具寿命与湿式加工的一样。只要油的混合和分配得到了精确控制，零件质量就如湿式加工过程中的一样好甚至要更好。在最后的分析中，MQL加工提供了一种经济上和生态上合理的、替代传统湿式加工过程的方式。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/11/2005) |
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