钴领微润滑技术介绍及应用前景

　　微润滑技术——MQL(MinimalQuantity Lubrication) 是在压缩气体中混入微量的无公害油雾，代替大量切削液对切削点实施冷却润滑。MQL 是一种有效的绿色制造技术，切削液以高速雾粒供给，增加了润滑剂的渗透性，提高了冷却润滑效果，改善了工件的表面加工质量；使用切削液的量仅为传统切削液用量的万分之一，从而大大降低了冷却液成本，使切削区域外的刀具、工件和切屑保持干燥，避免了处理废液的难题；MQL 可以根据工况规定润滑的最佳浓度，而且消除了切削液中悬浮的硅粒子污染，改善了工人的工作环境；MQL 系统简单、占地小，易于安装在各种类型的机床上。

　　微润滑机理

　　加工过程中，刀具和金属接触表面产生高温，在传统切削液的冷却作用下，高热固体金属会急速冷却产生淬火效应，金属表面会产生淬火马氏体组织，使金属变硬的同时脆性增强。由于淬火效应与温差成正比， 而提高切削速度会使温度更高，故提高速度将产生更强的淬火效应导致刀具寿命降低。

　　微量润滑系统中润滑剂是以微米级雾粒进给，不会产生淬火效应。在by Xu Hanguang 刀具没有过热的情况下，切削速度提高，工件切削层的破裂点会提前出现，也即切削破裂点将远离刀尖，使得破裂点的高温难于传给刀尖。切削热集中在工件及切屑上，刀具唯一的热源只有和切屑的接触点，切削速度提高亦会使切屑易于弯曲并以高速离开工件及刀具，从而有效减少切屑传导切削热的时间。此外，适宜的高温可以软化切削工件的表面，减小切削力，更易于切削。

　　微润滑技术的关键问题

　　微润滑Minimum QuantityLubrication (MQL) 或近似干切NearDry Machining (NDM)。就是用少量液态的润滑油或乳化液使之雾化后和压缩空气混合后喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的冷却润滑。润滑材料的消耗量通常在(5-100)ml/min，并大多采用对环境无公害的润滑材料。

　　雾化的程度取决于油和水的比例和颗粒的大小，一般水的含量高且颗粒小的雾化的程度要好。

　　微量润滑的主要作用是润滑，借此起到减小摩擦、降低切削热和改善切屑的流动。

　　为何采用微润滑?

　　微润滑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、防止粘刀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 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式切削时，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。

　　另外，MQL 还具有设备占地少，加工过程利于观察等特点。

　　MQL 的应用优势明显，适用范围广阔，国内外关于MQL 的研究包含了几乎所有的切削工艺，如钻削、铣削、车削和磨削等。

　　MQL 可以保证更好的刀具寿命，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( 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、排屑等。

　　MQL 油雾系统

　　微润滑MQL 的系统结构主要由油雾供给系统、喷嘴和润滑油三部分构成。

　　微润滑系统的方案选择

　　微润滑技术主要包括气雾外部润滑和气雾内部冷却两种方式。

　　气雾外部润滑方式：将切削液送人高压喷射系统并与气体混合雾化，然后通过一个或多头喷嘴将雾滴尺寸达毫、微米级的气雾喷射到加工刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；气雾内冷却方式：通过主轴和刀具中的孔道直接将冷却气雾送至切削区域， 进行冷却和润滑。

　　微润滑系统的方案选择

　　外部润滑系统一般由空气压缩机、油泵、控制阀、喷嘴及管路附件组成，集成后的系统成本低廉，质量轻，可以方便地安装在机床上。不过，由于喷嘴的方位对润滑效果影响显著，需要确定喷嘴的最佳位置及喷射角度；外部润滑的雾粒很难进入深孔钻削的加工区域，所以对于深孔加工冷却润滑效果不好；外部润滑的雾粒颗粒小，容易四处飞散，对工作环境会有一定影响，所以需要有配套的防护设施。

　　内部润滑系统通过主轴和刀具内部通道供给润滑剂，可以直接到达加工区域，润滑充分，一般效果会好于外部润滑。但内部润滑系统也有缺点：机床主轴和工具系统的结构变得复杂，甚至会影响整台机床的工作性能；当主轴转速过高时受离心力作用影响，切削液易粘附在主轴和工具的内孔壁，不易达到切削区，目前使用内部MQL 技术的机床主轴转速一般不超过20 000—30 000 r ／ min ； 加工过程中切屑易堵塞喷口，严重影响润滑效果；内部润滑系统需重点考虑雾粒生成装置，生成雾粒的直径必须足够小，才能减小惯性及重力的影响，使雾粒保持悬浮状态，从而顺利通过内部通道。

　　对于微量切削液的传输雾化，也有2 种形式：

　　一种是单通道，这种形式需要一个单独的雾化装置，然后把雾化好的液滴和压缩空气的混合物，通过一个通道传输到喷嘴；另一种为双通道，不需要单独的雾化装置，通过两个通道，里面小通道为微量切削液，外部大通道为压缩空气，在靠近喷嘴处( 雾化区) 或微润滑系统的方案选择利用喷嘴进行雾化，进而喷射到切削区。

　　与双通道系统相比，单通道系统更便于制造，但在输送润滑油雾时，特别是在具有强烈离心作用下的旋转主轴中时，油雾会被分离，这常导致加工区油雾不均匀，使加工质量变差。

机床主轴转速是选择单，双通道的决定因素之一：

　　单通道系统：油和气在通过机床主轴之前混合，故机床转速最高允许为16000rpm。因为转速越高产生的离心力也越大，会导致已混合好的油气再次分离。

　　双通道系统：机床转速最高允许为40000rpm。

　　换刀频率是选择单，双通道时要考虑的另外一个因素：

　　单通道系统：油雾需要较长的传输时间才能从喷雾合成器经由机床主轴而到达刀具切削部位。双通道系统：油雾可在瞬间喷出，只需约0。1~0。3 秒。( 这样换刀时等待的时间短，油浪费也少，更节省成本)

　　当然，单通道系统在MQL 与湿式加工相互转化时较为方便，因为单通道系统是将混合油气直接输入到旋转分配器后就进入内冷管中了。而单通道系统则不可以。

　　为了充分发挥MQL 的应用优势，寻求经济、生态和加工性能三方面的应用最佳平衡点，必须全面研究影响MQL 应用性能的各种因素。MQL 切削加工工艺系统受到大量影响因素的交互作用，工艺模型异常复杂。

　　不同工艺、不同刀具、不同工件材料和不同MQL 工艺系统设置( 包括油雾供给和混合方式、油雾供给方向、喷嘴距离、润滑油性质、润滑油用量、压缩空气压力MQL 的影响因素所表现出的切削加工性能有非常明显的差异。

　　由此可见，MQL 工艺系统对切削加工性能的影响最大，其次是加工条件，如工件材料、刀具系统以及切削参数等。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。

　　大量研究结果已证实，在对钛合金、淬硬钢、高温合金和不锈钢等材料的切削加工应用中，与使用干式切削和湿法切削相比，MQL 也表现出了良好的切削性能，正确合理的使用MQL 能有效提高刀具耐用度，改善工件已加工表面质量。

　　由于常规的MQL 技术在高速切削难加工材料时，切削区温度过高会使刀具表面的润滑膜失去润滑效果，采用有效的降温手段可进一步提高MQL 的效果。如果能大幅降低现有压缩空气的温度，则一方面可以提高切削区换热的强度，改善换热效果；另一方面，换热效果的提高又可以使润滑液滴在刀具表面形成的润滑膜进一步保持MQL 的切削加工性能润滑能力，从而提高刀具的耐用度。如果将MQL 与氮气结合使用，MQL 能表现更好的切削性能，这主要是由于氮气的隔氧作用。

　　高速干切削加工从根本上解决了切削液带来的弊端，不仅有利于工人的健康和环境的保护，而且可以降低加工成本，无疑是一种很有发展前途的绿色加工工艺。但应用领域受到一定的限制。微量润滑技术是一种有效的绿色制造技术，在润滑、除屑等方面具有突出优势，低温MQL 技术作为一种方便应用机械加工现场的新型冷却润滑技术，在钛合金、高温合金以及高硬度材等难加工材料的高速加工中具有优异的性能，可以在目前工艺装备的基础上进一步提高难加工材料的加工率和加工质量。

　　MQL 对机床的要求

　　微润滑的冷却效果一般不理想，加工区域产生的高温引起了各种负面作用：高温的切屑对操作者很危险；工件受温度影响会产生预硬化或变形；机床、支柱和刀具的受热膨胀会导致结构尺寸发生变化，影响加工质量。鉴于此，机床整体应设计成可实现温度补偿的对称结构( 如德国Hueller Hille 公司制造的SpechtS00t型干式加工中心，采用的是完全热对称结构)，也可采用辅助的冷却设备，如液氮冷却、二氧化碳冷却等方式降低切削区的温度。微量润滑切削后的废屑带有大量热，机床内一般应设计排出废屑传送带。使用外部润滑系统的机床，结构易于布置，安装时应注意不妨碍其它部件的工作。

　　对于内部润滑系统来说，切削液是以悬浮粒子的形式喷射至加工区域，而悬浮粒子的自由流动情况是传输性能的关键，在机床结构设计时应包含主轴至刀具的过渡段，过渡段路径必须有利于润滑剂流动，人口处需满足密封效果，且不能影响主轴旋转的精度；出口位置需确保润滑剂达到刀具的切削刃。

　　MQL 对刀具的要求

　　对于外喷法MQL 系统，润滑剂吸收的热量很少，多数热量一部分被切屑带走，一部分被刀具吸收，所以对刀具的性能提出了更高的要求：

　　首先，刀具应有优异的耐高温性能，因此需要新型的刀具材料或刀具热防护硬表面涂层。

　　其次， 切屑和刀具之间的摩擦系数要小，最好是在刀具硬涂层的顶面有一层润滑膜，以减少刃口产生积屑瘤。

　　第三，由于加工刀具切削刃承受极大的机械应力和热应力，因此对刃口硬度、抗冲击韧性要求更高，刀具几何参数及切削用量的选取要合理，并有利于迅速排屑，减少热量堆积。

　　对于内喷法MQL 系统中的刀具来说：

　　首先，应根据MQL 系统设计相应的刀具内部通道，并重新设计刀具结构参数。

　　其次，刀具应设计相应的油雾人口及出口，人口处需利于雾粒通过，出口处需做好切屑的防护，否则飞溅的切屑容易破坏润滑剂出口。

　　MQL 对润滑剂的要求

　　在切削区高温高压条件下，形成流体润滑状态是不可能的，大多数情况下只能形成边界润滑状态，此时需要的润滑剂的量极少，所以润滑性能的优劣取决于润滑膜的形成速度和保护润滑膜的能力。通常要求润滑膜形成快，表面附着系数高，能够抑制刀具与切屑和刀具与工件接触面之问的粘结，又能耐压和耐热，而其本身的剪切强度应远远低于工件或切屑材料的剪切强度，使得摩擦产生在润滑层内部，从而降低切削中的摩擦，减小切削力和切削温度。当然，润滑剂的环保型、安全性和可再生性是选择的首要条件。

　　润滑剂的量是切削性能的重要影响因素之一，不同的加工方式需要润滑剂的量亦不同。例如，铣削是一种表面操作，它需要最少量润滑，而深孔钻削需要的润滑剂量比较多。发生装置产生油雾颗粒的大小及喷射方位也即雾液分布对加工性能也有一定的影响，而形成雾粒的大小和润滑剂组成、压力、风速及喷孔直径有关，所以设计系统时，相关参数( 雾粒的均匀性、雾粒直径、喷射方位、润滑剂的量等) 的控制是很重要的一个方面。

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