高性能切削的低温微量润滑技术

　　引言

　　切削液在金属切削加工过程中起着冷却、润滑、排屑和防锈的作用，有助于提高刀具耐用度，减少工件热变形，保证工件已加工表面质量等。但切削液的大量使用造成了很多负面影响，增加成本，污染环境，危害人体健康等。21 世纪绿色切削技术的出现，如干式、液氮冷却、喷雾冷却、风冷、微量润滑切削(MQL)等，在改善加工性能的基础上同时改善了加工环境，得到了发展与应用。实施绿色切削加工技术既是可持续发展的需要，又是经济性的必然需求。

　　高速切削是高性能加工的一种主要工艺技术，已经广泛应用于航空、模具、汽车等行业。但常规加大切削液流量、降低切削温升的办法已不能达到理想的效果。为了实现高速切削必须采用有效的冷却润滑条件，才能进一步提高加工效率。MQL切削技术在绿色切削的基础上实现了高速切削，因此得到了广泛应用。而低温MQL技术由于它更为显著的冷却润滑作用，大大改善了加工性能，也得到了更多的研究与探索。

　　1 低温MQL的冷却润滑技术

　　微量润滑(MQL)技术主要是将压缩空气与少量润滑油混合后，雾化后形成微米级的液滴，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工区进行润滑。MQL使用极少量的润滑油，可达到良好的冷却润滑效果，有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，降低切削力、切削温度，延长刀具寿命，提高加工表面质量。这种切削方式极大的减少了切削液的用量，通常用量仅为0.03～0.2L/h，而常规传统湿切削时的切削液用量高达20～100L/min。因此大大较小了环境污染，在二十一世纪以绿色环保为主题的影响下有着很大前景。

　　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。通过降低压缩空气的温度，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润滑能力，从而提高刀具的耐用度。

　　由于低温MQL技术需要增加一个低温冷风装置，从而在一定程度上增加了成本。目前，国外已有数家公司(三菱、日立等)生产专门面向切削、磨削加工用的低温冷风发生装置，但其价格较高;国内的一些科研机构(如江苏科技大学、重庆大学等)也进行了冷风发生装置的研究和开发，并取得了一定成果。本课题组在研究各种制冷技术的基础上，采用以半导体制冷为核心、结合蒸气压缩制冷的复合制冷方法研制了一种切削用冷风发生装置，该装置可以获得-30℃的低温冷风，成本较低，且具有制冷速度快、易于实现冷风温度的连续调节、可靠性高等优点，具有广泛应用前景。

　　2 低温冷风发生装置

　　冷源的选择

　　冷源是冷风发生装置的核心，目前用于冷风发生装置的冷源主要有以下几种形式：使用低沸点介质的间接冷却、涡流管直接制冷、空气绝热膨胀直接制冷、蒸气压缩式间接制冷和半导体制冷。它们各有优缺点，其中蒸气压缩式间接制冷是冷风发生装置研制和开发中常用的冷源，但蒸气压缩制冷方式的冷风发生装置制冷时间慢，且难以连续调节冷风温度，特别在需获得更低温度的冷风时，需采用多级蒸气压缩式制冷，增加了装置的复杂程度，增加了维护的难度。半导体制冷是热电效应主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用。帕尔帖效应(PeltierEffect)指电流流过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象。半导体制冷结构简单、成本低廉、可靠性高，调节、控制和维修方便;操作具有可逆性，既可以制冷又可以制热。由于半导体制冷的上述特点，其应用越来越广泛。

　　为提高冷风发生装置的制冷速度和连续调节冷风温度的能力，在分析各种制冷方法特点的基础上提出采用以半导体制冷为核心蒸气压缩式间接制冷辅助的组合制冷来研制冷风发生装置。组合制冷是将单级循环压缩制冷系统与半导体制冷器复叠在一起，循环压缩制冷作为第一个制冷级，进一步冷却由热电制冷器实现。此时，半导体制冷器热端的散热量，被循环压缩制冷系统中的蒸发器产生的冷量抵消，达到降低半导体热端温度的目的。可见，组合制冷具有制冷温差大，制冷系数高、冷端温度低、制造容易、控制方便，易于实现有效制冷等特点。

　　冷风发生装置的构成及设计

　低温冷风发生装置的结构。该装置由压缩机、过滤器、气体干燥器、热交换器、水箱、蒸气压缩制冷系统、水泵、直流电源、半导体制冷器、流量计、压力表和喷嘴等部分组成，其中蒸气压缩制冷系统和半导体制冷器是新型切削用冷风发生装置研制中的两个关键部分。

　　蒸气压缩制冷系统

　　采用强化传热降低热端表面环境温度，既可以提高冷量的传递速率，也相应缩小了冷热端的温差，有利于提高半导体元件的产冷量和制冷效率，以便获得更低温度的冷风。半导体制冷器的散热方式有空气自然对流散热、强迫通风散热、水冷散热、环流散热和利用物质的熔化潜热散热5种，其中水冷散热的效率最高。为此，通过设计蒸气压缩制冷系统来降低水温，并控制冷水的温度，进而获得稳定的冷风温度。蒸气压缩制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分组成。

　　半导体制冷器

　　半导体制冷器由串联的半导体热电堆、散热器、冷却器、导线等构成。直流电源通过导线对半导体热电堆供电，通电后一端吸热将冷却器中的压缩空气制冷，另一端散热。散热器将吸收的热量通过冷水带走，进而保持热端温度恒定。通过良好的散热器以及冷却器结构设计对于改善散热及冷却效果，降低半导体热电堆冷热端温差，提高半导体制冷效率起到十分重要的作用。

　　冷风发生装置的工作过程

　　冷风发生装置工作时，首先启动蒸气压缩制冷系统以冷却水箱中的水，同时利用水泵对水进行循环作用，待水温达到一定温度时，整流电源将低压直流电供给半导体制冷器。压缩气体经过滤、除湿后进入热交换器，降温后再进入半导体制冷器中，通过与冷却器的热交换，半导体热电堆冷端吸收了压缩气体的热量，进一步降低压缩气体的温度。而半导体热电堆冷端吸收的热量，经热电制冷效应移至其热端，再由水泵输送到散热器中经冷水带走。降温后的压缩气体以一定的压力喷射至切削区，达到冷却切削区的目的。该装置可通过调节半导体制冷器的工作电流来方便地实现对冷风温度的调节。

　　MQL油雾系统

　　MQL主要由油雾供给系统、喷嘴和润滑油三部分构成。通过调节电磁脉冲和润滑剂流量控制旋钮调节润滑油的出油量，压缩气体在喷嘴处与润滑油混合形成油雾。此外，润滑油雾中油滴颗粒的大小和聚集度对加工区刀具和工件接触表面的润滑效果有影响。油滴颗粒的大小和聚集度的影响因素一般包括压缩空气的压力和流量、润滑油的用量和性质、以及喷嘴的结构和距离等。通常油滴的粒径一般控制在2µm以下。因此，选择合适的润滑油和喷嘴，调节压缩气体的用量以及润滑油的用量，以便获得较好的油雾颗粒。

　　MQL的供液系统

　　MQL供液系统主要有2种形式：一种是外置式供液系统，如图6(a)所示;一种是内置式，如图6(b)所示。内置式供液系统集成在机床内部，润滑油和压缩空气的混合物通过机床主轴内孔和刀具内置的输送管道导入加工区。该方式对主轴结构提出了新的要求，常常限制主轴的最高转数。外置式供液系统是单独设计，润滑油和压缩空气在机床外部通过混合装置混合后可由多个喷嘴引出，作用于加工区的刀具和工件。外部式油雾供给中，对特定的加工方法(如钻削、深孔构件的铣削等)还存在工艺上的困难。对于微量切削液的传输雾化，也有2种形式(如图6所示)：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，油雾会被分散，这常导致加工区油雾不均匀，使加工质量变差。

　　MQL的润滑油

　　为了尽量减小对环境和人体的影响，MQL中使用的润滑油不能采用含有大量有毒添加剂成分的传统切削液。作为MQL切削用切削液，其绿色润滑剂的基础油有合成酯、植物性切削油、聚α-烯烃(PAO)和聚乙二醇等。常采用生物降解性高的合成酯和油脂。虽然植物油也具有很好的生物降解性，但在高的切削温度下，在工件、刀具上有树脂化的趋势，切削性能也不理想，因此基本不使用。近年来，植物油的性能得到了很大的改善，也开始用于MQL切削中。同时，适合低温MQL用的润滑油还要考虑润滑油在低温时的特性，如粘度、倾点等，选择合适的润滑油对低温MQL切削至关重要。

　　4 低温微量润滑的切削性能

　　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表现出了良好的切削性能，有效地提高了刀具耐用度，改善工件已加工表面质量，而低温MQL的效果更加明显。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。图9是在干铣削、湿式切削、常温氮气油雾、低温氮气射流及低温氮气微量润滑等冷却润滑条件下硬质合金刀具高速铣削钛合金Ti-6Al-4V时刀具寿命对比。

　　5 结束语

　　微量润滑技术是一种有效的绿色制造技术，低温微量润滑技术作为一种方便应用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料等难加工材料的高速加工中具有优异的性能，可以在目前加工工艺基础上进一步提高难加工材料的加工效率和加工质量。作为21世纪绿色制造业的重要组成部分，具有很好的发展前景。

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