内冷却刀具最小量润滑(MQL)切削加工（二）

 　　内冷却刀具最小量润滑加工的最大益处是"绿色",因为它对环境非常友好,并且有助于为企业创造更多利润.

　　近干切削刀具

　　为了获得最佳加工效果，必须采用适合近干切削的刀柄和刀具。虽然任何类型的刀柄都适合用于MQL加工，但HSK刀柄使用最普遍，这部分是因为欧洲机床制造商在大力推动MQL加工技术的发展，而HSK刀柄在欧洲应用范围最广。与湿式切削相比，MQL的关键要素是，气雾必须沿着明确确定的输送路径流动，而不会出现任何会干扰流速和流动方向的空隙。

　　据刀柄制造商T.M. Smith刀具国际公司总裁Dave Smith介绍，刀柄后部与主轴的联接方式决定了它如何将冷却液输送到刀具中。他在谈到用于湿式切削和近干切削的刀柄有何不同时说，“从刀柄外部，你看不出有何不同，但其内部结构确实有区别。我们希望精确定量的气雾通过刀柄正确输送到刀具中。”

　　Komet公司的Blosser补充说，用于调节刀具安装长度以及刀杆与刀柄界面后部的径向调节螺钉是唯一可以更换的附件，“你可以拿下标准接头，取出调节螺钉，根据供液系统的类型，使用一根由机床制造商提供的、符合MQL要求的冷却液输送管，然后更换调节螺钉。这样，你就有了一个符合MQL加工要求的刀柄。”

　　Blosser说，与刀柄不同，为了实现MQL加工，需要对刀具进行更多改造。例如，在孔加工中，需要将钻头冷却孔的出口扩大，以利于将冷却液输送到与工件接触的整个前刀面，从而消除积屑瘤和刀具热淬现象。在切削中，当冷却液被引入红热化的刀具/工件界面时，就会出现热淬现象，它容易造成刀具基体碎裂，缩短刀具寿命。Blosser说，“我们还希望降低钻尖形状的顶点，以向钻头中心部位提供尽可能多的冷却液。”此外，钻头的排屑槽也需要磨削得非常光滑，以防止切屑粘附。

　　刀具设计人员必须考虑到，需要将空气/润滑油的混合物送达多阶梯式刀具的所有切削刃。对于较长的刀具，位于刀具端部的内冷却孔出口必须有较小的倾斜度，Blosser说，“这样可以形成涡流，使冷却液加速流向刀具端部，从而使所有切削刃都能获得充分的冷却润滑。”

　　冷却孔的出口尺寸还取决于刀杆内部冷却液通道的直径大小。Blosser说，“如果刀杆内主通道本身的直径为6mm，那么所有出口的直径尺寸之和就不能超过6mm。”这是因为，如果各出口直径之和超过了主通道直径，压力就会降低，从而使流速减缓。

　　Blosser指出，对于近干切削而言，内冷却刀具的MQL加工要求最为严苛。“一般来说，对于常规加工，你可能情愿用铣刀进行干切削。”

　　因此，对于MQL攻丝加工，也需要精心设计和制造刀具。Emuge公司的Shepherd说，专用丝锥的设计取决于工件材料和螺纹加工要求，不过，与常规丝锥相比，用于近干切削的丝锥具有较大的后角、较大的倒锥和较窄的棱带，以满足同步攻丝的要求。他补充说，“攻丝时，我们不希望刀具与工件之间大面积接触，丝锥柄部不应与工件发生摩擦。我们希望能控制轴向进给与径向进给同步进行。”

　　MQL丝锥的冷却孔如何加工，取决于是用于加工盲孔还是通孔。对于加工通孔用丝锥，Emuge公司首先采用放电加工(EDM)方式加工出一个贯穿刀具全长的冷却孔，然后堵塞孔的端部，并用EDM加工出十字交叉孔，使MQL气雾能从丝锥的侧面喷出。Shepherd解释说，“如果我们不这样做，MQL气雾就会通过通孔底部喷出，无法起到润滑冷却作用。”而对于盲孔加工丝锥，就无需堵塞冷却孔的端部，使压力为100-200psi的气雾能到达盲孔底部，发挥润滑和辅助排屑功能。

　　福特汽车公司的Stoll表示，首先，刀具制造商应该对MQL刀具的设计进行测试，以确保气雾能从尽可能靠近切削刃的冷却孔喷出。他补充说，“有时，即使冷却孔位于切削刃的前方，也能发挥作用。”

　　Stoll推荐采用前面提到的MQL喷流型态测试方法。这种测试是将一个刀具样品安装在带有MQL供液系统的机床主轴上，并在刀具的前面、下面或周围距离大约13mm处，放置一个绿色或蓝色的吸水介质面板，当刀具旋转时，观察喷出的润滑液相对于切削刃的位置。如果其喷流型态与切削刃的位置非常接近，则表明该刀具冷却润滑性能良好的可能性很高。Stoll说，“制造出首件刀具或代用/虚拟刀具后，需要将其安装到机床上，进行动态喷流型态测试，如果测试结果不能满足要求，则需要重新改进刀具设计。”

　　生产率与工件质量

　　MQL能够提高切削速度和进给率，这部分是因为不会再出现冷却液限制切削参数提高的情况，在孔加工中尤其如此。例如，许多企业正采用麻花钻代替枪钻加工小直径深孔。必诺公司(bielomatik)的Howes指出，“把孔塞得更满并不总是好事。你必须在深孔加工中采用高压冷却液，为了排屑，冷却液需要占用更多空间。而MQL则是采用气流将切屑排出孔外。”

　　采用湿式切削时，还有可能因为切削时产生的热量对硬质合金切削刃造成热冲击而降低切削速度。Komet公司的Blosser说，“采用MQL加工时，切削刃不会产生热裂纹，因为它可以消除热淬现象，或避免使硬质合金刀具产生任何应力碎裂或裂纹。因此，你可以采用比通常的湿式切削更高一些的表面切削速度进行加工。”

　　福特汽车公司的Stoll也表示，某些MQL加工的切削参数高于对应的湿式切削加工。例如，在一项钻削加工中，该公司将进给率从湿式加工时125mm/min提高到MQL加工的660mm/min。但他补充说，某些MQL加工的切削参数会略有降低。“从整体上看，采用近干切削在加工循环时间上不会产生不利影响，而且它通常都具有缩短加工时间的优势。或许，工件的复杂程度越低，利用MQL提高加工速度和工件质量的机会就越大。”

　　由湿式切削转换为MQL切削后，工件的表面光洁度质量通常会有所提高，这是因为MQL切削每次使用的都是洁净的润滑液，而湿式切削循环使用的回收润滑液中有可能混入微小磨粒，从而对工件表面造成二次切削。

　　Emuge公司的Shepherd认为，目前MQL加工呈现出缓慢增长趋势，而了解它的益处，可以产生立竿见影的回报。“例如，你可以假定一种加工成本为10万美元的情境，采用MQL加工能够削减13%的成本，这能节省一笔不小的开支，而且很快就能看到实际回报。”

　　然而，传统习惯并不会很快消亡。Unist公司Boelkins认为，人们可能不愿意对原来的加工方式进行变革，即使这种变革可以为他们省钱。可是，正确的变革——如由湿式切削转换为MQL和与最小量冷却有关的其他加工方式——可能是一件好事，其好处包括改善工件表面光洁度、降低刀具成本、提高加工速度、避免工人罹患皮炎、节省车间空间、减少动力消耗和改善环境。

　　链接1：MQL刀具应用实例

　　美国一家零件制造商在其孔加工中面临圆度不合格的问题——允许的最大圆度公差为12μm，而加工出的孔圆度误差范围在12-20μm。该公司面临的另一问题是加工循环时间长。该零件上有许多个孔，而每孔加工时间过长。最后，为了达到表面光洁度要求，MQL系统采用了较高的供液率(250毫升/小时)，使工件和切屑粘满润滑油。

　　刀具制造商尤尼莫克(Unimerco)集团通过提供一种专用PCD刀具——Heli-Ream铰刀，很好解决了这些问题。这种铰刀采用了专门设计的小螺旋导向条，以减小切削力。换句话说，刀具对工件施加的压力较小，从而减小了切削振动，显著提高了孔的圆度，使平均圆度误差从0.017mm减小到0.0022mm(不到3μm)。

　　由于减小了切削力，进给率提高了5倍多(从500mm/min提高到2,800mm/min);主轴转速也从7,000r/min提高到8,000r/min。此外，Heli-Ream铰刀使加工企业MQL系统的供液率大幅下降到80毫升/小时，使切屑和加工后的工件不再沾满润滑油。

　　结果表明，小螺旋刃有助于从孔中排出切屑，而这对于近干切削来说极其重要。传统的湿式切削是利用水基冷却液来帮助排屑，在大进给率加工中，冷却液的作用变得更加重要。但在MQL加工条件下，可冲刷切屑的切削液极少，Heli-Ream铰刀的螺旋导向条则可帮助排屑。

　　链接2：用于MQL加工的空气清洁系统

　　在美国的大型汽车制造厂，有100多台用于MQL加工中心的MFSorp系统在处理齿轮和发动机生产中心排出的废气。为了提供生产现场所需的灵活性，Dantherm Filtration公司生产的MFSorp系统将每台加工中心上的来源捕获装置、管道附件和切屑收集器整合到一起，用于捕获和收集切屑、金属粉尘和油气，以防止形成具有潜在爆炸性的粉尘、油气和空气混合物。在许多情况下，它能清洁近90%的废气，并将其送回工作区循环使用，从而大大降低了能源成本。

　　MFSorp系统的工作流程：首先，在一个预分离系统中，将较大的、不可燃的切屑分离出来，并将其收集起来供回收;然后，将其余的金属粉尘、空气连同专用添加剂(用于增大铝粉的惰性)一起导入颗粒过滤器。采用MFSorp系统，可取消常规机床使用的切屑传输器。

　　此外，系统将MQL加工中产生的、具有粘性的润滑油滴从废气流中分离出来，并沉积在由一种类似粘胶的惰性物质构成的预涂层上，这种涂层能够延长过滤器的工作寿命，因为油滴不会再堵塞后面的各过滤层。该系统不需要使用额外的袋式过滤器或二次过滤，就能稳定达到0.01mg/m3的气体洁净度(衡量排放气流中颗粒含量的指标)。(

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