【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】微量潤滑技術(shù)目前已經(jīng)逐漸被熟知，并開始在機(jī)加工領(lǐng)域大量應(yīng)用，這項技術(shù)在準(zhǔn)高速加工中更能發(fā)揮作用。因為在低速的粗加工中，由于機(jī)床轉(zhuǎn)速低，加工余量大，發(fā)熱量大，微量潤滑的散熱功效不如切削液。而在超高速加工中，由于機(jī)床轉(zhuǎn)速會超過15000r/min，甚至更高；切削速度也會達(dá)到相當(dāng)高的值，如：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min，鈦合金達(dá)150-1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為2000-9000m/min；各種切削工藝的切速范圍為：車削700-7000m/min，銑削300-6000m/min，鉆削200-1100m/min，磨削250m/s以上等。這時候的切削狀況完全不同于低速加工，如圖1所示。
 

圖 1
 

　　這種超高速的加工對于刀具材料的要求較高，另外，在高速狀態(tài)下切削液的冷卻作用很小，負(fù)面作用很大，因此，基本是不能加切削液的，對微量潤滑的依賴也是很低的。基于以上原因，根據(jù)多年的經(jīng)驗，微量潤滑更適合準(zhǔn)高速加工，這個機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在5000-15000r/min之間。
 

　　一、準(zhǔn)高速切削與微量潤滑結(jié)合的優(yōu)勢
 

　　1.微量潤滑的概念
 

　　微量潤滑(即MQL，Minimal QuantityLubrication)是一種金屬加工的潤滑方式，即半干式切削。切削時將壓縮氣體(空氣、N2、CO2等)與極微量的潤滑油混合汽化后，形成微米級的液滴，噴射到加工區(qū)，進(jìn)行有效潤滑的一種切削加工方法。切削液的用量一般僅為3-50mL/h(傳統(tǒng)濕法切削的用量為20-100L/min)，可有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，防止粘結(jié)，延長刀具壽命，提高加工表面質(zhì)量。MQL的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，適用范圍廣闊，國內(nèi)外關(guān)于MQL的研究包含了幾乎所有的切削工藝，如鉆削、銑削、車削和磨削等。
 

　　2.微量潤滑的作用機(jī)理
 

　　MQL在速度較高時更能發(fā)揮作用，有利于提高切削速度，工件的切削破裂點會提前出現(xiàn)，因此產(chǎn)熱區(qū)亦會較快離開刀具。由于熱能全部集中在工件及切屑上，刀具的熱源只有和切屑接觸——發(fā)生熱能傳導(dǎo)及磨擦的小部分。在微量潤滑劑的作用下，高切削速度亦會使切屑更為彎曲及以更快速度離開工件及刀具，能有效減少切屑傳導(dǎo)熱能的時間。殘留在工件上的高溫卻能軟化工件表面，讓刀具更容易進(jìn)行切割，如圖2所示。
 

圖 2
 

　　刀具在較高速度加工時，由于切削液的液滴很大，很難真正進(jìn)入加工區(qū)域。在旋轉(zhuǎn)刀具加工時，切削液在離心力的作用下已經(jīng)遠(yuǎn)離了加工區(qū)，只有在完成切削時(如銑削)，切削液才與刀刃接觸，這就發(fā)生了淬火作用，產(chǎn)生冷熱沖擊，影響刀具壽命。而在微量潤滑加工下，微量潤滑劑的液滴都是微米級的，甚至是零點幾個微米，在壓縮空氣或者其他載體的作用下，很容易滲透到刀具與工件接觸的加工表面，起到很好的潤滑作用，刀具溫度恒定，有效延長刀具壽命。
 

　　3.微量潤滑的分類
 

　　(1)按照油氣是否通過刀具內(nèi)部冷卻通道可分為：內(nèi)置式系統(tǒng)和外置式系統(tǒng)(見圖3)。
 

圖 3
 

　　(2)按照潤滑劑和其傳輸介質(zhì)是否走同一個路線可分為單通道系統(tǒng)和雙通道系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的油霧發(fā)生位置也不同，一個是在油霧發(fā)生器內(nèi)部，一個是在刀柄或者噴嘴處，如圖4所示(上圖為單通道，下圖為雙通道)。
 

　　圖4  1、6-旋轉(zhuǎn)接頭 2、7-機(jī)床主軸 3、9-刀柄 4、10-刀具 5-油霧 8-噴嘴 11-油 12-壓縮空氣
 

　　4.微量潤滑加工與傳統(tǒng)切削液加工、干式加工的比較
 

　　(1)冷卻液的準(zhǔn)高速切削。提高生產(chǎn)速度會使刀具更高溫，由更大溫差所產(chǎn)生的更強(qiáng)淬火反應(yīng)會降低刀具壽命。
 

　　(2)干切削的準(zhǔn)高速切削。雖然跟MQL同樣避免了淬火，但因欠缺潤滑效果，刀具的磨損非常明顯，并與切削速度成正比。
 

　　(3)MQL的準(zhǔn)高速切削。MQL系統(tǒng)有效潤滑工件和刀具表面(以減少磨損及磨擦所產(chǎn)生的熱能)及把帶高熱的切屑吹走(減少切屑導(dǎo)熱到刀具上)，避免了淬火同時提高切削速度與刀具壽命。
 

　　MQL單通道系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)速是16000r/min，而雙通道系統(tǒng)可達(dá)到40000 r/min。事實上，當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min時，無論是單通道系統(tǒng)還是雙通道系統(tǒng)，都會面臨離心力的問題，只是單通道的影響會更大。
 

　　由于單通道系統(tǒng)油霧要在主軸里通過，為了盡量減少離心力的影響，只能盡量減小其內(nèi)部通道尺寸。但又不能太小，太小會增加輸送壓力，因此較為合適的直徑尺寸在3-7mm之間，這也取決于拉刀機(jī)構(gòu)的尺寸。
 

　　而雙通道系統(tǒng)由于油在一個直徑0.5mm的通道里流動，并且在工作過程中油是充滿整個管路的，壓縮空氣在管外運行，因此，在機(jī)床主軸這個長度上基本不會受到離心力的影響。但到了刀柄的混合處壓縮空氣將油形成油霧的時候，離心力就會產(chǎn)生影響。據(jù)刀具廠商鈷領(lǐng)做過試驗，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速到達(dá)16000r/min時，雙通道的刀柄里也充滿了油。
 

　　單通道系統(tǒng)與雙通道系統(tǒng)的比較見表1。
 

表1
 

　　二、微量潤滑系統(tǒng)的要求
 

　　1．對刀具結(jié)構(gòu)的要求
 

　　內(nèi)冷通道開口位置要適當(dāng)，越靠近切削刃越好，當(dāng)然絲錐、鉆頭與銑刀也有所不同，如圖5所示。另外刀具柄部的選擇也要符合微量潤滑的要求，如圖6所示。
 

圖 5
 

圖 6
 

　　2. 對刀柄的要求
 

　　機(jī)床速度在準(zhǔn)高速狀態(tài)時應(yīng)盡量使用HSK刀柄，這樣的刀柄更適合微量潤滑系統(tǒng)油霧的傳送，尤其是刀柄里面的冷卻管能插入拉刀機(jī)構(gòu)，形成一個密閉的通道，如圖7所示。
 

圖 7
 

　　3. 對主軸的要求
 

　　適合微量潤滑的主軸首先不能漏氣，內(nèi)部不能有單向閥，不能有忽小忽大的變徑。
 

　　4. 對旋轉(zhuǎn)接頭的要求
 

　　目前市場上與不少品牌的旋轉(zhuǎn)接頭，但適合微量潤滑的旋轉(zhuǎn)接頭有特殊要求。適合微量潤滑的旋轉(zhuǎn)接頭要適合干運行，選擇時產(chǎn)品的供應(yīng)廠家會有特別說明。
 

　　5. 對刀具材料的要求
 

　　由于微量潤滑加工中熱量有一定積累，因此需要選用一定耐熱性刀具，普通的工具鋼刀具及高速鋼刀具是不適合的，而金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂層刀具等都可選用。但任何刀具在加工中都有一定的使用范圍，只能適應(yīng)一定的材料和一定的切削速度，所謂的刀具是不存在的。因此，合理選擇刀具材料，是完成微量潤滑加工與準(zhǔn)高速加工結(jié)合的關(guān)鍵，如表2所示。
 

表2
 

　　6. 對潤滑劑（油品）的要求
 

　　微量潤滑劑在微量潤滑加工中起著非常重要的作用，微量潤滑劑的重要特征就是環(huán)保性能，因為微量潤滑劑在發(fā)生裝置的作用下形成了從零點幾微米到上百微米的顆粒，有時候會被人吸入，不能損害人的身體健康，適合加工性能的潤滑劑很多。但滿足環(huán)保性能的潤滑劑不是很多。因此，選擇微量潤滑劑不但要適合加工要求，還要適合環(huán)保要求，這一點非常重要。
 

　　三、微量潤滑在準(zhǔn)高速加工中的應(yīng)用案例
 

　　加工案例如表3、表4所示。
 

表3、表4
 

　　四、微量潤滑改造加工案例
 

　　(1)設(shè)備。鉆孔加工中心，設(shè)備號：099-224，對比設(shè)備號：099-238。
 

　　(2)工件材料。碳鋼(產(chǎn)品名稱：停車齒輪，產(chǎn)品型號：GF6-X24F)。
 

　　(3)刀具壽命。微量潤滑系統(tǒng)的刀具加工了97個工件，對照組刀具加工了52個工件，微量潤滑的刀具壽命是傳統(tǒng)切削液的1.87倍，壽命比原來提高了87%。
 

　　(4)能源消耗。根據(jù)我們現(xiàn)場統(tǒng)計，原切削液系統(tǒng)的電動機(jī)總功率為10kW，而微量潤滑系統(tǒng)的總功率為24W。很明顯，傳統(tǒng)切削液系統(tǒng)的能耗是微量潤滑系統(tǒng)的417倍。
 

　　(5)尺寸精度。本專機(jī)加工12個孔，尺寸精度(18±0.2)mm，位置度公差f6。對工件進(jìn)行通止規(guī)的檢查和儀器檢查，沒有發(fā)現(xiàn)不合格的尺寸。但微量潤滑加工的孔的精度更好些，尺寸也比較穩(wěn)定。
 

　　(6)表面精度。該件的加工表面精度要求Ra12.5μm，經(jīng)檢查，用微量潤滑加工的工件表面精度好于切削液加工的近3倍。
 

　　(7)斷屑。從整個加工過程看，使用微量潤滑加工時刀具的斷屑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于使用傳統(tǒng)切削液的斷屑，如圖8所示(左：用微量潤滑加工刀具幾乎沒有纏屑；右：用切削液加工刀具有很多屑纏繞刀具)。
 

圖 8
 

　　(8)零件加工后的對比如圖9所示(左：用微量潤滑加工的工件；右：用切削液加工的工件)。
 

圖 9
 

　　五、結(jié)束語
 

　　采用微量潤滑加工呈現(xiàn)以下特點：
 

　　(1)使用微量潤滑系統(tǒng)加工，加工環(huán)境明顯改善；(2)刀具壽命明顯提高；(3)省去每天添加處理切削液的工作；(4)沒有大量切削液的流失而產(chǎn)生的成本費用的增加；(5)從抽測的加工尺寸來看，加工尺寸比較穩(wěn)定；(6)加工過程中工件纏屑問題明顯改善；(7)成本大大降低。
 

　　微量潤滑技術(shù)在準(zhǔn)高速加工中越來越凸顯其重要作用，在使用中又得到了逐步拓展，比如與CO2結(jié)合，或者與液態(tài)氮結(jié)合形成超低溫的加工，這為加工鈦合金等發(fā)熱量大的難加工材料提供了新的思路。國內(nèi)一些研發(fā)機(jī)構(gòu)或企業(yè)都在這方面做了有益的嘗試。目前，廣州匯專科技集團(tuán)股份有限公司已經(jīng)在微量潤滑加工以及超低溫加工方面進(jìn)行了深入的探索，希望能夠為準(zhǔn)高速、高速的機(jī)械加工提供解決方案。
 

　　(原標(biāo)題：WMEM | 微量潤滑技術(shù)在準(zhǔn)高速加工中的應(yīng)用)