基于MQL的切削加工技術(shù)應(yīng)用

李海峽，趙慶軍，申紹旭，王川，陳虹松，2

1森泰英格(成都)數(shù)控刀具股份有限公司；2四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

在金屬切削加工過程中，冷卻潤滑介質(zhì)的合理使用十分重要[1-3]。MQL(Minimal Quantity Lubrication)微量潤滑技術(shù)是將壓縮氣體與微量潤滑油混合汽化后噴射到加工區(qū)域，代替?zhèn)鹘y(tǒng)切削液在刀具和工件間的加工部位形成有效潤滑，減緩刀具磨損。微量潤滑技術(shù)是最接近實際生產(chǎn)應(yīng)用的冷卻潤滑方法之一，該技術(shù)將潤滑介質(zhì)顆粒混入帶有一定壓力的氣流載體中，形成汽液兩相流體噴向切削區(qū)域。梁向東等[4]闡述了綠色切削技術(shù)在難加工材料加工中的創(chuàng)新應(yīng)用，提出使用二氧化碳改善微量潤滑效果，為發(fā)展清潔切削新工藝、提升微量潤滑效能和改善難加工材料的加工質(zhì)量提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。馬利杰等[5]論述了MQL、液氮冷卻和顆粒流潤滑等清潔切削潤滑技術(shù)的特點和利弊及顆粒介質(zhì)的輸送和導(dǎo)入方式。曹拯等[6]通過研究多孔聚酰亞胺材料切削加工過程發(fā)現(xiàn)，基于冷風(fēng)的微量潤滑切削的切削溫度和表面粗糙度均低于干式切削和低溫冷風(fēng)切削，對被加工材料的流道損傷較小。

2 切削機理

金屬切削過程是從切屑形成開始到已加工表面形成為止的完整過程，刀具與工件間既相互作用又相對運動。切屑成因是金屬材料受到刀具的強烈擠壓后開始產(chǎn)生塑性變形，隨著塑性變形的進一步加大，組織間產(chǎn)生剪切滑移而形成。在切削過程中，刀具與材料間的摩擦和金屬組織的形變是產(chǎn)生力、熱和刀具磨損等物理現(xiàn)象的主要原因。

如圖1所示，刀尖切屑變形部分可以劃分成三個區(qū)域。第Ⅰ變形區(qū)：金屬沿滑移面剪切變形，隨之產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；第Ⅱ變形區(qū)：切屑沿前刀面流動時，受前刀面強烈擠壓和摩擦產(chǎn)生變形，接觸界面處壓強高達2～3GPa，溫度較高；第Ⅲ變形區(qū)：刀具后刀面與已加工表面產(chǎn)生擠壓和摩擦作用，形成彈、塑性變形。

圖1 金屬切削變形區(qū)

金屬切削過程又是金屬變形和摩擦的過程。金屬變形在加工過程中不可避免，會影響到切削力和切削熱，而摩擦也只能減小不能消失，會影響到切削熱和刀具磨損。在金屬切削過程中，控制切削溫度非常重要，使用切削液可以帶走熱量，增加潤滑減小摩擦，達到控制切削溫度的目的。

3 切削液的作用

為提高金屬切削過程中的切削效率和工件精度，降低表面粗糙度，延長刀具壽命，必須減少摩擦，并迅速帶走材料變形產(chǎn)生的熱量。為達到此目的，可以通過提高刀具表面粗糙度、增加涂層、改變刀具材料及幾何角度等手段實現(xiàn)，也可以通過采用切削液濕式加工實現(xiàn)。切削液的作用是冷卻、潤滑、排屑和防銹。

冷卻作用：切削液相比于空氣具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和汽化熱，可以帶走切削區(qū)大量切削熱并延長刀具使用壽命。切削液的冷卻效果還與切削液的汽化速度、流量、流速及切削液冷卻位置的精準(zhǔn)度有關(guān)(見表1)。

表1 水溶性切削液、切削油與空氣參數(shù)比較

潤滑作用：金屬切削過程中，第Ⅱ變形區(qū)和第Ⅲ變形區(qū)分別在刀具的前刀面和后刀面形成擠壓和摩擦。切削液的潤滑作用需利用切削液的滲透性使其到達第Ⅱ、第Ⅲ變形區(qū)后形成吸附膜而實現(xiàn)，其潤滑能力主要取決于切削液的滲透能力、潤滑膜的成膜能力以及潤滑膜強度等。

排屑作用：切削加工中產(chǎn)生的鐵屑或磨料微粉須被具有一定壓力的切削液迅速從工件或砂輪中帶走，以減少鐵屑劃傷工件表面的可能性，提高刀具的加工能力。尤其在深孔加工過程中，高壓切削液一定程度上可以起到斷屑和排屑作用。切削液的排屑作用主要取決于切削液的流動性、滲透性和切削液壓力。

防銹作用：切削液中應(yīng)加入防銹添加劑，以減少切削加工過程中對工件、刀具、工裝及機床的腐蝕。一般水溶性切削液加入防銹添加劑后呈弱堿性，但在3C行業(yè)加工鋁合金工件時，為了提高鋁合金工件的表面光潔度和避免鋁合金被氧化，也會將水溶性切削液配置成弱酸性。通常切削油的防銹性能優(yōu)于水溶性切削液，水溶性切削液應(yīng)具備一定的抗菌和抑菌作用，以延長切削液壽命，減少工業(yè)污水排放。

4 MQL替代切削液的利弊

MQL切削加工的最大優(yōu)勢是能夠精準(zhǔn)噴射到刀具與工件需要潤滑的加工部位，無廢液排放，可以降低制造成本和減少環(huán)境污染(MQL的流量通常取0.03～0.2L/h，傳統(tǒng)濕式切削為20～100L/min)。MQL切削加工技術(shù)是綠色制造技術(shù)中常用方法之一，在實際使用中存在的利弊簡要分析如下：

(1)MQL本質(zhì)是切削油，以高壓空氣為載體，將微量切削油精準(zhǔn)送到切削區(qū)域。因空氣和切削油冷卻效果一般，因此MQL的冷卻功能較差，這也是MQL不能稱為“油霧冷卻”，只能稱為“油霧潤滑”的原因。

(2)在切削變形區(qū)，切削力使工件和切屑緊緊附著于刀尖周圍，難以形成潤滑，但在切削過程中切屑與刀具前刀面摩擦而形成大量毛細管，工件和刀具后刀面摩擦也會形成大量毛細管。切削液黏度較大，使得通過刀具的“毛細管”滲透較難，而MQL氣液混合相更容易通過虹吸作用到達切削刃，實現(xiàn)潤滑效果。

(3)MQL采用高壓空氣吹向切屑，切屑的卷曲半徑將會變得更小且更易斷屑。但氣體密度小，提供給鐵屑的動量較小，其排屑能力相比于傳統(tǒng)切削液加工稍弱。

(4)因為有微量潤滑油附著在工件表面隔絕氧氣，所以MQL的防銹作用明顯優(yōu)于切削液，且MQL幾乎零排放，也不存在細菌污染，具備經(jīng)濟和環(huán)保等特點。

MQL、水溶性切削液和切削油的性能對比見表2。

表2 MQL、水溶性切削液和切削油的性能比較

5 MQL應(yīng)用范圍及技術(shù)發(fā)展方向

5.1 高速加工

高速旋轉(zhuǎn)刀具的周圍空氣會形成湍流，阻止切削液進入切削區(qū)域，影響工件的加工質(zhì)量及刀具的使用壽命。內(nèi)部切削液在高速運轉(zhuǎn)下受離心力作用產(chǎn)生振動，同時刀具內(nèi)冷卻孔噴射出的切削液形成的反向作用力、加工產(chǎn)生的切屑顆粒與刀具的撞擊也會影響工件的加工質(zhì)量及刀具使用壽命。

當(dāng)高速加工鋼件和鑄鐵時，切削區(qū)域會產(chǎn)生800℃以上的高溫，切削液中的水在到達切削區(qū)之前迅速被汽化，導(dǎo)致切削液失去冷卻作用或冷卻不充分，對刀具切削刃形成熱沖擊，影響刀具壽命。

在上述情況下，切削液的澆注加工會影響工件質(zhì)量及刀具使用壽命，干式切削會帶來工件表面質(zhì)量問題，而MQL加工則可以做到兩者兼顧，因此這種狀況下采用MQL加工方式更為科學(xué)。

5.2 鋁合金加工

鋁合金材料的強度和硬度低，塑性小且熱導(dǎo)率高，切削溫度低，刀具磨損小，切削加工性能較好，適合高速加工。同時，由于PCD材料具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性、低摩擦及低膨脹系數(shù)等特點，通常使用PCD刀具對鋁合金等有色金屬材料進行高精度和高效率加工。

鋁合金加工過程中，由于被加工材料及刀具特性等原因，切削溫度的影響較小，采用切削液澆注的效果并不明顯，還會出現(xiàn)鋁合金工件表面被氧化腐蝕現(xiàn)象。而采用MQL加工方式可以規(guī)避冷卻效果不佳的弊端，發(fā)揮潤滑及防銹作用，此時MQL加工方式的優(yōu)勢尤為明顯。但需注意MQL加工方式排屑效果差，可以通過調(diào)整切削參數(shù)、控制鋁屑形狀和長度來緩解排屑問題。

5.3 斷續(xù)加工

正常情況下，斷續(xù)車削或銑削工件時，切削液澆注冷卻并不充分，反而加劇了刀具刃部的冷熱變化，使刀具刃部產(chǎn)生熱裂紋，干式切削又會使刀具加劇磨損和工件表面質(zhì)量變差，因此斷續(xù)加工采用MQL加工方式更為合理。

在其它情況下，與傳統(tǒng)切削液加工方式相比，MQL加工在刀具壽命上存在著一定差距，加工優(yōu)勢并不明顯，但可達到保護環(huán)境的目的。因此，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)針對具體加工情況權(quán)衡利弊，科學(xué)合理地選用加工方式。

5.4 MQL技術(shù)發(fā)展方向

對于MQL加工技術(shù)而言，最大的問題是冷卻作用和排屑作用較差，針對當(dāng)前問題研究解決措施是MQL技術(shù)下一步的發(fā)展方向。

(1)低溫MQL技術(shù)

與切削液相比，氣體和微量潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均較低，可以考慮使用低溫氣體或在油霧中混合液氮等低溫液體解決MQL的加工冷卻問題，實現(xiàn)低溫MQL技術(shù)的同時也要考慮低溫MQL在傳輸通道中的保溫及低溫對機床主軸系統(tǒng)的影響等。

(2)MQL切屑控制技術(shù)

MQL氣體動量小，超出一定體積和重量的切屑很難被排出，可以通過調(diào)整切削參數(shù)、建立專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)指導(dǎo)工程應(yīng)用及超聲波等介質(zhì)對刀具施加振動，強制斷屑，因此研究切屑控制技術(shù)對MQL的推廣應(yīng)用有較大意義。

(3)MQL油霧密封及回收技術(shù)

MQL加工減少了切削液排放，有利于環(huán)境保護，但會在加工過程中產(chǎn)生大量油霧。油霧泄露到狹小環(huán)境中易引發(fā)燃燒和爆炸，甚至?xí)?yán)重影響操作者的身體健康，應(yīng)深入研究油霧在機床中的密封及回收問題。

6 結(jié)語

作為新興技術(shù)的MQL出現(xiàn)時，應(yīng)該透過表象分析其本質(zhì)或原理，找出利弊，確定技術(shù)發(fā)展方向和應(yīng)用范圍，發(fā)揮MQL的技術(shù)優(yōu)勢，為金屬切削加工服務(wù)。