基于刀具內(nèi)冷孔噴射的MQL流量控制研究

張云，張志軍，方岳文

(成都飛機工業(yè)集團有限公司數(shù)控加工廠，四川成都 611091)

基于經(jīng)濟和環(huán)保的考慮，人們對“綠色切削”的呼聲越來越高［1］。目前新發(fā)展起來的微量潤滑(MQL)技術(shù)作為一種節(jié)省成本和符合環(huán)保要求的綠色加工技術(shù)日益受到人們的青睞。MQL切削技術(shù)通常是先將壓縮空氣與微量潤滑油進行混合霧化，再輸送到刀具與工件之間的切削區(qū)進行集中式冷卻潤滑。

1 微量潤滑原理簡介

微量潤滑技術(shù)融合了干式切削與傳統(tǒng)濕式切削兩者的優(yōu)點:一方面，將切削液用量降低到極微量程度(通常MQL的用量僅為0.03～0.2 L/h，而傳統(tǒng)濕式切削的用量為20～100 L/min)，不僅可顯著降低切削液使用成本，而且通過使用自然降解性好的合成酯類作為潤滑劑，最大限度地降低了切削液對環(huán)境和人體的危害;另一方面，與干式切削相比，由于MQL引入了冷卻潤滑介質(zhì)，使切削過程的冷卻潤滑條件大為改善，刀具、工件和切削之間的摩擦磨損顯著減小，有助于降低切削力、切削溫度和刀具磨損。

以圖1的微量潤滑系統(tǒng)為例，介紹一下微量潤滑的工作原理。切削油通過泵進入混配容器內(nèi)，壓縮空氣增壓到1 MPa，通過8個電磁閥控制流量;最終壓縮空氣通過虹吸的方式將切削油帶出，并通過刀具內(nèi)冷孔噴射到零件加工區(qū)域。

混配容器必須保證1 MPa左右的壓力，以保證切削油能高速地噴射，達到冷卻刀具的效果。

圖1 某機床微量潤滑混配單元

2 切削油用量與刀具內(nèi)冷孔的關(guān)系

影響切削油用量的因素有幾種，包含刀具內(nèi)冷孔直徑，混配氣體壓力，切削油黏度，切削材料等，通過大量試驗及使用經(jīng)驗，以混配壓力1 MPa、黏度為30的切削油為例，基本滿足表1中噴射油的范圍。由于植物油、脂肪醇、聚乙二醇等的高生物降解性，也常被選為MQL切削液。具體介質(zhì)的選擇取決于供給的方式、涉及到的材料、加工工藝和工件所需的后續(xù)處理(如退火、表面處理或涂層處理等)［2］。

表1 刀具內(nèi)冷直徑的切削油使用范圍

刀具的直徑孔在廠家設(shè)計時有所不同，分布在底齒和側(cè)齒的刀具在冷卻效果上也有很大的差別。根據(jù)刀具內(nèi)冷孔確定噴射量的同時，還要考慮到內(nèi)冷孔的位置。在高速旋轉(zhuǎn)下，噴射的冷卻油成發(fā)散狀，如果內(nèi)冷孔位置離刀尖點過遠，會導(dǎo)致冷卻不充分。在使用微量潤滑冷卻進行金屬的切削加工時，要合理選擇靶距以及噴射流量，這樣才能最大限度地發(fā)揮它的特點，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率［3］。

另外，切削油具有高壓并在電主軸內(nèi)部最終由刀具噴出，要定期檢查內(nèi)冷刀具是否堵塞，否則會造成嚴(yán)重設(shè)備事故。切削油的溫度對主軸熱伸長具有一定影響，也是設(shè)計中需要注意的問題。

3 切削參數(shù)與用油量的關(guān)系

在不同工藝的MQL切削試驗中發(fā)現(xiàn)，潤滑油用量在加工過程中存在飽和現(xiàn)象。當(dāng)潤滑油用量達到飽和時，刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量不再隨著潤滑油用量的增大而繼續(xù)提高，相反還會有不同程度的降低。這可能是因為隨著潤滑油用量增大，不斷增強的冷卻效應(yīng)會對刀具產(chǎn)生更大的熱沖擊，引起刀具的疲勞。因此，為了最大限度地發(fā)揮MQL的應(yīng)用性能，潤滑油用量的定量優(yōu)化非常必要。

以鋁合金切削為例，以黏度為30的植物油作為切削用油，表2為不同切削深度設(shè)定的切削油噴射量，噴射量在此設(shè)定值及以上不會產(chǎn)生粘刀及零件故障。在深切削孔程序有單獨的設(shè)定［4］。

表2 不同切深下冷卻油噴量的設(shè)定

表3為不同加工參數(shù)的情況下冷卻油噴射量的設(shè)定。由于刀具廠家的內(nèi)冷孔直徑不一，所以在選取噴射值時需要首先了解刀具內(nèi)冷孔的直徑。如果刀具有多個內(nèi)冷孔，則直徑按照多個內(nèi)冷孔的直徑相加獲得。

表3 不同切削參數(shù)下冷卻油噴量的設(shè)定

4 排放及零件表面殘留

4.1 油液殘留可能導(dǎo)致的表面處理問題

在MQL加工中，細小霧滴狀的切削液在一定壓力的氣流作用下以較高的速度和動能射向切削區(qū)，滲透性大大增強，其滲透性與具體的切削參數(shù)(切削速度、進給量和切削深度)、霧滴密度、霧滴速度、霧滴大小、噴霧方向等多種因素有關(guān)。

在工程實用中發(fā)現(xiàn)，鋁合金在大量切削油噴射切削后，會導(dǎo)致部分油液殘留，通過熒光處理后無法去除，形成暗斑。在通過超聲波清洗設(shè)備清洗后，能解決此類問題。

4.2 油霧的排放及治理

隨著潤滑油用量的增加，油霧顆粒體積分布峰值先增大后減?。?］。雖然半干式加工所用切削液是以對人體影響較小的植物油為基礎(chǔ)的混合液體，而且使用量也很少，但操作者長期吸入決非良策。醫(yī)學(xué)研究證明，油蒸汽和大顆粒液滴對人體肺部的危害相對較小。即使油霧濃度僅為0.41～0.55 mg/m3，工人長期接觸這種油霧仍會導(dǎo)致慢性支氣管炎、胸部不適和氣道刺激等。

在油霧的排放及處理中，需要嚴(yán)格按照排放標(biāo)志進行設(shè)計。需要密封整個機床，并通過毛細煙道粗濾、紙袋粗濾、紙袋精濾，最終達到排放標(biāo)準(zhǔn)。在工程實用中，應(yīng)該定期更換過濾裝置，保持綠色排放。

5 小結(jié)

針對MQL微量潤滑系統(tǒng)做了深入的探討，并通過日常工程實用總結(jié)了切削油的用量與各項參數(shù)的關(guān)系:微量潤滑油用量隨刀具內(nèi)冷孔直徑增大而增多，隨切削深度及轉(zhuǎn)速增大而增多，隨機床進給速度增大而增多。

［1］張春燕，王貴成，裴宏杰，等．MQL切削技術(shù)的綜合評價［J］．機械設(shè)計與制造，2010(9):257－258．

［2］張春燕，裴宏杰，張巍巍，等．MQL加工技術(shù)的研究與進展［J］．機械設(shè)計與制造，2008(3):136－138．

［3］袁松梅，劉曉旭，嚴(yán)魯濤．微量潤滑系統(tǒng)冷卻性能實驗研究［J］．制造技術(shù)與機床，2008(11):56－58．

［4］李通，彭海，MQL技術(shù)在內(nèi)排屑深孔切削加工中的應(yīng)用［J］．新技術(shù)新工藝，2010(10):14－16．

［5］劉曉麗，李亮，趙威，等．基于微量潤滑的切削油霧霧化特性測試與分析［J］．工具技術(shù)，2011，45(12):16－18．