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(jī)械工程學(xué)院

1 引言

在金屬切削加工過程中，冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)的合理使用十分重要[1-3]。MQL(Minimal Quantity Lubrication)微量潤(rùn)滑技術(shù)是將壓縮氣體與微量潤(rùn)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(rùn)滑，減緩刀具磨損。微量潤(rùn)滑技術(shù)是最接近實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的冷卻潤(rùn)滑方法之一，該技術(shù)將潤(rùn)滑介質(zhì)顆?；烊霂в幸欢▔毫Φ臍饬鬏d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(rùn)滑效果，為發(fā)展清潔切削新工藝、提升微量潤(rùn)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(rùn)滑等清潔切削潤(rùn)滑技術(shù)的特點(diǎn)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(rùn)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(duì)被加工材料的流道損傷較小。

2 切削機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)。切屑成因是金屬材料受到刀具的強(qiáng)烈擠壓后開始產(chǎn)生塑性變形，隨著塑性變形的進(jìn)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(gè)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(dòng)時(shí)，受前刀面強(qiáng)烈擠壓和摩擦產(chǎn)生變形，接觸界面處壓強(qiáng)高達(dá)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(huì)影響到切削力和切削熱，而摩擦也只能減小不能消失，會(huì)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(rùn)滑減小摩擦，達(dá)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(zhǎng)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(dá)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(shí)現(xiàn)，也可以通過采用切削液濕式加工實(shí)現(xiàn)。切削液的作用是冷卻、潤(rùn)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(zhǎng)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(rùn)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(rùn)滑作用需利用切削液的滲透性使其到達(dá)第Ⅱ、第Ⅲ變形區(qū)后形成吸附膜而實(shí)現(xiàn)，其潤(rùn)滑能力主要取決于切削液的滲透能力、潤(rùn)滑膜的成膜能力以及潤(rùn)滑膜強(qiáng)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?gòu)墓ぜ蛏拜喼袔ё?，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(dòng)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(duì)工件、刀具、工裝及機(jī)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(shí)，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(huì)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(zhǎng)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(shì)是能夠精準(zhǔn)噴射到刀具與工件需要潤(rùn)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(shí)際使用中存在的利弊簡(jiǎn)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(rùn)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(rùn)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(xì)管，工件和刀具后刀面摩擦也會(huì)形成大量毛細(xì)管。切削液黏度較大，使得通過刀具的“毛細(xì)管”滲透較難，而MQL氣液混合相更容易通過虹吸作用到達(dá)切削刃，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑效果。

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

(4)因?yàn)橛形⒘繚?rùn)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(xì)菌污染，具備經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特點(diǎn)。

MQL、水溶性切削液和切削油的性能對(duì)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(huì)形成湍流，阻止切削液進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)下受離心力作用產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)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(huì)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(shí)，切削區(qū)域會(huì)產(chǎn)生800℃以上的高溫，切削液中的水在到達(dá)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(duì)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(huì)影響工件質(zhì)量及刀具使用壽命，干式切削會(huì)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(qiáng)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(shí)，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(diǎn)，通常使用PCD刀具對(duì)鋁合金等有色金屬材料進(jìn)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(huì)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(rùn)滑及防銹作用，此時(shí)MQL加工方式的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(shí)，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(huì)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(shì)并不明顯，但可達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)針對(duì)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(duì)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(duì)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(rùn)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(shí)現(xiàn)低溫MQL技術(shù)的同時(shí)也要考慮低溫MQL在傳輸通道中的保溫及低溫對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)的影響等。

(2)MQL切屑控制技術(shù)

MQL氣體動(dòng)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(kù)系統(tǒng)指導(dǎo)工程應(yīng)用及超聲波等介質(zhì)對(duì)刀具施加振動(dòng)，強(qiáng)制斷屑，因此研究切屑控制技術(shù)對(duì)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(hù)，但會(huì)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(jī)床中的密封及回收問題。

6 結(jié)語(yǔ)

作為新興技術(shù)的MQL出現(xiàn)時(shí)，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(shì)，為金屬切削加工服務(wù)。