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最少量潤滑切削技術(MQL)

作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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在金屬切削過程中,切削液具有冷卻、潤滑、清洗、排屑及防銹作用。使用切削液對于提高切削加工性能和效率,減少刀具磨損有著顯著的效果。然而,隨著環保意識和安全意識的增加,人們對使用切削液帶來的負面影響的認識也逐

    在金屬切削過程中,切削液具有冷卻、潤滑、清洗、排屑及防銹作用。使用切削液對于提高切削加工性能和效率,減少刀具磨損有著顯著的效果。然而,隨著環保意識和安全意識的增加,人們對使用切削液帶來的負面影響的認識也逐漸加深,使用切削液不僅增加了制造成本,對環境造成污染,而且直接損害操作人員的身體健康。因此近年來提出了綠色制造的概念,要求少用甚至不用切削液,達到保護環境和勞動者安全的目的。

1 切削液對人體的危害

切削液大體上可分為兩類:以冷卻為主要目的,用水稀釋的水溶性切削液;以潤滑為主要目的,不用水稀釋的油溶性切削液。
水溶性切削液用大量水稀釋后使用,無產生火煙和引起火災的危險性,加工后脫脂清洗較簡單,缺點是機床和工件容易生銹。油溶性切削液潤滑和防銹作用好,但在高速切削時會產生嚴重的油霧,惡化環境衛生。為了適應各種潤滑要求與改善切削液的性能, 往往在切削液中加入各種添加劑。
切削液對人體健康的危害主要是在于其添加劑含有毒性。例如亞硝酸鹽、鉻酸鹽、氯化合物均系有毒物質,而且亞硝酸鹽和醇胺容易發生反應形成致癌的亞硝胺;作為殺菌劑使用的苯酚婁物質也有很大毒性。
    切削液對人體健康產生危害主要通過兩種途徑:
  1. 金屬切削液與操作人員皮膚直接接觸:由切削液引起的職業病中有80%是通過這種途徑形成的。水溶性切削液和油溶性切削液對皮膚的危害是有區別的。
    一般認為,油溶性切削液容易導致油痤瘡、毛囊炎、角化癥和皮膚癌。其中,油痤瘡是最常見的,它是由于皮膚接觸油而阻礙了皮膚毛孔,導致發炎形成膿水泡。當金屬碎屑、砂輪顆粒、氧化物顆粒和鐵銹顆粒與皮膚接觸阻礙皮膚毛孔時,引起出疹,會誘發毛囊炎。皮膚癌和角化癥主要由多環芳烴( PAH)引起;
    水溶性切削液容易導致刺激性皮炎和過敏性皮炎。刺激性接觸皮炎是由表皮層細胞局部毒性作用引起的發炎反應。過敏性皮炎是由皮膚內抗原刺激引起的一種發炎反應,是處理切削液的工人得濕疹的重要原因。
  2. 操作人員通過呼吸道攝入切削液形成的煙霧:油溶性切削液形成的油霧和水溶性切削液汽化形成的微液滴刺激呼吸系統粘膜會引起炎癥,煙霧的刺激性氣味和切削液腐敗產生的惡臭對呼吸道也會產生危害。

2 綠色制造技術

如何把切削液的危害降到最低程度是一個極為重要而又不易解決的問題。解決切削液問題最直接有效的方法就是采用少、無切削液的綠色加工技術。人們在尋找新的切削潤滑冷卻技術的過程中,進行了多方面有益的嘗試,發展出了多種綠色制造技術:干切削、低溫冷卻、冷風冷卻和最少量潤滑技術———MQL (MinimalQuantities of Lubricant) 。
  1. 干切削
    干切削就是在切削過程中不用任何切削液的加工方法。相對于傳統切削液的濕式加工工藝而言,它是控制污染源頭的一種清潔制造工藝。它的優點包括: ①對環境無污染; ②對人體健康無危害; ③形成的切屑干凈、清潔,易于回收和處理; ④省去了與切屑和切削液相關的費用,降低了生產成本。
    干切削不是簡單地停止使用切削液,而是要在停止使用切削液的同時,保證高效率、高產品質量、高的刀具耐用度以及切削過程的可靠性。干切削技術的發展在很大程度上依賴于刀具技術和涂層技術的開發。選擇具有良好抗機械沖擊和熱沖擊性能以及極高耐磨性的新型刀具材料,如超細晶粒硬質合金、微細顆粒氧化鋁陶瓷、SiC晶須增強陶瓷、立方氮化硼(CBN) 、聚晶金剛石;也可在高速鋼、硬質合金基體上進行適宜的涂層,如TiA1N涂層、TiCN 涂層、TiA1N +MoS2涂層、類金剛石DLC涂層等,近年來提出的納米涂層技術,可使刀具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能。
    雖然干切削具有諸多優點,但在切削鈦合金、超耐熱不銹鋼等材料時,應用干切削技術還存在一些困難。因為由于沒有切削液,其冷卻、潤滑及排屑作用就會喪失,切削加工中的熱量就會增加,從而導致過高的切削溫度,切削過程中會產生更多的摩擦和粘附現象,使得刀具壽命變短、生產效率降低,并使加工表面質量變差。而且干切削過程中易產生金屬粉塵,而美國環保署(EPA)指出,工人即使吸入濃度很小的某些金屬粉塵也會引起急性肺炎。
  2. 低溫冷卻
    低溫冷卻技術是一種將液態氣體, 例如液態氮(-186℃) 、液體CO2(-76℃) ,直接傳輸到切削區和刀具切削刃附近的切削技術。與干切削相比,它在降低切削溫度,提高刀具壽命、表面質量的表現上更為優越。還有研究表明,低溫冷卻技術的實施有得切屑的折斷。缺點是液氮不能循環利用以及產生低溫液態氣體的設備增加了制造成本。
  3. 冷風切削
    低溫冷風切削加工是在切削時使用-10℃～-100℃的低溫冷風和非常微量的植物油代替冷卻潤滑劑實施切削的方法。它既能緩解切削區的高溫,延緩刀具磨損,又能保證刀具的潤滑性。試驗證明,采用低溫冷風切削時,車刀的壽命可以延長兩倍以上。但低溫冷風發生系統大都比較昂貴,如日本生產的設備隨冷風排放量的大小不同,每臺價格在150萬～340萬日元之間。
  4. 最少量潤滑技術MQL
    目前,干式切削技術還不成熟,其應用范圍也很有限。而傳統的溫式切削又有諸多不足。因此介于兩者之間的最少量潤滑技術MQL有著極為廣闊的應用前景。最少量潤滑技術是指在切削中,切削工作處在最佳狀態下(即不縮短刀具使用壽命,不降低已加工表面質量) ,切削液的使用量達到最少。它的工作原理是以分解性高的合成脂和油脂作為油劑,并通過一個泵供給,油劑和空氣被自動混合在噴嘴里,形成毫微米級氣霧并噴射在切削區,起到冷卻和潤滑作用。它的切削液消耗量可達50ml/h以下,而正常射流潤滑的切削液消耗量可達6L/min。該方法使用極少量的潤滑油達到良好的冷卻和潤滑的效果,而且很好地解決了傳統切削液危害人體健康及污染環境的問題。
    MQL系統的優點包括:
    1. 采用分解性高的合成脂和油脂作為潤滑劑,加工后刀具、工件、切屑仍然保持干燥,不需要廢液處理,對人體無危害,對環境無污染;
    2. 節約資源:供給的油量可達每小時2～30mL,為傳統濕式方法用量的萬分之一左右;
    3. 減小刀具—工件、刀具—切屑的摩擦,抑制溫升,防止粘結,延長刀具壽命,提高加工表面質量;
    4. 由于使用切削液量為最少,因此系統簡單,體積小,易布局。
    MQL技術是一種具有極大發展潛力和廣闊應用前景的綠色加工技術,經過大量研究,MQL 的實用水平在不斷提高。下面列舉了當前世界各國的科學對MQL 在車削加工、銑削加工和鉆孔加工等方面上的研究,加工材料包括鋁合金、不銹鋼等。
    1. 日本科學家ToshiakiWakabayashi在用P20涂層刀具加工硬度為45HRC的不銹鋼的實驗中,為了達到切削油高效利用的目的,采用了雙噴嘴MQL系統,一個噴嘴針對前刀面,另一個針對后刀面,每個噴嘴和刀具相隔20mm。實驗表明,該系統提供了比干切削下更小的切屑一刀具摩擦系數;并可通過使用大流量的壓縮空氣加強冷卻效果,從而減小刀具磨損、提高加工表面質量。
    2. 韓國科學家Tao Jo Ko和Hee Sool Kim在車削硬質材料時使用MQL冷卻技術,比較了TiN涂層刀具和CBN刀具的切削性能。在加工經過熱處理的硬度為62～64HRC軸承鋼時,在刀具尖端噴射油霧可以減少TiN涂層刀具的磨損, CBN刀具的壽命可延長30%。采用MQL 技術,可以用低價的TiN涂層刀具來代替昂貴的CBN刀具而達到相同的切削效果。
    3. 英國科學家Machado和Wallbank使用油量為200～300ml/h的MQL車削中碳鋼,與傳統的大量切削液冷卻(5.1L/min) 、干切削、空氣冷卻相比較。低轉速大進給量加工中,使用MQL能顯著降低切削力;使用MQL或空氣冷卻,在減少振動方面的效果比使用大量切削液要好。
    4. 巴西科學家Durval在鉆孔鋁硅合金的實驗中,使用無涂層的K10和金剛石碳化鉆頭,比較了MQL和大量可溶性油冷卻這兩種方法。MQL系統中采用流量為72m3/h、壓力為4.5bar的空氣流霧化油劑。實驗表明,油劑流量對刀具磨損無顯著影響;與使用大量油溶性切削液相比,在刀具的磨損程度相當的情況下,使用MQL系統時孔的加工質量更好;使用金剛石鉆頭和無涂層鉆頭對于加工效果無顯著區別。
    5. 印度科學家Varadarajan, Philip和Ramamoorthy在用帶槽型的復合涂層刀具車削46HRC硬質鋼的實驗中,使用以礦物油(帶添加劑)為油劑的MQL系統。研究發現,當油劑流量為60ml/h時,加工效果最為理想。比較不同的切削參數下,干切削、濕式潤滑和MQL的潤滑冷卻效果。發現MQL在降低切削力、延長刀具壽命、提高表面質量和金屬去除率等方面的綜合性能要好于其他方法。
    6. 日本科學家橫田秀雄研究發現,與使用水溶性切削液和干切削相比,采用MQL技術并且使用專用切削油的合成脂作為油劑時,切削摩擦系數較低。
    7. 美國科學家Shamim和Ketteborough研究了油霧潤滑滾動軸承的摩擦學性能。實驗證明,與傳統的油池潤滑相比, 使用油霧潤滑可以降低軸承摩擦25% , 溫度降低10℃。
    目前對MQL的研究尚處于初級階段,尤其是對難加于材料中的MQL系統的應用研究更為缺乏。MQL系統的普及必須解決如何確定加工所需潤滑液量的問題,解決除屑排屑問題,解決切削灰塵以及油霧對自動換刀系統的影響問題。

3 結論

防止公害與環境污染,確保勞動者的安全與健康是當前世界各國極為關注的問題。一些國家已對切削液使用制定了嚴格的法律和法規,如美國國立衛生研究所(N IOSH)要求把金屬加工中液體薄霧量減少到0.05mg/m3。因此實行綠色制造是未來制造業的必然趨勢。
經濟有效的綠色制造工藝———MQL已經應用于車削、銑削和鉆孔等加工領域中,MQL系統中采用的潤滑油通常是可降解、無毒的,對勞動者的健康不會產生危害。切削液的用量為最小,并用減少了切削液系統的維護和車間、空氣、工件的清潔工作,大大降低了生產成本。從研究中發現,通過采用MQL技術,可以用TiN涂層刀具來代替CBN刀具從而降低刀具成本;加工不銹鋼時能顯著降低切削摩擦系數,減少刀具磨損;加工鋁合金時能延長刀具壽命3～5倍,同時可以減少毛邊,使工件具有更好的表面質量。
因此,綜合考慮加工成本、生產效率、環境保護和勞動者健康問題,MQL是一種綜合優化的切削加工方法。
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