【編者按】內(nèi)冷卻刀具最小量潤(rùn)滑加工的最大益處是“綠色”篙协，因?yàn)樗鼘?duì)環(huán)境非常友好今攀，并且有助于為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤(rùn)。

　　最小量潤(rùn)滑(MQL)切削(即近干切削)是一種雙贏加工模式粟朵，它可以大幅度減少冷卻液用量敲抄、相關(guān)設(shè)備和能源成本、散發(fā)到空氣中的冷卻液飛沫及刺激操作工人皮膚的可能性喻秩，同時(shí)碴验，它還能潛在地提高生產(chǎn)率和工件加工質(zhì)量。這是外部供液式MQL以及本文將要重點(diǎn)討論的內(nèi)冷卻刀具M(jìn)QL的共同特點(diǎn)娃肃。

　　與傳統(tǒng)冷卻方式在刀具/工件界面處澆注大量冷卻液不同缕陕，內(nèi)冷卻刀具M(jìn)QL是將壓縮空氣與潤(rùn)滑劑(通常為植物油、潤(rùn)滑酯或酒精等)形成的氣霧疙挺，通過機(jī)床主軸和刀具內(nèi)部的冷卻液通道扛邑，從冷卻孔出口準(zhǔn)確地噴射到刀具切削刃上。MQL最優(yōu)化定量供液的潤(rùn)滑劑大約有90%在切削時(shí)被消耗掉铐然，其余10%大部分被切屑帶走蔬崩，在工件上只有極少(或沒有)殘留。MQL系統(tǒng)的潤(rùn)滑劑用量大約為10-150ml/h(0.003-0.04gph)搀暑，與之相比沥阳，采用5%乳化液進(jìn)行濕式切削時(shí)跨琳，其用量可達(dá)132gph或更高。

　　人們通常公認(rèn)沪袭，從濕式切削加工轉(zhuǎn)換為近干切削加工湾宙，可將與冷卻液相關(guān)的加工成本降低10%-17%。

　　其他成本還包括過濾系統(tǒng)和介質(zhì)冈绊、貯液槽、循環(huán)冷卻器埠啃、高壓輸液機(jī)死宣、用于從切屑中去除冷卻液的離心分離機(jī)或切屑?jí)簤K機(jī)，以及殺菌劑等吮蒜。在建造采用MQL技術(shù)的“綠色工廠”時(shí)跷碰，不再需要為支承沉重的冷卻液過濾系統(tǒng)而專門加固地基，只需為放置MQL機(jī)器澆筑一塊一定厚度的平整地面即可催岔。

　　一些零件制造商可能會(huì)說谎后，他們的澆注式冷卻液會(huì)在過濾后重復(fù)使用，但這并不意味著系統(tǒng)中的所有冷卻液都不會(huì)損耗惑叶。冷卻液的損耗量大得難以置信古种，尤其是在比較陳舊的機(jī)床上。這種損耗是由蒸發(fā)和泄漏旭绝，以及切削時(shí)被油霧收集器吸出而造成的绷荔。據(jù)最終用戶估計(jì)，在生產(chǎn)環(huán)境中桨皂，加工每個(gè)零件的冷卻液損耗量為1/2-1加侖茄码，如果每年加工25萬個(gè)零件，就有可能損耗25萬加侖冷卻液衰屡。

　　MQL系統(tǒng)的選擇

　　在MQL系統(tǒng)中构韵，有兩種將空氣與潤(rùn)滑劑混合起來的基本方式。單通道內(nèi)冷卻刀具M(jìn)QL系統(tǒng)是在位于主軸后方的一個(gè)貯液槽中對(duì)兩種成分進(jìn)行混合趋艘，然后通過一根穿過旋轉(zhuǎn)聯(lián)管節(jié)的管道疲恢，將空氣與潤(rùn)滑劑的混合物經(jīng)過主軸和刀塔輸送到刀頭部位。

　　雙通道內(nèi)冷卻刀具M(jìn)QL系統(tǒng)則是一種循環(huán)式系統(tǒng)致稀，潤(rùn)滑劑持續(xù)不斷地從一個(gè)貯液槽中被泵出冈闭，并存儲(chǔ)在環(huán)形管道中。為了提供精確定量的潤(rùn)滑液抖单，可利用位于旋轉(zhuǎn)傳送裝置之前的一個(gè)速動(dòng)閥來調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的潤(rùn)滑液量萎攒。當(dāng)需要MQL系統(tǒng)工作時(shí)，將速動(dòng)閥門打開矛绘，從環(huán)形管道中汲出最佳數(shù)量的潤(rùn)滑液耍休。

　　精確定量的潤(rùn)滑液通過位于主軸中心的噴桿被輸送到位于刀柄后部的噴嘴處刃永。當(dāng)潤(rùn)滑液通過噴桿進(jìn)入噴嘴時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)傳送裝置供給的空氣則沿著圍繞噴桿的主軸冷卻通道進(jìn)入噴嘴的混合腔羊精，空氣與潤(rùn)滑液在混合腔中混合成氣霧斯够。然后，這種氣霧通過刀具內(nèi)部的冷卻孔流動(dòng)太汹，并作為極細(xì)小的潤(rùn)滑油/空氣微粒噴出榕华。

　　在選擇單通道或雙通道MQL系統(tǒng)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速是一個(gè)需要考慮的因素窗项。單通道系統(tǒng)是在通過主軸之前對(duì)潤(rùn)滑劑與空氣進(jìn)行混合粮忍，因此，允許的最大主軸轉(zhuǎn)速約為16,000r/min帮声。這是因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力可能會(huì)造成潤(rùn)滑液與空氣分離肄蓄。而雙通道系統(tǒng)則適合高達(dá)約40,000r/min的主軸轉(zhuǎn)速。

　　此外专散，對(duì)于單通道系統(tǒng)來說偷瀑，噴霧能夠流動(dòng)的距離有一定限制，在其流速減慢前喉隙，可流動(dòng)的最大距離約為1270mm叶皿。對(duì)于一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型加工中心來說，這并不會(huì)構(gòu)成問題剂户，但對(duì)于一臺(tái)大型龍門式加工中心泣爷，則需要將單通道系統(tǒng)安裝在龍門本體上，使其可以隨著龍門一起運(yùn)動(dòng)奉狈，而不能將MQL系統(tǒng)安放在地面卤唉，并長(zhǎng)距離輸送氣霧。

　　另一個(gè)需要考慮的問題是換刀頻率仁期，因?yàn)閱瓮ǖ老到y(tǒng)將氣霧從主軸后部輸送到刀具頭部有一定的滯后時(shí)間桑驱。如果采用單通道系統(tǒng)，需要在換刀程序中增加停頓時(shí)間跛蛋。而雙通道系統(tǒng)實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)反應(yīng)熬的。

    單通道系統(tǒng)換刀之間的滯后時(shí)間為1-3秒，如果采用雙通道系統(tǒng)赊级，當(dāng)你關(guān)閉MOL時(shí)押框，實(shí)際上是在阻止MOL流入刀柄，只需要0.1-0.3秒的時(shí)間理逊，就能使MOL重新開始流動(dòng)橡伞。

　　單通道系統(tǒng)的成本約為雙通道系統(tǒng)的90%。為了解決單通道系統(tǒng)的滯后問題晋被，可在編制加工程序時(shí)兑徘，在進(jìn)入切削之前提早打開MQL刚盈，以縮短滯后時(shí)間，但這樣會(huì)消耗更多的潤(rùn)滑液嘹征，如果比較兩種系統(tǒng)可以節(jié)省的總成本蓄梯，雙通道系統(tǒng)似乎優(yōu)勢(shì)更大一些。

　　盡管如此纸靠，單通道系統(tǒng)也有自己的優(yōu)勢(shì)游推，尤其是對(duì)于那些基于工件的考慮，需要在濕式切削與近干切削之間快速來回轉(zhuǎn)換的中小批量零件制造商來說诗实，更是如此兄诱。這是因?yàn)椋瑔瓮ǖ老到y(tǒng)將混合氣霧引入旋轉(zhuǎn)聯(lián)管節(jié)后部的方式與引入澆注冷卻液的方式相同昆饲，澆注冷卻液可通過另外一個(gè)球閥和管道系統(tǒng)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)聯(lián)管節(jié)。既可以打開引入澆注冷卻液的球閥捞勿，同時(shí)關(guān)閉另一個(gè)引入MQL的球閥蝗袄，也可以與此相反。

　　可能存在的局限性

　　MQL切削方式可能并非適合加工所有的工件材料私周。在對(duì)較難加工的不銹鋼贮爹、鈦合金和某些鎳基合金材料(如Inconel合金)的攻絲加工中采用MQL方式。需要的不僅是噴霧冷卻方式育勺，切削這些材料時(shí)但荤，還需要使用某種類型的潤(rùn)滑液。MQL加工方式的適用范圍存在一些限制涧至。

　　有些人認(rèn)為腹躁，只要刀具制造商合理設(shè)計(jì)刀具，工件材料就不會(huì)對(duì)MQL的應(yīng)用造成任何限制南蓬。其實(shí)每種刀具都需要根據(jù)加工要求和工件材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)纺非。

　　 舉個(gè)例來說，福特汽車公司從1998年開始在德國(guó)應(yīng)用MQL技術(shù)赘方。在典型的大規(guī)模生產(chǎn)模式中烧颖，引入MQL技術(shù)有助于使每年的冷卻液消耗量減少大約3萬加侖，用水量減少25萬加侖窄陡，過濾器介質(zhì)用量減少幾千碼炕淮，壓縮空氣用量減少數(shù)百萬立方英尺。此外跳夭，福特公司最近在近干切削領(lǐng)域取得了以下5個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)步：

　　(1)開發(fā)了失效模式和效果分析(FMEA)工具涂圆，它可以提供應(yīng)用MQL技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，幫助編寫培訓(xùn)操作工人的教材和技術(shù)文件捣睬。

　　(2)制定了用于計(jì)算空氣和潤(rùn)滑劑流量的校準(zhǔn)規(guī)程血洞。如果沒有校準(zhǔn)規(guī)程湃鳖，有可能50臺(tái)配備了50套MQL系統(tǒng)的加工機(jī)床盡管都來自同一供應(yīng)商，但其加工性能卻各不相同僻携。Stoll說狮最，“你必須按照同一標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)這些系統(tǒng)。以前疹返，一直沒有一種合理而適用的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置泌祥。”

　　(3)開發(fā)了刀具律跺、刀柄放暇、噴嘴、調(diào)節(jié)螺釘和噴桿之間的最佳界面侦镜，以確保氣霧以正確的路徑通過系統(tǒng)和流出刀具打吱，而不會(huì)產(chǎn)生任何會(huì)改變氣霧流的空隙或空腔。

　　(4)開發(fā)了MQL噴流型態(tài)測(cè)試方法翠霍，以驗(yàn)證通過加工仿真顯示的锭吨、可使氣霧流最優(yōu)化的刀具設(shè)計(jì)方案。

　　(5)在工件夾具寒匙、機(jī)床的底座零如、立柱和主軸上安裝傳感器，以監(jiān)測(cè)機(jī)床和工件的溫度變化锄弱，然后利用這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出線性膨脹量考蕾，據(jù)此調(diào)節(jié)主軸位置。

　　潤(rùn)滑油問題

　　潤(rùn)滑油的溫度保持恒定会宪，將有助于確保潤(rùn)滑油具有穩(wěn)定的粘度肖卧，從而使其在切削區(qū)的用量保持一致。然而狈谊，設(shè)備的溫度可能會(huì)根據(jù)不同的季節(jié)和一天中不同的時(shí)間在15℃-43℃之間波動(dòng)喜命。因此，福特汽車公司和必諾(bielomatik)公司在速動(dòng)閥上安裝了一個(gè)加熱裝置河劝，以提高潤(rùn)滑油的溫度壁榕，使其高于車間環(huán)境溫度。

　　潤(rùn)滑油的類型對(duì)于MQL的成功應(yīng)用也至關(guān)重要赎瞎。零件制造商必須避免使用具有氧化性的廉價(jià)潤(rùn)滑油燕紊，氧化作用會(huì)使?jié)櫥妥兊谜吵恚⒃谠O(shè)備表面形成不易去除的油漬癣吝。潤(rùn)滑油的粘性確實(shí)是一個(gè)問題荔寞，它會(huì)使切屑相互粘連，或粘在刀具上体涡，從而造成二次切削超瞧。

與礦物油相比甜脖，植物油的熱容量要高得多。植物油的閃點(diǎn)大約為230℃迈竖，而礦物油僅為120℃廊畔。他還警告說，不要將植物油作為油霧來使用脖煮，因?yàn)槠漕w粒越細(xì)小贬奢，就越不容易在刀具表面形成“潤(rùn)濕”效應(yīng)∈衿“從工人健康的角度考慮悦追，雖然植物油是無毒和可降解的，但它仍然會(huì)被吸入并附著在肺上限寞，吸入肺部的油霧顆粒越小忍啸，其危害性就越大÷闹玻”

　　近干切削刀具

　　為了獲得最佳加工效果吊骤，必須采用適合近干切削的刀柄和刀具。雖然任何類型的刀柄都適合用于MQL加工静尼，但HSK刀柄使用最普遍，這部分是因?yàn)闅W洲機(jī)床制造商在大力推動(dòng)MQL加工技術(shù)的發(fā)展传泊，而HSK刀柄在歐洲應(yīng)用范圍最廣鼠渺。與濕式切削相比，MQL的關(guān)鍵要素是眷细，氣霧必須沿著明確確定的輸送路徑流動(dòng)拦盹，而不會(huì)出現(xiàn)任何會(huì)干擾流速和流動(dòng)方向的空隙。

　　刀柄后部與主軸的聯(lián)接方式?jīng)Q定了它如何將冷卻液輸送到刀具中溪椎。他在談到用于濕式切削和近干切削的刀柄有何不同時(shí)說普舆，從刀柄外部，能看不出有何不同校读，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)確實(shí)有區(qū)別速痹。

　　用于調(diào)節(jié)刀具安裝長(zhǎng)度以及刀桿與刀柄界面后部的徑向調(diào)節(jié)螺釘是唯一可以更換的附件，可以拿下標(biāo)準(zhǔn)接頭绳练，取出調(diào)節(jié)螺釘锦镶，根據(jù)供液系統(tǒng)的類型，使用一根由機(jī)床制造商提供的枫昏、符合MQL要求的冷卻液輸送管偶屯，然后更換調(diào)節(jié)螺釘。這樣旋蝎，就有了一個(gè)符合MQL加工要求的刀柄冶习。

　　與刀柄不同镰掐，為了實(shí)現(xiàn)MQL加工，需要對(duì)刀具進(jìn)行更多改造琐幔。例如炸诚，在孔加工中，需要將鉆頭冷卻孔的出口擴(kuò)大齐秕，以利于將冷卻液輸送到與工件接觸的整個(gè)前刀面沈机，從而消除積屑瘤和刀具熱淬現(xiàn)象。在切削中笋敞，當(dāng)冷卻液被引入紅熱化的刀具/工件界面時(shí)碱蒙，就會(huì)出現(xiàn)熱淬現(xiàn)象，它容易造成刀具基體碎裂夯巷，縮短刀具壽命赛惩。

　　刀具設(shè)計(jì)人員必須考慮到，需要將空氣/潤(rùn)滑油的混合物送達(dá)多階梯式刀具的所有切削刃趁餐。對(duì)于較長(zhǎng)的刀具喷兼，位于刀具端部的內(nèi)冷卻孔出口必須有較小的傾斜度，這樣可以形成渦流后雷，使冷卻液加速流向刀具端部季惯，從而使所有切削刃都能獲得充分的冷卻潤(rùn)滑。

　　冷卻孔的出口尺寸還取決于刀桿內(nèi)部冷卻液通道的直徑大小臀突。如果刀桿內(nèi)主通道本身的直徑為6mm勉抓，那么所有出口的直徑尺寸之和就不能超過6mm。這是因?yàn)楹蜓В绻鞒隹谥睆街统^了主通道直徑藕筋，壓力就會(huì)降低，從而使流速減緩呕摹。

　　對(duì)于近干切削而言蒂抒，內(nèi)冷卻刀具的MQL加工要求最為嚴(yán)苛。一般來說二搀，對(duì)于常規(guī)加工先兆，采用銑刀進(jìn)行干切削。

　　因此危婚，對(duì)于MQL攻絲加工褥欺，也需要精心設(shè)計(jì)和制造刀具。專用絲錐的設(shè)計(jì)取決于工件材料和螺紋加工要求峦仲，不過盔鬼，與常規(guī)絲錐相比，用于近干切削的絲錐具有較大的后角、較大的倒錐和較窄的棱帶女饺，以滿足同步攻絲的要求纹怨。攻絲時(shí)，刀具與工件之間大面積接觸面不能太大儒恋，絲錐柄部不應(yīng)與工件發(fā)生摩擦善绎。

　　MQL絲錐的冷卻孔如何加工，取決于是用于加工盲孔還是通孔诫尽。對(duì)于加工通孔用絲錐禀酱，可以采用放電加工(EDM)方式加工出一個(gè)貫穿刀具全長(zhǎng)的冷卻孔，然后堵塞孔的端部牧嫉，并用EDM加工出十字交叉孔剂跟，使MQL氣霧能從絲錐的側(cè)面噴出。如果不這么做酣藻，MQL氣霧就會(huì)通過通孔底部噴出曹洽，無法起到潤(rùn)滑冷卻作用。而對(duì)于盲孔加工絲錐辽剧，就無需堵塞冷卻孔的端部送淆，使壓力為100-200psi的氣霧能到達(dá)盲孔底部，發(fā)揮潤(rùn)滑和輔助排屑功能怕轿。

　　首先偷崩，刀具制造商應(yīng)該對(duì)MQL刀具的設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，以確保氣霧能從盡可能靠近切削刃的冷卻孔噴出撞羽。

　　采用前面提到的MQL噴流型態(tài)測(cè)試方法蛾藐。這種測(cè)試是將一個(gè)刀具樣品安裝在帶有MQL供液系統(tǒng)的機(jī)床主軸上，并在刀具的前面昂贷、下面或周圍距離大約13mm處，放置一個(gè)綠色或藍(lán)色的吸水介質(zhì)面板答艘，當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)時(shí)拆翘，觀察噴出的潤(rùn)滑液相對(duì)于切削刃的位置。如果其噴流型態(tài)與切削刃的位置非常接近息体，則表明該刀具冷卻潤(rùn)滑性能良好的可能性很高囊脉。制造出首件刀具或代用/虛擬刀具后，需要將其安裝到機(jī)床上狗悔，進(jìn)行動(dòng)態(tài)噴流型態(tài)測(cè)試屉争，如果測(cè)試結(jié)果不能滿足要求，則需要重新改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)巡软。

　　生產(chǎn)率與工件質(zhì)量

　　MQL能夠提高切削速度和進(jìn)給率檩讯，這部分是因?yàn)椴粫?huì)再出現(xiàn)冷卻液限制切削參數(shù)提高的情況，在孔加工中尤其如此。例如干跛，許多企業(yè)正采用麻花鉆代替槍鉆加工小直徑深孔子姜。把孔塞得更滿并不總是好事。在深孔加工中采用高壓冷卻液楼入，為了排屑哥捕，冷卻液需要占用更多空間。而MQL則是采用氣流將切屑排出孔外嘉熊。

　　采用濕式切削時(shí)遥赚，還有可能因?yàn)榍邢鲿r(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)硬質(zhì)合金切削刃造成熱沖擊而降低切削速度。采用MQL加工時(shí)阐肤，切削刃不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋凫佛，因?yàn)樗梢韵裏岽悻F(xiàn)象，或避免使硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生任何應(yīng)力碎裂或裂紋泽腮。因此御蒲，可以采用比通常的濕式切削更高一些的表面切削速度進(jìn)行加工。

　　由濕式切削轉(zhuǎn)換為MQL切削后诊赊，工件的表面光潔度質(zhì)量通常會(huì)有所提高厚满，這是因?yàn)镸QL切削每次使用的都是潔凈的潤(rùn)滑液，而濕式切削循環(huán)使用的回收潤(rùn)滑液中有可能混入微小磨粒楚餐，從而對(duì)工件表面造成二次切削斤卒。

　　目前MQL加工呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而了解它的益處撇扯，可以產(chǎn)生立竿見影的回報(bào)囚誓。

　　然而，傳統(tǒng)習(xí)慣并不會(huì)很快消亡见撵。人們可能不愿意對(duì)原來的加工方式進(jìn)行變革启孔，即使這種變革可以為他們省錢⌒轿荆可是键羡，正確的變革——如由濕式切削轉(zhuǎn)換為MQL和與最小量冷卻有關(guān)的其他加工方式——可能是一件好事，其好處包括改善工件表面光潔度凡加、降低刀具成本慰奉、提高加工速度、避免工人罹患皮炎氧胳、節(jié)省車間空間证森、減少動(dòng)力消耗和改善環(huán)境。

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