最少量潤(rùn)滑切削技術(shù)(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(rùn)滑、清洗、排屑及防銹作用。使用切削液對(duì)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(huán)保意識(shí)和安全意識(shí)的增加,人們對(duì)使用切削液帶來的負(fù)面影響的認(rèn)識(shí)也逐

    在金屬切削過程中,切削液具有冷卻、潤(rùn)滑、清洗、排屑及防銹作用。使用切削液對(duì)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(huán)保意識(shí)和安全意識(shí)的增加,人們對(duì)使用切削液帶來的負(fù)面影響的認(rèn)識(shí)也逐漸加深,使用切削液不僅增加了制造成本,對(duì)環(huán)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(dá)到保護(hù)環(huán)境和勞動(dòng)者安全的目的。

1 切削液對(duì)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(rùn)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(chǎn)生火煙和引起火災(zāi)的危險(xiǎn)性,加工后脫脂清洗較簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是機(jī)床和工件容易生銹。油溶性切削液潤(rùn)滑和防銹作用好,但在高速切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的油霧,惡化環(huán)境衛(wèi)生。為了適應(yīng)各種潤(rùn)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(duì)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(zhì),而且亞硝酸鹽和醇胺容易發(fā)生反應(yīng)形成致癌的亞硝胺;作為殺菌劑使用的苯酚婁物質(zhì)也有很大毒性。
    切削液對(duì)人體健康產(chǎn)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(yè)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(duì)皮膚的危害是有區(qū)別的。
    一般認(rèn)為,油溶性切削液容易導(dǎo)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(dǎo)致發(fā)炎形成膿水泡。當(dāng)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(shí),引起出疹,會(huì)誘發(fā)毛囊炎。皮膚癌和角化癥主要由多環(huán)芳烴( PAH)引起;
    水溶性切削液容易導(dǎo)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(xì)胞局部毒性作用引起的發(fā)炎反應(yīng)。過敏性皮炎是由皮膚內(nèi)抗原刺激引起的一種發(fā)炎反應(yīng),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(tǒng)粘膜會(huì)引起炎癥,煙霧的刺激性氣味和切削液腐敗產(chǎn)生的惡臭對(duì)呼吸道也會(huì)產(chǎn)生危害。

2 綠色制造技術(shù)

如何把切削液的危害降到最低程度是一個(gè)極為重要而又不易解決的問題。解決切削液?jiǎn)栴}最直接有效的方法就是采用少、無切削液的綠色加工技術(shù)。人們?cè)趯ふ倚碌那邢鳚?rùn)滑冷卻技術(shù)的過程中,進(jìn)行了多方面有益的嘗試,發(fā)展出了多種綠色制造技術(shù):干切削、低溫冷卻、冷風(fēng)冷卻和最少量潤(rùn)滑技術(shù)———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(duì)于傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)包括: ①對(duì)環(huán)境無污染; ②對(duì)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(guān)的費(fèi)用,降低了生產(chǎn)成本。
    干切削不是簡(jiǎn)單地停止使用切削液,而是要在停止使用切削液的同時(shí),保證高效率、高產(chǎn)品質(zhì)量、高的刀具耐用度以及切削過程的可靠性。干切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于刀具技術(shù)和涂層技術(shù)的開發(fā)。選擇具有良好抗機(jī)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金、微細(xì)顆粒氧化鋁陶瓷、SiC晶須增強(qiáng)陶瓷、立方氮化硼(CBN) 、聚晶金剛石;也可在高速鋼、硬質(zhì)合金基體上進(jìn)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(shù),可使刀具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能。
    雖然干切削具有諸多優(yōu)點(diǎn),但在切削鈦合金、超耐熱不銹鋼等材料時(shí),應(yīng)用干切削技術(shù)還存在一些困難。因?yàn)橛捎跊]有切削液,其冷卻、潤(rùn)滑及排屑作用就會(huì)喪失,切削加工中的熱量就會(huì)增加,從而導(dǎo)致過高的切削溫度,切削過程中會(huì)產(chǎn)生更多的摩擦和粘附現(xiàn)象,使得刀具壽命變短、生產(chǎn)效率降低,并使加工表面質(zhì)量變差。而且干切削過程中易產(chǎn)生金屬粉塵,而美國環(huán)保署(EPA)指出,工人即使吸入濃度很小的某些金屬粉塵也會(huì)引起急性肺炎。
  2. 低溫冷卻
    低溫冷卻技術(shù)是一種將液態(tài)氣體, 例如液態(tài)氮(-186℃) 、液體CO2(-76℃) ,直接傳輸?shù)角邢鲄^(qū)和刀具切削刃附近的切削技術(shù)。與干切削相比,它在降低切削溫度,提高刀具壽命、表面質(zhì)量的表現(xiàn)上更為優(yōu)越。還有研究表明,低溫冷卻技術(shù)的實(shí)施有得切屑的折斷。缺點(diǎn)是液氮不能循環(huán)利用以及產(chǎn)生低溫液態(tài)氣體的設(shè)備增加了制造成本。
  3. 冷風(fēng)切削
    低溫冷風(fēng)切削加工是在切削時(shí)使用-10℃～-100℃的低溫冷風(fēng)和非常微量的植物油代替冷卻潤(rùn)滑劑實(shí)施切削的方法。它既能緩解切削區(qū)的高溫,延緩刀具磨損,又能保證刀具的潤(rùn)滑性。試驗(yàn)證明,采用低溫冷風(fēng)切削時(shí),車刀的壽命可以延長(zhǎng)兩倍以上。但低溫冷風(fēng)發(fā)生系統(tǒng)大都比較昂貴,如日本生產(chǎn)的設(shè)備隨冷風(fēng)排放量的大小不同,每臺(tái)價(jià)格在150萬～340萬日元之間。
  4. 最少量潤(rùn)滑技術(shù)MQL
    目前,干式切削技術(shù)還不成熟,其應(yīng)用范圍也很有限。而傳統(tǒng)的溫式切削又有諸多不足。因此介于兩者之間的最少量潤(rùn)滑技術(shù)MQL有著極為廣闊的應(yīng)用前景。最少量潤(rùn)滑技術(shù)是指在切削中,切削工作處在最佳狀態(tài)下(即不縮短刀具使用壽命,不降低已加工表面質(zhì)量) ,切削液的使用量達(dá)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(gè)泵供給,油劑和空氣被自動(dòng)混合在噴嘴里,形成毫微米級(jí)氣霧并噴射在切削區(qū),起到冷卻和潤(rùn)滑作用。它的切削液消耗量可達(dá)50ml/h以下,而正常射流潤(rùn)滑的切削液消耗量可達(dá)6L/min。該方法使用極少量的潤(rùn)滑油達(dá)到良好的冷卻和潤(rùn)滑的效果,而且很好地解決了傳統(tǒng)切削液危害人體健康及污染環(huán)境的問題。
    MQL系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括:
    1. 采用分解性高的合成脂和油脂作為潤(rùn)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(duì)人體無危害,對(duì)環(huán)境無污染;
    2. 節(jié)約資源:供給的油量可達(dá)每小時(shí)2～30mL,為傳統(tǒng)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(jié),延長(zhǎng)刀具壽命,提高加工表面質(zhì)量;
    4. 由于使用切削液量為最少,因此系統(tǒng)簡(jiǎn)單,體積小,易布局。
    MQL技術(shù)是一種具有極大發(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景的綠色加工技術(shù),經(jīng)過大量研究,MQL 的實(shí)用水平在不斷提高。下面列舉了當(dāng)前世界各國的科學(xué)對(duì)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(xué)家ToshiakiWakabayashi在用P20涂層刀具加工硬度為45HRC的不銹鋼的實(shí)驗(yàn)中,為了達(dá)到切削油高效利用的目的,采用了雙噴嘴MQL系統(tǒng),一個(gè)噴嘴針對(duì)前刀面,另一個(gè)針對(duì)后刀面,每個(gè)噴嘴和刀具相隔20mm。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)提供了比干切削下更小的切屑一刀具摩擦系數(shù);并可通過使用大流量的壓縮空氣加強(qiáng)冷卻效果,從而減小刀具磨損、提高加工表面質(zhì)量。
    2. 韓國科學(xué)家Tao Jo Ko和Hee Sool Kim在車削硬質(zhì)材料時(shí)使用MQL冷卻技術(shù),比較了TiN涂層刀具和CBN刀具的切削性能。在加工經(jīng)過熱處理的硬度為62～64HRC軸承鋼時(shí),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(zhǎng)30%。采用MQL 技術(shù),可以用低價(jià)的TiN涂層刀具來代替昂貴的CBN刀具而達(dá)到相同的切削效果。
    3. 英國科學(xué)家Machado和Wallbank使用油量為200～300ml/h的MQL車削中碳鋼,與傳統(tǒng)的大量切削液冷卻(5.1L/min) 、干切削、空氣冷卻相比較。低轉(zhuǎn)速大進(jìn)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(dòng)方面的效果比使用大量切削液要好。
    4. 巴西科學(xué)家Durval在鉆孔鋁硅合金的實(shí)驗(yàn)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(tǒng)中采用流量為72m3/h、壓力為4.5bar的空氣流霧化油劑。實(shí)驗(yàn)表明,油劑流量對(duì)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(dāng)?shù)那闆r下,使用MQL系統(tǒng)時(shí)孔的加工質(zhì)量更好;使用金剛石鉆頭和無涂層鉆頭對(duì)于加工效果無顯著區(qū)別。
    5. 印度科學(xué)家Varadarajan, Philip和Ramamoorthy在用帶槽型的復(fù)合涂層刀具車削46HRC硬質(zhì)鋼的實(shí)驗(yàn)中,使用以礦物油(帶添加劑)為油劑的MQL系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)油劑流量為60ml/h時(shí),加工效果最為理想。比較不同的切削參數(shù)下,干切削、濕式潤(rùn)滑和MQL的潤(rùn)滑冷卻效果。發(fā)現(xiàn)MQL在降低切削力、延長(zhǎng)刀具壽命、提高表面質(zhì)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(xué)家橫田秀雄研究發(fā)現(xiàn),與使用水溶性切削液和干切削相比,采用MQL技術(shù)并且使用專用切削油的合成脂作為油劑時(shí),切削摩擦系數(shù)較低。
    7. 美國科學(xué)家Shamim和Ketteborough研究了油霧潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)證明,與傳統(tǒng)的油池潤(rùn)滑相比, 使用油霧潤(rùn)滑可以降低軸承摩擦25% , 溫度降低10℃。
    目前對(duì)MQL的研究尚處于初級(jí)階段,尤其是對(duì)難加于材料中的MQL系統(tǒng)的應(yīng)用研究更為缺乏。MQL系統(tǒng)的普及必須解決如何確定加工所需潤(rùn)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(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的影響問題。

3 結(jié)論

防止公害與環(huán)境污染,確保勞動(dòng)者的安全與健康是當(dāng)前世界各國極為關(guān)注的問題。一些國家已對(duì)切削液使用制定了嚴(yán)格的法律和法規(guī),如美國國立衛(wèi)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(shí)行綠色制造是未來制造業(yè)的必然趨勢(shì)。
經(jīng)濟(jì)有效的綠色制造工藝———MQL已經(jīng)應(yīng)用于車削、銑削和鉆孔等加工領(lǐng)域中,MQL系統(tǒng)中采用的潤(rùn)滑油通常是可降解、無毒的,對(duì)勞動(dòng)者的健康不會(huì)產(chǎn)生危害。切削液的用量為最小,并用減少了切削液系統(tǒng)的維護(hù)和車間、空氣、工件的清潔工作,大大降低了生產(chǎn)成本。從研究中發(fā)現(xiàn),通過采用MQL技術(shù),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(shí)能顯著降低切削摩擦系數(shù),減少刀具磨損;加工鋁合金時(shí)能延長(zhǎng)刀具壽命3～5倍,同時(shí)可以減少毛邊,使工件具有更好的表面質(zhì)量。
因此,綜合考慮加工成本、生產(chǎn)效率、環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)者健康問題,MQL是一種綜合優(yōu)化的切削加工方法。
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