1 钛合金制造—微量润滑-MQL（近干切削-NDM) 1.1微量润滑-MQL (近干切削-NDM)
1.1.1概述
切削加工中一直试图减少切削液的用量，甚至完全不用。由于切削液处理只过滤掉尺寸比0.03mm大的杂质，因此，每排放1000L乳化液平均要付约9分钱的排污费，这对于大批量生产是一个不小的负担。如在汽车传动箱壳体的加工中，每个工件分担的排污费约40分，这相当于全部刀具费用的30%～40%。此外切削液对人身体也是有很大的危害,因此欧盟等世界各国相继对切削液给出了环保标准,并推行绿加工技术。 具有代表性的绿加工技术有:绿湿式切削（生物稳定型切削液、水蒸汽冷却、绿切削液）、干式切削（包括干切削、气体射流、低温冷风切削、低温液氮冷却切削）、以及亚干式切削（微量润滑幼学纪事MQL、微量冷却润滑Minimum Quantity Cooling Lubrication MQCL、低温微量润滑）等[1-3]。然而，不采用任何辅助手段的纯干切削,又在刀具磨损、冷却、断屑、零件表面加工质量等方面存在缺陷。一个折中的方案就是应用MQL(最小量润滑)的技术。于是，
采用少切削液（微量润滑）的对环境友好的低成本的绿加工技术，已经成为当前各国推广的一个趋势。在德国，MQL装置近几年来每年有15000套的市场，而且还将进一步增加。
微量润滑MQL（Minimum/Minimal Quantity Lubricant/Lubrication，Microlubrica- tion）将压缩气体与极微量润滑油混合气化后，喷射（喷雾）到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效润滑的一种方法。而采用这种润滑方式的切削又称为半干切削(Semi Dry Machining)、近干切削NDM（Near Dry Machining)、准干式切削、亚干式切削、MMKS ( Minimalmengen- Kühlschmierung)。
微量润滑技术是把压缩的气液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做功，消耗了内能，可以使常温的气液温度降低10°C左右；高速喷射的分子级细微的润滑油在刀具刃部和工件上的瞬间渗透力和附着力，超过目前所知的一切冷却液和润滑液，大大减小了刀具和工件间的相互作用力，最大限度地减少了加工产生的热量；再由于两相流体有较高的速度，能及时充分地冲走碎屑，带走加工产生的热量。因此，准干式加工的冷却效率最高[4-5]。
1.1.2 MQL系统组成 风雨张居正
商业化的有BLUEBE（日本富士技研）、ACCU-LUBE（富士技研在美国分公司产品）、德国福鸟Vogel,德国lubfix公司,北京饭店二期意大利科诺润滑Technosystems公司等内外置MQL系统。
（1）典型MQL系统外部喷射方式组成构件：
塘沽二中心小学图.1 外置式MQL 供油系统组成（喷嘴另配，Source：ACCU-LUBE）
#1.储液罐； #2. 连接头； #3. 编织空气软管（内套润滑油管#4），用于接喷嘴；
#4. 润滑油管（外套编织空气软管#3），用于接喷嘴； #5.空气流量阀（空气流量调节旋钮）；
#6. 外壳； #7. 油量调节控制（每个循环范围内）；#8. 空气滤清器、压力表、调压阀；
#9. 精密油泵；#10. 控制阀、进气孔； #11. 滤清器放水口；
#12. 电磁脉冲调节润滑油喷射频率。
工作时，压缩气体由三通管的压缩气体入口进入，流经吸液装置#9中的“收缩－扩张”孔，由于孔截面变小，气体压强随之降低，而腔室中压强与压缩气体入口处相同，这使得腔室内气体与直通孔处气体产生压强差，从而使腔室中的润滑剂流入到吸液装置#9中，此时，通过改变流量调节旋钮#7就可以改变导液软管中润滑剂的流量，同时，吸液装置#9中的润滑剂在压缩气体的推动下，流入传输管（#3-#4构成），并沿着管壁流动到喷嘴处，在喷嘴的收缩作用下雾化并伴随着压缩气体高速喷出。
（2）MQL供液系统主要有2种形式：一种是外置式供液系统；一种是内置式供液系统。如下图2：
图2 MQL供液系统示意[19]
内置式供液系统集成在机床内部，润滑油和压缩空气的混合物通过机床主轴内孔和刀具内置的输送管道导入加工区，冷却润滑油雾供给更加容易。但该方式对主轴结构提出了新的要求，常常限制了主轴的最高转数。外置式供液系统是单独设计，油雾供给的结构简单，几乎不需要改造机床。润滑油和压缩空气在机床外部通过混合装置混合后可由多个喷嘴引出，作用于加工区的刀具和工件。但是当加工的工件直径变化较大或换刀时，原来喷嘴的位置必须经过手动或通过其他的辅助定位系统的校正，来实现喷嘴轴向、径向和角度的正确定位。外部式油雾供给中，对特定的加工方法(如钻削)还存在工艺上的困难。采用目前技术，润滑油雾在加工区最多只能实现长径比约2～3的润滑。深孔构件的铣削也存在相似的问题。
对于微量切削液的传输雾化，也有2种形式(如图3所示)：一种是单通道，这种形式需要一个单独的雾化装置，然后把雾化好的液滴和压缩空气的混合物，通过一个通道传输到喷嘴；另一种为双通道，不需要单独的雾化装置，通过两个通道，里面小通道为微量切削液，外部大通道为压缩空气，在靠近喷嘴处(雾化区)或利用喷嘴进行雾化，进而喷射到切削
区。与双通道系统相比，单通道系统更便于制造，但在输送润滑油雾时，特别是在具有强烈离心作用下的旋转主轴中时，油雾会被分散，这常导致加工区油雾不均匀，使加工质量变差[7]。
图3 MQL系统及供油方式 ([1] [6])
图4 主轴内部供油方式(iMQL) ([1])
图5 内部带导入孔的刀具([1])
外置式供液系统：采用外部微量润滑时，气雾剂从外部经喷嘴供给到润滑点上。气雾外部喷射润滑方式是将润滑液送入喷射冷却系统里面与气体混合，在高压下通过一个多头喷嘴将雾化为毫微米级的气雾不断喷射到刀具表面，对刀具进行冷却和润滑;气雾内部导入喷射方式是直接将冷却气雾通过主轴和刀具送入切削区域，对其进行冷却和润滑。根据加工需要，可将内、外气雾两种冷却润滑方式配合，使用多个喷嘴，效果会更佳。
外部润滑方式存在一个问题是：如何才能把油雾准确喷到切削区域。在钻削、 绞削和攻丝中, 外部供给仅适用于长度/直径比小于 3 的情况。对于大长度/直径比的情况，易采用内
部冷却方式，通过内部有导通孔的主轴和刀具实现把油雾准确送到切削区域。此外，高速加工，运动件周围气流对油雾喷射流场同样有影响，高速加工外置式MQL也有局限性。
内置式供液系统：适用内部导入方式专用刀具
采用内部微量润滑时，通过刀具直接将气雾剂喷到润滑点上。用于钻削、绞削和攻丝等的MQL过程都需要在切削刀具中带有润滑导管。借助该导管，零件程序所规定的悬浮粒子润滑剂可以达到刀具的切削刃上。随着悬浮粒子被泵入刀具的导管中，任何通道直径的突然变化或者盲端都将阻止悬浮粒子的自由流动。悬浮粒子将对自己重新分级为较大的油珠，从而失去悬浮粒子的润滑性。因此，MQL加工中使用的切削刀具必须包括一个过渡段来支持MQL从主轴往刀具的流动。导管的路径(其分支以及方向的变化)ndm必须有利于润滑剂流动，而导管出口的位置要确保润滑剂到达了刀具的切削刃上。目前，BLUEBE、ACCU-LUBE等都提供内部带导通孔的刀具，如图4和图5。
1.1.3 MQL介质---切削液
为了尽量减小对环境和人体的影响，MQL中使用的润滑油，不能再采用那些含有大量有毒
添加剂成分的传统切削液，作为MQL切削加工用切削液，其绿润滑剂的基础油有合成酯、植物性切削油、聚α-烯烃(PAO)和聚乙二醇等[8-9]。而常采用生物降解性高的合成酯和油脂。虽然植物油也具有很好的生物降解性，但其在高的切削温度下，在工件、刀具和上有树脂化的趋势，切削性能也不理想，因此基本不使用。
此外，润滑油雾中油滴颗粒的大小和聚集度对加工区刀具和工件接触表面的润滑效果有影响。油滴大小的影响因素一般包括压缩空气的压力、润滑油用量和喷嘴距离。在同等气压下，随着润滑油用量和喷嘴距离的增加，油滴变大，速度减小。在润滑油用量相等时，随着气压的增大，液滴变小，速度增大。因此，颗粒较大的油滴速度低，在传输中由于自身重力更容易发生偏离，导致加工区不能充分供油，影响润滑效果。
通常油滴的粒径一般控制在2µm以下。油滴颗粒的聚集度主要依赖于润滑油的用量和性质、压缩空气的用量、以及喷嘴的结构。
在 MQL加工中，切削液耗量低, 使用时间长,这就要求切削液不仅具有良好的切削性能, 还必须与环境相容,并保持化学稳定性。因此, 原来认为次要的性能如生物降解性、氧化稳定性和储存稳定性就成为选择切削液的重要依据。在传统的浇注式切削中, 切削液的选择主要
依据其冷却润滑等切削性能, 而在 MQL加工中, 油剂使用量小，使用量为2ml～30ml/小时，从而减少油剂使用的成本。油剂可生物降解，不会污染空气、水系和土壤。油剂从植物中提炼，无毒无害，无油污，无碎屑粘附，切屑无需干燥，可以直接回炉。给油机设备简单，无需配备冷却液箱，无需循环过滤设备。由于油剂有极高的润滑性，大大减少了刀具和工件之间的相互作用力， 可延长刀具寿命。
1.1.4 MQL渗透、冷却、润滑、切削机理
（1）渗透机理
切削液能否充分地发挥吸热和润滑作用, 其渗透能力强弱是一个重要的因素。2004年，Jichao Sun 在其博士论文《Cutting fluid mist formation and behavior mechanisms》对喷雾形成和渗透机理进行了研究。
目前认为油雾进入切削区域有两种方式：毛细管现象和刀具-工件-切屑间的振动。毛细管是被广泛接受的切削液渗透理论，该理论认为：如图6，切削区摩擦界面上由于强大的拉压及剪切应力会产生大量微裂纹，微裂纹作为毛细管会把切削液引入切削区。由于前刀面上存
在着微观的表面粗糙度值，在切屑沿前刀面流出的过程中，前刀面与切屑底面的滑擦和耕犁作用使刀一屑接触区形成了大量的毛细管。通过虹吸作用，会使切削液渗透到切削区起到冷却润滑作用，可见毛细管的存在对切削液的渗透具有重要影响。
细胞凋亡图6单个毛细管模型（Godlevskiy V.A.1997，Lubrication Science）
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