近年來，人們在產(chǎn)業(yè)廢棄物的減少、資源再利用和生產(chǎn)工廠環(huán)境對策等幾方面所做的工作，都已初見成效，然而就金屬加工現(xiàn)場的環(huán)境改善工作來說，卻還不能令人滿意。以ISO14001為代表對環(huán)境問題的關(guān)注，成為近年來的熱門課題。一些大型企業(yè)正在推進(jìn)加工技術(shù)的改良，如干式加工、半干式加工正在受到越來越多地關(guān)注。
MQL加工可在提高加工效率的同時節(jié)省大量的切削液用量，減少對環(huán)境的污染，大幅度降低生產(chǎn)中廢棄物的處理成本。采用新型MQL加工用MS彈簧芯系統(tǒng)，可實現(xiàn)加工的環(huán)保與降耗，具有很強(qiáng)的推廣意義。
所謂MQL（Minimum Quantity Lubrication，半干式）加工就是用大量的壓縮空氣和微量的切削油代替切削液，形成噴霧來潤滑和冷卻切削面的一種方式。切削油的使用量大約是10～100cc/h。目前已經(jīng)有一些生產(chǎn)線采用了這種方式，并取得了較為明顯的效果。
圖1 汽車零件加工線的廢液處理費(fèi)
MQL加工的預(yù)期效果
在以往的濕加工時，要使用大量的冷卻液，從而需要處理大量的廢液。冷卻液的飛散和在工件上附著等情況會導(dǎo)致其流入周圍環(huán)境里的量增多，給環(huán)境和衛(wèi)生方面都帶來諸多不利影響。而采用MQL加工，由于使用冷卻液的量非常少，對環(huán)境污染的改善效果相當(dāng)明顯。
另外，濕加工過程中冷卻液廢液的處理伴隨而來的處理成本也決不可輕視。圖1所示為某汽車零件生產(chǎn)線的廢棄物處理費(fèi)比例表，可以很清楚地看到冷卻液的廢液處理費(fèi)占全部處理費(fèi)的比例接近40%，而且用于驅(qū)動冷卻裝置泵的電力消耗也很驚人。
圖2所示為同一汽車零件生產(chǎn)線的消費(fèi)電量。冷卻液裝置相關(guān)的電力消耗占全部的30%左右。濕加工時所耗費(fèi)的冷卻液的相關(guān)費(fèi)用，有廢液處理費(fèi)、驅(qū)動冷卻裝置的電費(fèi)、冷卻液的購入成本，初步估算這筆費(fèi)用將占汽車零件加工成本的3%～6%。由于MQL加工能夠大幅度地降低這方面的費(fèi)用，所以其可以帶動加工成本大幅降低。
圖2 汽車零件加工線的電力消耗
MQL噴霧發(fā)生裝置在MQL加工中十分必要。定量比例的壓縮空氣和切削液在裝置內(nèi)混合產(chǎn)生油霧；霧氣從噴霧發(fā)生裝置送入刀尖時，噴霧量和噴霧顆粒的直徑是一個問題。噴霧發(fā)生裝置的霧化如沒有一定量的空氣流量，則霧量少，無法生成高濃度的霧氣。這并不僅僅是噴霧裝置的問題，發(fā)生裝置和連有冷卻管的切削工具等噴霧供給孔的直徑如果太小，也無法確?？諝獾牧髁?，噴霧發(fā)生裝置將無法生成理想的霧氣；而顆粒較大的霧氣在運(yùn)輸時，會附著在管道以及主軸的內(nèi)壁形成液狀，使噴霧的損耗變大。
因此，運(yùn)輸中霧氣的顆粒直徑越小越好。一般情況下，運(yùn)輸中的粒徑為4μm 的干霧比較好。另外，運(yùn)輸途中的流速越快，霧氣顆粒會變得越大。也就是說，在確保流量的同時又不提高流速是噴霧運(yùn)輸較為合適的方式，但是霧氣顆粒并不是越小越好。如前所述，從不易附著在管壁上這點上來講，顆粒小的噴霧表現(xiàn)較好，但如果在遇到刀具、工件表面時也難于附著的話就會降低潤滑效果。所以接近工具、工件表面時使用較易附著的顆粒大的噴霧反而效果更好。
MQL加工的具體化
技術(shù)人員要想確認(rèn)在各種各樣的加工條件下MQL加工的可行性，即使清楚MQL的概要，也需要在實際加工測試后進(jìn)行評估，但可能沒有合適的MQL加工設(shè)備。此時，如果能在現(xiàn)有的設(shè)備上實現(xiàn)MQL加工，則能夠很方便地進(jìn)行測評。只要購入市面上有售的噴霧發(fā)生裝置安裝在機(jī)床外部，然后將這個噴霧發(fā)生裝置和與機(jī)床上有關(guān)的冷卻裝置接連起來，使其能夠向刀尖供給噴霧，則能夠很方便地將MQL加工具體化。如果能夠通過使用現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備作事前測評，那么MQL的效果會更加具體化，更加有助于加工現(xiàn)場對這一技術(shù)的推廣。
MQL加工用MS彈簧芯系統(tǒng)
在MQL加工中最大的問題是深孔加工，特別是在L/D＞5時的孔加工。刃具的崩刃、加工后內(nèi)徑光潔度不佳等都使MQL加工變得困難。原因是在深孔加工時，MQL的噴霧從刀具前端開始供給，從刀尖出來的噴霧會帶著切屑一起向孔口處排出，而如果孔較深的話，噴霧可能會在途中被消耗掉，使得孔口處完全無法潤滑，從而切屑的流動性變差，切屑堵塞導(dǎo)致加工扭矩增大，同時由于刀具的外周和孔內(nèi)面之間無潤滑的狀態(tài)引起摩擦扭矩增大，最終導(dǎo)致刀具的崩刃以及加工面的粗糙。
作為解決這一問題的方法之一，本文特別介紹一種新型MQL加工用MS彈簧芯系統(tǒng)。該彈簧芯系統(tǒng)由NT工具公司最新推出。目前，NT工具公司的產(chǎn)品在中國由力豐工具有限公司獨家總代理。該彈簧芯系統(tǒng)的構(gòu)造和機(jī)能見圖3，該系統(tǒng)的重點在于其在彈簧芯的內(nèi)徑側(cè)設(shè)計了多個噴嘴，正如之前提到的，最初生成并運(yùn)輸?shù)氖穷w粒小的噴霧，而在噴霧通過彈簧芯內(nèi)徑側(cè)的噴嘴時，噴霧的流速變快、噴霧的顆粒變大、形成容易附著的濕霧。（根據(jù)達(dá)到一定的流速時，噴霧的顆粒增大的原理）由于濕霧從刃具外周噴出，霧氣附著在刀具外周和排屑槽，從而大大提高了潤滑性。因此，L/D=5以上深孔入口處也能保證潤滑性，從而促進(jìn)了切屑的流動，防止了孔內(nèi)徑和刀具外周摩擦抵抗的增大。其潤滑原理見圖4，這種鉆孔加工上的問題，在加工鋁合金時更容易發(fā)生。即使是對鋁合金這樣切屑排出性差的加工，通過使用MS彈簧芯系統(tǒng)采用MQL加工也可以順利完成。
圖3 MQL加工用的MS彈簧芯的構(gòu)造和機(jī)能
圖4 用MS彈簧芯做深孔加工時的潤滑原理
MS彈簧芯加工案例
使用刀具中心供油的OH彈簧芯、刀具中心和外周同時潤滑的MS彈簧芯、泛用的水溶性冷卻液內(nèi)冷這三種冷卻方式進(jìn)行鋁合金深孔加工，測定在加工時發(fā)生的軸向力和扭矩后進(jìn)行比較。加工條件是在A2017鋁合金上使用5mm的鉆頭進(jìn)行無退刀的80mm的深孔加工（L/D=16）。轉(zhuǎn)速N=10 000r/min，進(jìn)給f=0.44mm，噴霧時使用MQL切削油JOOM CLEAN 150cc/h進(jìn)行加工。如圖5所示，使用MQL-OH彈簧芯加工時隨著加工深度變深，軸向力、扭矩都變大。特別是在加工深度超過50mm后，扭矩變得相當(dāng)高。
圖5 切削扭矩、推力的比較
然而，使用MQL-MS彈簧芯對刀具中心和外周兩途徑同時供給噴霧，從加工開始到80mm深度時，軸向力、扭矩都沒有變化。這即使和以往使用較多的刀具中心供給冷卻液的加工方式相比，也毫不遜色。
另外一個例子，在SCM415材料上用4mm鉆頭進(jìn)行深度為77mm（L/D＞19）的孔加工，使用從鉆頭刀尖供給噴霧的MS-OH彈簧芯和從鉆頭刀尖及外周兩途徑同時供給噴霧的MS彈簧芯來加工，直至鉆頭折斷，來比較兩者對刀具壽命的影響。此時的加工條件是，轉(zhuǎn)速N=6 366r/min，進(jìn)給f=0.15mm，用ecomist植物油29cc/h進(jìn)行加工，結(jié)果見圖6。由此可以看出，使用從鉆頭刀尖和外周兩途徑同時供給噴霧的MS彈簧芯加工，刀具壽命將是使用普通中心供油彈簧芯的2倍以上。
圖6 OH彈簧芯和MS彈簧芯加工比較
（轉(zhuǎn)載）
