干切削和MQL切削的优点
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从90年代中期至今,业界极为关注彻底淘汰金属切削冷却液的问题,或者至少使用最小量润滑(MQL)系统。有几个合理的理由来考虑这一想法。但是,它并不像原先想象的那样简单,有几个客户在重新考虑是否完全转换他们的切削过程。本文将考虑干切削和最小量润滑切削的可知优点和实际情况。

图1:在钻孔过程中,MQL系统向刀具尖端喷射出小滴的冷却液

欧洲的近期实例

一家德国汽车制造商安装了一条灵活的生产线来生产轮毂,在该生产线上使用机械手来装载和卸载零件,并且采用最小量润滑技术。据称从一组轮毂到下一组轮毂的总制造时间为43秒。通过使用MQL系统,乳化剂以每小时80ml的速率被输送贯穿至整个轴,而传统的切削加工每分钟需要300升乳化剂。机床经专门设计和建造来实现“悬挂加工”,因此,切屑可以直接落下,而不会粘在机床上。
在大众汽车公司的扎耳茨吉特工厂,采用干式切入磨削技术来制造他们的新型“泵/喷嘴” 柴油机的锻压凸轮轴。凸轮轴的材料为16MnCr5,所达到的公差必须小于5/100mm。已经开发出了专门的刀具来从事该磨削加工。
请注意这两个实例的相似之处——既不能使用传统设计的机床,也不能使用现有的刀具。为了利用干切削或MQL切削技术,需要预先规划、设计、专门的制造技术以及投资,这在一定程度上削弱了干式或MQL切削技术较传统加工原理的成本优势。

图2:一个即将被安装到机床上的2通道MQL系统的图纸

图3:油菜籽田地,Fuchs的Planto系列产品中所用的一种自然基油

采用干式和MQL金属切削的原因

之所以考虑干式和最小量润滑(MQL)金属切削,有如下几条合理的理由:
  • 削液的成本——来自德国的最新统计数据表明与切削液有关的成本相当于全部生产成本的7.5% and 17%。随着石油原料成本的增长,趋势是冷却液的价格在不久的将来继续增长。
  • 环境成本——处理使用过的切削液和切屑所花费的成本以及相关的生态税都在增加。生产商们不仅关心对其工厂的地面、机床和油雾收集设备的短期清洁,同时还关心对周围土地的长期环境清洁成本以及工人们的健康。由于没有冷却液泵,所以实现了节约能源。
  • 刀具使用寿命——与铸铁或铸钢的磨削相比,干切削使刀具使用寿命增加了20%。某些使用MQL的刀具使用寿命试验表明刀具寿命增长了逾50%,具体取决于加工过程、切削速度和进给。这是因为MQL系统将产生由微小油滴构成的油雾,它通过刀具中心喷射到切削区域上,使切屑更易清除,并且防止微粒粘在切削刀具上(图1)。
  • 较快的加工时间——通过采用耐热刀具材料,例如碳化物,以及较高的主轴转速,干切削比传统湿切削的速度快50 - 100%。
  • 无冷却液雾化——使用干切削或MQL切削,用户可以保持工厂环境极为洁净,几乎没有烟雾和气味。这有利于清洁和工人们的健康。
尽管以上理由看起来颇有吸引力,但是,在采用大投资成本进行变化之前,还必须考虑一些实际情况。我们来看看这些实际情况,同时考虑最新的冷却液技术如何拥有与干式或MQL金属切削系统一样的优点。

图4:干式切削可使刀刃温度高达800摄氏度

干式和MQL金属切削系统的实际情况

采用冷却液(无论是纯油或油水混合物)的金属切削实现了以下功能,包括冷却机床,调整机床刀具,使刀具和工件之间润滑,冲洗切屑。干加工和MQL系统能否提供相同的功能?我们来看看实际的情况吧:
  • 虽然切削液原料成本高并且还在增长,但是干式和MQL系统需要专门的机床和结构设计,以帮助清除切屑,冷却机床和主轴。许多机床生产商犹豫不决,不敢彻底地重新设计新机床和辅助设备(例如复杂的MQL系统[图2])。
  • 由于引进了新的低雾化、长寿命的纯油冷却系统,在初次购买冷却液的花费之后,额外的润滑油购买费用降到最低。一个被多次记述的例子就是在戴勒姆-克莱斯勒汽车公司的数个德国发动机工厂内使用Fuchs公司的Ecocut HFN-LE系列润滑油产品。
  • 通过使用非传统的切削液——包括酯类,环境成本显著减少。这些产品的技术优点包括具有清洁剂、分散剂的性能,低发泡,快速放气,着火点相对较高以及表层兼容。基于植物的润滑油可迅速被生物降解,大多数情况下,润滑油在21天内即被分解,这样就无长期清洁的后顾之忧。这些润滑油也已经得到改进,具有低雾化的特点,有助于短期清洁。Fuchs石油公司已开发出Planto系列冷却液,它们是基于植物的冷却润滑油,在全球取得了巨大的成功。(图3)。使用新型节能泵以大大减少机床的年耗电量。

    图5:齿轮干式切削滚刀的特写镜头,滚刀表面附着了金属粉尘
  • 只有某些刀具,主要是铣刀和嵌入刀片,可以利用干切削和MQL切削。钻深孔还存在着相当大的问题,因为难以清除切屑。铝合金难以进行干铣,因为细小的切屑微粒变热,容易粘在切削刀具上,这样会显著缩短刀具的使用寿命。
  • 利用干式和MQL系统可以缩短加工时间,但是有一些限制条件,例如不可能执行长时间的连续切削。记住冷却液的功能之一是冷却工件、刀具、切屑和机床。在快速加工时,这些区域的高温对操作者很危险(切屑的表面温度高达800摄氏度),并且会使工件预硬化或变形,由于机床、支柱和刀具的膨胀导致工件尺寸发生变化(图4)。MQL不能降低切削温度。干式切削在工厂环境中引起噪声污染。使用冷却液冲洗工件和切削区域能消除许多这类问题。
  • 虽然干式和MQL切削系统消除了冷却液雾,但是生产商和操作者们关心的一个主要问题是金属粉尘。IPT在德国亚琛对铣削传统铸造材料时所产生的粉尘进行了测量,结果表明每加工一千克材料将产生4.5克及其细小的粉尘。最大允许值是MAK阈值6 mg/m3。虽然可以把机床设计成大部分采用垂直表面,并用刷子清洁水平表面,但是加工粉尘会堆积在导轨面上,进入缝隙中,附着在传感器和窗户上,使得机床的运转变得很困难。用压缩空气或干冰鼓风这种做法不切实际,成本高昂,而且会加剧金属粉尘的问题。金属粉尘的附着也是导致切削刀具使用寿命缩短的一个重要原因(图5)。
最后,MQL系统只适用于较窄的应用范围,不适合于连续生产线应用场合。

图6:Fuchs针对新型冷却液技术开展广泛的研发

结论

许多机床操作者们继续将干式切削和MQL系统看作是一种节约冷却液、环境清洁、健康和生产成本的途径。如果原来的传统冷却系统的确被取代了,那么可以节约。但是,采用干式或MQL系统,显然会出现一系列不易克服的新问题。新冷却液技术,如LE(低污染)冷却液、基于植物的润滑油、刃口添加剂、循环等能够使操作者们在使用传统机床和冷却液系统的情况下,获得与干式或MQL系统相同的许多环境、健康和产品成本优点。在转换到一个干式或MQL系统时,不能 “像原来那样”使用传统机床和刀具,需要考虑特殊的事项以及投资。在有长时间连续切削的场合下,以及在抛光、铰孔和珩磨应用中,不使用MQL系统。
Fuchs Petrolub公司及Fuchs集团公司已经做了大量的研究,并且和他们的切削客户、供应商以及一些大学针对MQL系统和适用于MQL系统的冷却剂进行了实际应用(图6)。MQL系统使用特殊的基油(基于植物的人造酯)和刃口添加剂,它们已被用于某些特定应用场合,取得了一定的成功,并且将会继续被Fuchs公司及其客户们考虑采用。但是,在切削用户致力于建立一个完全的干式或MQL系统车间之前,他们应该仔细考虑与所有成本有关的实际情况。
本文作者:Glenn A. Perkins (FUCHS PETROLUB AG公司提供)
原载:《国际金属加工商情》2005年10月号
上载于:2005-10-21 0:13:32

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