车床微量润滑设备
李超++高坤
[摘 要]目前，环境、资源、人口成为世界面临的三大主要问题，全球环境的恶化程度与日剧增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。传统的机床润滑液冷却方式已不能适应发展潮流，微量润滑系统作为一种绿色加工技术将大有可为。
[关键词]机床冷却 微量润滑 MQL
中图分类号：TM145 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0066-02
目前，环境、资源、人口成为世界面临的三大主要问题，全球环境的恶化程度与日剧增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。随着人类环保意识的提高以及各国陆续推出的各项切削液的限制政策，“绿色制造技术”、“环境无害技术”、“清洁生产”、“工业生态学”等既可满足生产需要，又合理使用资源的观念日益引起人们的重视。制造过程的绿色化，也成为当今各国竞相研究的焦点问题。
机床冷却在机械加工中是机床不可或缺的组成部分。实践证明，工件在加工时温度每变化1度，在1米范围内将产生几微米的变化，工件进行高速切削时产生的铁屑温度高达几百度，为了避免这些高温铁屑落到工件表面对工件局部造成的变形影响，同时避免高温对刀具产生影响，需要对这些切削区域进行急速降温，我们一般采取的措施是冷却液，也叫切削液的方式。
1 现有机床冷却
1.1 现有机床冷却介绍
现有机床工件冷却系统是由泵、管路系统、喷嘴等组成。切削液由泵送出经喷嘴以一定的流速、流量浇到切削区，进行冷却。在切屑容器内被分离后，又回到供液箱。该方法装置简单，在生产中应用最为广泛。
1.2 现有机床冷却的弊端
①增加了制造成本
据德国的很多公司的统计资料表明，使用切削液的用度占总制造成本的15%～17% ，而刀具消耗的用度仅占制造成本的2%～4%。
②引起了环境污染
切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。在使用切削液较多的工序中，切削液会污染工作环境。例如未处理的乳化液通常其含油量高达20000mg/L ，化学耗氧量（COD）高达9300mg/L，生物耗氧量（BOD）达9300mg/L。此外还含有大量的亚硝酸钠、三乙醇胺等缓蚀剂和表面活性剂。在我国，仅机械产业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其危害的严重性。
③损害了工人健康
在加工过程中，切削液受热挥发形成烟雾，在车间弥漫着难闻的异味。同时添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中会引起操作工人肺部和呼吸道疾病，皮肤和切削液直接接触，会诱发多种皮肤病。
1.3 基于环保的“绿色”冷却方法的探索发展
我国政府对环境保护十分重视，制订了各种法规保护环境，并提出了可持续发展战略。对制造业而言，可持续发展的实质就是如何最大限度地利用资源和最低限度地产生废弃物。如上所述，切削液的弊端显然是和可持续发展思想格格不入的，因而制造业面临的环保压力越来越大。环保型“绿色”制造工艺的研究势在必行，新的冷却方法的探索日趋重要。
微量润滑是一种介于干切削与湿切削之间的準干切削技术，由于它使用的切削液的量为很少，因而切削液供给系统简单、体积小，易于布局。较传统的机加冷却方式而言，更加符合制造业发展的需求。
2 微量润滑系统
2.1 微量润滑概念
微量润滑也叫最小量润滑，英文为Minimal Quantity Lubrication（MQL），是一种新型金属加工的润滑方式。是将压缩空气（空气、氮气、二氧化氮）与极微量的润滑油混合汽化后，形成微米级的滴液，喷射到加工区域进行有效润滑的一种加工方法。
2.2 微量润滑系统工作原理
微量润滑系统是以压缩空气做动力，在喷头内部形成负压，抽动润滑液进入油管，将润滑液在喷头处汽化并将与压缩空气进行混合通过喷头将液气混合气喷射到加工区域，进行有效的冷却和润滑。
MQL技术是在保证有效润滑的前提下，尽可能减少切削液的用量。据研究，切削过程中的润滑属于边界润滑，边界润滑的效果与润滑油量密切相关。如图2所示：当润滑油量很少时，首先在整个表面上形成单分子吸附层，使表面自由能达到最低。随后，油量增加吸附膜厚度均匀增加，吸附膜形状如图1中A所示。以后，自由能降低将依靠减少吸附膜的表面积，所以油量继续增加，油表面构成图中的B。当油量充足时，润滑油将充满粗糙峰谷如图中的C。由此可知：润滑油量在A与C之间时，粗糙峰顶处的油膜厚度维持不变，而摩擦只是在峰顶，所以油量不影响摩擦系数的取值。
此时，一旦峰顶的油膜破坏，峰谷的油依靠自由能减少的趋势迅速补充峰顶，使峰顶油膜得到恢复；而当油膜只能达到A或者更少时，由于油膜很薄难以流动，峰顶油膜破坏后得不到补充油量，于是产生干摩擦；当油量超过C以后，摩擦系数将不稳定。
由此可见，对切削区进行有效润滑，并不是切削液越多越好，而是存在一定的量值范围。量值范围与切削液的性质、摩擦副的材料属性、表面粗糙度等因素有关。在传统湿切削中，即使使用大量切削液，但因其流速低、压力小等原因，实际进入高温高压的刀—屑接触区的量非常少，大部分仅起到周边冷却作用，也就是说传统湿切削中切削液的利用率不高。
在MQL切削中，细小雾滴状的切削液在一定压力的气流作用下以较高的速度和动能射向切削区，与传统湿切削相比，MQL中雾状切削液具有平均分子量小、粘度低、粒径小、速度高、动量大等特点，它可以进入到传统湿切削中切削液难以渗入的细小空间，分布在摩擦副表面，形成边界润滑膜，保持良好的冷却和润滑效果。
2.3 微量润滑的优势
1.节约润滑油的消耗
MQL切削液的用量一般仅为0.03～0.2L/h（传统湿法切削的用量1200～6000L/h），可有效减小刀具与工件、碎屑之间的摩擦，防止粘合，延长刀具寿命，提高加工表面质量。气雾的扩散性会非常小，油雾将大部分粘附在工件和刀具上。相比于大量浇注润滑油的传统润滑方式，节约了超过 90%随工件带走的润滑油。
2.冷却效果好
微量润滑系统中润滑剂是以微米级雾粒进给，润滑更到位。植物油和合成酯为基础油的专用喷雾切削油，润滑性更强刀具受热均匀，不会产生淬火效应。
3.优化切削效果、提高刀具寿命
在刀具没有过热的情况下，切削速度提高，工件切削层的破裂点会提前出现（切削破裂点将远离刀尖），使得破裂点的高温难于传给刀尖。切削热集中在工件及切屑上，刀具唯一的热源只有和切屑的接触点，切削速度提高亦会使切屑易于弯曲并以高速离开工件及刀具，从而有效减少切屑传导切削热的时间。此外，适宜的高温可以软化切削工件的表面，减小切削力，更易于切削。
4.更加环保
MQL使用的润滑液是对人健康无害的植物油或酯油，其用量极少，一般为0.003～0.05L/h。 MQL 可以根据工况规定润滑的最佳浓度，而且消除了切削液中悬浮的硅粒子污染，改善了工人的工作环境。
使用切削液的量仅为传统切削液用量的万分之一，在大大降低冷却液成本的同时，使切削区域外的刀具、工件和切屑保持干燥，避免了处理废液的难题。
3 工厂使用案例
某厂两种冷却方式生产成本对比（表1）：
4 小結
微量润滑系统是一种有效的绿色制造技术，较传统机床冷却方式的优势明显，现已十分流行。甚至用于包括高合金钢、钛合金钢这些难加工材料的高速铣削加工，均取得很好的加工效果。可以在目前加工工艺基础上进一步提高加工效率和加工质量，使企业在清洁加工中，既获得经济效益又获得环保效益。作为21世纪绿色制造业的重要组成部分，机床微量润滑系统具有很好的发展前景。
参考文献
[1] 张震，何曙华.低温冷风切削技术浅谈[J].工具技术，2002（6）：32-33
[2] 路冬，李剑峰.绿色切削加工技术的研究现状与进展[J].工具技术，2005（3）：3-6.
[3] 韩荣第，张悦采用气体射流冷却润滑绿色切削技术的研究进展[J].工具技术，2006（11）：6-9.
[4] 周春宏，赵汀.最少量润滑切削技术——经济有效的绿色制造方法[J].机械设计与研究，2005（5）：81-83.
[5] 安庆龙.低温喷雾射流冷却技术及其在钛合金机械加工中的应用[D].南京：南京航空航天大学，2006.
[6] 章海涛.高速钢刀具干式低温冷风车削磨损试验研究[D].重庆：重庆大学，2006.
