內冷卻刀具最小量潤滑加工的優(yōu)勢

2011-08-29  來源： 中國機床商務網 　　

    內冷卻刀具最小量潤滑加工的最大益處是“綠色”，因為它對環(huán)境非常友好，并且有助于為企業(yè)創(chuàng)造更多利潤。

　　最小量潤滑(MQL)切削(即近干切削)是一種雙贏加工模式，它可以大幅度減少冷卻液用量、相關設備和能源成本、散發(fā)到空氣中的冷卻液飛沫及刺激操作工人皮膚的可能性，同時，它還能潛在地提高生產率和工件加工質量。這是外部供液式MQL以及本文將要重點討論的內冷卻刀具MQL的共同特點。

　　與傳統(tǒng)冷卻方式在刀具/工件界面處澆注大量冷卻液不同，內冷卻刀具MQL是將壓縮空氣與潤滑劑(通常為植物油、潤滑酯或酒精等)形成的氣霧，通過機床主軸和刀具內部的冷卻液通道，從冷卻孔出口準確地噴射到刀具切削刃上。生產MQL供液系統(tǒng)的德國必諾(bielomatik)公司北美銷售經理KevinHowes介紹說，這些最優(yōu)化定量供液的潤滑劑大約有90%在切削時被消耗掉，其余10%大部分被切屑帶走，在工件上只有極少(或沒有)殘留。他補充說，MQL系統(tǒng)的潤滑劑用量大約為10-150ml/h(0.003-0.04gph)，與之相比，采用5%乳化液進行濕式切削時，其用量可達132gph或更高。

　　人們通常公認，從濕式切削加工轉換為近干切削加工，可將與冷卻液相關的加工成本降低10%-17%。Howes說，“有些人表示，自己在冷卻液上沒有花那么多錢，但他們并沒有考慮所有其他成本，他們只考慮了冷卻液本身的費用?！?/span>

　　其他成本還包括過濾系統(tǒng)和介質、貯液槽、循環(huán)冷卻器、高壓輸液機、用于從切屑中去除冷卻液的離心分離機或切屑壓塊機，以及殺菌劑等。此外，Howes說，在建造采用MQL技術的“綠色工廠”時，不再需要為支承沉重的冷卻液過濾系統(tǒng)而專門加固地基，“他們只需為放置MQL機器澆筑一塊一定厚度的平整地面即可。”

　　一些零件制造商可能會說，他們的澆注式冷卻液會在過濾后重復使用，但這并不意味著系統(tǒng)中的所有冷卻液都不會損耗。Howes說，“客戶告訴我，冷卻液的損耗量大得難以置信，尤其是在比較陳舊的機床上。”這種損耗是由蒸發(fā)和泄漏，以及切削時被油霧收集器吸出而造成的。據(jù)最終用戶估計，在生產環(huán)境中，加工每個零件的冷卻液損耗量為1/2-1加侖，“如果你每年加工25萬個零件，就有可能損耗25萬加侖冷卻液?！?/span>

　　MQL系統(tǒng)的選擇

　　在MQL系統(tǒng)中，有兩種將空氣與潤滑劑混合起來的基本方式。單通道內冷卻刀具MQL系統(tǒng)是在位于主軸后方的一個貯液槽中對兩種成分進行混合，然后通過一根穿過旋轉聯(lián)管節(jié)的管道，將空氣與潤滑劑的混合物經過主軸和刀塔輸送到刀頭部位。

　　雙通道內冷卻刀具MQL系統(tǒng)則是一種循環(huán)式系統(tǒng)，潤滑劑持續(xù)不斷地從一個貯液槽中被泵出，并存儲在環(huán)形管道中。為了提供精確定量的潤滑液，可利用位于旋轉傳送裝置之前的一個速動閥來調節(jié)進入系統(tǒng)的潤滑液量。Howes介紹說，“當需要MQL系統(tǒng)工作時，將速動閥門打開，從環(huán)形管道中汲出最佳數(shù)量的潤滑液?！?/span>

　　精確定量的潤滑液通過位于主軸中心的噴桿被輸送到位于刀柄后部的噴嘴處。當潤滑液通過噴桿進入噴嘴時，通過旋轉傳送裝置供給的空氣則沿著圍繞噴桿的主軸冷卻通道進入噴嘴的混合腔，空氣與潤滑液在混合腔中混合成氣霧。然后，這種氣霧通過刀具內部的冷卻孔流動，并作為極細小的潤滑油/空氣微粒噴出。

　　在選擇單通道或雙通道MQL系統(tǒng)時，主軸轉速是一個需要考慮的因素。單通道系統(tǒng)是在通過主軸之前對潤滑劑與空氣進行混合，因此，允許的最大主軸轉速約為16,000r/min。這是因為更高轉速產生的離心力可能會造成潤滑液與空氣分離。而雙通道系統(tǒng)則適合高達約40,000r/min的主軸轉速。

　　此外，對于單通道系統(tǒng)來說，噴霧能夠流動的距離有一定限制，在其流速減慢前，可流動的最大距離約為1270mm。對于一臺標準型加工中心來說，這并不會構成問題，但對于一臺大型龍門式加工中心，則需要將單通道系統(tǒng)安裝在龍門本體上，使其可以隨著龍門一起運動，而不能將MQL系統(tǒng)安放在地面，并長距離輸送氣霧。

　　另一個需要考慮的問題是換刀頻率，因為單通道系統(tǒng)將氣霧從主軸后部輸送到刀具頭部有一定的滯后時間。生產用于MQL加工的絲錐、鉸刀、鉆頭和鏜孔刀具的Komet美國公司加工方案業(yè)務主管MarkBlosser說，“如果采用單通道系統(tǒng)，需要在換刀程序中增加停頓時間。而雙通道系統(tǒng)實際上能夠實現(xiàn)瞬時反應?！?/span>

　　Howes指出，單通道系統(tǒng)換刀之間的滯后時間為1-3秒，“如果采用雙通道系統(tǒng)，當你關閉MOL時，實際上是在阻止MOL流入刀柄，只需要0.1-0.3秒的時間，就能使MOL重新開始流動。”

　　Howes補充說，單通道系統(tǒng)的成本約為雙通道系統(tǒng)的90%。為了解決單通道系統(tǒng)的滯后問題，可在編制加工程序時，在進入切削之前提早打開MQL，以縮短滯后時間，但這樣會消耗更多的潤滑液，“如果比較兩種系統(tǒng)可以節(jié)省的總成本，雙通道系統(tǒng)似乎優(yōu)勢更大一些?！?/span>

　　盡管如此，單通道系統(tǒng)也有自己的優(yōu)勢，尤其是對于那些基于工件的考慮，需要在濕式切削與近干切削之間快速來回轉換的中小批量零件制造商來說，更是如此。這是因為，單通道系統(tǒng)將混合氣霧引入旋轉聯(lián)管節(jié)后部的方式與引入澆注冷卻液的方式相同。Howes解釋說，“澆注冷卻液可通過另外一個球閥和管道系統(tǒng)進入旋轉聯(lián)管節(jié)。你既可以打開引入澆注冷卻液的球閥，同時關閉另一個引入MQL的球閥，也可以與此相反?！?/span>

　　可能存在的局限性

　　MQL切削方式可能并非適合加工所有的工件材料。刀具制造商Emuge公司的技術主管AlanShepherd推薦，在對較難加工的不銹鋼、鈦合金和某些鎳基合金材料(如Inconel合金)的攻絲加工中采用MQL方式。他指出，需要的不僅是噴霧冷卻方式，切削這些材料時，還需要使用某種類型的潤滑液。MQL加工方式的適用范圍存在一些限制。Emuge公司已經設計和制造了用于MQL加工的絲錐產品。

　　有些人認為，只要刀具制造商合理設計刀具，工件材料就不會對MQL的應用造成任何限制。Komet公司的Blosser說，“每種刀具都需要根據(jù)加工要求和工件材料進行優(yōu)化設計。”潤滑系統(tǒng)制造商Unist公司首席執(zhí)行官WallyBoelkins也同意這種看法，“我們可以加工每一種材料——包括所有難加工材料和高鎳合金材料，這些材料不會給我們造成麻煩?！?/span>

　　Unist公司可以為機床配備單通道或雙通道MQL系統(tǒng)，還可以提供外部供液式MQL系統(tǒng)。Boelkins說，雖然雙通道系統(tǒng)是用戶的首選，但有時卻無法安裝，“雙通道系統(tǒng)采用的旋轉聯(lián)管節(jié)安裝在主軸的上死點，而有時候管道口卻無法進入主軸的上死點。有許多機床實際上無法配備雙通道系統(tǒng)。”

　　切削加工類型也會影響MQL的有效性。例如，據(jù)目前在福特汽車公司位于英國的福特技術中心從事MQL核心工程的傳動技術專家AlexanderStoll介紹，該公司在美國已為200臺加工機床配備了雙通道MQL系統(tǒng)，該技術已應用于除了磨削和珩磨以外的各類金屬切削機床。Stoll指的是福特公司對發(fā)動機缸體和一些差速器箱體的珩磨加工，“不過，珩磨只是MQL技術的一個利基應用領域，我們尚未對MQL在珩磨加工中的應用投入太多精力?！?/span>

　　Unist公司的Boelkins認為，MQL技術對于某些磨削加工還是適用的，例如對工具和刀具的磨削，以及潛在地對表面磨削和注射器針頭的磨削等。他說，“對于較大工件的無心磨削加工，MQL可能并非最佳選擇。”

　　關鍵的技術進步

　　Stoll介紹說，福特汽車公司從1998年開始在德國應用MQL技術。在典型的大規(guī)模生產模式中，引入MQL技術有助于使每年的冷卻液消耗量減少大約3萬加侖，用水量減少25萬加侖，過濾器介質用量減少幾千碼，壓縮空氣用量減少數(shù)百萬立方英尺。此外，福特公司最近在近干切削領域取得了以下5個關鍵的技術進步：

　　(1)開發(fā)了失效模式和效果分析(FMEA)工具，它可以提供應用MQL技術的經驗教訓，幫助編寫培訓操作工人的教材和技術文件。

　　(2)制定了用于計算空氣和潤滑劑流量的校準規(guī)程。如果沒有校準規(guī)程，有可能50臺配備了50套MQL系統(tǒng)的加工機床盡管都來自同一供應商，但其加工性能卻各不相同。Stoll說，“你必須按照同一標準來校準這些系統(tǒng)。以前，一直沒有一種合理而適用的校準方法和校準裝置。”

　　(3)開發(fā)了刀具、刀柄、噴嘴、調節(jié)螺釘和噴桿之間的最佳界面，以確保氣霧以正確的路徑通過系統(tǒng)和流出刀具，而不會產生任何會改變氣霧流的空隙或空腔。

　　(4)開發(fā)了MQL噴流型態(tài)測試方法，以驗證通過加工仿真顯示的、可使氣霧流最優(yōu)化的刀具設計方案。

　　(5)在工件夾具、機床的底座、立柱和主軸上安裝傳感器，以監(jiān)測機床和工件的溫度變化，然后利用這些實時數(shù)據(jù)計算出線性膨脹量，據(jù)此調節(jié)主軸位置。

　　潤滑油問題

　　Stoll指出，如果潤滑油的溫度保持恒定，將有助于確保潤滑油具有穩(wěn)定的粘度，從而使其在切削區(qū)的用量保持一致。然而，設備的溫度可能會根據(jù)不同的季節(jié)和一天中不同的時間在15℃-43℃之間波動。因此，福特汽車公司和必諾(bielomatik)公司在速動閥上安裝了一個加熱裝置，以提高潤滑油的溫度，使其高于車間環(huán)境溫度。

　　潤滑油的類型對于MQL的成功應用也至關重要。Unist公司的Boelkins表示，零件制造商必須避免使用具有氧化性的廉價潤滑油，“氧化作用會使?jié)櫥妥兊谜吵?，并在設備表面形成不易去除的油漬。潤滑油的粘性確實是一個問題，它會使切屑相互粘連，或粘在刀具上，從而造成二次切削?！?/span>

　　Boelkins推薦采用包含精煉植物油(也稱為潤滑酯)的氣霧，他說，“使用少量優(yōu)質的、相對較貴的潤滑油和壓縮空氣，切屑就不會產生阻力，在鉆削加工中可以順暢地排出孔外?！?/span>

　　Boelkins補充說，與礦物油相比，植物油的熱容量要高得多。植物油的閃點大約為230℃，而礦物油僅為120℃。他還警告說，不要將植物油作為油霧來使用，因為其顆粒越細小，就越不容易在刀具表面形成“潤濕”效應?！皬墓と私】档慕嵌瓤紤]，雖然植物油是無毒和可降解的，但它仍然會被吸入并附著在肺上，吸入肺部的油霧顆粒越小，其危害性就越大?！?/span>

　　近干切削刀具

　　為了獲得最佳加工效果，必須采用適合近干切削的刀柄和刀具。雖然任何類型的刀柄都適合用于MQL加工，但HSK刀柄使用最普遍，這部分是因為歐洲機床制造商在大力推動MQL加工技術的發(fā)展，而HSK刀柄在歐洲應用范圍最廣。與濕式切削相比，MQL的關鍵要素是，氣霧必須沿著明確確定的輸送路徑流動，而不會出現(xiàn)任何會干擾流速和流動方向的空隙。

　　據(jù)刀柄制造商T.M.Smith刀具國際公司總裁DaveSmith介紹，刀柄后部與主軸的聯(lián)接方式決定了它如何將冷卻液輸送到刀具中。他在談到用于濕式切削和近干切削的刀柄有何不同時說，“從刀柄外部，你看不出有何不同，但其內部結構確實有區(qū)別。我們希望精確定量的氣霧通過刀柄正確輸送到刀具中?！?/span>

　　Komet公司的Blosser補充說，用于調節(jié)刀具安裝長度以及刀桿與刀柄界面后部的徑向調節(jié)螺釘是唯一可以更換的附件，“你可以拿下標準接頭，取出調節(jié)螺釘，根據(jù)供液系統(tǒng)的類型，使用一根由機床制造商提供的、符合MQL要求的冷卻液輸送管，然后更換調節(jié)螺釘。這樣，你就有了一個符合MQL加工要求的刀柄。”

　　Blosser說，與刀柄不同，為了實現(xiàn)MQL加工，需要對刀具進行更多改造。例如，在孔加工中，需要將鉆頭冷卻孔的出口擴大，以利于將冷卻液輸送到與工件接觸的整個前刀面，從而消除積屑瘤和刀具熱淬現(xiàn)象。在切削中，當冷卻液被引入紅熱化的刀具/工件界面時，就會出現(xiàn)熱淬現(xiàn)象，它容易造成刀具基體碎裂，縮短刀具壽命。Blosser說，“我們還希望降低鉆尖形狀的頂點，以向鉆頭中心部位提供盡可能多的冷卻液?！贝送猓@頭的排屑槽也需要磨削得非常光滑，以防止切屑粘附。

　　刀具設計人員必須考慮到，需要將空氣/潤滑油的混合物送達多階梯式刀具的所有切削刃。對于較長的刀具，位于刀具端部的內冷卻孔出口必須有較小的傾斜度，Blosser說，“這樣可以形成渦流，使冷卻液加速流向刀具端部，從而使所有切削刃都能獲得充分的冷卻潤滑?！?/span>

　　冷卻孔的出口尺寸還取決于刀桿內部冷卻液通道的直徑大小。Blosser說，“如果刀桿內主通道本身的直徑為6mm，那么所有出口的直徑尺寸之和就不能超過6mm?！边@是因為，如果各出口直徑之和超過了主通道直徑，壓力就會降低，從而使流速減緩。

　　Blosser指出，對于近干切削而言，內冷卻刀具的MQL加工要求最為嚴苛。“一般來說，對于常規(guī)加工，你可能情愿用銑刀進行干切削?！?/span>

　　因此，對于MQL攻絲加工，也需要精心設計和制造刀具。Emuge公司的Shepherd說，專用絲錐的設計取決于工件材料和螺紋加工要求，不過，與常規(guī)絲錐相比，用于近干切削的絲錐具有較大的后角、較大的倒錐和較窄的棱帶，以滿足同步攻絲的要求。他補充說，“攻絲時，我們不希望刀具與工件之間大面積接觸，絲錐柄部不應與工件發(fā)生摩擦。我們希望能控制軸向進給與徑向進給同步進行?！?/span>

　　MQL絲錐的冷卻孔如何加工，取決于是用于加工盲孔還是通孔。對于加工通孔用絲錐，Emuge公司首先采用放電加工(EDM)方式加工出一個貫穿刀具全長的冷卻孔，然后堵塞孔的端部，并用EDM加工出十字交叉孔，使MQL氣霧能從絲錐的側面噴出。Shepherd解釋說，“如果我們不這樣做，MQL氣霧就會通過通孔底部噴出，無法起到潤滑冷卻作用?！倍鴮τ诿た准庸そz錐，就無需堵塞冷卻孔的端部，使壓力為100-200psi的氣霧能到達盲孔底部，發(fā)揮潤滑和輔助排屑功能。

　　福特汽車公司的Stoll表示，首先，刀具制造商應該對MQL刀具的設計進行測試，以確保氣霧能從盡可能靠近切削刃的冷卻孔噴出。他補充說，“有時，即使冷卻孔位于切削刃的前方，也能發(fā)揮作用?！?/span>

　　Stoll推薦采用前面提到的MQL噴流型態(tài)測試方法。這種測試是將一個刀具樣品安裝在帶有MQL供液系統(tǒng)的機床主軸上，并在刀具的前面、下面或周圍距離大約13mm處，放置一個綠色或藍色的吸水介質面板，當?shù)毒咝D時，觀察噴出的潤滑液相對于切削刃的位置。如果其噴流型態(tài)與切削刃的位置非常接近，則表明該刀具冷卻潤滑性能良好的可能性很高。Stoll說，“制造出首件刀具或代用/虛擬刀具后，需要將其安裝到機床上，進行動態(tài)噴流型態(tài)測試，如果測試結果不能滿足要求，則需要重新改進刀具設計?！?/span>

　　生產率與工件質量

　　MQL能夠提高切削速度和進給率，這部分是因為不會再出現(xiàn)冷卻液限制切削參數(shù)提高的情況，在孔加工中尤其如此。例如，許多企業(yè)正采用麻花鉆代替槍鉆加工小直徑深孔。必諾公司(bielomatik)的Howes指出，“把孔塞得更滿并不總是好事。你必須在深孔加工中采用高壓冷卻液，為了排屑，冷卻液需要占用更多空間。而MQL則是采用氣流將切屑排出孔外?！?/span>

　　采用濕式切削時，還有可能因為切削時產生的熱量對硬質合金切削刃造成熱沖擊而降低切削速度。Komet公司的Blosser說，“采用MQL加工時，切削刃不會產生熱裂紋，因為它可以消除熱淬現(xiàn)象，或避免使硬質合金刀具產生任何應力碎裂或裂紋。因此，你可以采用比通常的濕式切削更高一些的表面切削速度進行加工?！?/span>

　　福特汽車公司的Stoll也表示，某些MQL加工的切削參數(shù)高于對應的濕式切削加工。例如，在一項鉆削加工中，該公司將進給率從濕式加工時125mm/min提高到MQL加工的660mm/min。但他補充說，某些MQL加工的切削參數(shù)會略有降低?！皬恼w上看，采用近干切削在加工循環(huán)時間上不會產生不利影響，而且它通常都具有縮短加工時間的優(yōu)勢?；蛟S，工件的復雜程度越低，利用MQL提高加工速度和工件質量的機會就越大。”

　　由濕式切削轉換為MQL切削后，工件的表面光潔度質量通常會有所提高，這是因為MQL切削每次使用的都是潔凈的潤滑液，而濕式切削循環(huán)使用的回收潤滑液中有可能混入微小磨粒，從而對工件表面造成二次切削。

　　Emuge公司的Shepherd認為，目前MQL加工呈現(xiàn)出緩慢增長趨勢，而了解它的益處，可以產生立竿見影的回報?！袄纾憧梢约俣ㄒ环N加工成本為10萬美元的情境，采用MQL加工能夠削減13%的成本，這能節(jié)省一筆不小的開支，而且很快就能看到實際回報?！?/span>

　　然而，傳統(tǒng)習慣并不會很快消亡。Unist公司Boelkins認為，人們可能不愿意對原來的加工方式進行變革，即使這種變革可以為他們省錢?？墒?，正確的變革——如由濕式切削轉換為MQL和與最小量冷卻有關的其他加工方式——可能是一件好事，其好處包括改善工件表面光潔度、降低刀具成本、提高加工速度、避免工人罹患皮炎、節(jié)省車間空間、減少動力消耗和改善環(huán)境。

　　(來源：工具展望)