微量潤滑技術在鋁合金加工中的應用

萬 達

（中鋁材料應用研究院有限公司，北京 102209）

伴隨著改革開放的日益深入，我國綜合實力也不斷提高，極大地推動了我國工業的發展，與此同時國家越來越注重對環境的保護，提倡積極發展并應用綠色切削加工技術。而微量潤滑技術作為當前新型的綠色切削加工技術，不僅符合綠色加工要求，而且在加工過程中對加工的工件和道具發揮關鍵性作用。

1 微量潤滑技術簡介

1.1 微量潤滑技術概述

微量潤滑技術（Minimal Quantity Lubricant MQL）也可以被最小量潤滑技術，屬于對金屬進行加工時采取的潤滑方式，即半干式切削，主要指的是在切削過程中，將由空氣、二氧化碳、氮氣組成的壓縮氣體和極微量潤滑油混合后將其汽化，以形成納米級的液體，再將其噴射到所需加工區域達到有效潤滑的一種切削加工技術[1]。

1.2 微量潤滑技術的原理

根據上述對微量潤滑技術的闡述可以得出，該技術的原理如下：借助高壓氣流霧化噴嘴，將經壓縮過后的空氣作為霧化介質，在高速的氣流作用下將可降解、無毒的植物基潤滑油破碎為能夠達到微米級別的潤滑油霧滴，再通過高速氣流的作用下將其送至切削區域內，達到充分潤滑并冷卻充分潤滑刀具、切屑以及刀具和工件的接觸面[2]。

1.3 微量潤滑技術的優點

由于微量潤滑技術融合了干式切削和傳統濕式切削兩種技術的優點，因此歸納起來其主要具有以下優點：

（1）微量潤滑技術降低能源消耗效果顯著，其能夠減少二氧化碳的排放量，充分符合了綠色加工生產的要求。

（2）微量潤滑技術不需要冷卻液相關設備，機床占地的面積更小，極大地減少了配件以及維修的成本支出。

（3）微量潤滑技術相比于澆筑式冷卻潤滑，能夠極大地延長道具的使用時間。

（4）相比于澆筑式切屑液微量潤滑技術使用的潤滑油量更少，并且不用回收處理。

（5）微量潤滑技術的加工設備擁有的切削速度更高，切削獲得的產品表面質量好。

（6）微量潤滑技術形成的切屑干燥，直接便可壓塊，從而節省了甩干和除油等工序，因此回收切屑的價格更高。

（7）微量潤滑技術還能夠顯著的減少由于澆筑切削液、潤滑油形成的加工油煙、水蒸氣等等，因此在運轉過程中不會出現滴油、滴水等情況，避免了對運轉架和地面造成的污染[3]。

2 微量潤滑技術系統分析

2.1 微量潤滑系統

微量潤滑系統，簡單而言即對油量進行精確控制的裝置，該系統主要由三個部分組成，分別是油霧供給系統、噴嘴、潤滑油，該系統主要存在兩種形式，分別是外置式供液系統和內置式供液系統。而傳輸微量冷卻液的方式也包含兩種，其一是單通道，該傳輸形式需要1 個單獨的霧化裝置，然后將被經過霧化最后的液滴與壓縮空氣進行混合，再將另一個通道后傳輸至噴嘴中，具體如圖1 所示。其二是雙通道，這種方式無需單獨的霧化裝置，經過兩個通道，通道里面裝有微量切削液，外部大通道為壓縮空氣，在噴嘴附近或者通過噴嘴進行霧化，最后將其噴射到加工區域中，如圖2 所示[4]。

圖1 單通道微量潤滑系統

圖2 雙通道微量潤滑系統

2.2 微量潤滑外冷系統

該系統通常是通過機床外部引入冷卻油霧，并由道具外部供給。微量潤滑外冷系統適用于銑床、車床、鋸床等應用外冷刀具的加工設備上，可以被應用在銅、鎂、鋁以及易切削剛等中難度材質的加工中。

3 微量潤滑技術在鋁合金加工中的應用

3.1 微量潤滑技術在鋁合金加工中的作用機理分析

在鋁合金機械加工時，刀具與金屬接觸的表面會形成高溫，但是就傳統的工藝來看，因為通過切削液的冷卻作用，高熱固體的鋁合金會迅速冷化并形成淬火效應，致使刀具變脆、變硬，特別是針對帶有涂層的刀具，將對其使用壽命產生影響。因為淬火反應的強烈主要取決于溫差高低，因此增加加工的速度會致使刀具的溫度相應的升高，所以提高加工速度會到時淬火效應增強，從而縮短了刀具的使用壽命。而微量潤滑技術中應用的潤滑劑供給的級別為微米級霧粒，從而有效的避免了淬火效應的產生。在刀具溫度不過高的前提下提高切削的速度，會致使工件切削層的劈裂點提前出現，換句話說就是切削破裂點將與刀尖的位置遠離，如此便導致破裂點的高溫無法傳給刀尖[5]。

切削熱主要集中在工件和切屑上，刀具與切屑的接觸點成為了刀具唯一的熱源，提高切削的速度響應地會導致切屑更容易彎曲并按照高速遠離工件和刀具，通過這樣的形式縮短了切屑傳導切削熱的時間。另外，當高溫適宜時，還能實現切削工件表面軟化的目的，降低了切削力，從而便于切削液的滲透。

當前，關于微量潤滑技術在鋁合金加工中的作用機理中比較普遍的看法為：因為切削區域摩擦接觸界面上存在強大的拉壓應力與剪切應力，在這些應力的共同作用下，必然會導致工件伴有微裂紋。結合物理學中闡述的毛細現象原理，微裂紋便可以被當做毛細管，在其作用下將切削液引入自摩擦接觸的區域中。有實驗證實了在切屑沿前刀面流出這一過程中，前刀面與切屑地面在摩擦與耕犁的作用下致使刀具以切屑接觸區域中產生了很多毛細管，在虹吸這一作用下，逐漸將切削液滲透至切削區中。另外，通過對切削液通過液體的形式和蒸汽的形式滲透所需的時間，結果發現，切削液通過現霧粒這種較小直徑的形式滲透到加工表面所需的時間更短。而微量潤滑系統形成的霧力大小與蒸汽霧粒大小相差不大，能夠更快地進入毛細管中，獲得更好的潤滑作用[6]。

3.2 試驗分析

為了驗證將微量潤滑技術應用在鋁合金加工中的效果，擬以鋁合金發動機為例開展了試驗分析，本實驗選擇的系統為LUBRIX V7 單通道微量潤滑系統，將其安裝于發動機制造現場缸蓋線GROB G320 雙主軸加工中心中。LUBRIX V7 單通道微量潤滑系統是在混合裝置中將壓縮空氣與潤滑油加工成一定濃度并且顆粒尺寸的范圍在0.5um～1um 范圍內的油霧，機床的外部經球閥和主軸相連，油霧在穿過主軸和道具內孔后被輸送至切削區域。

單通道系統的工作原理為毛細管虹吸原理，在郵箱內由于空氣的壓差超過0.06MPa時便可以調整油霧的濃度。主要注意的是：單通道微量潤滑系統適用于轉速≤1600r/min 的主軸，響應的時間為0.8～2 秒。

3.2.1 微量潤滑系統試切條件分析

連接好微量潤滑裝飾的電氣與電路，并對接機床程序和信號，便可以實現微量潤滑系統和機床的聯動加工。通過采用微量潤滑系統對鋁合金缸蓋加工部位進行鉆削和銑削，比較在加工條件完全相同情況下濕加工刀具磨損情況和工件表面的質量。將噴油的壓力、響應的時間、噴油量、加工參數、PLC 程序以及內冷指令等作為調試的闡述。

3.2.2 微量潤滑系統試切流程

微量潤滑系統試切的流程加工中，微量潤滑系統電氣控制的通氣方式為數字I/O 接口，通過對PLC 地址和NC 程序進行更改來達到機床自動控制微量潤滑裝置的目的，并實現了自動連切的條件。通過對刀具的變量、編程PLC 程序以及創建GROB機床操作界面進行采集等手段，能夠將微量潤滑系統的工作狀態實時顯示出來，并及時顯示報錯信息；通過設置程序的闡述能夠實現刀具與油霧的濃度相對應、油霧壓力報警、調整供油量、聯動換刀等功能。在將.微量潤滑技術應用在鋁合金的發動機加工中。考慮在試驗過程中，刀具的長度，油品的質量、內冷孔直徑以及氣壓等因素改變都會對試驗結果產生影響，因此需要結合上述因素的變化及時調整微量潤滑的闡述，從而保證加工質量的穩定性，因此在本次試切過程中，總共設定了15 種油霧的濃度，然后將其逐一和刀具進行匹配驗證。

3.2.3 試驗數據分析

在本研究中，通過應用微潤滑技術對鋁合金缸蓋加工部位開展鉆削和銑削，同將其和相同加工條件下的濕加工刀具磨損情況和工件表面的質量進行對比可知，微量潤滑系統使用的刀具材質未改變，變化主要體現在排屑槽、刃角、刀柄和內冷孔位置/形狀/角度的設計方面。當完成試切后，通過對比產品的直徑、位置度以及粗糙度等數據，通過對40 個鋁合金缸蓋產品進行試切，其中鉆孔共400 個，鉸孔共120 個，結果發現：當外界條件和切削參數完全相同的情況下，微潤滑技術與濕加工刀具均可以實現圖樣要求的產品尺寸，但是濕加工刀具積屑瘤的現象非常嚴重，而微潤滑系統刀具未見明顯積屑瘤，并且從加工后的產品表面質量來看，微潤滑系統刀具優。

4 結語

綜上所述，在鋁合金加工過程中應用微量潤滑技術，相比傳統的切削液濕式加工技術，不僅可以減少生產成本支出，而且還能減少對環境的污染，其加工出來的產品質量達標，刀具無異常磨損，延長了刀具的使用壽命，因此具有在鋁合金加工中進行推廣的價值。