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内冷却刀具最小量润滑(MQL)切削加工

2015/2/9 9:55:42
文章来源:网络

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  内冷却刀具最小量润滑加工的最大益处是“绿色”,因为它对环境非常友好,并且有助于为企业创造更多利润。

  最小量润滑(MQL)切削(即近干切削)是一种双赢加工模式,它可以大幅度减少冷却液用量、相关设备和能源成本、散发到空气中的冷却液飞沫及刺激操作工人皮肤的可能性,同时,它还能潜在地提高生产率和工件加工质量。这是外部供液式MQL以及本文将要重点讨论的内冷却刀具MQL的共同特点。

  与传统冷却方式在刀具/工件界面处浇注大量冷却液不同,内冷却刀具MQL是将压缩空气与润滑剂(通常为植物油、润滑酯或酒精等)形成的气雾,通过机床主轴和刀具内部的冷却液通道,从冷却孔出口准确地喷射到刀具切削刃上。生产MQL供液系统的德国必诺(bielomatik)公司北美销售经理Kevin Howes介绍说,这些最优化定量供液的润滑剂大约有90%在切削时被消耗掉,其余10%大部分被切屑带走,在工件上只有极少(或没有)残留。他补充说,MQL系统的润滑剂用量大约为10-150ml/h(0.003-0.04gph),与之相比,采用5%乳化液进行湿式切削时,其用量可达132gph或更高。

  人们通常公认,从湿式切削加工转换为近干切削加工,可将与冷却液相关的加工成本降低10%-17%。Howes说,“有些人表示,自己在冷却液上没有花那么多钱,但他们并没有考虑所有其他成本,他们只考虑了冷却液本身的费用。”

  其他成本还包括过滤系统和介质、贮液槽、循环冷却器、高压输液机、用于从切屑中去除冷却液的离心分离机或切屑压块机,以及杀菌剂等。此外,Howes说,在建造采用MQL技术的“绿色工厂”时,不再需要为支承沉重的冷却液过滤系统而专门加固地基,“他们只需为放置MQL机器浇筑一块一定厚度的平整地面即可。”

  一些零件制造商可能会说,他们的浇注式冷却液会在过滤后重复使用,但这并不意味着系统中的所有冷却液都不会损耗。Howes说,“客户告诉我,冷却液的损耗量大得难以置信,尤其是在比较陈旧的机床上。”这种损耗是由蒸发和泄漏,以及切削时被油雾收集器吸出而造成的。据最终用户估计,在生产环境中,加工每个零件的冷却液损耗量为1/2-1加仑,“如果你每年加工25万个零件,就有可能损耗25万加仑冷却液。”

  MQL系统的选择

  在MQL系统中,有两种将空气与润滑剂混合起来的基本方式。单通道内冷却刀具MQL系统是在位于主轴后方的一个贮液槽中对两种成分进行混合,然后通过一根穿过旋转联管节的管道,将空气与润滑剂的混合物经过主轴和刀塔输送到刀头部位。

  双通道内冷却刀具MQL系统则是一种循环式系统,润滑剂持续不断地从一个贮液槽中被泵出,并存储在环形管道中。为了提供精确定量的润滑液,可利用位于旋转传送装置之前的一个速动阀来调节进入系统的润滑液量。Howes介绍说,“当需要MQL系统工作时,将速动阀门打开,从环形管道中汲出最佳数量的润滑液。”

  精确定量的润滑液通过位于主轴中心的喷杆被输送到位于刀柄后部的喷嘴处。当润滑液通过喷杆进入喷嘴时,通过旋转传送装置供给的空气则沿着围绕喷杆的主轴冷却通道进入喷嘴的混合腔,空气与润滑液在混合腔中混合成气雾。然后,这种气雾通过刀具内部的冷却孔流动,并作为极细小的润滑油/空气微粒喷出。

  在选择单通道或双通道MQL系统时,主轴转速是一个需要考虑的因素。单通道系统是在通过主轴之前对润滑剂与空气进行混合,因此,允许的最大主轴转速约为16,000r/min。这是因为更高转速产生的离心力可能会造成润滑液与空气分离。而双通道系统则适合高达约40,000r/min的主轴转速。

  此外,对于单通道系统来说,喷雾能够流动的距离有一定限制,在其流速减慢前,可流动的最大距离约为1270mm。对于一台标准型加工中心来说,这并不会构成问题,但对于一台大型龙门式加工中心,则需要将单通道系统安装在龙门本体上,使其可以随着龙门一起运动,而不能将MQL系统安放在地面,并长距离输送气雾。

  另一个需要考虑的问题是换刀频率,因为单通道系统将气雾从主轴后部输送到刀具头部有一定的滞后时间。生产用于MQL加工的丝锥、铰刀、钻头和镗孔刀具的Komet美国公司加工方案业务主管Mark Blosser说,“如果采用单通道系统,需要在换刀程序中增加停顿时间。而双通道系统实际上能够实现瞬时反应。”

  Howes指出,单通道系统换刀之间的滞后时间为1-3秒,“如果采用双通道系统,当你关闭MOL时,实际上是在阻止MOL流入刀柄,只需要0.1-0.3秒的时间,就能使MOL重新开始流动。”

  Howes补充说,单通道系统的成本约为双通道系统的90%。为了解决单通道系统的滞后问题,可在编制加工程序时,在进入切削之前提早打开MQL,以缩短滞后时间,但这样会消耗更多的润滑液,“如果比较两种系统可以节省的总成本,双通道系统似乎优势更大一些。”

  尽管如此,单通道系统也有自己的优势,尤其是对于那些基于工件的考虑,需要在湿式切削与近干切削之间快速来回转换的中小批量零件制造商来说,更是如此。这是因为,单通道系统将混合气雾引入旋转联管节后部的方式与引入浇注冷却液的方式相同。Howes解释说,“浇注冷却液可通过另外一个球阀和管道系统进入旋转联管节。你既可以打开引入浇注冷却液的球阀,同时关闭另一个引入MQL的球阀,也可以与此相反。”

  可能存在的局限性

  MQL切削方式可能并非适合加工所有的工件材料。刀具制造商Emuge公司的技术主管Alan Shepherd推荐,在对较难加工的不锈钢、钛合金和某些镍基合金材料(如Inconel合金)的攻丝加工中采用MQL方式。他指出,需要的不仅是喷雾冷却方式,切削这些材料时,还需要使用某种类型的润滑液。MQL加工方式的适用范围存在一些限制。Emuge公司已经设计和制造了用于MQL加工的丝锥产品。

  有些人认为,只要刀具制造商合理设计刀具,工件材料就不会对MQL的应用造成任何限制。Komet公司的Blosser说,“每种刀具都需要根据加工要求和工件材料进行优化设计。”润滑系统制造商Unist公司首席执行官Wally Boelkins也同意这种看法,“我们可以加工每一种材料——包括所有难加工材料和高镍合金材料,这些材料不会给我们造成麻烦。”

  Unist公司可以为机床配备单通道或双通道MQL系统,还可以提供外部供液式MQL系统。Boelkins说,虽然双通道系统是用户的首选,但有时却无法安装,“双通道系统采用的旋转联管节安装在主轴的上死点,而有时候管道口却无法进入主轴的上死点。有许多机床实际上无法配备双通道系统。”

  切削加工类型也会影响MQL的有效性。例如,据目前在福特汽车公司位于英国的福特技术中心从事MQL核心工程的传动技术专家Alexander Stoll介绍,该公司在美国已为200台加工机床配备了双通道MQL系统,该技术已应用于除了磨削和珩磨以外的各类金属切削机床。Stoll指的是福特公司对发动机缸体和一些差速器箱体的珩磨加工,“不过,珩磨只是MQL技术的一个利基应用领域,我们尚未对MQL在珩磨加工中的应用投入太多精力。”

  Unist公司的Boelkins认为,MQL技术对于某些磨削加工还是适用的,例如对工具和刀具的磨削,以及潜在地对表面磨削和注射器针头的磨削等。他说,“对于较大工件的无心磨削加工,MQL可能并非最佳选择。”

  关键的技术进步

  Stoll介绍说,福特汽车公司从1998年开始在德国应用MQL技术。在典型的大规模生产模式中,引入MQL技术有助于使每年的冷却液消耗量减少大约3万加仑,用水量减少25万加仑,过滤器介质用量减少几千码,压缩空气用量减少数百万立方英尺。此外,福特公司最近在近干切削领域取得了以下5个关键的技术进步:

  (1)开发了失效模式和效果分析(FMEA)工具,它可以提供应用MQL技术的经验教训,帮助编写培训操作工人的教材和技术文件。

  (2)制定了用于计算空气和润滑剂流量的校准规程。如果没有校准规程,有可能50台配备了50套MQL系统的加工机床尽管都来自同一供应商,但其加工性能却各不相同。Stoll说,“你必须按照同一标准来校准这些系统。以前,一直没有一种合理而适用的校准方法和校准装置。”

  (3)开发了刀具、刀柄、喷嘴、调节螺钉和喷杆之间的最佳界面,以确保气雾以正确的路径通过系统和流出刀具,而不会产生任何会改变气雾流的空隙或空腔。

  (4)开发了MQL喷流型态测试方法,以验证通过加工仿真显示的、可使气雾流最优化的刀具设计方案。

  (5)在工件夹具、机床的底座、立柱和主轴上安装传感器,以监测机床和工件的温度变化,然后利用这些实时数据计算出线性膨胀量,据此调节主轴位置。

  润滑油问题

  Stoll指出,如果润滑油的温度保持恒定,将有助于确保润滑油具有稳定的粘度,从而使其在切削区的用量保持一致。然而,设备的温度可能会根据不同的季节和一天中不同的时间在15℃-43℃之间波动。因此,福特汽车公司和必诺(bielomatik)公司在速动阀上安装了一个加热装置,以提高润滑油的温度,使其高于车间环境温度。

  润滑油的类型对于MQL的成功应用也至关重要。Unist公司的Boelkins表示,零件制造商必须避免使用具有氧化性的廉价润滑油,“氧化作用会使润滑油变得粘稠,并在设备表面形成不易去除的油渍。润滑油的粘性确实是一个问题,它会使切屑相互粘连,或粘在刀具上,从而造成二次切削。”

  Boelkins推荐采用包含精炼植物油(也称为润滑酯)的气雾,他说,“使用少量优质的、相对较贵的润滑油和压缩空气,切屑就不会产生阻力,在钻削加工中可以顺畅地排出孔外。”

  Boelkins补充说,与矿物油相比,植物油的热容量要高得多。植物油的闪点大约为230℃,而矿物油仅为120℃。他还警告说,不要将植物油作为油雾来使用,因为其颗粒越细小,就越不容易在刀具表面形成“润湿”效应。“从工人健康的角度考虑,虽然植物油是无毒和可降解的,但它仍然会被吸入并附着在肺上,吸入肺部的油雾颗粒越小,其危害性就越大。”

  近干切削刀具

  为了获得最佳加工效果,必须采用适合近干切削的刀柄和刀具。虽然任何类型的刀柄都适合用于MQL加工,但HSK刀柄使用最普遍,这部分是因为欧洲机床制造商在大力推动MQL加工技术的发展,而HSK刀柄在欧洲应用范围最广。与湿式切削相比,MQL的关键要素是,气雾必须沿着明确确定的输送路径流动,而不会出现任何会干扰流速和流动方向的空隙。

  据刀柄制造商T.M. Smith刀具国际公司总裁Dave Smith介绍,刀柄后部与主轴的联接方式决定了它如何将冷却液输送到刀具中。他在谈到用于湿式切削和近干切削的刀柄有何不同时说,“从刀柄外部,你看不出有何不同,但其内部结构确实有区别。我们希望精确定量的气雾通过刀柄正确输送到刀具中。”

  Komet公司的Blosser补充说,用于调节刀具安装长度以及刀杆与刀柄界面后部的径向调节螺钉是唯一可以更换的附件,“你可以拿下标准接头,取出调节螺钉,根据供液系统的类型,使用一根由机床制造商提供的、符合MQL要求的冷却液输送管,然后更换调节螺钉。这样,你就有了一个符合MQL加工要求的刀柄。”

  Blosser说,与刀柄不同,为了实现MQL加工,需要对刀具进行更多改造。例如,在孔加工中,需要将钻头冷却孔的出口扩大,以利于将冷却液输送到与工件接触的整个前刀面,从而消除积屑瘤和刀具热淬现象。在切削中,当冷却液被引入红热化的刀具/工件界面时,就会出现热淬现象,它容易造成刀具基体碎裂,缩短刀具寿命。Blosser说,“我们还希望降低钻尖形状的顶点,以向钻头中心部位提供尽可能多的冷却液。”此外,钻头的排屑槽也需要磨削得非常光滑,以防止切屑粘附。

  刀具设计人员必须考虑到,需要将空气/润滑油的混合物送达多阶梯式刀具的所有切削刃。对于较长的刀具,位于刀具端部的内冷却孔出口必须有较小的倾斜度,Blosser说,“这样可以形成涡流,使冷却液加速流向刀具端部,从而使所有切削刃都能获得充分的冷却润滑。”

  冷却孔的出口尺寸还取决于刀杆内部冷却液通道的直径大小。Blosser说,“如果刀杆内主通道本身的直径为6mm,那么所有出口的直径尺寸之和就不能超过6mm。”这是因为,如果各出口直径之和超过了主通道直径,压力就会降低,从而使流速减缓。

  Blosser指出,对于近干切削而言,内冷却刀具的MQL加工要求最为严苛。“一般来说,对于常规加工,你可能情愿用铣刀进行干切削。”

  因此,对于MQL攻丝加工,也需要精心设计和制造刀具。Emuge公司的Shepherd说,专用丝锥的设计取决于工件材料和螺纹加工要求,不过,与常规丝锥相比,用于近干切削的丝锥具有较大的后角、较大的倒锥和较窄的棱带,以满足同步攻丝的要求。他补充说,“攻丝时,我们不希望刀具与工件之间大面积接触,丝锥柄部不应与工件发生摩擦。我们希望能控制轴向进给与径向进给同步进行。”

  MQL丝锥的冷却孔如何加工,取决于是用于加工盲孔还是通孔。对于加工通孔用丝锥,Emuge公司首先采用放电加工(EDM)方式加工出一个贯穿刀具全长的冷却孔,然后堵塞孔的端部,并用EDM加工出十字交叉孔,使MQL气雾能从丝锥的侧面喷出。Shepherd解释说,“如果我们不这样做,MQL气雾就会通过通孔底部喷出,无法起到润滑冷却作用。”而对于盲孔加工丝锥,就无需堵塞冷却孔的端部,使压力为100-200psi的气雾能到达盲孔底部,发挥润滑和辅助排屑功能。

  福特汽车公司的Stoll表示,首先,刀具制造商应该对MQL刀具的设计进行测试,以确保气雾能从尽可能靠近切削刃的冷却孔喷出。他补充说,“有时,即使冷却孔位于切削刃的前方,也能发挥作用。”

  Stoll推荐采用前面提到的MQL喷流型态测试方法。这种测试是将一个刀具样品安装在带有MQL供液系统的机床主轴上,并在刀具的前面、下面或周围距离大约13mm处,放置一个绿色或蓝色的吸水介质面板,当刀具旋转时,观察喷出的润滑液相对于切削刃的位置。如果其喷流型态与切削刃的位置非常接近,则表明该刀具冷却润滑性能良好的可能性很高。Stoll说,“制造出首件刀具或代用/虚拟刀具后,需要将其安装到机床上,进行动态喷流型态测试,如果测试结果不能满足要求,则需要重新改进刀具设计。”

  生产率与工件质量

  MQL能够提高切削速度和进给率,这部分是因为不会再出现冷却液限制切削参数提高的情况,在孔加工中尤其如此。例如,许多企业正采用麻花钻代替枪钻加工小直径深孔。必诺公司(bielomatik)的Howes指出,“把孔塞得更满并不总是好事。你必须在深孔加工中采用高压冷却液,为了排屑,冷却液需要占用更多空间。而MQL则是采用气流将切屑排出孔外。”

  采用湿式切削时,还有可能因为切削时产生的热量对硬质合金切削刃造成热冲击而降低切削速度。Komet公司的Blosser说,“采用MQL加工时,切削刃不会产生热裂纹,因为它可以消除热淬现象,或避免使硬质合金刀具产生任何应力碎裂或裂纹。因此,你可以采用比通常的湿式切削更高一些的表面切削速度进行加工。”

  福特汽车公司的Stoll也表示,某些MQL加工的切削参数高于对应的湿式切削加工。例如,在一项钻削加工中,该公司将进给率从湿式加工时125mm/min提高到MQL加工的660mm/min。但他补充说,某些MQL加工的切削参数会略有降低。“从整体上看,采用近干切削在加工循环时间上不会产生不利影响,而且它通常都具有缩短加工时间的优势。或许,工件的复杂程度越低,利用MQL提高加工速度和工件质量的机会就越大。”

  由湿式切削转换为MQL切削后,工件的表面光洁度质量通常会有所提高,这是因为MQL切削每次使用的都是洁净的润滑液,而湿式切削循环使用的回收润滑液中有可能混入微小磨粒,从而对工件表面造成二次切削。

  Emuge公司的Shepherd认为,目前MQL加工呈现出缓慢增长趋势,而了解它的益处,可以产生立竿见影的回报。“例如,你可以假定一种加工成本为10万美元的情境,采用MQL加工能够削减13%的成本,这能节省一笔不小的开支,而且很快就能看到实际回报。”

  然而,传统习惯并不会很快消亡。Unist公司Boelkins认为,人们可能不愿意对原来的加工方式进行变革,即使这种变革可以为他们省钱。可是,正确的变革——如由湿式切削转换为MQL和与最小量冷却有关的其他加工方式——可能是一件好事,其好处包括改善工件表面光洁度、降低刀具成本、提高加工速度、避免工人罹患皮炎、节省车间空间、减少动力消耗和改善环境。

  链接1:MQL刀具应用实例

  美国一家零件制造商在其孔加工中面临圆度不合格的问题——允许的最大圆度公差为12μm,而加工出的孔圆度误差范围在12-20μm。该公司面临的另一问题是加工循环时间长。该零件上有许多个孔,而每孔加工时间过长。最后,为了达到表面光洁度要求,MQL系统采用了较高的供液率(250毫升/小时),使工件和切屑粘满润滑油。

  刀具制造商尤尼莫克(Unimerco)集团通过提供一种专用PCD刀具——Heli-Ream铰刀,很好解决了这些问题。这种铰刀采用了专门设计的小螺旋导向条,以减小切削力。换句话说,刀具对工件施加的压力较小,从而减小了切削振动,显着提高了孔的圆度,使平均圆度误差从0.017mm减小到0.0022mm(不到3μm)。

  由于减小了切削力,进给率提高了5倍多(从500mm/min提高到2,800mm/min);主轴转速也从7,000r/min提高到8,000r/min。此外,Heli-Ream铰刀使加工企业MQL系统的供液率大幅下降到80毫升/小时,使切屑和加工后的工件不再沾满润滑油。

  结果表明,小螺旋刃有助于从孔中排出切屑,而这对于近干切削来说极其重要。传统的湿式切削是利用水基冷却液来帮助排屑,在大进给率加工中,冷却液的作用变得更加重要。但在MQL加工条件下,可冲刷切屑的切削液极少,Heli-Ream铰刀的螺旋导向条则可帮助排屑。

  链接2:用于MQL加工的空气清洁系统

  在美国的大型汽车制造厂,有100多台用于MQL加工中心的MFSorp系统在处理齿轮和发动机生产中心排出的废气。为了提供生产现场所需的灵活性,Dantherm Filtration公司生产的MFSorp系统将每台加工中心上的来源捕获装置、管道附件和切屑收集器整合到一起,用于捕获和收集切屑、金属粉尘和油气,以防止形成具有潜在爆炸性的粉尘、油气和空气混合物。在许多情况下,它能清洁近90%的废气,并将其送回工作区循环使用,从而大大降低了能源成本。

  MFSorp系统的工作流程:首先,在一个预分离系统中,将较大的、不可燃的切屑分离出来,并将其收集起来供回收;然后,将其余的金属粉尘、空气连同专用添加剂(用于增大铝粉的惰性)一起导入颗粒过滤器。采用MFSorp系统,可取消常规机床使用的切屑传输器。

  此外,系统将MQL加工中产生的、具有粘性的润滑油滴从废气流中分离出来,并沉积在由一种类似粘胶的惰性物质构成的预涂层上,这种涂层能够延长过滤器的工作寿命,因为油滴不会再堵塞后面的各过滤层。该系统不需要使用额外的袋式过滤器或二次过滤,就能稳定达到0.01mg/m3的气体洁净度(衡量排放气流中颗粒含量的指标)。

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