微量润滑技术在铝合金加工中的应用

万 达

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

伴随着改革开放的日益深入，我国综合实力也不断提高，极大地推动了我国工业的发展，与此同时国家越来越注重对环境的保护，提倡积极发展并应用绿色切削加工技术。而微量润滑技术作为当前新型的绿色切削加工技术，不仅符合绿色加工要求，而且在加工过程中对加工的工件和道具发挥关键性作用。

1 微量润滑技术简介

1.1 微量润滑技术概述

微量润滑技术（Minimal Quantity Lubricant MQL）也可以被最小量润滑技术，属于对金属进行加工时采取的润滑方式，即半干式切削，主要指的是在切削过程中，将由空气、二氧化碳、氮气组成的压缩气体和极微量润滑油混合后将其汽化，以形成纳米级的液体，再将其喷射到所需加工区域达到有效润滑的一种切削加工技术[1]。

1.2 微量润滑技术的原理

根据上述对微量润滑技术的阐述可以得出，该技术的原理如下：借助高压气流雾化喷嘴，将经压缩过后的空气作为雾化介质，在高速的气流作用下将可降解、无毒的植物基润滑油破碎为能够达到微米级别的润滑油雾滴，再通过高速气流的作用下将其送至切削区域内，达到充分润滑并冷却充分润滑刀具、切屑以及刀具和工件的接触面[2]。

1.3 微量润滑技术的优点

由于微量润滑技术融合了干式切削和传统湿式切削两种技术的优点，因此归纳起来其主要具有以下优点：

（1）微量润滑技术降低能源消耗效果显著，其能够减少二氧化碳的排放量，充分符合了绿色加工生产的要求。

（2）微量润滑技术不需要冷却液相关设备，机床占地的面积更小，极大地减少了配件以及维修的成本支出。

（3）微量润滑技术相比于浇筑式冷却润滑，能够极大地延长道具的使用时间。

（4）相比于浇筑式切屑液微量润滑技术使用的润滑油量更少，并且不用回收处理。

（5）微量润滑技术的加工设备拥有的切削速度更高，切削获得的产品表面质量好。

（6）微量润滑技术形成的切屑干燥，直接便可压块，从而节省了甩干和除油等工序，因此回收切屑的价格更高。

（7）微量润滑技术还能够显著的减少由于浇筑切削液、润滑油形成的加工油烟、水蒸气等等，因此在运转过程中不会出现滴油、滴水等情况，避免了对运转架和地面造成的污染[3]。

2 微量润滑技术系统分析

2.1 微量润滑系统

微量润滑系统，简单而言即对油量进行精确控制的装置，该系统主要由三个部分组成，分别是油雾供给系统、喷嘴、润滑油，该系统主要存在两种形式，分别是外置式供液系统和内置式供液系统。而传输微量冷却液的方式也包含两种，其一是单通道，该传输形式需要1 个单独的雾化装置，然后将被经过雾化最后的液滴与压缩空气进行混合，再将另一个通道后传输至喷嘴中，具体如图1 所示。其二是双通道，这种方式无需单独的雾化装置，经过两个通道，通道里面装有微量切削液，外部大通道为压缩空气，在喷嘴附近或者通过喷嘴进行雾化，最后将其喷射到加工区域中，如图2 所示[4]。

图1 单通道微量润滑系统

图2 双通道微量润滑系统

2.2 微量润滑外冷系统

该系统通常是通过机床外部引入冷却油雾，并由道具外部供给。微量润滑外冷系统适用于铣床、车床、锯床等应用外冷刀具的加工设备上，可以被应用在铜、镁、铝以及易切削刚等中难度材质的加工中。

3 微量润滑技术在铝合金加工中的应用

3.1 微量润滑技术在铝合金加工中的作用机理分析

在铝合金机械加工时，刀具与金属接触的表面会形成高温，但是就传统的工艺来看，因为通过切削液的冷却作用，高热固体的铝合金会迅速冷化并形成淬火效应，致使刀具变脆、变硬，特别是针对带有涂层的刀具，将对其使用寿命产生影响。因为淬火反应的强烈主要取决于温差高低，因此增加加工的速度会致使刀具的温度相应的升高，所以提高加工速度会到时淬火效应增强，从而缩短了刀具的使用寿命。而微量润滑技术中应用的润滑剂供给的级别为微米级雾粒，从而有效的避免了淬火效应的产生。在刀具温度不过高的前提下提高切削的速度，会致使工件切削层的劈裂点提前出现，换句话说就是切削破裂点将与刀尖的位置远离，如此便导致破裂点的高温无法传给刀尖[5]。

切削热主要集中在工件和切屑上，刀具与切屑的接触点成为了刀具唯一的热源，提高切削的速度响应地会导致切屑更容易弯曲并按照高速远离工件和刀具，通过这样的形式缩短了切屑传导切削热的时间。另外，当高温适宜时，还能实现切削工件表面软化的目的，降低了切削力，从而便于切削液的渗透。

当前，关于微量润滑技术在铝合金加工中的作用机理中比较普遍的看法为：因为切削区域摩擦接触界面上存在强大的拉压应力与剪切应力，在这些应力的共同作用下，必然会导致工件伴有微裂纹。结合物理学中阐述的毛细现象原理，微裂纹便可以被当做毛细管，在其作用下将切削液引入自摩擦接触的区域中。有实验证实了在切屑沿前刀面流出这一过程中，前刀面与切屑地面在摩擦与耕犁的作用下致使刀具以切屑接触区域中产生了很多毛细管，在虹吸这一作用下，逐渐将切削液渗透至切削区中。另外，通过对切削液通过液体的形式和蒸汽的形式渗透所需的时间，结果发现，切削液通过现雾粒这种较小直径的形式渗透到加工表面所需的时间更短。而微量润滑系统形成的雾力大小与蒸汽雾粒大小相差不大，能够更快地进入毛细管中，获得更好的润滑作用[6]。

3.2 试验分析

为了验证将微量润滑技术应用在铝合金加工中的效果，拟以铝合金发动机为例开展了试验分析，本实验选择的系统为LUBRIX V7 单通道微量润滑系统，将其安装于发动机制造现场缸盖线GROB G320 双主轴加工中心中。LUBRIX V7 单通道微量润滑系统是在混合装置中将压缩空气与润滑油加工成一定浓度并且颗粒尺寸的范围在0.5um～1um 范围内的油雾，机床的外部经球阀和主轴相连，油雾在穿过主轴和道具内孔后被输送至切削区域。

单通道系统的工作原理为毛细管虹吸原理，在邮箱内由于空气的压差超过0.06MPa时便可以调整油雾的浓度。主要注意的是：单通道微量润滑系统适用于转速≤1600r/min 的主轴，响应的时间为0.8～2 秒。

3.2.1 微量润滑系统试切条件分析

连接好微量润滑装饰的电气与电路，并对接机床程序和信号，便可以实现微量润滑系统和机床的联动加工。通过采用微量润滑系统对铝合金缸盖加工部位进行钻削和铣削，比较在加工条件完全相同情况下湿加工刀具磨损情况和工件表面的质量。将喷油的压力、响应的时间、喷油量、加工参数、PLC 程序以及内冷指令等作为调试的阐述。

3.2.2 微量润滑系统试切流程

微量润滑系统试切的流程加工中，微量润滑系统电气控制的通气方式为数字I/O 接口，通过对PLC 地址和NC 程序进行更改来达到机床自动控制微量润滑装置的目的，并实现了自动连切的条件。通过对刀具的变量、编程PLC 程序以及创建GROB机床操作界面进行采集等手段，能够将微量润滑系统的工作状态实时显示出来，并及时显示报错信息；通过设置程序的阐述能够实现刀具与油雾的浓度相对应、油雾压力报警、调整供油量、联动换刀等功能。在将.微量润滑技术应用在铝合金的发动机加工中。考虑在试验过程中，刀具的长度，油品的质量、内冷孔直径以及气压等因素改变都会对试验结果产生影响，因此需要结合上述因素的变化及时调整微量润滑的阐述，从而保证加工质量的稳定性，因此在本次试切过程中，总共设定了15 种油雾的浓度，然后将其逐一和刀具进行匹配验证。

3.2.3 试验数据分析

在本研究中，通过应用微润滑技术对铝合金缸盖加工部位开展钻削和铣削，同将其和相同加工条件下的湿加工刀具磨损情况和工件表面的质量进行对比可知，微量润滑系统使用的刀具材质未改变，变化主要体现在排屑槽、刃角、刀柄和内冷孔位置/形状/角度的设计方面。当完成试切后，通过对比产品的直径、位置度以及粗糙度等数据，通过对40 个铝合金缸盖产品进行试切，其中钻孔共400 个，铰孔共120 个，结果发现：当外界条件和切削参数完全相同的情况下，微润滑技术与湿加工刀具均可以实现图样要求的产品尺寸，但是湿加工刀具积屑瘤的现象非常严重，而微润滑系统刀具未见明显积屑瘤，并且从加工后的产品表面质量来看，微润滑系统刀具优。

4 结语

综上所述，在铝合金加工过程中应用微量润滑技术，相比传统的切削液湿式加工技术，不仅可以减少生产成本支出，而且还能减少对环境的污染，其加工出来的产品质量达标，刀具无异常磨损，延长了刀具的使用寿命，因此具有在铝合金加工中进行推广的价值。