介紹

使用較少有害切削液的必要性促使許多研究人員研究了微量潤滑(MQL)的使用)。Chalmers（1999）報告說，美國每年使用的金屬加工液超過1億加侖，有120萬雇員接觸到這些液體，并可能對健康造成危害。美國職業安全和健康管理局(Aronson，1995年)和美國國家職業安全和健康研究所(NIOS H)報告說，金屬工作液氣溶膠濃度允許接觸水平分別為5毫克/m³和0.5毫克/m³（美國衛生和人類服務部，1998年）。然而，隨著洪水冷卻劑使用常規潤滑，美國汽車零部件制造設施的油霧水平估計為20-90毫克/m³(Bennett和Bennett，1985年)。接觸這種數量的金屬工作液可能會導致不良的健康影響和安全問題，包括毒性、皮炎、呼吸道疾病和癌癥。維持洪水冷卻劑系統的機械基礎設施如此復雜，阻礙了設備的快速重新配置。在傳統的洪水冷卻劑應用中，產生的切屑是濕的。它們必須在回收前干燥，這會帶來額外的成本。另一方面，微量潤滑(MQL)產生的基本上是干屑，因此降低了干屑的成本(FilipovicandStephenson，2006)。如果采用微量潤滑，切削液的節省和相關成本可能會很大。

微量潤滑

MQL，又稱“微量潤滑”(Ma Clure，Adams，Guggerand Gressel，2007)和“準干式加工”(Klockeand Eisenblatter，1997)，是將金屬切削液輸送到刀具/工作界面的最新技術。使用這種技術，只要適當地選擇和應用一點流體，就能在工具的有效性能方面產生很大的差異。在使用洪水冷卻劑的常規操作中，切削液的選擇主要是基于其對切削性能的貢獻。然而，在MQL中，次要特征是重要的。包括其安全性能，（環境污染和人類接觸），生物降解性，氧化性和儲存穩定性。

這一點很重要，因為潤滑劑必須與環境兼容，并能抵抗低消耗造成的長期使用(Wakabayashi，InasakiandSuda，2006年)。在MQL中，潤滑是通過潤滑劑獲得的，而最小的冷卻作用是通過到達工具/工作界面的加壓空氣來實現的。此外，MQL還會引起熱沖擊，并有助于在高刀具壓力的情況下提高工件表面完整性(Attanasio，Gelfi，GiardiniandRemino，2006年)。

MQL系統的類型

有兩種基本類型的MQL交付系統：外部噴霧和通過工具。外部噴霧系統由冷卻液罐或儲油罐組成，冷卻液罐或儲油罐與裝有一個或多個噴嘴的管子連接。該系統可以在機器附近或機器上組裝，并具有獨立可調的空氣和冷卻劑流量，以平衡冷卻劑的輸送。它便宜，便攜，適合幾乎所有的加工操作。通過工具MQL系統有兩種配置：基于創建氣油霧的方法。首先是外部混合或單通道系統。在這里，油和空氣在外部混合，并通過主軸和工具管道到切割區。

這種系統的優點是簡單和低成本；它們適合通過工具冷卻劑能力改造到現有的高壓機器。它們易于使用；主軸內沒有關鍵部件。缺點是油霧在前往噴嘴的旅行過程中受到分散和分離。為了盡量減少油滴，使用了一層相對較細的顆粒霧，這往往限制了可提供給切削區的潤滑量，從而影響切削過程的性能。第二種配置是內部混合或兩個通道系統。最常見的是在兩個通道系統中，兩個平行管通過主軸將油和空氣帶到靠近產生霧的刀架的外部混合裝置。這種方法需要一個特別設計的主軸。這種系統具有較少的分散和輟學，并且可以提供比外部混合裝置更大的液滴尺寸的霧。他們也有較少的滯后時間，當改變工具之間的削減或石油交付率在削減。然而，這些系統更難維護；關鍵部件位于主軸內(FilipovicandStephenson，2006年)。

MQL選擇研究

MQL應用于鉆、銑、車操作

2007年5月，Tech Solve根據洪水冷卻和MQL的比較發表了一篇文章(Ma Clure、Adams、Gugger和Gressel，2007年)。所用潤滑劑為實驗植物油基溶解油（10%）。洪水和霧條件下的流量分別為1.7gpm和0.0029gpm。進行了鉆銑作業實驗。鉆孔作業采用AISI4340鋼(32-34HRC)。速度、進料率和切割深度分別為55SFPM、0.007IPR和0.006英寸。使用的鉆頭是0.5英寸氧化物涂層HSS，有135個°分裂點。使用洪水冷卻劑鉆了60個孔，使用MQL鉆了61個孔。分析表明，MQL與洪水冷卻在刀具壽命（達到壽命結束標準的孔數）上無顯著性差異。洪水和MQL冷卻的平均推力分別為570磅和447磅。

銑削作業采用AISI4140鋼(24-26RC)。速度、進料率和切割深度分別為400S FPM、0.005IPR和0.5英寸。刀具插入件為SM-30級未涂覆碳化物。分析表明，洪水冷卻和MQL冷卻之間的刀具壽命差異很小。為洪水試驗碾磨了66個孔，為MQL試驗碾磨了80個孔。觀察到的平均合力為洪水46磅，MQL冷卻36磅(MaClure，Adams，Gugger和Gressel，2007年)。嚴等人（2009）研究了MQL的切削性能，并將其與硬質合金刀具在銑削高強度鋼中的干濕切削進行了比較。結果表明，與干濕切削相比，MQL降低了刀具磨損和表面粗糙度。類似地，Sharif等人（2009年）評估了植物油作為替代切削潤滑劑的性能，當使用TiAlN涂層硬質合金工具端面銑削不銹鋼時。結果表明，當刀具壽命和表面粗糙度為響應變量時，使用MQL的植物油優于干切削和洪水冷卻。Sanz等人。（2008年）報告了鎂和鎂基混合零件生態加工的進展情況。Itoigawa、Childs、Nakamura和Belluco（2006年)進行了一項關于數控車床上鋁合金間歇轉動的研究）。有兩個測試條件。第一種切削速度為200m/min，進給率為0.05mm/rev，軸向行程長度為3mm。

第二種條件的切削速度為800m/min，進給率為0.2mm/rev，軸向行程長度為10mm。在這兩種情況下，MQL供油率固定在30ml/h，空氣流量固定在70l/min。對于帶有水滴的MQL，以3000毫升/小時的速度使用自來水。以菜籽油和合成酯類（單羧酸與多元醇）為潤滑劑。在相同的條件下，采用乳化液型冷卻劑和干法加工進行了切削試驗。使用了兩種工具：一種為0°耙角的燒結金剛石工具和一種為5°耙角的K10級硬質合金工具。菜籽油的MQL在輕載加工條件下具有較小的潤滑效果。用油菜籽在刀具表面開發的邊界膜不夠強，無法承受低摩擦，避免芯片焊接。結果表明，MQL具有水滴，特別是水滴上的油膜，如果使用合適的潤滑劑，如合成酯，則具有良好的潤滑性能。當MQL與合成酯，但沒有水，它顯示出潤滑作用。然而，工具損壞明顯如晶片焊接(Itoigawa、Childs、Nakamura和Belluco，2006年)

使用涂覆和未涂覆的HSS和鈷HSS鉆頭的MQL性能，在高寬比操作中，由Heinemann、Hinduja、Barrow和Petuelli（2006)進行了測試）。工件材料為AISI1045。工件安裝在測量推力和扭矩的兩個部件測功機上。測試的麻花鉆直徑為1.5毫米，包括130°的角度。采用未涂覆的HSS、未涂覆的鈷HSS和各種涂層的鈷HSS。切削速度為26m/min，進給率為0.26mm/rev。進行了三系列試驗。第一系列試驗中的MQL供應一旦鉆頭達到5毫米的深度就停止了。在第二系列試驗中，使用了另外兩種潤滑劑；一種化學成分與第一系列中使用但不含酒精的潤滑劑相同，另一種由含水量為40%的無油合成潤滑劑組成%。在第三個試驗系列中，鉆井是在干燥條件下進行的。

在第一系列試驗中，觀察到MQL供應的中斷導致未涂覆的鈷HSS鉆頭的刀具壽命急劇下降98。在TiN-和TiAlN涂層麻花鉆的情況下，刀具壽命也下降了，但分別下降了42%和27。第二系列試驗是用三種不同類型的MQL進行的，使潤滑劑以18毫升/小時的速度連續供應。所有測試都是用未涂覆的HSS鉆頭進行的。無酒精潤滑劑使刀具壽命比酒精混合潤滑劑提高23。當使用無油合成潤滑劑加上40%的水時，刀具壽命增加了100%。在刀具壽命方面，連續的MQL供應是有益的，而中斷MQL供應會導致刀具壽命的大幅下降，特別是在熱敏鉆的情況下。關于MQL潤滑劑的類型，具有高冷卻能力的低粘性類型導致刀具壽命顯著延長(Heinemann、Hinduja、Barrow和Petuelli，2006年)。

MQL潤滑油特性

潤滑油在MQL中的濃度在0.2到500毫升/小時之間變化，并且不會通過冷卻劑輸送系統重新循環。由于MQL要求非常好的潤滑性能，所以使用植物油或合成復活節油代替礦物油。氣壓約為5巴(FilipovicandStephenson，2006)。MQL是消耗潤滑，即所應用的潤滑大部分在應用時被蒸發。這種蒸發，配合壓縮空氣流，冷卻工件。剩余的熱量通過工具和切屑消散(www.schunk-usa.com，“月主題”，2007年)。在理想調整的MQL系統中，切屑、工件和刀具幾乎保持干燥。Wakabayashi，Inasakiand Suda（2006）介紹了合成多元醇酯，并將其描述為MQL流體。這些代表了一種潛在的替代蔬菜基MQL油，特別是在其最佳的二次性能特性方面。所有植物油均表現出較高的生物降解性。然而，合成酯類根據其酸和醇的組合分子結構提供了廣泛的生物降解性。這一特性，結合其合適的粘度，促使Wakabayashi等人，確定這些潤滑劑，以供進一步檢查。

比較了多元醇酯與植物油的物理性能和生物降解性。對聚乙二醇酯油的粘度、總酸數、傾點和生物降解性分別為19.1mm2/s、0.02mgKOH/g、45?C和100。植物油的這些特性分別為35.6mm2/s、0.04mgKOH/g、20?C和98。比較了多元醇酯油和植物油的分子量。油膜分子量增加10%以上%。植物油分子量增加65%。相反，多元醇酯的分子量沒有顯著變化。大多數植物油由許多酯類化合物組成，主要來源于甘油和脂肪酸的組合。

植物油通常在室溫下是液體，因為它們是不飽和鍵。不幸的是，不飽和鍵在化學上是不穩定的，可能導致植物油的分子量增加。使用GPC分析對這種行為進行了詳細的調查。結果表明，植物油中的一些分子已轉變為分子量較高的化合物。紫外光譜分析結果表明，不飽和雙鍵的變化具有選擇性。這一結果支持了植物油分子不飽和鍵結構是其易被氧化聚合降解的主要原因的假設。本研究中選擇的作為生物可降解潤滑劑的多元醇酯是由特定的多元醇而不是甘油合成的。它們的分子可以大大提高氧化穩定性；它們不含不飽和鍵。無論如何，它們在室溫下是液態的。與植物油相比，從保持清潔工作環境的角度來看，所研究的合成多元醇酯是MQL加工的最佳潤滑劑。

研究的另一個次要特征涉及多元醇酯和植物油的長期儲存潛力。潤滑油容器常存放在室外，容器內的溫度可升高至70?C。由于MQL系統消耗的潤滑劑很少，所以在這種條件下，潤滑劑必須保持穩定。為了模擬這種儲存情況，在70?C下進行了4周的氧化試驗。測定粘度和總酸數(TAN)的變化。多元醇酯油和植物油在貯存穩定性試驗后粘度變化分別為0.01%和1.5%，總酸數(TAN)變化分別為0.01%和0.18。多元醇酯的粘度和TAN值基本保持不變，而植物油的粘度和TAN值則顯著提高。這些結果證實了合成酯分子結構對氧化降解的穩定性，從而促進了它們在儲存中的穩定性(Wakabayashi，InasakiandSuda，2006年)。

總結和結論

正在進行的研究結果表明：

與洪水冷卻相比，MQL并未產生更多的霧。 機床本身霧收集或過濾設備足以管理由此產生的細霧。 微量潤滑機械加工對操作人員和環境都是安全的，特別是如果使用專用的微量潤滑劑。

另一方面，MQL中的潤滑和冷卻過程尚未得到很好的理解。同樣，霧顆粒的產生過程及其物理特性還有待確定，其與整個加工過程和加工條件的關系還有待研究。