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经济有效的绿色制造方法(最少量润滑切削技术)

经济有效的绿色制造方法(最少量润滑切削技术)

                                      ———经济有效的绿色制造方法

 

摘要:综述了由切削液引起的人体病理现象;综合分析了替代或减少切削液用量的干切削、低温冷却、冷风冷却等绿色加工技术的加工效率、经济性及环境友好性;提出最少量润滑切削技术(MQL)是实现清洁、高效制造的最佳工艺方法。

 

在金属切削过程中,切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑及防锈作用。使用切削液对于提高切削加工性能和效率,减少刀具磨损有着显著的效果。然而,随着环保意识和安全意识的增加,人们对使用切削液带来的负面影响的认识也逐渐加深,使用切削液不仅增加了制造成本,对环境造成污染,而且直接损害操作人员的身体健康。因此近年来提出了绿色制造的概念,要求少用甚至不用切削液,达到保护环境和劳动者安全的目的。


切削液对人体的危害
切削液大体上可分为两类:以冷却为主要目的,用水稀释的水溶性切削液;以润滑为主要目的,不用水稀释的油溶性切削液。
水溶性切削液用大量水稀释后使用,无产生火烟和引起火灾的危险性,加工后脱脂清洗较简单,缺点是机床和工件容易生锈。油溶性切削液润滑和防锈作用好,但在高速切削时会产生严重的油雾,恶化环境卫生。为了适应各种润滑要求与改善切削液的性能, 往往在切削液中加入各种添加剂。


切削液对人体健康的危害主要是在于其添加剂含有毒性。例如亚硝酸盐、铬酸盐、氯化合物均系有毒物质,而且亚硝酸盐和醇胺容易发生反应形成致癌的亚硝胺;作为杀菌剂使用的苯酚娄物质也有很大毒性。


切削液对人体健康产生危害主要通过两种途径:
金属切削液与操作人员皮肤直接接触:由切削液引起的职业病中有80%是通过这种途径形成的。水溶性切削液和油溶性切削液对皮肤的危害是有区别的。


一般认为,油溶性切削液容易导致油痤疮、毛囊炎、角化症和皮肤癌。其中,油痤疮是最常见的,它是由于皮肤接触油而阻碍了皮肤毛孔,导致发炎形成脓水泡。当金属碎屑、砂轮颗粒、氧化物颗粒和铁锈颗粒与皮肤接触阻碍皮肤毛孔时,引起出疹,会诱发毛囊炎。皮肤癌和角化症主要由多环芳烃( PAH)引起;
水溶性切削液容易导致刺激性皮炎和过敏性皮炎。刺激性接触皮炎是由表皮层细胞局部毒性作用引起的发炎反应。过敏性皮炎是由皮肤内抗原刺激引起的一种发炎反应,是处理切削液的工人得湿疹的重要原因。


操作人员通过呼吸道摄入切削液形成的烟雾:油溶性切削液形成的油雾和水溶性切削液汽化形成的微液滴刺激呼吸系统粘膜会引起炎症,烟雾的刺激性气味和切削液腐败产生的恶臭对呼吸道也会产生危害。


绿色制造技术
如何把切削液的危害降到最低程度是一个极为重要而又不易解决的问题。解决切削液问题最直接有效的方法就是采用少、无切削液的绿色加工技术。人们在寻找新的切削润滑冷却技术的过程中,进行了多方面有益的尝试,发展出了多种绿色制造技术:干切削、低温冷却、冷风冷却和最少量润滑技术———MQL (MinimalQuantities of Lubricant) 。
干切削


干切削就是在切削过程中不用任何切削液的加工方法。相对于传统切削液的湿式加工工艺而言,它是控制污染源头的一种清洁制造工艺。它的优点包括: ①对环境无污染; ②对人体健康无危害; ③形成的切屑干净、清洁,易于回收和处理; ④省去了与切屑和切削液相关的费用,降低了生产成本。


干切削不是简单地停止使用切削液,而是要在停止使用切削液的同时,保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性。干切削技术的发展在很大程度上依赖于刀具技术和涂层技术的开发。选择具有良好抗机械冲击和热冲击性能以及极高耐磨性的新型刀具材料,如超细晶粒硬质合金、微细颗粒氧化铝陶瓷、SiC晶须增强陶瓷、立方氮化硼(CBN) 、聚晶金刚石;也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层,如TiA1N涂层、TiCN 涂层、TiA1N +MoS2涂层、类金刚石DLC涂层等,近年来提出的纳米涂层技术,可使刀具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能


虽然干切削具有诸多优点,但在切削钛合金、超耐热不锈钢等材料时,应用干切削技术还存在一些困难。因为由于没有切削液,其冷却、润滑及排屑作用就会丧失,切削加工中的热量就会增加,从而导致过高的切削温度,切削过程中会产生更多的摩擦和粘附现象,使得刀具寿命变短、生产效率降低,并使加工表面质量变差。而且干切削过程中易产生金属粉尘,而美国环保署(EPA)指出,工人即使吸入浓度很小的某些金属粉尘也会引起急性肺炎。


低温冷却
低温冷却技术是一种将液态气体, 例如液态氮(-186℃) 、液体CO2(-76℃) ,直接传输到切削区和刀具切削刃附近的切削技术。与干切削相比,它在降低切削温度,提高刀具寿命、表面质量的表现上更为优越。还有研究表明,低温冷却技术的实施有得切屑的折断。缺点是液氮不能循环利用以及产生低温液态气体的设备增加了制造成本。


冷风切削
低温冷风切削加工是在切削时使用-10℃~-100℃的低温冷风和非常微量的植物油代替冷却润滑剂实施切削的方法。它既能缓解切削区的高温,延缓刀具磨损,又能保证刀具的润滑性。试验证明,采用低温冷风切削时,车刀的寿命可以延长两倍以上。但低温冷风发生系统大都比较昂贵,如日本生产的设备随冷风排放量的大小不同,每台价格在150万~340万日元之间。


最少量润滑技术MQL
目前,干式切削技术还不成熟,其应用范围也很有限。而传统的温式切削又有诸多不足。因此介于两者之间的最少量润滑技术MQL有着极为广阔的应用前景。最少量润滑技术是指在切削中,切削工作处在最佳状态下(即不缩短刀具使用寿命,不降低已加工表面质量) ,切削液的使用量达到最少。它的工作原理是以分解性高的合成脂和油脂作为油剂,并通过一个泵供给,油剂和空气被自动混合在喷嘴里,形成毫微米级气雾并喷射在切削区,起到冷却和润滑作用。它的切削液消耗量可达50ml/h以下,而正常射流润滑的切削液消耗量可达6L/min。该方法使用极少量的润滑油达到良好的冷却和润滑的效果,而且很好地解决了传统切削液危害人体健康及污染环境的问题。


MQL系统的优点包括:
采用分解性高的合成脂和油脂作为润滑剂,加工后刀具、工件、切屑仍然保持干燥,不需要废液处理,对人体无危害,对环境无污染;


节约资源:供给的油量可达每小时2~30mL,为传统湿式方法用量的万分之一左右;
减小刀具—工件、刀具—切屑的摩擦,抑制温升,防止粘结,延长刀具寿命,提高加工表面质量;
由于使用切削液量为最少,因此系统简单,体积小,易布局。


MQL技术是一种具有极大发展潜力和广阔应用前景的绿色加工技术,经过大量研究,MQL 的实用水平在不断提高。下面列举了当前世界各国的科学对MQL 在车削加工、铣削加工和钻孔加工等方面上的研究,加工材料包括铝合金、不锈钢等。
日本科学家ToshiakiWakabayashi在用P20涂层刀具加工硬度为45HRC的不锈钢的实验中,为了达到切削油高效利用的目的,采用了双喷嘴MQL系统,一个喷嘴针对前刀面,另一个针对后刀面,每个喷嘴和刀具相隔20mm。实验表明,该系统提供了比干切削下更小的切屑一刀具摩擦系数;并可通过使用大流量的压缩空气加强冷却效果,从而减小刀具磨损、提高加工表面质量。


韩国科学家Tao Jo Ko和Hee Sool Kim在车削硬质材料时使用MQL冷却技术,比较了TiN涂层刀具和CBN刀具的切削性能。在加工经过热处理的硬度为62~64HRC轴承钢时,在刀具尖端喷射油雾可以减少TiN涂层刀具的磨损, CBN刀具的寿命可延长30%。采用MQL 技术,可以用低价的TiN涂层刀具来代替昂贵的CBN刀具而达到相同的切削效果。
英国科学家Machado和Wallbank使用油量为200~300ml/h的MQL车削中碳钢,与传统的大量切削液冷却(5.1L/min) 、干切削、空气冷却相比较。低转速大进给量加工中,使用MQL能显著降低切削力;使用MQL或空气冷却,在减少振动方面的效果比使用大量切削液要好。


巴西科学家Durval在钻孔铝硅合金的实验中,使用无涂层的K10和金刚石碳化钻头,比较了MQL和大量可溶性油冷却这两种方法。MQL系统中采用流量为72m3/h、压力为4.5bar的空气流雾化油剂。实验表明,油剂流量对刀具磨损无显著影响;与使用大量油溶性切削液相比,在刀具的磨损程度相当的情况下,使用MQL系统时孔的加工质量更好;使用金刚石钻头和无涂层钻头对于加工效果无显著区别。


印度科学家Varadarajan, Philip和Ramamoorthy在用带槽型的复合涂层刀具车削46HRC硬质钢的实验中,使用以矿物油(带添加剂)为油剂的MQL系统。研究发现,当油剂流量为60ml/h时,加工效果最为理想。比较不同的切削参数下,干切削、湿式润滑和MQL的润滑冷却效果。发现MQL在降低切削力、延长刀具寿命、提高表面质量和金属去除率等方面的综合性能要好于其他方法。


日本科学家横田秀雄研究发现,与使用水溶性切削液和干切削相比,采用MQL技术并且使用专用切削油的合成脂作为油剂时,切削摩擦系数较低。


美国科学家Shamim和Ketteborough研究了油雾润滑滚动轴承的摩擦学性能。实验证明,与传统的油池润滑相比, 使用油雾润滑可以降低轴承摩擦25% , 温度降低10℃。


目前对MQL的研究尚处于初级阶段,尤其是对难加于材料中的MQL系统的应用研究更为缺乏。MQL系统的普及必须解决如何确定加工所需润滑液量的问题,解决除屑排屑问题,解决切削灰尘以及油雾对自动换刀系统的影响问题。
结论
防止公害与环境污染,确保劳动者的安全与健康是当前世界各国极为关注的问题。一些国家已对切削液使用制定了严格的法律和法规,如美国国立卫生研究所(N IOSH)要求把金属加工中液体薄雾量减少到0.05mg/m3。因此实行绿色制造是未来制造业的必然趋势。


经济有效的绿色制造工艺———MQL已经应用于车削、铣削和钻孔等加工领域中,MQL系统中采用的润滑油通常是可降解、无毒的,对劳动者的健康不会产生危害。切削液的用量为最小,并用减少了切削液系统的维护和车间、空气、工件的清洁工作,大大降低了生产成本。从研究中发现,通过采用MQL技术,可以用TiN涂层刀具来代替CBN刀具从而降低刀具成本;加工不锈钢时能显著降低切削摩擦系数,减少刀具磨损;加工铝合金时能延长刀具寿命3~5倍,同时可以减少毛边,使工件具有更好的表面质量。


因此,综合考虑加工成本、生产效率、环境保护和劳动者健康问题,MQL是一种综合优化的切削加工方法。


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