超精密加工中的绿色切屑技术

2019-06-11 21:05:07 4640

[摘要] 微光学元件(MOC),指面形精度可达亚微米级,表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。微结构是指具有特定功能的微小表面拓扑形状,如凹槽、微透镜阵列等,这些结构决定了对光线的反射,透射或衍射性能。微细光学元件主要通过超精密加工设备,采用天然金刚石刀具加工切削而成

超精密加工中的金刚石刀具切削(SPDT),用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工,主要铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工,使之与微量润滑(Minimum Quantity Lubrication,简称MQL)技术结合是一种较为理想的现代绿色加工技术。本文了论述了切屑液对人体的病理,探讨MQL的作用原理,分析了影响MQL切削加工效果的主要因素,指出了提高MQL切削加工质量的措施。

[关键词] 绿色切屑 微量润滑 原理 影响因素  

前言

在传统的金属切削过程中,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,随着人们环保意识和安全意识的增加,对于切削液带来的负面影响的认识也逐渐加深,切削液的处理和排放不仅易引起环境污染,切削液雾对操作工人的健康构成威胁,而且切削液的使用成本也相当昂贵。据德国统计数据表明:与切削液有关的费用相当于全部制造费用的717%,而工具费用仅占24%。面对降低生产成本,改善生产条件和实施可持续发展对环境保护的要求,更迫于有关法律的压力,合理利用制造资源、废弃物少、环境污染小、安全性高、可进行良性循环的“绿色切削”技术是新时期机械制造技术领域的主要发展趋势之一。人们经过多方面的试验和理论研究,发展了多种绿色切削技术,绿色切削技成为现代切削技术发展方向之一。其中最小量润滑(Minimum Quantity Lubrication,简称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。 

1 切屑液对人体的危害

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:

(1)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。

(2)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。

2 绿色切屑技术

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

2.1 MQL技术的作用原理

MQL切削技术的实现过程是利用喷嘴将压缩空气和微量的环保型切削液混合雾化后喷射到加工区,对加工区提供精确量的悬浮微粒切削液,对刀具和工件进行冷却润滑,减小刀具和工件之间的摩擦,抑制温升,提高切削性能。

MQL技术是在保证有效润滑的前提下,尽可能减少切削液的用量。据研究,切削过程中的润滑属于边界润滑,边界润滑的效果与润滑油量密切相关。当润滑油量很少时,首先在整个表面上形成单分子吸附层,使表面自由能达到最低。随后,油量增加吸附膜厚度均匀增加,对切削区进行有效润滑,并不是切削液越多越好,而是存在一定的量值范围。量值范围与切削液的性质、摩擦副的材料属性、表面粗糙度等因素有关。在传统湿切削中,即使使用大量切削液,但因其流速低、压力小等原因,实际进入高温高压的刀一屑接触区的量非常少,大部分仅起到周边冷却作用,也就是说传统湿切削中切削液的利用率不高。在MQL切削中,细小雾滴状的切削液在一定压力的气流作用下以较高的速度和动能射向切削区,与传统湿切削相比,MQL中雾状切削液具有平均分子量小、粘度低、粒径小、速度高、动量大等特点,它可以进入到传统湿切削中切削液难已渗入的细小空间,展布在摩擦副表面,形成边界润滑膜,保持良好的润湿和润滑属性。 

2.2 影响MQL切削加工效果的主要因素

MQL切削加工的特点是以极少量的切削液达到良好的切削加工效果,切削加工效果与切削液的渗透、导热性、润滑性有着十分密切的关系。因此,一切与切削液渗透、导热及润滑性相关的因素,都在一定程度上对MQL切削加工效果有影响。这些因素有:切削工艺、喷雾参数、供液路径、刀具和工件材料等。

2.3 提高MQL切削加工效果的措施

如前所述,影响MQL切削加工效果的因素很多。它们相互影响、相互制约。在具体的加工过程中,MQL切削加工效果取决于各影响因素的综合作用。对于特定的金属材料切削加工过程而言,我们可以提出有关提高MQL切削加工效果的基本途径如下:

(1)选择性能良好的切削液

切削液的正确选择与许多复杂的、相互制约的因素有关。在某一加工工序中,使用什么样的切削液才算好,主要根据所选择的切削液最终带来怎样的效果来判断。通常MQL加工中切削液必须满足两个条件:其一是在使用效能上必须满足使用对象的切削要求;其二是对环境的负面影响小,在生态效能上对环境无危害或为环境所容许。

(2)优化MQL切削液供应方位、供应参数和切削液用量

要实现切削加工中良好的冷却润滑,切削液必须以某种形式存在于刀具刀尖附近。MQL切削加工中切削液从喷嘴喷出,形成雾滴,克服周围阻力运行到切削区进行冷却润滑的过程是一个非常复杂的过程,喷雾参数、供液路径、喷雾流量、雾滴属性等多种因素都直接影响其渗透能力,进而影响最终的切削加工效果。

(3)优化切削用量

切削用量对切削加工效果影响很大,切削用量的选择直接影响加工表面质量、刀具耐用度和加工生产率。MQL切削加工中,要保证切削液的良好作用效果,切削用量的选择尤其重要。切削用量不仅直接影响切削液的渗透,而且还会影响已在切削区形成的润滑膜的质量。这是因为润滑膜的强度受切削区的温度、载荷、化学变化等多种因素影响。当切削区的压力、温度、摩擦副的相对运动速度超过了一定的范围,则润滑膜不断磨损、破裂并脱落,润滑失效,摩擦副处于无润滑的干切削状态。因此,要保证润滑的有效性,必须使切削区的温度、压力控制在一定的范围内,而这些条件受到切削用量的影响。

3.结束语

精密单点精刚石切屑在微光学元件加工中扮演着越来越重要的角色,精密切屑加工技术已成为目前高科技技术领域的基础,将精密切屑加工技术和微量润滑技术有效地结合将能进一步提高超精密加工的精度。目前,很多学者正在这方面做着大量的研究和实验,相信不久的将来,超精密加工和微量润滑技术会取得长足进展。

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