金属加工刚刚出现的时候,加工者就在加工部位施加少量的油或者水进行加工润滑。在高速钢刀具和数控技术出现之前,许多机床在加工部位只用刷子涂覆少量的油。当时,用酱油或菜籽油进行加工,是非常普遍的事情。
上个世纪60到80年代,超高硬度刀具材料、数控机床得到普及,加工速度大幅度提升,单位时间的切屑产生量也呈飞跃式的增长。由于高耐热性的超硬刀具出现,切削液的使用目的更加倾向于冷却加工部位,而非起到润滑作用。与此同时,在加工过程中及时清除大量切屑也变得非常迫切。因此,切削液槽和循环泵开始大型化,加工时往加工点高压喷射大量的切削液以达到上述目的。在这个过程中,切削液本身也不断得到发展,水基切削液(包括乳化液、微乳化液、全合成液)逐渐替代油基切削液成为主流,目前约占总量的3/4,其余为油基切削液。据Kline公司资料,2010年全球金属加工油液总消耗量为2.1×107吨,亚洲是金属加工油液消耗量最大的地区,占全球金属加工油液消耗量的41%(约860万吨)。
但是,长期以来极少有人评估在诸多加工工艺中,是否有必要使用这么多的切削液。使用大量的切削液带来了资源消耗、成本高昂、人体适应、废液处理、环境污染等难题,节能减排、降低环境负荷、可持续发展要求、改变传统保守观念等等,都要求尽可能的使用更低用量的切削液。
降低切削液的使用量,可采取以下三种途径:
1)使用更为恰当的切削液供液压力、流量
优化泵流量和供液压力,在与加工工艺相匹配的条件下可以节约切削液的用量,并节约能源消耗。
2)微量润滑技术或半干式切削
微量润滑技术(MQL,Minimum Quantity Lubrication)让切削液以雾状形式进入切削区域,以期在保证加工效果的同时将切削液的用量降至最低程度,可以有效节约切削液的用量。半干式切削(SDM,Semi-Dry Machining)一般认为是MQL的同义语。国内亦有人称之为微量切削液加工(MCF,Micro-quantity Cutting Fluid)。
MQL或SDM技术可以使用的油雾来源有三种,分别是纯油基产品、油与水的简单混合物、乳化油型产品,其单位用量从4ml/h到1200ml/h不等。
3)干式切削
干式切削过程中完全不适用切削液。传统的干式切削在铸铁材料加工的应用上是比较成功的,但是在钢和难加工材料方面还处于研究当中。为了达到润滑、冷却、排屑等目的,往往采用一些辅助介质提高加工质量。可采用的加工辅助介质分别有:低温冷风(达-30℃)、氮气、粉末状干冰、空气等。
作为干式切削加工理念的继承,发展了准干式切削(NDM,Near Dry Machining),即在干式切削基础上采用涂布的方法在工件上或刀具上辅以及其微量的润滑介质,往往是间歇式的、一次性的施加润滑介质,因此与MQL是基于不同的切削理念而发展的。
分析上述三条技术路线,显而易见,降低切削液用量并没有使切削液的其他负面影响(例如资源消耗、人体刺激、腐败、废液处理等)得到根本消除,MQL或SDM技术会带来油雾污染、某些加工场合冷却润滑不足等问题,低温气体辅助等干式切削在节能方面处于劣势。
目前微量润滑技术的概念应用更加广泛,是绿色加工技术的研究热点之一。为了进一步提高加工效率,发展了低温MQL技术,将传统MQL技术与低温冷风技术相结合而形成高效复合冷却润滑技术。相对传统MQL技术,低温MQL技术综合利用了低温介质的冷却效果以及MQL的减摩润滑效果,能有效缓解切削区的高温,防止切削区的微量润滑油在高温环境下丧失润滑性,以达到延缓刀具磨损的目的。
在应用喷雾加工的场合,还应该根据具体加工状况,从整体上考虑油雾供应系统、切屑处理系统方面的问题。