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 在金属切削和金属加工企业中,使用冷却液是一件非常普遍的事。但它也给工业企业带来了一定的问题,如机床冷却润滑设备的费用可达机床采购投资的百分之几:增加了企业要上缴的环境保护税、工业污染物和排污费用。这些都提高了机床设备的附加成本。如果冷却液处理不当,还会增加环境污染,损害人身健康。因此,近几年来,希望使用干式冷却润滑的呼声和愿望越来越强烈。但是至今为止,各种各样的干式冷却润滑技术都不能在提高切削加工表面质量的同时提高刀具的使用寿命。而替代干式冷却润滑的最佳解决方案是最小量冷却润滑(简称MMKS)。

  空气/油溶合冷却
  
  这种利用空气和润滑油喷射到冷却作用点的工艺在众多的冷却润滑方法中是非常可靠和具有说服力的。在铝合金、有色金属合金、低合金渗碳钢和工具钢的铣削和车削加工中,这一技术得到了成功的应用。冷却液生产厂Oelheld公司参与了大量的研究和项目开发,以便挖掘MMKS最小量冷却润滑更大的应用领域。

  他们参加的其中一个研发项目,是用最小量冷却技术替代大量冷却的不锈钢钻削技术项目,而不锈钢是一种非常难切削的金属材料。对于这种高合金的X90CrMoV18不锈钢材料(含铬18%,钼1.3%,钒0.12%),最小量冷却润滑技术的使用的确是一个要求很高的攻关项目。这种高合金钢有着很好的耐腐蚀性能,是适合制作高耐磨性零件(如滚动轴承)或制作外科手术器械的材料。在加工这种金属材料时,钻削加工产生的、传导到孔口锐角处的热量是必须解决的一个难题。冷却不足会使钻削刀具很快磨损,钻头切削刃产生塑性变形最终将会使其失去切削能力。在通常情况下,最小量冷却润滑系统的冷却润滑材料是以矿物油、润滑酯和合成油为基本材料制成的。而这种基础材料制造的最小量冷却润滑材料在最小量冷却润滑中的效果却不明显,即使使用不同的添加剂,也达不到大流量冷却润滑时刀具的耐用度。

  在加工这种材料时,由于冷却润滑量不足,还加重了积屑瘤的形成,而且由于切屑的温度较高和变形较大,使得断屑性能变差。因此,有必要对所使用的钻头在其几何形状、尺寸、基材和表面涂层材料等方面进行优化改进。钻头耐用度的最佳效果是通过使用TiAlN/MoS2涂层材料,结合微观几何尺寸改进的微晶硬质合金钻头来实现的。

  优化的模块化润滑系统
  
  为了找到最合适的最小量冷却润滑材料,Oelheld公司的研究人员采用了可靠的模块化产品研发系统,即首先通过活性添加剂进行优化。为此,研发工程师们按照5种基本活性添加剂组别展开了工作:

  磨损防护添加剂(AW):通过与抗变形的金属表面涂层材料反应而避免刀具的磨损。

  耐高压添加剂材料(EP):在高压和高温下降低刀具与被切削金属表面之间的微观磨损。

  降低摩擦系数的添加剂(FM):降低金属相互接触表面的摩擦系数,减少热负荷。

  氧化抑制剂:阻止冷却润滑液因为氧化而固化和去氧极化形成酸性物质。

  防腐剂:通过在金属表面形成保护膜,防止酸和氧的侵入,形成防水层或者在水溶性的冷却润滑系统中构成基本的酸碱度PH值。

  最后,研发工程师们选择了水溶性的有机盐为基础。其较高的含水量是非常重要的,已经进行的一系列实验证明:水中的添加剂使用量越少,对刀具的耐磨性能就越有利。此时,可以说是真正有了适用于不锈钢材料的最小量冷却润滑。在冷却液中水分蒸发之后,保留在刀具表面的是附着力很强的、有利于降低摩擦的盐性薄膜。

  Oelheld公司的研发人员还对这种有机盐溶液的性能进行了进一步改进。首先是加入了AW抗磨损防护剂,然后又加入了EP耐高压添加剂。至此,与大流量冷却润滑时不锈钢钻头的耐用度相比较,最小量冷却润滑时的刀具寿命提高了60%。

  为了提高刀具使用寿命,在加工高合金钢时也可以采用最小量冷却润滑方式。

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