介紹
最小量潤滑(MQL)，如其顧名思義，在機械加工過程中使用最小量的金屬工作流體(MWF)來實現(xiàn)潤滑。這項技術(shù)在過去的十年中已經(jīng)徹底改變了汽車動力系統(tǒng)的生產(chǎn)。隨著汽車、機床、工具和流體輸送系統(tǒng)制造商之間的密切合作，MQL已經(jīng)在多個全球工廠展示了更好的質(zhì)量、更高的生產(chǎn)力、環(huán)境影響最小、更低的運行健康問題、減少水和溫室氣體排放和減少能源消耗，從而導致更低的整體成本。德國政府發(fā)布的一份名為“明天生產(chǎn)研究”的項目的官方報告，博世和戴姆勒等幾家大公司都表示，MQL的能力和節(jié)省成本的[1]。在北美，福特汽車公司動力總成制造公司于2005年5月推出了第一個MQL大規(guī)模生產(chǎn)計劃。從那時起，閥體、變矩器外殼和變速箱箱已經(jīng)在兩個北美傳動工廠用這種綠色工廠的方法進行加工。由于這項技術(shù)的成功和上述好處，MQL是福特標準的工藝清單(BOP)加工方法，用于鋁傳動棱柱部件、灰色鐵和鋁發(fā)動機塊、鋁發(fā)動機頭、曲軸油和交叉孔。防噴器包括解釋特定產(chǎn)品的制造流程的詳細計劃，包括工藝順序和資本設(shè)備。對于全球任何新的福特動力系統(tǒng)加工設(shè)施，機械，設(shè)備布局，配置、工具和說明都是基于MQL操作構(gòu)建的。
可持續(xù)發(fā)展是MQL[2]提供的主要優(yōu)勢之一。加工工藝的可持續(xù)性受到其相關(guān)MWF技術(shù)的嚴重影響。全球研究始于20世紀90年代初，旨在研究降低與傳統(tǒng)洪水冷卻劑方法相關(guān)的成本和環(huán)境影響的技術(shù)。傳統(tǒng)的機械加工過程使用洪水冷卻來潤滑刀具，去除碎屑，并減少工件、夾具和機器的熱膨脹。洪水MWF是一種水和“油”的乳液——典型的合成配方。流量通常為約20L/min，以高達約70巴（或1000psi）的壓力輸送到切割區(qū)。洪水MWF系統(tǒng)需要重要的工廠基礎(chǔ)設(shè)施來交付、復墾、過濾、冷卻和廢水處理。此外，該系統(tǒng)需要不斷的監(jiān)測和處理，以控制液體濃度，并避免真菌和細菌的生長。在全球范圍內(nèi)，制造商目前每年消耗超過20億升的水基和直油mwf，這創(chuàng)造了對不可再生原料[3]的巨大需求。在福特的幾家動力系統(tǒng)工廠進行的一項研究發(fā)現(xiàn)，每年冷卻劑的使用量超過500萬加侖，花費數(shù)百萬美元[4]。為了解決這些問題，人們對進行干或接近干的機加工操作的興趣穩(wěn)步增加；因此開發(fā)了MQL技術(shù)。
MQL加工采用霧的形式的MWF（與壓縮空氣），并通過主軸輸送到工具工件界面，以最大限度的潤滑和冷卻。與傳統(tǒng)的濕式工藝相比，MQL只需要10-100毫升/小時，這取決于特定的切割操作。銑削、車削和鉆孔的基礎(chǔ)研究證實，MQL在銑削、鋁、鑄鐵等中范圍切削過程中，甚至更好。[5-6]。然而，由于熱引起的問題，對于高速、高能切割，在技術(shù)上仍然具有挑戰(zhàn)性，特別是硬金剛金屬，如壓實石墨鐵(CGI)、鈦合金和鎳基合金。為了使MQL100%實現(xiàn)，汽車行業(yè)已經(jīng)開始更積極地參與MQL的研究，并與學術(shù)機構(gòu)合作，以開發(fā)下一代生產(chǎn)過程。
工業(yè)經(jīng)驗表明，MQL在電力消耗、環(huán)境（排放、廢物）、切屑回收價值、安全和靈活性方面的優(yōu)勢，以及熱問題（擴展、磨損、點火）、工具開發(fā)（通過主軸/工具）和切屑去除等主要挑戰(zhàn)。這些信息在工業(yè)界是眾所周知，但很少分布到學術(shù)界和普通人群。因此，本文旨在基于工業(yè)經(jīng)驗(Ford)和公共領(lǐng)域的學術(shù)研究，總結(jié)關(guān)于MQL的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向的知識。在本文第二部分，首先介紹了福特實施MQL的歷史背景，以反映汽車行業(yè)的快速變化。然后是對幾個領(lǐng)域的優(yōu)勢的定量測量。第3節(jié)介紹了生產(chǎn)級MQL系統(tǒng)和進步，因為它是MQL實現(xiàn)的一個重要因素。最后，挑戰(zhàn)和導出的研究機會。第四節(jié)是最后的結(jié)論。
MQL在汽車工業(yè)中的實施
福特于20世紀90年代，開始研究鋁材料的傳統(tǒng)洪水冷卻劑加工技術(shù)的替代品。在美國，福特參與了一個合作項目，尋求完全消除冷卻劑，目的是實現(xiàn)鋁的完全干燥加工。（注：許多黑色部件的加工操作都干燥且保持干燥。）在同一時期，歐洲正在進行一個合作項目，探索MQL技術(shù)。完全干加工在制孔操作（鉆孔、再孔和敲擊）方面并不成功，但MQL在這類切割操作中是成功的。然后，開發(fā)工作集中于“工業(yè)化”MQL技術(shù)，并解決大容量生產(chǎn)所需的眾多工藝要素(例如，切屑管理、機器和部件的熱管理策略、MQL流體輸送的優(yōu)化工具設(shè)計、MQL交付系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和可靠性改進，以及粉塵/霧管理)。這一發(fā)展是通過21世紀初廣泛的實驗室試驗和一系列小規(guī)模生產(chǎn)試點來推動的。
MQL被廣泛應(yīng)用的第一個汽車加工操作是在21世紀初的曲軸油和橫孔鉆孔。大多數(shù)其他曲軸粗加工操作是干燥的。在此應(yīng)用中，MQL鉆井可以以顯著更高的滲透率進行，減少了周期時間和機器投資。MQL的實現(xiàn)相對簡單，因為該操作通常是在專用設(shè)備上執(zhí)行的，而無需更改過程中的工具。
福特從2005年開始將MQL應(yīng)用于鋁傳動部件，到2008年，在北美的兩家工廠有超過200個MQL加工中心，加工鋁傳動外殼、變矩器外殼和閥體。MQL加工是福特目前對這些部件的標準加工方法，并正在全球新的大體積加工生產(chǎn)線中實施。2011年，福特開始在歐洲的兩家工廠加工鋁發(fā)動機頭和鑄鐵發(fā)動機塊；與變速器一樣，MQL現(xiàn)在是加工鑄鐵發(fā)動機塊和鋁發(fā)動機塊和頭的主要標準方法，盡管濕式加工仍用于一些專門的操作。巴西和中國正在安裝新的發(fā)動機MQL模塊。
在全球汽車動力系統(tǒng)加工中，MQL橫孔鉆孔是大多數(shù)大容量曲軸應(yīng)用的標準。鋁發(fā)動機塊和頭以及鋁傳動箱的MQL加工在德國比在北美更廣泛。MQL在日本也被廣泛使用，但具體安裝的細節(jié)往往無法獲得。福特未來的戰(zhàn)略是將MQL加工擴展到其他業(yè)務(wù)，它們提供了顯著的好處。目前正在研究的擴展領(lǐng)域包括CGI發(fā)動機砌塊加工、熱噴涂發(fā)動機孔加工和鋁深孔鉆孔。
益處
MQL的主要好處包括成本、能源消耗、環(huán)境和切屑回收，這些都將單獨總結(jié)如下。
a. 成本
MWF相關(guān)成本包括設(shè)備、處理、處置和安全，是機械加工部件整體成本的重要驅(qū)動因素。在動力系統(tǒng)運營中，與MWF相關(guān)的成本在總制造成本的10-17%之間。一個對變速箱外殼的案例研究表明，冷卻劑相關(guān)的成本高達每單位2美元（不考慮折舊）。通過比較兩個相同的傳輸模塊進行10年周期分析，包括停機成本、維護、運行成本和地板空間，研究顯示在一個專用的MQL機床上節(jié)省了15%以上，如圖1所示。
圖1 針對特定傳動部件濕法與MQL加工的生命周期分析
傳統(tǒng)的MWF系統(tǒng)由過濾設(shè)備、冷水機、管道和泵組成；因此，節(jié)省成本的主要原因是消除水基MWF。MQL設(shè)備的資本投資和年度運營成本可以通過較低的MWF、用水量、減少過濾介質(zhì)和處理、減少壓縮空氣使用和減少廢水處理來抵消。其他節(jié)省包括減少空氣排放，處理潮濕、受污染的芯片，以及所有電力消耗。
b. 能源
濕式數(shù)控機床中最大的能耗是切割工藝（~25%）、MWF系統(tǒng)（30-40%）和壓縮空氣（15-20%）。MWF相關(guān)的能耗在所有的加工過程中都是重要的。圖2顯示了濕過程和MQL之間的理想能量圖。在傳統(tǒng)的濕式加工中，能耗大多是固定的，只能通過提高切割效率和減少循環(huán)時間來降低。然而，對于MQL，與MWF相關(guān)的能量不再存在，這將自動節(jié)省能源。隨著主軸和工具設(shè)計的進步，MQL加工在許多應(yīng)用中可以獲得比濕法更高的吞吐量，特別是在鋁加工中。例如，一項比較使用槍鉆和透刀扭鉆鉆曲軸（球墨鑄鐵）油孔的研究表明，在更高的穿透率下，MQL可以產(chǎn)生相當于槍鉆的工具壽命。結(jié)果表明，雖然切割時的加工功率和空氣輸出可以增加，但整體能量隨著循環(huán)時間的增加而減小，如圖2(b)所示。然而，與濕式加工相比，MQL需要增加壓縮空氣的使用，這可能會降低通過循環(huán)時間和MWF泵送改進所獲得的能源效益。
圖2 (a)濕和(b)MQL相同工藝的能量消耗(來源：Horkoscorp)的說明。
c. 環(huán)境與安全
用MQL加工通常被認為是一個低排放的過程，因為與濕加工相比，吸入空氣或皮膚上的MWF暴露減少。一個潛在的問題是由于高溫MQL加工的分解和熱解產(chǎn)物。一項研究，由德國政府，測量排放在MQL將鋼左輪手槍螺母和潮濕條件下證實，濃度超過95%的地區(qū)不到一半的洪水MWF基線值和遠低于可吸入分數(shù)的閾值(10mg/m3空氣)，如圖3(a)所示。對于MQL本身，一個單獨的工作臺式測試發(fā)現(xiàn)，薄的低粘度潤滑劑(<20mm2/s)產(chǎn)生高發(fā)射值，如圖3(b)所示。排放水平也與進入系統(tǒng)的流體量成正比，因此優(yōu)化一定加工工藝的流量可以進一步提高空氣質(zhì)量。
圖3 加工過程中氣溶膠排放的比較(a)濕和(b)MQL及不同MQL粘度
對于職業(yè)安全的空氣過濾要求，MQL產(chǎn)生細氣溶膠霧，通常小于5μm或亞μm，根據(jù)通用汽車的一項研究，與粒徑為5-10μm的濕式加工相比。小液滴在空氣中停留的時間更長，更容易被吸入人體，也更難用霧收集器去除。因此，需要一個高效的顆粒吸收(HEPA)過濾器來捕獲蒸汽和煙霧。此外，這種整潔的油系統(tǒng)將需要火花停止和滅火。注意，在MQL下，液滴尺寸并不恒定；它根據(jù)加工設(shè)置、流體流量和流體粘度[10,11]而變化。
在福特，一項關(guān)于三種材料（鋼、鑄鐵和鑄鋁）的研究，由于集中熱，這被認為是MQL應(yīng)用中最糟糕的情況。從加工區(qū)、過濾排氣區(qū)和工廠空氣中收集空氣樣本進行檢查。工廠空氣中的總空氣顆粒濃度至少比福特最低職業(yè)暴露限值(OEL) (1 mg/m3)和美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA)許可暴露限值（5mg/m3）低一個數(shù)量級。對于工廠空氣中存在潛在危害的化合物，檢測到的揮發(fā)性有機化合物（揮發(fā)性有機物）的濃度比它們各自的oel值低50倍。檢測到的多環(huán)芳香烴(PAH)的濃度一般比OELs低幾個數(shù)量級?？偟膩碚f，生產(chǎn)空氣過濾能夠去除98-99%的顆粒和碳氫化合物排放，這為MQL工廠提供了一個合適的工作環(huán)境。
d. 切屑回收
金屬切屑加工是制造中收集和處理回收金屬廢物（如切屑）的常見做法。切屑重新融化的收入通常是工廠運營預(yù)算的一個重要組成部分。在濕式加工中，切屑通常必須在運輸?shù)皆偃蹤C之前進行干燥，以避免污染道路。切屑干燥很昂貴，因為它需要能源和地板空間。
在MQL加工過程中，生產(chǎn)的金屬切屑幾乎干燥，幾乎干凈。這些幾乎干燥的芯片不需要干燥，因此會給工廠帶來更多的凈收入。
e. MQL系統(tǒng)和工具的設(shè)計
已經(jīng)為MQL應(yīng)用程序開發(fā)了各種硬件系統(tǒng)。根據(jù)輸送到切割現(xiàn)場的設(shè)置，潤滑油可以使用外部噴嘴或通過主軸內(nèi)部通道。外部供應(yīng)易于使用、實現(xiàn)，不需要特殊的工具；然而，由于工具隱藏在工件內(nèi)部或后面，它不足以進行深度加工。此外，它需要手動調(diào)整，以適應(yīng)不同的工具，以確保油覆蓋在前沿。在大容量制造中，霧通常通過主軸和刀具在內(nèi)部輸送。這種方式就提供了最大限度的潤滑。系統(tǒng)的主要關(guān)注點是油和空氣霧化效果會影響通過主軸的輸送，氣溶膠的長距離輸送，加上輸送途徑會受到慣性力和離心力的影響，霧的質(zhì)量是不易穩(wěn)定的，特別是刀具內(nèi)孔較小時。研究還表明，由于更好的潤滑和散熱，在加工工藝中首選更細和穩(wěn)定的霧。外噴系統(tǒng)適用于龍門機床、鋸切加工等。因為這些過程不需要對已加工的尺寸和可加工性進行精確的控制。
福特目前正在使用這種類型的內(nèi)部通道系統(tǒng)來加工鋁棱柱形部件，如傳動箱和閥體。確保輸送的霧更細、更均勻，特別是對于離心力變得顯著的高主軸速度。此外，系統(tǒng)在切割之間改變工具或在切割期間改變流量時，延遲時間必須足夠短，這有利于運行多種工具的加工中心。
工具設(shè)計是MQL進步的另一個因素，因為油霧必須達到所有的切割邊緣，特別是在多步驟的工具中。通過主軸應(yīng)用是常見的鉆、鉸和銑削。當應(yīng)用于MQL時，鉆機的冷卻液孔的現(xiàn)有端口需要重新設(shè)計，以幫助將霧輸送到整個切削面，以建立和防止熱損傷。確保對所有邊緣的適當潤滑比對濕式工具要困難得多，而且通常需要試錯試驗，以確定所需的流體通道尺寸和角關(guān)系。對于模塊化刀具，在加工MWF通道時需要進行具體的設(shè)計，以確保霧的質(zhì)量。這些孔通常由EDM加工，并根據(jù)直徑進行優(yōu)化、分支，和出口位置的最大霧輸出。一般規(guī)則匯總見表1。實際上，由于先進的工具開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗，供應(yīng)沒有困難。
表1關(guān)于MQL的跨工具通道設(shè)計的規(guī)則(資料來源：Komet)
為了確認適當?shù)撵F的產(chǎn)生，噴霧圖案試驗是工業(yè)上一種簡單和常見的方法來檢查該工具。樣品工具放置在機器的主軸(MQL)中，當工具旋轉(zhuǎn)時，綠色或藍色表面位于工具前面、下方或周圍約1.3mm。如果噴霧圖案與切割邊緣的位置緊密對齊，那么該工具很有可能能夠正常工作。
挑戰(zhàn)和新技術(shù)
MQL的瓶頸分為四個領(lǐng)域：深孔鉆孔、能源密集型工藝（如研磨）、難加工金屬（如鈦、鎳基合金、熱噴涂涂層）以及特殊操作，如研磨和小孔鉆孔。雖然據(jù)報道MQL提供了優(yōu)越的潤滑，但它通常不具有與濕式加工相當?shù)睦鋮s和切屑清除能力。如果沒有大量的MWF，積累的熱量會磨損工具和熱扭曲零件。如果沒有MWF沖洗切割區(qū)，切屑可以很容易地積聚并堵塞在狹窄的操作區(qū)域。因此，這些問題可能成為限制上述領(lǐng)域中MQL應(yīng)用程序的主要障礙。
深孔鉆孔(DHD)通常是指孔徑比大于10的孔。常見的操作包括發(fā)動機塊和曲軸上的油孔。鋁DHD目前普遍是可行的，但仍需要進一步的研究來優(yōu)化設(shè)置和減少尖端積累的問題。高強度鑄鐵中的DHD在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。我們的研究證實，由于切屑和摩擦，不僅在尖端產(chǎn)生大量的熱量，而且在鉆側(cè)產(chǎn)生大量的熱量。在低主軸轉(zhuǎn)速下，由于缺乏動量，切屑會堵塞孔內(nèi)，從而產(chǎn)生巨大的扭矩和熱量，導致工具斷裂或孔變形。一種常見的工業(yè)解決方案是對MQL系統(tǒng)應(yīng)用一個空氣助推器，它將系統(tǒng)輸入的空氣從5巴調(diào)節(jié)到10巴。10mm x 200mm深鑄鐵鉆孔的溫度和扭矩數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)生切屑堵塞時，空氣增壓器有顯著改善，如圖5所示。盡管有其優(yōu)點，但高壓也帶來了三個問題：MQL系統(tǒng)必須被設(shè)計成在更高的空氣壓力下運行，壓縮氣體所需的額外能量，以及噪音隨著空氣使用的增加而增加。所有這些都可能增加制造成本，從而違背了使用MQL的意圖。
圖5 鑄鐵深孔鉆孔：(a)工件內(nèi)部測量的溫度（距孔緣1.5mm）和(b)扭矩。試驗A和試驗B分別在使用空氣助推器和不使用空氣助推器時進行。
對于高能強度過程或難以加工的金屬加工，抑制熱是實現(xiàn)MQL的關(guān)鍵因素?；陬愃频睦鋮s劑還原概念，近年來，有兩種類MQL技術(shù)可用：超臨界co2基油(scco2)和液氮(LN)技術(shù)(a.k.a.低溫加工）。
scco2是一種工業(yè)溶劑，傳統(tǒng)上用于干洗溶油。這一特性已被演變成加工過程中的一種技術(shù)，可以實現(xiàn)更好的油滲透。簡單地說，將液體二氧化碳泵入超臨界相(31°C，>7.6MPa(1100psi))，并將潤滑劑加入反應(yīng)室，溶解在scCO2中。當scco2-油混合物輸送到工具尖端時，氣體的膨脹除了潤滑外，由于焦耳湯姆遜效應(yīng)也會產(chǎn)生冷卻。福特公司已經(jīng)進行了評估scco2的研究，并得出了該技術(shù)的一些有希望的結(jié)果。例如，在CGI上的鉆孔磨損試驗中，與常規(guī)的MQL系統(tǒng)相比，側(cè)翼磨損可以減少到一半或更少。在Inconel的轉(zhuǎn)動實驗中，即使在高25-45%的材料去除率下，與濕法過程相比，工具磨損也更低或相同。其他一些測試（未發(fā)表）也表明，當多晶金剛石(PCD)插入物用于切割黑色金屬材料時，scco2可以減少擴散磨損。然而，該技術(shù)關(guān)注的是改造主軸的成本、壓縮二氧化碳的額外能耗以及系統(tǒng)的可靠性。
相比之下，低溫加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到更成熟的狀態(tài)。配備LN供應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)控機床在市場上由MAG-IAS提供，命名為最低量冷卻(MQC)技術(shù)。在-196°C處的LN通過主軸直接輸送到刀具尖端和切割區(qū)。之前的低溫應(yīng)用在切割區(qū)域噴灑LN作為超級冷卻劑，而MAG的MQC強調(diào)制冷劑應(yīng)用，這使切割刀具能夠作為散熱器去除熱量。MAG發(fā)布的測試數(shù)據(jù)表明，加工鈦合金的工具壽命比傳統(tǒng)的濕法工藝更長。
氮技術(shù)關(guān)注的問題是氮不能很好地溶解和攜帶油，因此氮本質(zhì)上只是冷卻及有限的潤滑，雖然可以將額外的油管添加到LN（液氮）系統(tǒng)中，以解決這一限制。
結(jié)論
MQL已經(jīng)徹底改變了傳統(tǒng)的濕式汽車動力系統(tǒng)加工，因為它顯著地節(jié)省了制造成本。本文總結(jié)了近幾十年基于工業(yè)和學術(shù)經(jīng)驗的MQL技術(shù)的發(fā)展歷史、優(yōu)勢、技術(shù)挑戰(zhàn)和進展。據(jù)了解，大部分節(jié)省來自消除洪水冷卻和相關(guān)設(shè)備和建筑空間。顯著減少廢水和熱降解排放使其成為一個可持續(xù)和環(huán)境的過程。汽車工業(yè)正在積極參與MQL的開發(fā)和實施；航空航天制造商也開始研究并在一些業(yè)務(wù)中實施MQL。
隨著對各種應(yīng)用程序需求的增加，技術(shù)挑戰(zhàn)在MQL全面實現(xiàn)過程中不可避免。如章節(jié)所述，MQL加工過程中的兩個主要挑戰(zhàn)是有限的冷卻和切屑疏散能力，這導致了難以處理難以加工的材料和工藝，如深孔鉆孔和研磨的應(yīng)用。下一代MQL應(yīng)旨在解決這兩個問題，同時最小化流體輸送系統(tǒng)本身的額外能源和設(shè)備成本。最終目標是創(chuàng)造一個清潔、可持續(xù)和高效的生產(chǎn)環(huán)境。