碘化绝品体内圆锯切中微量润滑技术的应用

引言

碘化绝晶体是一种无色透明无机晶体材料,密度为4.51g/cm3,可溶于水(44g/100mL,0℃:74g/100mL,20℃)和醇类,莫氏硬度2.0,对温度和光变化敏感。碘化绝晶体切割加工多以内圆切割机为主要加工设备,加工过程中主轴带动刃口镀有金刚砂的内圆刀片做高速旋转运动,被切割材料相对于刀片旋转中心做径向直线运动,从而实现内圆刀片对材料的切割。相对于其他设备,内圆切割具有切割刃口小、加工范围大、效率高等优势。工作时为了减少加工缺陷、获得理想的表面质量,一般会使用切削油进行冷却润滑。但是切削油的使用给企业带来了很多风险因素,如贮存安全、废液处理等。为了减少风险、降低生产制作成本,需要我们寻找一种新的、更安全环保的冷却润滑方式。

1传统冷却润滑方式及其不足

在传统的晶体加工过程中,通常采用大量浇注切削油来降低切削温度,保护刀具和晶体表面及冲洗残留碎屑,但在刀片刃口金刚砂对晶体材料高速磨削的过程中,向磨削部位浇注的切削油只有极少部分进入磨削区,难以实现对晶体以及刀具的良好冷却,仍会有部分产品存在加工缺陷。而且切削油也会扬起气雾或挥发到空气中,影响工作车间的空气质量,对员工的皮肤以及呼吸道造成健康风险。使用过的废切削油处理不当也有环境污染的风险。所以,在近两年制造业普遍追求环境友好、绿色加工的大背景下,使用冷却油进行冷却润滑的方式已经开始落后了。

2微量润滑技术

微量润滑(Minima1○uantityLubrication,MQL),是用少量的润滑油经压缩空气雾化后的油雾颗粒对切削区域进行冷却和润滑的一种技术。该技术将切削液用量降低到极微量程度(通常MQL的用量仅为0.03~0.2L/h,而传统湿式切削的用量为20~100L/min),不仅可以降低切削液使用成本,而且通过使用无毒、可降解的植物型润滑剂,能够减少切削液对环境和人体的危害:另一方面,由于MQL引入了冷却润滑介质,使切削过程的冷却润滑条件改善,刀具、工件和切屑之间的摩擦磨损减小,有助于降低切削力、切削温度和刀具磨损。近年来,微量润滑MQL技术得到了广泛的应用、研究和发展,目前常用的相关技术有传统的微量润滑(MQL)、低温冷风微量润滑(低温冷风＋MQL)、油膜附水滴复合喷雾(OoW)、低温冷风油膜附水滴(低温冷风＋OoW)等。

传统MQL装置是由液位控制器、容器、控制系统和连接方式四部分组成的,详细构造又分为腔壁、上盖、导液软管、大螺纹连接柱、吸液装置、套管、小螺纹连接柱、三通管、流量调节阀、传输管和喷嘴。工作时,压缩气体由三通管的压缩气体入口进入,流经吸液装置中的"收缩一扩张"孔,由于孔截面变小,气体压强随之降低,而腔室中压强与压缩气体入口处相同,这就使得腔室内气体与直通孔处气体产生压强差,从而使腔室中的润滑剂流入到吸液装置中。此时,通过改变流量调节旋钮的高度就可以改变导液软管中润滑剂的流量,同时,吸液装置中的润滑剂在压缩气体的推动下,流入传输管,并沿着管壁流动到喷嘴处,在喷嘴的收缩作用下雾化并伴随着压缩气体高速喷出。

本文应用设备为传统MQL装置,如图1所示。

3加工实验与分析

笔者使用内圆切割机配合不同的冷却润滑方式进行了碘化绝晶体的切割加工实验,对比了采用微量润滑技术与传统浇注润滑技术加工的碘化绝晶体样品的外观和表面粗糙度。其中,微量润滑技术实验了三个方案,对应不同的主轴转速和进给速度。

3.1加工参数设置

加工尺寸24mmx27mm×4mm,加工参数如表1所示。

3.2加工样品图片和表面光洁度Ra值

加工样品图片和表面光洁度Ra值如表2所示。

3.3对比结果

对比发现,随着加工参数的变化,晶体表面光洁度也在变化。相同的条件下MQL比传统润滑加工表面Ra值低0.2μm左右:随着转速以及切割速度的调整,表面加工质量逐渐提升,在2300r/min的转速下,切割速度降到5mm/min时,MQL切割表面Ra值可达到0.21μm,不仅验证了MQL加工时的可行性,而且可满足更高的制作需求。

3.4制造成本分析

可以减少企业切削油的在线积压,每台设备可减少现阶段用量的60%,从而能够有效降低生产成本。

3.5环保、安全方面

废油的回收会大幅度减少,符合国家提倡的节能、降耗、减排的要求。

3.6存在问题

(1)随着加工晶体尺寸的加大(超过40mmx40mm),我们发现,无论是调整机床的参数还是MQL的参数,都存在加工质量波动,且容易发生物料掉落,故加工尺寸受限。

(2)切割过程中刀盘处物料易集聚,容易造成机床抖动,需及时清理。

4结语

本文进行了微量润滑技术应用于碘化绝晶体的可行性研究,实验结果表明,采用微量润滑技术进行碘化绝晶体的内圆锯切可以获得比传统浇注润滑更理想的表面质量。同时,摸索了微量润滑下晶体表面质量与主轴转速、进给速度等参数的关系。实验结论是微量润滑技术可以应用于碘化绝晶体的内圆锯切加工。

虽然人工晶体材料种类繁多,特性也各不相同,但是内圆切割仍然是一种主流的晶体加工方式。近些年来,各类晶体的应用领域对晶体加工质量提出的要求越来越高,而且中国政府和民众对环保问题也越来越重视,在这样的背景下,微量润滑技术应用于人工晶体加工,应该能够很好地解决或改善传统润滑技术存在的问题。总而言之,微量润滑技术符合当前制造业的发展趋势,但仍有一些具体细节问题需要在应用场景中进行进一步的研究和探讨。