摘要
本文从工业和学术的角度总结了汽车动力系统加工中微量润滑(MQL)技术的进展和挑战。MQL是指以雾的形式将少量的切割液应用到切割区，而不是淹没工件。消除冷却剂系统，大大节省了能源和设备，搬迁机器的灵活性，减少了废物流和地板空间，以及更清洁和更健康的工作环境。福特汽车公司已经展示了这些优势，目前在许多全球变速器和发动机工厂拥有超过400个MQL数控加工中心，运行MQL业务，并计划在全球为新项目进一步实施。实现100%实现的技术挑战包括工具设计、交付系统、芯片管理和热相关问题，特别是在高能密度过程和难以加工的金属中，如深孔钻孔和压实石墨铁(CGI)。本文综述了MQL加工的现状和局限性，并突出了汽车动力系统加工中下一代MQL技术的研发机遇。
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介绍
最小量润滑(MQL)，如其顾名思义，在机械加工过程中使用最小量的金属工作流体(MWF)来实现润滑。这项技术在过去的十年中已经彻底改变了汽车动力系统的生产。随着汽车、机床、工具和流体输送系统制造商之间的密切合作，MQL已经在多个全球工厂展示了更好的质量、更高的生产力、环境影响最小、更低的运行健康问题、减少水和温室气体排放和减少能源消耗，从而导致更低的整体成本。德国政府发布的一份名为“明天生产研究”的项目的官方报告，博世和戴姆勒等几家大公司都表示，MQL的能力和节省成本的[1]。在北美，福特汽车公司动力总成制造公司于2005年5月推出了第一个MQL大规模生产计划。从那时起，阀体、变矩器外壳和变速箱箱已经在两个北美传动工厂用这种绿色工厂的方法进行加工。由于这项技术的成功和上述好处，MQL是福特标准的工艺清单(BOP)加工方法，用于铝传动棱柱部件、灰色铁和铝发动机块、铝发动机头、曲轴油和交叉孔。防喷器包括解释特定产品的制造流程的详细计划，包括工艺顺序和资本设备。对于全球任何新的福特动力系统加工设施，机械，设备布局，配置、工具和说明都是基于MQL操作构建的。
可持续发展是MQL[2]提供的主要优势之一。加工工艺的可持续性受到其相关MWF技术的严重影响。全球研究始于20世纪90年代初，旨在研究降低与传统洪水冷却剂方法相关的成本和环境影响的技术。传统的机械加工过程使用洪水冷却来润滑刀具，去除碎屑，并减少工件、夹具和机器的热膨胀。洪水MWF是一种水和“油”的乳液——典型的合成配方。流量通常为约20L/min，以高达约70巴（或1000psi）的压力输送到切割区。洪水MWF系统需要重要的工厂基础设施来交付、复垦、过滤、冷却和废水处理。此外，该系统需要不断的监测和处理，以控制液体浓度，并避免真菌和细菌的生长。在全球范围内，制造商目前每年消耗超过20亿升的水基和直油mwf，这创造了对不可再生原料[3]的巨大需求。在福特的几家动力系统工厂进行的一项研究发现，每年冷却剂的使用量超过500万加仑，花费数百万美元[4]。为了解决这些问题，人们对进行干或接近干的机加工操作的兴趣稳步增加；因此开发了MQL技术。
MQL加工采用雾的形式的MWF（与压缩空气），并通过主轴输送到工具工件界面，以最大限度的润滑和冷却。与传统的湿式工艺相比，MQL只需要10-100毫升/小时，这取决于特定的切割操作。铣削、车削和钻孔的基础研究证实，MQL在铣削、铝、铸铁等中范围切削过程中，甚至更好。[5-6]。然而，由于热引起的问题，对于高速、高能切割，在技术上仍然具有挑战性，特别是硬金刚金属，如压实石墨铁(CGI)、钛合金和镍基合金。为了使MQL100%实现，汽车行业已经开始更积极地参与MQL的研究，并与学术机构合作，以开发下一代生产过程。
工业经验表明，MQL在电力消耗、环境（排放、废物）、切屑回收价值、安全和灵活性方面的优势，以及热问题（扩展、磨损、点火）、工具开发（通过主轴/工具）和切屑去除等主要挑战。这些信息在工业界是众所周知，但很少分布到学术界和普通人群。因此，本文旨在基于工业经验(Ford)和公共领域的学术研究，总结关于MQL的现状和未来发展方向的知识。在本文第二部分，首先介绍了福特实施MQL的历史背景，以反映汽车行业的快速变化。然后是对几个领域的优势的定量测量。第3节介绍了生产级MQL系统和进步，因为它是MQL实现的一个重要因素。最后，挑战和导出的研究机会。第四节是最后的结论。
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MQL在汽车工业中的实施
福特于20世纪90年代，开始研究铝材料的传统洪水冷却剂加工技术的替代品。在美国，福特参与了一个合作项目，寻求完全消除冷却剂，目的是实现铝的完全干燥加工。（注：许多黑色部件的加工操作都干燥且保持干燥。）在同一时期，欧洲正在进行一个合作项目，探索MQL技术。完全干加工在制孔操作（钻孔、再孔和敲击）方面并不成功，但MQL在这类切割操作中是成功的。然后，开发工作集中于“工业化”MQL技术，并解决大容量生产所需的众多工艺要素(例如，切屑管理、机器和部件的热管理策略、MQL流体输送的优化工具设计、MQL交付系统设计优化和可靠性改进，以及粉尘/雾管理)。这一发展是通过21世纪初广泛的实验室试验和一系列小规模生产试点来推动的。
MQL被广泛应用的第一个汽车加工操作是在21世纪初的曲轴油和横孔钻孔。大多数其他曲轴粗加工操作是干燥的。在此应用中，MQL钻井可以以显著更高的渗透率进行，减少了周期时间和机器投资。MQL的实现相对简单，因为该操作通常是在专用设备上执行的，而无需更改过程中的工具。
福特从2005年开始将MQL应用于铝传动部件，到2008年，在北美的两家工厂有超过200个MQL加工中心，加工铝传动外壳、变矩器外壳和阀体。MQL加工是福特目前对这些部件的标准加工方法，并正在全球新的大体积加工生产线中实施。2011年，福特开始在欧洲的两家工厂加工铝发动机头和铸铁发动机块；与变速器一样，MQL现在是加工铸铁发动机块和铝发动机块和头的主要标准方法，尽管湿式加工仍用于一些专门的操作。巴西和中国正在安装新的发动机MQL模块。
在全球汽车动力系统加工中，MQL横孔钻孔是大多数大容量曲轴应用的标准。铝发动机块和头以及铝传动箱的MQL加工在德国比在北美更广泛。MQL在日本也被广泛使用，但具体安装的细节往往无法获得。福特未来的战略是将MQL加工扩展到其他业务，它们提供了显著的好处。目前正在研究的扩展领域包括CGI发动机砌块加工、热喷涂发动机孔加工和铝深孔钻孔。
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益处
MQL的主要好处包括成本、能源消耗、环境和切屑回收，这些都将单独总结如下。
a. 成本
MWF相关成本包括设备、处理、处置和安全，是机械加工部件整体成本的重要驱动因素。在动力系统运营中，与MWF相关的成本在总制造成本的10-17%之间。一个对变速箱外壳的案例研究表明，冷却剂相关的成本高达每单位2美元（不考虑折旧）。通过比较两个相同的传输模块进行10年周期分析，包括停机成本、维护、运行成本和地板空间，研究显示在一个专用的MQL机床上节省了15%以上，如图1所示。
图1 针对特定传动部件湿法与MQL加工的生命周期分析
传统的MWF系统由过滤设备、冷水机、管道和泵组成；因此，节省成本的主要原因是消除水基MWF。MQL设备的资本投资和年度运营成本可以通过较低的MWF、用水量、减少过滤介质和处理、减少压缩空气使用和减少废水处理来抵消。其他节省包括减少空气排放，处理潮湿、受污染的芯片，以及所有电力消耗。
b. 能源
湿式数控机床中最大的能耗是切割工艺（~25%）、MWF系统（30-40%）和压缩空气（15-20%）。MWF相关的能耗在所有的加工过程中都是重要的。图2显示了湿过程和MQL之间的理想能量图。在传统的湿式加工中，能耗大多是固定的，只能通过提高切割效率和减少循环时间来降低。然而，对于MQL，与MWF相关的能量不再存在，这将自动节省能源。随着主轴和工具设计的进步，MQL加工在许多应用中可以获得比湿法更高的吞吐量，特别是在铝加工中。例如，一项比较使用枪钻和透刀扭钻钻曲轴（球墨铸铁）油孔的研究表明，在更高的穿透率下，MQL可以产生相当于枪钻的工具寿命。结果表明，虽然切割时的加工功率和空气输出可以增加，但整体能量随着循环时间的增加而减小，如图2(b)所示。然而，与湿式加工相比，MQL需要增加压缩空气的使用，这可能会降低通过循环时间和MWF泵送改进所获得的能源效益。
图2 (a)湿和(b)MQL相同工艺的能量消耗(来源：Horkoscorp)的说明。
c. 环境与安全
用MQL加工通常被认为是一个低排放的过程，因为与湿加工相比，吸入空气或皮肤上的MWF暴露减少。一个潜在的问题是由于高温MQL加工的分解和热解产物。一项研究，由德国政府，测量排放在MQL将钢左轮手枪螺母和潮湿条件下证实，浓度超过95%的地区不到一半的洪水MWF基线值和远低于可吸入分数的阈值(10mg/m3空气)，如图3(a)所示。对于MQL本身，一个单独的工作台式测试发现，薄的低粘度润滑剂(<20mm2/s)产生高发射值，如图3(b)所示。排放水平也与进入系统的流体量成正比，因此优化一定加工工艺的流量可以进一步提高空气质量。
图3 加工过程中气溶胶排放的比较(a)湿和(b)MQL及不同MQL粘度
对于职业安全的空气过滤要求，MQL产生细气溶胶雾，通常小于5μm或亚μm，根据通用汽车的一项研究，与粒径为5-10μm的湿式加工相比。小液滴在空气中停留的时间更长，更容易被吸入人体，也更难用雾收集器去除。因此，需要一个高效的颗粒吸收(HEPA)过滤器来捕获蒸汽和烟雾。此外，这种整洁的油系统将需要火花停止和灭火。注意，在MQL下，液滴尺寸并不恒定；它根据加工设置、流体流量和流体粘度[10,11]而变化。
在福特，一项关于三种材料（钢、铸铁和铸铝）的研究，由于集中热，这被认为是MQL应用中最糟糕的情况。从加工区、过滤排气区和工厂空气中收集空气样本进行检查。工厂空气中的总空气颗粒浓度至少比福特最低职业暴露限值(OEL) (1 mg/m3)和美国职业安全与健康管理局（OSHA)许可暴露限值（5mg/m3）低一个数量级。对于工厂空气中存在潜在危害的化合物，检测到的挥发性有机化合物（挥发性有机物）的浓度比它们各自的oel值低50倍。检测到的多环芳香烃(PAH)的浓度一般比OELs低几个数量级。总的来说，生产空气过滤能够去除98-99%的颗粒和碳氢化合物排放，这为MQL工厂提供了一个合适的工作环境。
d. 切屑回收
金属切屑加工是制造中收集和处理回收金属废物（如切屑）的常见做法。切屑重新融化的收入通常是工厂运营预算的一个重要组成部分。在湿式加工中，切屑通常必须在运输到再熔机之前进行干燥，以避免污染道路。切屑干燥很昂贵，因为它需要能源和地板空间。
在MQL加工过程中，生产的金属切屑几乎干燥，几乎干净。这些几乎干燥的芯片不需要干燥，因此会给工厂带来更多的净收入。
e. MQL系统和工具的设计
已经为MQL应用程序开发了各种硬件系统。根据输送到切割现场的设置，润滑油可以使用外部喷嘴或通过主轴内部通道。外部供应易于使用、实现，不需要特殊的工具；然而，由于工具隐藏在工件内部或后面，它不足以进行深度加工。此外，它需要手动调整，以适应不同的工具，以确保油覆盖在前沿。在大容量制造中，雾通常通过主轴和刀具在内部输送。这种方式就提供了最大限度的润滑。系统的主要关注点是油和空气雾化效果会影响通过主轴的输送，气溶胶的长距离输送，加上输送途径会受到惯性力和离心力的影响，雾的质量是不易稳定的，特别是刀具内孔较小时。研究还表明，由于更好的润滑和散热，在加工工艺中首选更细和稳定的雾。外喷系统适用于龙门机床、锯切加工等。因为这些过程不需要对已加工的尺寸和可加工性进行精确的控制。
福特目前正在使用这种类型的内部通道系统来加工铝棱柱形部件，如传动箱和阀体。确保输送的雾更细、更均匀，特别是对于离心力变得显著的高主轴速度。此外，系统在切割之间改变工具或在切割期间改变流量时，延迟时间必须足够短，这有利于运行多种工具的加工中心。
工具设计是MQL进步的另一个因素，因为油雾必须达到所有的切割边缘，特别是在多步骤的工具中。通过主轴应用是常见的钻、铰和铣削。当应用于MQL时，钻机的冷却液孔的现有端口需要重新设计，以帮助将雾输送到整个切削面，以建立和防止热损伤。确保对所有边缘的适当润滑比对湿式工具要困难得多，而且通常需要试错试验，以确定所需的流体通道尺寸和角关系。对于模块化刀具，在加工MWF通道时需要进行具体的设计，以确保雾的质量。这些孔通常由EDM加工，并根据直径进行优化、分支，和出口位置的最大雾输出。一般规则汇总见表1。实际上，由于先进的工具开发技术和经验，供应没有困难。
表1关于MQL的跨工具通道设计的规则(资料来源：Komet)
为了确认适当的雾的产生，喷雾图案试验是工业上一种简单和常见的方法来检查该工具。样品工具放置在机器的主轴(MQL)中，当工具旋转时，绿色或蓝色表面位于工具前面、下方或周围约1.3mm。如果喷雾图案与切割边缘的位置紧密对齐，那么该工具很有可能能够正常工作。
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挑战和新技术
MQL的瓶颈分为四个领域：深孔钻孔、能源密集型工艺（如研磨）、难加工金属（如钛、镍基合金、热喷涂涂层）以及特殊操作，如研磨和小孔钻孔。虽然据报道MQL提供了优越的润滑，但它通常不具有与湿式加工相当的冷却和切屑清除能力。如果没有大量的MWF，积累的热量会磨损工具和热扭曲零件。如果没有MWF冲洗切割区，切屑可以很容易地积聚并堵塞在狭窄的操作区域。因此，这些问题可能成为限制上述领域中MQL应用程序的主要障碍。
深孔钻孔(DHD)通常是指孔径比大于10的孔。常见的操作包括发动机块和曲轴上的油孔。铝DHD目前普遍是可行的，但仍需要进一步的研究来优化设置和减少尖端积累的问题。高强度铸铁中的DHD在技术上具有挑战性。我们的研究证实，由于切屑和摩擦，不仅在尖端产生大量的热量，而且在钻侧产生大量的热量。在低主轴转速下，由于缺乏动量，切屑会堵塞孔内，从而产生巨大的扭矩和热量，导致工具断裂或孔变形。一种常见的工业解决方案是对MQL系统应用一个空气助推器，它将系统输入的空气从5巴调节到10巴。10mm x 200mm深铸铁钻孔的温度和扭矩数据显示，在发生切屑堵塞时，空气增压器有显著改善，如图5所示。尽管有其优点，但高压也带来了三个问题：MQL系统必须被设计成在更高的空气压力下运行，压缩气体所需的额外能量，以及噪音随着空气使用的增加而增加。所有这些都可能增加制造成本，从而违背了使用MQL的意图。
图5 铸铁深孔钻孔：(a)工件内部测量的温度（距孔缘1.5mm）和(b)扭矩。试验A和试验B分别在使用空气助推器和不使用空气助推器时进行。
对于高能强度过程或难以加工的金属加工，抑制热是实现MQL的关键因素。基于类似的冷却剂还原概念，近年来，有两种类MQL技术可用：超临界co2基油(scco2)和液氮(LN)技术(a.k.a.低温加工）。
scco2是一种工业溶剂，传统上用于干洗溶油。这一特性已被演变成加工过程中的一种技术，可以实现更好的油渗透。简单地说，将液体二氧化碳泵入超临界相(31°C，>7.6MPa(1100psi))，并将润滑剂加入反应室，溶解在scCO2中。当scco2-油混合物输送到工具尖端时，气体的膨胀除了润滑外，由于焦耳汤姆逊效应也会产生冷却。福特公司已经进行了评估scco2的研究，并得出了该技术的一些有希望的结果。例如，在CGI上的钻孔磨损试验中，与常规的MQL系统相比，侧翼磨损可以减少到一半或更少。在Inconel的转动实验中，即使在高25-45%的材料去除率下，与湿法过程相比，工具磨损也更低或相同。其他一些测试（未发表）也表明，当多晶金刚石(PCD)插入物用于切割黑色金属材料时，scco2可以减少扩散磨损。然而，该技术关注的是改造主轴的成本、压缩二氧化碳的额外能耗以及系统的可靠性。
相比之下，低温加工技术已经发展到更成熟的状态。配备LN供应的生产数控机床在市场上由MAG-IAS提供，命名为最低量冷却(MQC)技术。在-196°C处的LN通过主轴直接输送到刀具尖端和切割区。之前的低温应用在切割区域喷洒LN作为超级冷却剂，而MAG的MQC强调制冷剂应用，这使切割刀具能够作为散热器去除热量。MAG发布的测试数据表明，加工钛合金的工具寿命比传统的湿法工艺更长。
氮技术关注的问题是氮不能很好地溶解和携带油，因此氮本质上只是冷却及有限的润滑，虽然可以将额外的油管添加到LN（液氮）系统中，以解决这一限制。
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结论
MQL已经彻底改变了传统的湿式汽车动力系统加工，因为它显著地节省了制造成本。本文总结了近几十年基于工业和学术经验的MQL技术的发展历史、优势、技术挑战和进展。据了解，大部分节省来自消除洪水冷却和相关设备和建筑空间。显著减少废水和热降解排放使其成为一个可持续和环境的过程。汽车工业正在积极参与MQL的开发和实施；航空航天制造商也开始研究并在一些业务中实施MQL。
随着对各种应用程序需求的增加，技术挑战在MQL全面实现过程中不可避免。如章节所述，MQL加工过程中的两个主要挑战是有限的冷却和切屑疏散能力，这导致了难以处理难以加工的材料和工艺，如深孔钻孔和研磨的应用。下一代MQL应旨在解决这两个问题，同时最小化流体输送系统本身的额外能源和设备成本。最终目标是创造一个清洁、可持续和高效的生产环境。
