低溫冷風加微量潤滑在插齒加工中的應用

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序言在對齒輪的插削加工中，由于受插齒刀在插削時對金屬材料造成的塑性變形和強烈的摩擦力影響，刀具刃口與金屬材料在瞬間會產(chǎn)生溫度很高且危害性極大的切削熱。如果不能及時地將切削熱快速地疏導出去，工件的被加工面和刀具的刃口將會隨著切削區(qū)溫度的急劇升高而膨脹變形，刀齒的刃口強度和硬度也會隨之出現(xiàn)快速下降，直至產(chǎn)生積屑瘤和拉傷。這將直接導致被加工件的表面粗糙度值快速升高、加工精度大幅降低及加工尺寸的穩(wěn)定性變差等情況。因此必須對切削區(qū)進行強制冷卻，將這一危害性極大的切削熱快速疏導出去。在生產(chǎn)加工中，常規(guī)采用的澆注式油質(zhì)或化學冷卻潤滑切削液就是通過液體與固體間的熱傳導方式，來快速降低零件在加工過程中所產(chǎn)生的切削熱。2

使用切削液加工的優(yōu)缺點2.1優(yōu)點插齒機在使用油質(zhì)潤滑切削液時的加工情況如圖1所示，這種方式延長了刀具的使用壽命，提高了零件的加工精度和生產(chǎn)效率，其優(yōu)點是顯而易見的。

圖1使用油質(zhì)潤滑切削液時的加工情況

2.2缺點

使用油質(zhì)潤滑切削液進行插齒加工時也存在著諸多的缺點，主要有以下幾方面。

1）常規(guī)的澆注式油質(zhì)冷卻潤滑切削液在切削過程中是以單一的澆注方式進行液體滲透的，而插齒機在加工時，為提高生產(chǎn)效率，達到加工節(jié)拍的要求，往往采用高沖程、大圓周進給速度和小徑向進給速度相配合的快速加工方法。在展成切削過程中，有相當一部分油質(zhì)冷卻潤滑切削液會被插齒刀的刀盤和刀齒的背面遮擋，或者被刀軸的高速沖程運動帶出加工區(qū)，造成插齒刀與工件在無間隙嚙合插削時（見圖2），切削液的實際滲透能力和滲透效率都受到極大的限制，其潤滑和降溫的熱傳導效果也會因此而受到影響。

圖2插齒刀與工件無間隙嚙合插削

2）油質(zhì)或化學冷卻潤滑切削液在使用中以循環(huán)澆注的方式，通過液體對固體間的熱交換來達到對切削區(qū)進行潤滑和降溫冷卻的目的。隨著加工時間的延長，造成被熱交換后的切削液產(chǎn)生熱量留存，常溫下難以被氣化和散發(fā)，降溫效果也大幅下降并形成新的熱源體。這一熱源體同樣會引起刀具、工件及床身等機床部件的局部熱變形，進而導致零件的加工尺寸和加工精度偏離公差帶要求。

3）為了提高油質(zhì)或化學冷卻潤滑切削液的性能，往往在切削液中添加含有硫、磷及氯等化學元素的極壓添加劑，這些物質(zhì)在使用過程中產(chǎn)生的霧氣不僅會危害操作人員的身體健康，也會對空氣、土壤和地下水帶來嚴重的持續(xù)性破壞，而且更換下來的切削液都必須按危廢品的環(huán)保條例收集起來，交由專業(yè)的環(huán)?；厥諜C構(gòu)進行危廢品的付費處理。這就造成切削液在采購、儲存、使用、回收和安全監(jiān)管等方面成本的大幅增加。有研究表明，在零件制造的總加工成本中，切削液的綜合使用成本占比已達到了7%～17%。3

低溫冷風加微量潤滑技術(shù)在提倡綠色環(huán)保、清潔制造的今天，盡快找到油質(zhì)或化學冷卻潤滑切削液的替代品，減少對化石能源和有危害性化學品的消耗已成為各企業(yè)的當務之急。本著這一環(huán)保理念，我們?yōu)槟硣馄放撇妪X機進行了一次成功的綠色再制造服務。通過對機床刀軸靜壓導軌副螺旋角的重新設(shè)計和其他機構(gòu)的再制造，使一臺閑置多年的插齒機重獲新生。在改造過程中，不使用油質(zhì)冷卻潤滑切削液，改用常溫壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)，對材料硬度為150～190HBW的小模數(shù)短齒齒輪軸進行加工試驗。為滿足單件加工節(jié)拍120s的要求，通過分析、計算，嘗試了在不同加工參數(shù)下的干切試驗。

3.1試驗過程

通過試驗不同的加工參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在采用單一壓縮空氣進行干切時，插齒刀在加工過程中會出現(xiàn)比較明顯的快速磨損，零件加工后的表面粗糙度、尺寸精度及穩(wěn)定性都難以達到技術(shù)要求。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這是因為在加工過程中受加工節(jié)拍的制約，在高沖程、大圓周及小進給的插削工藝下，插齒刀刃口與金屬材料會因瞬間的摩擦力而產(chǎn)生出溫度很高且危害性極大的切削熱，僅使用常溫壓縮空氣無法及時將切削熱快速地疏導出去，降溫效果有限，導致工件和刀具均受熱膨脹變形，刀齒刃口的強度、硬度隨之出現(xiàn)快速下降，且刃口變鈍，直至在刀齒刃口和工件齒面上產(chǎn)生積屑瘤及拉傷，從而給評定齒輪加工的主要精度指標（單個齒距誤差fp、齒距總分度誤差Fp、節(jié)圓跳動誤差Fr、齒線角度誤差fHβ、螺旋角累計誤差Fβ及形狀誤差ffβ的檢測帶來極大的影響，實際測量值大大超出DIN7級精度的允差值[1，2]，同時對加工尺寸的穩(wěn)定性也帶來極大的影響，往往需要不斷地進行尺寸補償、修正，才能滿足批量零件加工的公差要求，更無法達到設(shè)備潛在能力指數(shù)CM值和設(shè)備關(guān)鍵能力指數(shù)CMK值≥1.67的技術(shù)要求。通過對干切、準干切相關(guān)資料的查詢和分析研究，引入了具有渦旋管效應的低溫冷風（CryogenicColdAir）技術(shù)和微量潤滑技術(shù)（MinimumQuantityLubrication），組合成了低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)CMQL（CryogenicMinimumQuantityLubrication），低溫冷風加微量使用潤滑切削液的準干切技術(shù)試驗取得了圓滿成功。

在氣體動力學中有一種非常奇特的現(xiàn)象叫蘭克效應（蘭克-赫利胥Ranque-Hilsch）或稱作渦旋效應，而渦旋管就是這一理論的具體體現(xiàn)。渦旋管是一種結(jié)構(gòu)非常簡單、穩(wěn)定可靠且使用成本低廉的能量分離裝置，由壓縮空氣進口、分離孔板、渦旋管、熱端管、調(diào)節(jié)閥、熱氣噴嘴、冷端管及冷氣噴嘴組成[3]，如圖3所示。

圖3渦旋管結(jié)構(gòu)1—冷端管2—冷氣噴嘴3—分離孔板4—壓縮空氣進氣口

5—熱氣噴嘴6—調(diào)節(jié)閥7—熱端管8—渦旋管

工作時壓縮空氣在進氣口內(nèi)膨脹，然后以很高的速度沿切向進入渦旋管，在渦旋管內(nèi)壁高速旋轉(zhuǎn)形成渦旋后，被分離孔板分成了溫度不相等的低能量氣體分子和高能量氣體分子。低能量的氣體分子在內(nèi)側(cè)，高能量氣體分子在外側(cè)，即處于渦旋管中心部位的是低溫氣流，而處于外側(cè)的則是高溫氣流。分別引出后，一端產(chǎn)生冷空氣，最低溫度可達到－45℃，另一端產(chǎn)生熱空氣，最高溫度可達到120℃。渦旋管在工作時，無需使用額外的電能供熱，也無需使用制冷劑制冷，僅需接入生產(chǎn)線上常用的0.4～0.6MPa的常溫壓縮空氣，再調(diào)節(jié)熱端的調(diào)節(jié)閥就可控制冷、熱氣流的比例和所需的溫度，即可獲得最佳的制冷或制熱效果。而這次試驗就是采用渦旋管效應中的低溫冷風技術(shù)進行的應用測試[4]。

渦旋管在插齒機上試驗的對比如圖4所示，圖４右側(cè)垂直裝有兩套低溫冷風渦旋管，下面的一套在未通壓縮空氣時顯現(xiàn)的是正常的套件外觀色彩，上面一套則是在通氣狀態(tài)下的情況。目視可見，在接通壓縮空氣后，當調(diào)整到－15℃的低溫冷風狀態(tài)時，2min后低溫冷風渦旋管主體、竹節(jié)式噴管和黃銅噴嘴都出現(xiàn)了明顯的低溫霜凍現(xiàn)象。高速流動的恒定低溫冷風，對切削加工區(qū)的降溫效果非常明顯，極大地提高了切削區(qū)的換熱效率。在此，選用了前期已試用過的加工參數(shù)（見表1）作為此次低溫冷風試切的基準參數(shù)。

圖4低溫冷風渦旋管在插齒機上試驗

表1試切加工參數(shù)注：str為英語單詞stroke的縮寫，在工程機械上譯為“沖程”。通過對前期加工參數(shù)的反復篩選、重組、優(yōu)化和試切，在120s的加工節(jié)拍下，順利達到了客戶提出的加工精度DIN7級、設(shè)備潛在能力指數(shù)CM值和設(shè)備關(guān)鍵能力指數(shù)CMK值≥1.67的技術(shù)要求。為進一步延長刀具單次刃磨后的切削壽命，降低損耗，提高工件在大批量加工時精度的穩(wěn)定性，在低溫冷風（CryogenicColdAir）的基礎(chǔ)上，又加入了微量潤滑MQL（MinimumQuantityLubrication）系統(tǒng)，組合成了一個新的CMQL（CryogenicMinimumQuantityLubrication）低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)，并進行了第三次切削試驗。新CMQL是指用0℃以下的0.4～0.6MPa的低溫冷氣作為特制微量潤滑切削液的載體，混合后再通過噴嘴直接噴到刀具切削刃和工件上，促使微量潤滑切削液形成穩(wěn)定的、高可靠性的強力油膜，從而改善切削條件，提高生產(chǎn)效率。低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)流程

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在氣、液兩相射流下，雖然潤滑油液經(jīng)微量潤滑控制系統(tǒng)節(jié)流調(diào)控后，噴出的微量液體粒徑很小，流量也僅有0.03～0.4L/h，但是當動能大、流速快且滲透力強的低溫霧狀氣液進入到切削表面的裂隙后，一部分微量潤滑液體遇到溫度較高的金屬時，在吸收到切削熱后會被快速地氣化，與低溫冷風一起將切削熱帶走。而另一部分則會粘附在刀具的切削刃上，形成強力潤滑油膜來減小刀具在切削時產(chǎn)生的摩擦力。低溫微量潤滑系統(tǒng)的工作效能完全可替代原機床0.9kW油冷卻系統(tǒng)的冷卻潤滑功效。

3.2試驗結(jié)果分析

（1）提質(zhì)增效和實現(xiàn)綠色生產(chǎn)低溫冷風有效地增加了切削區(qū)的動態(tài)換熱面積，提高了散熱效率，使切削區(qū)的溫度顯著降低。工件材料在恒定的低溫冷風狀態(tài)下產(chǎn)生局部冷脆，強化了刀具在切削時的剪切力，使之完成切屑和工件的快速分離，從而使工件加工面的熱變形和殘余應力大幅減小，提高了零件加工精度的穩(wěn)定性。微量潤滑則大幅降低了刀具對工件切削時的摩擦力，改善了切削條件，加快了切削熱在刀具、工件和切屑間的快速傳導，并不斷地形成新鮮的油膜層，有力保護了刀具的切削性能，延長了刀具的使用壽命。因此，采用低溫冷風微量潤滑獲得的冷卻、潤滑效果比使用傳統(tǒng)的油質(zhì)或化學冷卻潤滑切削液要好許多倍。在單件加工時間120s的加工節(jié)拍下，加工的齒輪軸經(jīng)客戶方德國產(chǎn)WENZELWGT400溫澤齒輪測量中心檢測，加工精度穩(wěn)定，達到了DIN7級的精度要求，客戶通過對加工件的測量和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算，得出評價設(shè)備潛在能力指數(shù)的CM值和設(shè)備關(guān)鍵能力指數(shù)的CMK值均≥1.67。這也證明了該設(shè)備經(jīng)再制造后，其能力足夠滿足零件加工的精度要求，達到了在準干切條件下提高零件加工質(zhì)量和延長刀具使用壽命的目的，實現(xiàn)了綠色制造。

低溫冷風微量潤滑方式與原機床設(shè)計使用的澆注式冷卻潤滑切削液加工方式相比，使用成本大幅降低。原來機床加注一次油質(zhì)冷卻潤滑切削液就需170kg，價格為3000余元，每使用6個月后需抽出進行沉淀、初過濾，再通過專用油液過濾機進行高溫去除水分處理，然后用耗材濾紙進行加壓精細過濾，進一步去除雜質(zhì)后方可重復使用。使用兩年后，油質(zhì)冷卻潤滑切削液會因油液的化學和物理性能下降、變質(zhì)及自然損耗需全部更換，同時作為危廢品的廢油需付費交由專業(yè)廠家進行后期的無害化處理。另外，機床自身原配的潤滑泵、清洗泵加起來的總功率為1.8kW，僅此一項一個班次的耗電量14kW·h。加工后的帶冷卻潤滑切削液的零件還需進入清洗線，用專用化學水基清洗液進行除油、除屑，一桶170kg的清洗液價格為1000余元。清洗后的加工件再轉(zhuǎn)入數(shù)千瓦的大功率高溫暖風烘干線，進行快速烘干和防銹處理。使用后的變質(zhì)化學水基清洗液同樣屬于危廢品，需要付費處理。由此可見，油、電、液及耗材的自然消耗和處理成本是極為可觀的。從CMQL的在線實際應用可看到，其本身不產(chǎn)生廢棄物，而且使用成本低廉；其僅僅是更充分、更高效地利用了生產(chǎn)線上普遍使用的低成本的、可再生的壓縮空氣和集中供氣系統(tǒng)，就使空氣能的使用范圍得到了更大的擴展，使用價值得到了更大的提升。所以CMQL的成功應用在給企業(yè)減少環(huán)保壓力的同時，還大幅降低了零件的加工成本，也體現(xiàn)出一個企業(yè)對社會的責任感和使命感。

（2）降低對環(huán)境和人體的危害在試驗中還發(fā)現(xiàn)，由于從CMQL的噴嘴噴出的潤滑油氣為霧狀，其中大部分噴射到切削加工區(qū)，但也有一小部分會彌散在防護罩內(nèi)的空氣中。雖然該機床原設(shè)計有油霧過濾裝置，但為了避免仍然可能會有小部分油霧逃逸出防護罩，對操作人員和環(huán)境造成傷害，因而選擇了具有良好的霧化冷卻性、潤滑性、防銹性和易清除性且又能迅速自然降解的植物油基作為切削液，這種切削液最大限度地降低了對環(huán)境和人體的危害。

（3）額外增加防銹功能由于在加工中未使用常規(guī)的澆注式冷卻潤滑切削液，在CMQL噴出的低溫微量潤滑油氣