低温冷风加微量润滑在插齿加工中的应用

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序言在对齿轮的插削加工中，由于受插齿刀在插削时对金属材料造成的塑性变形和强烈的摩擦力影响，刀具刃口与金属材料在瞬间会产生温度很高且危害性极大的切削热。如果不能及时地将切削热快速地疏导出去，工件的被加工面和刀具的刃口将会随着切削区温度的急剧升高而膨胀变形，刀齿的刃口强度和硬度也会随之出现快速下降，直至产生积屑瘤和拉伤。这将直接导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稳定性变差等情况。因此必须对切削区进行强制冷却，将这一危害性极大的切削热快速疏导出去。在生产加工中，常规采用的浇注式油质或化学冷却润滑切削液就是通过液体与固体间的热传导方式，来快速降低零件在加工过程中所产生的切削热。2

使用切削液加工的优缺点2.1优点插齿机在使用油质润滑切削液时的加工情况如图1所示，这种方式延长了刀具的使用寿命，提高了零件的加工精度和生产效率，其优点是显而易见的。

图1使用油质润滑切削液时的加工情况

2.2缺点

使用油质润滑切削液进行插齿加工时也存在着诸多的缺点，主要有以下几方面。

1）常规的浇注式油质冷却润滑切削液在切削过程中是以单一的浇注方式进行液体渗透的，而插齿机在加工时，为提高生产效率，达到加工节拍的要求，往往采用高冲程、大圆周进给速度和小径向进给速度相配合的快速加工方法。在展成切削过程中，有相当一部分油质冷却润滑切削液会被插齿刀的刀盘和刀齿的背面遮挡，或者被刀轴的高速冲程运动带出加工区，造成插齿刀与工件在无间隙啮合插削时（见图2），切削液的实际渗透能力和渗透效率都受到极大的限制，其润滑和降温的热传导效果也会因此而受到影响。

图2插齿刀与工件无间隙啮合插削

2）油质或化学冷却润滑切削液在使用中以循环浇注的方式，通过液体对固体间的热交换来达到对切削区进行润滑和降温冷却的目的。随着加工时间的延长，造成被热交换后的切削液产生热量留存，常温下难以被气化和散发，降温效果也大幅下降并形成新的热源体。这一热源体同样会引起刀具、工件及床身等机床部件的局部热变形，进而导致零件的加工尺寸和加工精度偏离公差带要求。

3）为了提高油质或化学冷却润滑切削液的性能，往往在切削液中添加含有硫、磷及氯等化学元素的极压添加剂，这些物质在使用过程中产生的雾气不仅会危害操作人员的身体健康，也会对空气、土壤和地下水带来严重的持续性破坏，而且更换下来的切削液都必须按危废品的环保条例收集起来，交由专业的环保回收机构进行危废品的付费处理。这就造成切削液在采购、储存、使用、回收和安全监管等方面成本的大幅增加。有研究表明，在零件制造的总加工成本中，切削液的综合使用成本占比已达到了7%～17%。3

低温冷风加微量润滑技术在提倡绿色环保、清洁制造的今天，尽快找到油质或化学冷却润滑切削液的替代品，减少对化石能源和有危害性化学品的消耗已成为各企业的当务之急。本着这一环保理念，我们为某国外品牌插齿机进行了一次成功的绿色再制造服务。通过对机床刀轴静压导轨副螺旋角的重新设计和其他机构的再制造，使一台闲置多年的插齿机重获新生。在改造过程中，不使用油质冷却润滑切削液，改用常温压缩空气作为冷却介质，对材料硬度为150～190HBW的小模数短齿齿轮轴进行加工试验。为满足单件加工节拍120s的要求，通过分析、计算，尝试了在不同加工参数下的干切试验。

3.1试验过程

通过试验不同的加工参数，发现在采用单一压缩空气进行干切时，插齿刀在加工过程中会出现比较明显的快速磨损，零件加工后的表面粗糙度、尺寸精度及稳定性都难以达到技术要求。经分析发现，这是因为在加工过程中受加工节拍的制约，在高冲程、大圆周及小进给的插削工艺下，插齿刀刃口与金属材料会因瞬间的摩擦力而产生出温度很高且危害性极大的切削热，仅使用常温压缩空气无法及时将切削热快速地疏导出去，降温效果有限，导致工件和刀具均受热膨胀变形，刀齿刃口的强度、硬度随之出现快速下降，且刃口变钝，直至在刀齿刃口和工件齿面上产生积屑瘤及拉伤，从而给评定齿轮加工的主要精度指标（单个齿距误差fp、齿距总分度误差Fp、节圆跳动误差Fr、齿线角度误差fHβ、螺旋角累计误差Fβ及形状误差ffβ的检测带来极大的影响，实际测量值大大超出DIN7级精度的允差值[1，2]，同时对加工尺寸的稳定性也带来极大的影响，往往需要不断地进行尺寸补偿、修正，才能满足批量零件加工的公差要求，更无法达到设备潜在能力指数CM值和设备关键能力指数CMK值≥1.67的技术要求。通过对干切、准干切相关资料的查询和分析研究，引入了具有涡旋管效应的低温冷风（CryogenicColdAir）技术和微量润滑技术（MinimumQuantityLubrication），组合成了低温冷风微量润滑系统CMQL（CryogenicMinimumQuantityLubrication），低温冷风加微量使用润滑切削液的准干切技术试验取得了圆满成功。

在气体动力学中有一种非常奇特的现象叫兰克效应（兰克-赫利胥Ranque-Hilsch）或称作涡旋效应，而涡旋管就是这一理论的具体体现。涡旋管是一种结构非常简单、稳定可靠且使用成本低廉的能量分离装置，由压缩空气进口、分离孔板、涡旋管、热端管、调节阀、热气喷嘴、冷端管及冷气喷嘴组成[3]，如图3所示。

图3涡旋管结构1—冷端管2—冷气喷嘴3—分离孔板4—压缩空气进气口

5—热气喷嘴6—调节阀7—热端管8—涡旋管

工作时压缩空气在进气口内膨胀，然后以很高的速度沿切向进入涡旋管，在涡旋管内壁高速旋转形成涡旋后，被分离孔板分成了温度不相等的低能量气体分子和高能量气体分子。低能量的气体分子在内侧，高能量气体分子在外侧，即处于涡旋管中心部位的是低温气流，而处于外侧的则是高温气流。分别引出后，一端产生冷空气，最低温度可达到－45℃，另一端产生热空气，最高温度可达到120℃。涡旋管在工作时，无需使用额外的电能供热，也无需使用制冷剂制冷，仅需接入生产线上常用的0.4～0.6MPa的常温压缩空气，再调节热端的调节阀就可控制冷、热气流的比例和所需的温度，即可获得最佳的制冷或制热效果。而这次试验就是采用涡旋管效应中的低温冷风技术进行的应用测试[4]。

涡旋管在插齿机上试验的对比如图4所示，图４右侧垂直装有两套低温冷风涡旋管，下面的一套在未通压缩空气时显现的是正常的套件外观色彩，上面一套则是在通气状态下的情况。目视可见，在接通压缩空气后，当调整到－15℃的低温冷风状态时，2min后低温冷风涡旋管主体、竹节式喷管和黄铜喷嘴都出现了明显的低温霜冻现象。高速流动的恒定低温冷风，对切削加工区的降温效果非常明显，极大地提高了切削区的换热效率。在此，选用了前期已试用过的加工参数（见表1）作为此次低温冷风试切的基准参数。

图4低温冷风涡旋管在插齿机上试验

表1试切加工参数注：str为英语单词stroke的缩写，在工程机械上译为“冲程”。通过对前期加工参数的反复筛选、重组、优化和试切，在120s的加工节拍下，顺利达到了客户提出的加工精度DIN7级、设备潜在能力指数CM值和设备关键能力指数CMK值≥1.67的技术要求。为进一步延长刀具单次刃磨后的切削寿命，降低损耗，提高工件在大批量加工时精度的稳定性，在低温冷风（CryogenicColdAir）的基础上，又加入了微量润滑MQL（MinimumQuantityLubrication）系统，组合成了一个新的CMQL（CryogenicMinimumQuantityLubrication）低温冷风微量润滑系统，并进行了第三次切削试验。新CMQL是指用0℃以下的0.4～0.6MPa的低温冷气作为特制微量润滑切削液的载体，混合后再通过喷嘴直接喷到刀具切削刃和工件上，促使微量润滑切削液形成稳定的、高可靠性的强力油膜，从而改善切削条件，提高生产效率。低温冷风微量润滑系统流程如图5所示。

图5低温冷风微量润滑系统流程

通过试验发现，在气、液两相射流下，虽然润滑油液经微量润滑控制系统节流调控后，喷出的微量液体粒径很小，流量也仅有0.03～0.4L/h，但是当动能大、流速快且渗透力强的低温雾状气液进入到切削表面的裂隙后，一部分微量润滑液体遇到温度较高的金属时，在吸收到切削热后会被快速地气化，与低温冷风一起将切削热带走。而另一部分则会粘附在刀具的切削刃上，形成强力润滑油膜来减小刀具在切削时产生的摩擦力。低温微量润滑系统的工作效能完全可替代原机床0.9kW油冷却系统的冷却润滑功效。

3.2试验结果分析

（1）提质增效和实现绿色生产低温冷风有效地增加了切削区的动态换热面积，提高了散热效率，使切削区的温度显著降低。工件材料在恒定的低温冷风状态下产生局部冷脆，强化了刀具在切削时的剪切力，使之完成切屑和工件的快速分离，从而使工件加工面的热变形和残余应力大幅减小，提高了零件加工精度的稳定性。微量润滑则大幅降低了刀具对工件切削时的摩擦力，改善了切削条件，加快了切削热在刀具、工件和切屑间的快速传导，并不断地形成新鲜的油膜层，有力保护了刀具的切削性能，延长了刀具的使用寿命。因此，采用低温冷风微量润滑获得的冷却、润滑效果比使用传统的油质或化学冷却润滑切削液要好许多倍。在单件加工时间120s的加工节拍下，加工的齿轮轴经客户方德国产WENZELWGT400温泽齿轮测量中心检测，加工精度稳定，达到了DIN7级的精度要求，客户通过对加工件的测量和数据的统计、计算，得出评价设备潜在能力指数的CM值和设备关键能力指数的CMK值均≥1.67。这也证明了该设备经再制造后，其能力足够满足零件加工的精度要求，达到了在准干切条件下提高零件加工质量和延长刀具使用寿命的目的，实现了绿色制造。

低温冷风微量润滑方式与原机床设计使用的浇注式冷却润滑切削液加工方式相比，使用成本大幅降低。原来机床加注一次油质冷却润滑切削液就需170kg，价格为3000余元，每使用6个月后需抽出进行沉淀、初过滤，再通过专用油液过滤机进行高温去除水分处理，然后用耗材滤纸进行加压精细过滤，进一步去除杂质后方可重复使用。使用两年后，油质冷却润滑切削液会因油液的化学和物理性能下降、变质及自然损耗需全部更换，同时作为危废品的废油需付费交由专业厂家进行后期的无害化处理。另外，机床自身原配的润滑泵、清洗泵加起来的总功率为1.8kW，仅此一项一个班次的耗电量14kW·h。加工后的带冷却润滑切削液的零件还需进入清洗线，用专用化学水基清洗液进行除油、除屑，一桶170kg的清洗液价格为1000余元。清洗后的加工件再转入数千瓦的大功率高温暖风烘干线，进行快速烘干和防锈处理。使用后的变质化学水基清洗液同样属于危废品，需要付费处理。由此可见，油、电、液及耗材的自然消耗和处理成本是极为可观的。从CMQL的在线实际应用可看到，其本身不产生废弃物，而且使用成本低廉；其仅仅是更充分、更高效地利用了生产线上普遍使用的低成本的、可再生的压缩空气和集中供气系统，就使空气能的使用范围得到了更大的扩展，使用价值得到了更大的提升。所以CMQL的成功应用在给企业减少环保压力的同时，还大幅降低了零件的加工成本，也体现出一个企业对社会的责任感和使命感。

（2）降低对环境和人体的危害在试验中还发现，由于从CMQL的喷嘴喷出的润滑油气为雾状，其中大部分喷射到切削加工区，但也有一小部分会弥散在防护罩内的空气中。虽然该机床原设计有油雾过滤装置，但为了避免仍然可能会有小部分油雾逃逸出防护罩，对操作人员和环境造成伤害，因而选择了具有良好的雾化冷却性、润滑性、防锈性和易清除性且又能迅速自然降解的植物油基作为切削液，这种切削液最大限度地降低了对环境和人体的危害。

（3）额外增加防锈功能由于在加工中未使用常规的浇注式冷却润滑切削液，在CMQL喷出的低温微量润滑油气