純水噴霧冷卻技術(shù)在萬噸槳中孔及端面加工中的應(yīng)用

胡增榮

(蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215137)

習(xí)慣上將直徑大于5 m的船用螺旋槳稱為萬噸槳。當(dāng)前萬噸槳基本上都是采用銅合金砂型鑄造成型，鑄造之后經(jīng)過一系列的加工過程而變?yōu)槌善?。其中對中孔和端面的加工，一般采用大型立式車床或?qū)Ｓ苗M孔機進行，本來這兩部分的加工并沒有什么難度，但由于工件龐大，裝夾和校調(diào)都很麻煩，并且在加工的過程中操作人員還要經(jīng)常爬到槳上進行查看、檢測等，切削下來的大量銅屑還要回收利用，所以為避免使用切削液造成的不便，實際加工中采用的是干切削方式。

由于萬噸槳都是采用手工造型澆注出來的，這就必然導(dǎo)致毛坯件的精度和表面狀況都比較差，通常萬噸槳割去冒口后上下端面的余量都在20～50 mm左右，中孔的余量單邊在20 mm以上，并且常常由于偏心，凸臺等因素導(dǎo)致加工余量更大。這樣要想提高加工效率，除了要更快地進行安裝和調(diào)試工作以外，就需要提高切削速度增大切削深度和進給速度。但由于前述原因生產(chǎn)中使用的是干切削方式，這就極大地制約了切削參數(shù)的提高，當(dāng)我們提高切削參數(shù)到一定程度的時候，就會發(fā)現(xiàn)切屑的顏色不再是銅合金的本色，而變紫或深藍，這種情況顯然是切屑溫度過高，刀具的使用壽命將會大幅度下降，頻繁換刀必然降低加工效率，也影響加工表面的質(zhì)量。

1 MQL技術(shù)

為克服干式切削方式所造成的問題，我們試驗采用了純水微量噴霧冷卻的方法，得到了較好的結(jié)果。該方法實際上是MQL技術(shù)的變異應(yīng)用。MQL技術(shù)也就是最小量潤滑技術(shù)，它是將壓縮氣體與極微量潤滑、冷卻液混合汽化后，向加工區(qū)噴射，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑和冷卻。使用MQL技術(shù)液體用量非常少，而且應(yīng)用得當(dāng)時，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的處理，清潔并且干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境，故又稱之為準干式切削。

在萬噸槳的切削加工中，不希望使用含油切削液，并且由于工件材料特殊，刀具壽命的影響因素最主要的是切削溫度，所以著重于采取措施降低切削區(qū)溫度。于是考慮采用MQL技術(shù)原理，并以純水為冷卻介質(zhì)，在端面和中孔的加工中使用純水噴霧冷卻技術(shù)。MQL技術(shù)中切削液供給方式有內(nèi)部供給和外部供給兩種，并且這兩種方式都有較為成熟和完善的工業(yè)化實現(xiàn)方法，市場上都有現(xiàn)成的相關(guān)設(shè)備出售?？紤]到萬噸槳加工的實際使用情況和成本等原因，我們采用了自制的噴霧設(shè)備實現(xiàn)加工過程的噴霧冷卻，并且采用外部供給方式。

2 純水噴霧冷卻的實現(xiàn)

實現(xiàn)純水噴霧冷卻就是設(shè)法把把微量純水混入壓縮空氣中，形成霧狀的氣液兩相流體，然后噴射到切削區(qū)，使工件和刀具得到充分冷卻和潤滑，霧化器是其中關(guān)鍵設(shè)備。對實現(xiàn)這一功能的霧化器及霧化系統(tǒng)在有很多文獻中都有詳盡方案。這些霧化方案經(jīng)過試驗證明都可以把冷卻液充分霧化，并且各方案均考慮到了流量調(diào)節(jié)，能使噴出的霧化液的量在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足不同工況的使用要求。經(jīng)過研究和對比我們綜合采用朱穎、劉劍等人提出的霧化方案［1－2］，如圖1。

3 使用效果

我們在8 m立式車床上加工直徑為7 m的槳，試驗了純水噴霧冷卻的效果。所設(shè)計的純水噴霧試驗系統(tǒng)的空氣壓力和進水量都可調(diào)，氣源就采用車間使用的壓縮空氣，壓力調(diào)節(jié)到0.7 MPa，調(diào)節(jié)進水量以調(diào)節(jié)噴出的水霧到適合狀態(tài)，此時經(jīng)過測試水的消耗量約為300 mL/h，在這種狀態(tài)下噴霧系統(tǒng)的空氣消耗量約為500 NL/min，采用TI300紅外測溫儀對切削區(qū)溫度進行測量，并將干切削和采用純水噴霧冷卻的切削區(qū)溫度和切削的表面質(zhì)量以及刀具壽命進行對比。

在相同的切削參數(shù)的情況下，采用純水噴霧冷卻切削區(qū)溫度有明顯降低，比干切削可低150～180℃左右;噴霧方式和水霧的量對切削區(qū)溫度都有影響，經(jīng)過反復(fù)試驗，在保持切削后表面在2 min內(nèi)干燥的情況下，切削區(qū)溫度至少可以降低150℃左右。同時由于高壓水霧還具有清理切削區(qū)的作用，純水噴霧冷卻加工的表面質(zhì)量從外觀上看要比干切削更好。通過連續(xù)加工對比可以發(fā)現(xiàn)，純水噴霧冷卻切削刀具的壽命較干切削約可以延長約1.5倍。

4 結(jié)語

雖然傳統(tǒng)的金屬切削冷卻方式有很多種，但在萬噸槳的中孔和端面加工中，由于種種原因舍棄了傳統(tǒng)的各種冷卻的方法而采用干式切削，這一方面簡化了加工過程，方便了切削加工和切屑的后續(xù)處理，消除了切削液的費用;另一方面卻影響加工效率，降低了刀具的使用壽命和加工件的表面質(zhì)量，所以有其明顯不足。生產(chǎn)的快速發(fā)展，迫使企業(yè)不得不探索新型冷卻方式，本公司結(jié)合生產(chǎn)實際采用的純水噴霧冷卻經(jīng)過實際使用驗證，具有較為理想的效果，水霧對操作人員健康無危害，對工作環(huán)境無污染，同時冷卻效果好。相較于干切削，純水噴霧冷卻方式可以大幅度降低切削區(qū)溫度，提高刀具使用壽命，提高切削加工生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

另外，純水噴霧冷卻過程中由于兩相射流對切削區(qū)有清理作用，減少了氧化皮、細切屑等對刀具的磨損，更有利于切削過程高質(zhì)量進行;保持工作環(huán)境清潔，有利于保護操作者的身體健康。所以在萬噸槳中孔和端面的加工中純水噴霧冷卻是一種較為適合的技術(shù)手段。

［1］朱穎，張汝春.金屬切削加工噴霧冷卻方法［J］.煤礦機械，2005(6).

［2］劉劍，繆佳興.噴霧冷卻技術(shù)及其應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2004，38(11).

［3］胡增榮.純水噴霧冷卻在金屬切削加工中的應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2010，44(12).