微量潤滑技術在曲軸孔類加工中的應用

高 飛，任培恩，湯曉輝（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

微量潤滑技術在曲軸孔類加工中的應用

高 飛，任培恩，湯曉輝
（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

為了提高曲軸孔類加工效率，延長刀具使用壽命，降低加工成本，減少冷卻潤滑介質(zhì)的用量，同時提高對設備操作者的保護以及環(huán)境的保護。介紹了微量潤滑技術及其在曲軸孔類加工過程中的應用，對比了傳統(tǒng)冷卻潤滑方式與微量潤滑方式的經(jīng)濟性能及環(huán)境評價，并且分析了尚待進一步解決的問題及展望了未來的發(fā)展趨勢。

微量潤滑技術曲軸孔類加工降本增效環(huán)保節(jié)能

1　　前言

在金屬機械加工過程中，通常都要使用冷卻潤滑液，以下簡稱為冷卻液。冷卻液在機械加工中主要起到冷卻、潤滑以及排屑的作用，并且有助于提高刀具耐用度，減少加工工件熱變形，保證工件已加工面的質(zhì)量等等。但是，冷卻液的大量使用也造成了很多負面影響，比如不僅導致生產(chǎn)成本大大增加，而且還給人體健康和環(huán)境帶來了危害。

目前，機械加工都采用高速切削方式，它是高性能加工的一種主要工藝技術。由于機床主軸高速旋轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的離心力和高壓旋風氣流會阻礙冷卻液到達切削中心區(qū)域，冷卻液的冷卻與潤滑作用被大大削弱。因此，采用有效的冷卻潤滑方式，可以降低切削溫度，改善切削摩擦狀態(tài)，抑制刀具磨損，成為進一步提高加工效率的主要技術途徑。與此同時，在金屬機械加工領域出現(xiàn)了多種用于替代傳統(tǒng)濕式冷卻潤滑的加工方式，我們稱之為新型綠色加工技術，比如干式、風冷、液氮冷卻和微量潤滑等等［1］，見圖1。

2　　曲軸孔類加工傳統(tǒng)冷卻潤滑方式

以前上汽大眾制造的各種發(fā)動機機型，如EA827、EA113等發(fā)動機，曲軸孔類機加工，如曲軸斜油孔加工，曲軸端面孔加工以及曲軸動平衡孔去重加工等，都是采用傳統(tǒng)冷卻潤滑方式，即濕式冷卻潤滑方式。

經(jīng)過多年對我公司曲軸生產(chǎn)的統(tǒng)計，得出了不同冷卻潤滑方式的冷卻液用量，以及刀具耐用度的數(shù)據(jù)。其中，EA827與EA113發(fā)動機曲軸兩端中心孔采用干式加工方式，相應中心孔鉆頭耐用度約為1 000根曲軸。而曲軸斜油孔采用的是冷卻油濕式冷卻加工方式，每臺加工設備的冷卻油用量為2 000 L左右，冷卻油工作方式為自循環(huán)，并且12個月必須進行徹底更換，對應的斜油孔深孔鉆頭耐用度為250根曲軸。曲軸動平衡孔加工則采用乳化液濕式冷卻加工，每臺加工設備乳化液流量為200 L/min，對應鉆頭的耐用度為600根曲軸。

以上數(shù)據(jù)如果折算成經(jīng)濟成本，傳統(tǒng)冷卻潤滑方式中刀具費用約占工件加工總成本的4%，而冷卻液的使用與處理費用約占15%～30%，可見采用這種冷卻方式加工成本相對較高。另一方面，采用這種常規(guī)的加注方式，在實際加工過程中冷卻液很難進入加工區(qū)域，即使部分冷卻液能夠克服刀具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而偶爾到達切削刃部，但是冷卻液在未到達高溫狀態(tài)下刃部之前就已經(jīng)瞬間蒸發(fā)，喪失了冷卻作用。其結(jié)果是，當?shù)毒咔腥?、切出時溫度波動更加劇烈。隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，當?shù)毒咔谐鰰r劇烈冷卻，然后在切入時又再一次被迅速加熱。雖然在干式加工時刀具也會發(fā)生加熱和冷卻的循環(huán)，但是當有冷卻液時這種溫度波動更大，在反復熱沖擊的作用下，在刀具上產(chǎn)生應力，并會使刀具過早破裂。此外，在傳統(tǒng)冷卻液的冷卻作用下，高溫金屬急速冷卻，并產(chǎn)生淬火效應，金屬表面會產(chǎn)生淬火馬氏體組織，使金屬變硬的同時脆性也隨之增強，導致刀具壽命降低。

傳統(tǒng)濕式冷卻加工方式除了冷卻液的使用與處理成本高之外，同時在加工過程中，冷卻液受熱揮發(fā)形成煙霧，會在加工區(qū)域彌漫出難聞的異味，特別是冷卻液添加劑中所含的硫、磷、氯等化學元素在切削過程中會引起操作工人肺部和呼吸道疾病。如果皮膚和切削液直接接觸，還會誘發(fā)多種皮膚病。大量冷卻液的使用，還會對環(huán)境造成非常大的影響。另外，冷卻液產(chǎn)生的油霧會在廠房頂部形成一層粘附物，給日常保養(yǎng)工作帶來很大的麻煩［2］。

3　　微量潤滑技術

微量潤滑也稱作最小量潤滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL），是一種金屬加工的冷卻潤滑方式。它是將壓縮空氣與極其微量的潤滑油混合汽化后，形成微米級的液滴，然后噴射到加工區(qū)域進行有效冷卻潤滑的一種方式。

微量潤滑技術結(jié)合了干式切削與傳統(tǒng)濕式切削二者的優(yōu)點，其將切削液的用量降低到了極其微量的程度，不僅顯著降低了切削液的成本，也最大限度地降低了切削液對人體的危害；此外，微量潤滑技術大大改善了切削過程中的冷卻潤滑條件，減小了刀具、工件和切屑之間的磨損，有助于降低切削力、切削溫度和刀具磨損，見圖2。

同時，微量潤滑裝置取代冷卻液潤滑系統(tǒng)后，沒有了廢液的排放，符合國家提倡的節(jié)能、降耗、減排的要求，有利于保護環(huán)境。

圖2　傳統(tǒng)濕式與MQL方式中冷卻液的分布

3.1微量潤滑系統(tǒng)

微量潤滑系統(tǒng)，簡單地說就是精確控制油量的噴油裝置，系統(tǒng)結(jié)構主要由油霧供給系統(tǒng)、噴嘴和潤滑油三部分構成。微量潤滑供液系統(tǒng)主要有兩種形式，一種是外置式供液系統(tǒng)，另一種是內(nèi)置式供液系統(tǒng)。對于微量冷卻液的傳輸霧化，也有兩種形式：一種是單通道，這種形式需要一個單獨的霧化裝置，然后把霧化好的液滴和壓縮空氣的混合物，通過一個通道傳輸?shù)絿娮欤妶D3；另一種為雙通道，不需要單獨的霧化裝置，通過兩個通道，里面小通道為微量切削液，外部大通道為壓縮空氣，在靠近噴嘴處（霧化區(qū)）或利用噴嘴進行霧化，進而噴射到加工區(qū)，見圖4。

3.2 MQL外冷系統(tǒng)

這種系統(tǒng)中冷卻油霧由機床外部引入，并由刀具外部供給。它適用于車床、銑床、鋸床等使用外冷刀具的加工設備，其適用加工材質(zhì)包括銅、鋁、鎂以及易切削鋼與中難度鋼等材質(zhì)。

3.3微量潤滑技術在曲軸孔類加工中的應用

在曲軸孔類加工中，冷卻油霧通過機床主軸，經(jīng)刀具的內(nèi)孔，并由端部噴出，或通過原冷卻液管路由原噴嘴位置噴出，以達到最佳使用效果，如圖5所示。內(nèi)冷微量潤滑技術可用于數(shù)控車床、加工中心、孔加工機床，特別是高速機床，尤其適合配合內(nèi)冷鉆頭、內(nèi)冷絲錐等內(nèi)冷刀具加工，其適用加工材質(zhì)包括鋁合金、銅合金、鎂合金、易切削鋼及中難度鋼等材質(zhì)。

圖3　單通道MQL系統(tǒng)

圖4　雙通道MQL系統(tǒng)

圖5　MQL內(nèi)冷系統(tǒng)

4　　微量潤滑技術在曲軸孔類加工中的應用

上汽大眾已規(guī)劃的最新型EA888發(fā)動機生產(chǎn)廠，其曲軸生產(chǎn)線的加工設備就大量采用了微量潤滑技術，尤其是在孔類加工工序。曲軸斜油孔以及動平衡孔的加工就采用了微量潤滑技術，該生產(chǎn)線還在粗加工的中心孔鉆削工序中也應用到了微量潤滑技術。

在此要特別介紹一下曲軸斜油孔加工，因為斜油孔加工在曲軸機加工過程中是一道十分重要的工序。本世紀初，即使在一些國內(nèi)的一線、主流汽車發(fā)動機廠，依然采用“槍鉆”這種已經(jīng)使用多年的傳統(tǒng)工藝。正因為它具有高效、可靠等特點，致使在很多工廠里現(xiàn)今仍舊被采用。但隨著對環(huán)保、綠色制造的日益重視，加上其投入和使用成本高，在加工過程中冷卻液的消耗量大等種種不足也引起更大關注。于是，作為技術理念領先的企業(yè)，上汽大眾在做新生產(chǎn)線或新生產(chǎn)能力規(guī)劃時，就一改原來的槍鉆“高速深孔鉆”工藝，從而為利用微量潤滑技術創(chuàng)造了條件。

采用槍鉆工藝時，采用的是傳統(tǒng)冷卻潤滑方式，單單一套體積龐大的冷卻系統(tǒng)就十分昂貴，且后續(xù)使用成本也相當高。另一方面，還必須有大流量、高壓力、高過濾精度的冷卻液，否則就會影響油膜的建立并造成排屑的困難。這主要是與經(jīng)過槍鉆加工后的孔壁會呈現(xiàn)一定程度的螺旋狀密切相關。這種表面形狀對排屑造成不利影響，在曲軸斜油孔這種徑長比很大的孔加工中顯得非常突出。另外，因為槍鉆是偏心的，故必須配有鉆套，而采用微量潤滑技術后，改為雙刃麻花鉆就不再需要鉆套了。

由于微量潤滑的油霧本身質(zhì)量就很小，且因加工中受力對稱，形成的孔壁就較光滑。相應的工藝試驗表明，采用微量潤滑技術還明顯改善了工件清潔度。這是因為切屑將更加容易排出，有利于回收，而且在清洗過程中也更不易殘留。事實上，這種切削方式也可以認為是準干式的，相比傳統(tǒng)方式不但使用成本更低，而且霧化的冷卻潤滑油更有利于油膜的建立［3］。

相比較于傳統(tǒng)的冷卻潤滑方式，上汽大眾EA888發(fā)動機的曲軸生產(chǎn)線采用了微量潤滑技術。斜油孔加工采用了三主軸加工機床，冷卻液的用量僅為15 mL/h，斜油孔深孔鉆頭的耐用度提高到了600根曲軸，見圖6。此外，動平衡孔加工中冷卻液的用量為10 mL/h，鉆頭耐用度提高到了2 000根曲軸。粗加工工序中的端面中心孔加工在應用了微量潤滑技術之后，相比干式加工雖然冷卻液用量有所增加，但是這些冷卻液的用量微乎其微，而相應鉆頭的耐用度卻大為提高，提高到了4 000根曲軸，因此大大節(jié)約了加工成本，參見表1。

圖6　三主軸斜油孔加工機床MQL內(nèi)冷系統(tǒng)結(jié)構

表1　　兩種冷卻潤滑方式數(shù)據(jù)對比

以上汽大眾發(fā)動機廠曲軸生產(chǎn)線為例：單臺濕式冷卻加工設備處于循環(huán)的冷卻液流量約為300 L/min，若按10臺加工設備計算，則需要3 000 L/min冷卻液流量。為此就需要使用容量高達100 m3的冷卻液儲藏設備，以及用于放置該設備所需的場地。而應用微量潤滑時，冷卻液流量僅僅10～15 mL就足夠了。由于省去了冷卻潤滑系統(tǒng)回路的循環(huán)泵，同時用于部件清潔和切削干燥的資源消耗量也隨之減少，因此生產(chǎn)過程的總能源需求量也得以顯著降低。

綜上所述，微量潤滑方式的主要作用是減少了刀具與工件和刀具與切屑之間的摩擦，抑制溫升，降低刀具磨損，防止粘結(jié)和提高工件加工質(zhì)量。其主要優(yōu)點是冷卻液使用量少，而濕式加工的冷卻液用量非常高。同時微量潤滑還避免了刀具、工件和切屑的后期處理，降低了成本，減少了污染，保護了環(huán)境。

5　　結(jié)束語

可見微量潤滑技術的優(yōu)勢非常明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）降低切削力，微量潤滑能夠提供比澆注式更好的冷卻潤滑性能，高速噴射氣流和適當?shù)睦鋮s油量能在摩擦界面上形成有效的邊界潤滑，有效降低切削力。

（2）良好的降溫冷卻，氣液兩相流體粘度小于單相液體，降溫效果好；在加工區(qū)域易形成潤滑油膜，減少摩擦，抑制切削熱；低溫冷氣擴大加工區(qū)與冷卻介質(zhì)溫差，強化了散熱條件。

（3）減少刀具磨損，降低切削溫度有助于防止刀具軟化，從而減少磨粒磨損以及與溫度有關的粘結(jié)磨損和擴散磨損，提高刀具壽命，提高工件加工質(zhì)量。

因此，不管是從加工質(zhì)量、生產(chǎn)成本、加工時間，還是資源消耗以及環(huán)境影響等等方面，微量潤滑技術的綜合評價指數(shù)都是最高的，要優(yōu)于濕式加工和干式加工。

當然，雖然微量潤滑技術發(fā)展到目前已經(jīng)比較成熟，但是它仍然有其一定的局限性，分析其發(fā)展趨勢，還有如下需待提高之處。

（1）未來可以使用更新型環(huán)保的冷卻油，其既具備良好的切削性能，又無害生態(tài)環(huán)境，還可降低成本。

（2）優(yōu)化工藝參數(shù)，比如壓縮空氣的壓力、溫度，工件與噴嘴的距離、方位，霧液流量與用量等。

（3）拓寬應用領域，現(xiàn)今MQL技術僅運用于常見加工方式與工件材料，今后可拓寬至新型材料與其它加工方式。

總之，微量潤滑技術是一種非常好的綠色加工制造技術。目前綠色加工制造技術已經(jīng)得到了一定的應用，只有通過不斷優(yōu)化和改進現(xiàn)有技術，開發(fā)新技術，才能推動綠色制造技術不斷向前發(fā)展以及更加廣泛的應用。

［1］微量潤滑切削技術分析［J］.百度文庫＞工程科技＞機械/儀表，2014.

［2］李新龍，何寧，李亮.綠色切削中的MQL技術［J］.航空精密制造技術，2005，41（2）.

［3］朱正德.綠色制造在內(nèi)燃機行業(yè)的應用實踐［J］.柴油機設計與制造，2014（3）.

The Application of MQL in the Machining Process of Hole of Crankshaft

Gao Fei，Ren Peien，Tang Xiaohui
（SAIC Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

Improve the efficiency of machining process of hole of crankshaft，increase the lifetime of tools，save the cost of manufacture，decrease the dosage of coolant，and protect the worker and environment. Introduced the minimal quantity lubrication and the application of MQL in the machining process of hole of crankshaft，compared the economy performance and the environment value between the MQL and the traditional lubrication technique，analyzed the currently problem of MQL and given the expectation of MQL in the future.

minimal quantity lubrication，machining process of hole of crankshaft，cost saving and productivity improvement，environment protection and energy saving

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.013

來稿日期：2015-08-26

高飛（1980-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機曲軸規(guī)劃。