微量潤(rùn)滑技術(shù)在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

如今，我國(guó)對(duì)汽車制造企業(yè)的加工模式及排放要求日益嚴(yán)格。切削液在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中消耗巨大，不僅生產(chǎn)成本居高不下，還給環(huán)境和人體健康帶來(lái)了巨大的潛在危害，因此，引進(jìn)先進(jìn)的綠色加工技術(shù)已迫在眉睫。

微量潤(rùn)滑技術(shù)(MQL)是將極微量(5～50?ml/h)的切削油與具有一定壓力(0.5～1?MPa)的壓縮空氣混合霧化，并高速噴射至切削面進(jìn)行有效潤(rùn)滑，以達(dá)到減少切削熱、防止積屑瘤產(chǎn)生的目的。國(guó)內(nèi)外關(guān)于MQL的應(yīng)用證實(shí)，在鋁合金的切削加工中，MQL表現(xiàn)出良好的切削性能，正確合理地使用MQL，能夠有效提高刀具耐用度、降低生產(chǎn)/投資成本并提高設(shè)備可動(dòng)率。目前，國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)廠家如福特、奔馳、寶馬和大眾等均已應(yīng)用MQL技術(shù)組建生產(chǎn)線，并取得了良好的使用效果;國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家如長(zhǎng)安福特重慶工廠已于2013年組建了MQL生產(chǎn)線(鋁合金缸體缸蓋線)，開(kāi)始批量生產(chǎn)。

試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對(duì)MQL工藝提高刀具壽命、改善工件加工質(zhì)量等特點(diǎn)，對(duì)MQL切削性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及分析，驗(yàn)證MQL切削效果、質(zhì)量及可靠性。試驗(yàn)使用LUBRIX V7單通道微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)制造現(xiàn)場(chǎng)缸蓋線GROB G320雙主軸加工中心上進(jìn)行試切試驗(yàn)。

單通道微量潤(rùn)滑系統(tǒng)是壓縮空氣和潤(rùn)滑油通過(guò)混合裝置生成一定濃度且顆粒尺寸為0.5～1?μm的油霧，在機(jī)床外部通過(guò)球閥與主軸相聯(lián)，油霧穿過(guò)主軸及刀具內(nèi)冷孔輸送至切削區(qū)域。單通道系統(tǒng)采用毛細(xì)管虹吸原理，在油箱內(nèi)通過(guò)空氣的壓差(>0.06?MPa)即可實(shí)現(xiàn)油霧濃度的調(diào)整(油霧噴嘴數(shù)量和壓差決定出油流量)。單通道微量潤(rùn)滑系統(tǒng)適用于轉(zhuǎn)速不高于16?000?r/min的主軸，響應(yīng)時(shí)間為0.8～2?s。

1.MQL試切條件

通過(guò)對(duì)MQL裝置的電氣、管路連接，機(jī)床程序和信號(hào)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)MQL與機(jī)床聯(lián)動(dòng)加工。通過(guò)對(duì)鋁合金缸蓋加工部位進(jìn)行MQL鉆削及銑削，對(duì)比同等加工條件下濕加工刀具磨損情況及工件表面質(zhì)量。主要調(diào)試參數(shù)為噴油壓力、噴油量、響應(yīng)時(shí)間、加工參數(shù)、PLC程序和內(nèi)冷指令等，試驗(yàn)條件如表1所示。

2.試切流程

MQL工藝驗(yàn)證對(duì)油霧裝置的聯(lián)接、油霧濃度/壓力、工件溫度變化、刀具切削參數(shù)、機(jī)床過(guò)程能力(CMK)、切屑堆積和刀具磨損等情況進(jìn)行了測(cè)試和數(shù)據(jù)收集，重點(diǎn)對(duì)工件加工效果進(jìn)行驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，具體流程如圖1所示。

MQL電氣控制采用數(shù)字I/O接口通信方式，通過(guò)更改PLC地址和NC程序(組合不同M指令)實(shí)現(xiàn)機(jī)床對(duì)微量潤(rùn)滑裝置的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連切條件;采集刀具變量、編制PLC程序和創(chuàng)建GROB機(jī)床操作界面，可實(shí)時(shí)顯示微量潤(rùn)滑系統(tǒng)工作狀態(tài)并顯示報(bào)錯(cuò)信息;通過(guò)程序參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)刀具與油霧濃度對(duì)應(yīng)、供油量調(diào)整、油霧壓力報(bào)警和聯(lián)動(dòng)換刀等功能。

刀具長(zhǎng)度、內(nèi)冷孔直徑、油品和氣壓等因素的變化均需要對(duì)微量潤(rùn)滑的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，否則會(huì)導(dǎo)致加工質(zhì)量的不穩(wěn)定。因此，本次試切特設(shè)定15種油霧濃度，逐一與刀具進(jìn)行匹配驗(yàn)證。

試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

1.試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文對(duì)鋁合金缸蓋加工部位進(jìn)行MQL鉆削及銑削，以對(duì)比同等加工條件下濕加工刀具磨損情況及工件表面質(zhì)量。鉆/鉸加工參數(shù)及刀具對(duì)比如表2所示。

MQL刀具在刀具材質(zhì)上未發(fā)生變化，主要變化點(diǎn)在排屑槽、刃角、刀柄和內(nèi)冷孔位置/形狀/角度的設(shè)計(jì)。試切完畢后，我們對(duì)產(chǎn)品直徑、位置度和粗糙度等尺寸進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比，試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

試切40件鋁合金缸蓋產(chǎn)品后(鉆400個(gè)孔、鉸120個(gè)孔)，MQL刀具及濕加工刀具情況如圖2所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在同等切削參數(shù)及外界條件下，濕加工刀具和MQL刀具均能達(dá)到產(chǎn)品圖樣要求的尺寸，但濕加工刀具積屑瘤嚴(yán)重，而MQL刀具基本無(wú)積屑瘤且加工產(chǎn)品表面質(zhì)量?jī)?yōu)于濕加工刀具。

2.過(guò)程能力分析

本文對(duì)40件缸蓋精加工部位的尺寸進(jìn)行CMK評(píng)價(jià)，確認(rèn)連續(xù)加工的過(guò)程能(如圖3所示)。通過(guò)過(guò)程能力分析，無(wú)超出控制限的點(diǎn)，過(guò)程受控，H201、H205和H206孔徑為φ11H7，CMK值為2.30/2.25/2.43，均滿足大于1.67的設(shè)備能力要求。

3.溫度影響

加工過(guò)程中，我們實(shí)時(shí)監(jiān)控工件加工區(qū)域溫度，對(duì)比不同溫度對(duì)鋁合金工件尺寸的影響。經(jīng)測(cè)量，1?℃平均增大0.000?8?mm，具體如表4所示。在現(xiàn)有的產(chǎn)品尺寸公差內(nèi)，加工過(guò)程的溫度差為10?℃時(shí)，尺寸變化在0.008?mm內(nèi)，是可以滿足系統(tǒng)誤差要求的，最大不建議超過(guò)15?℃。

4.問(wèn)題總結(jié)

在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，同樣出現(xiàn)一些問(wèn)題：如微量潤(rùn)滑切削產(chǎn)生的鋁屑，由于缺少冷卻液的沖刷，非常容易在設(shè)備內(nèi)堆積，對(duì)上下料的準(zhǔn)確性產(chǎn)生消極影響，還會(huì)使設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件發(fā)生故障，因此機(jī)床內(nèi)部的切屑防護(hù)和部件排屑設(shè)計(jì)非常重要。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)驗(yàn)證，在濕加工機(jī)床改用微量潤(rùn)滑方案，工件加工質(zhì)量合格，刀具無(wú)異常磨損。經(jīng)估算，在保證生產(chǎn)線加工效率不降低的情況下，微量潤(rùn)滑刀具壽命略高于濕加工刀具，設(shè)備過(guò)程能力滿足生產(chǎn)要求，生產(chǎn)線產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定。經(jīng)分析，生產(chǎn)線應(yīng)用微量潤(rùn)滑技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1.成本降低

無(wú)廢液的處理費(fèi)用，切削油用量少，成本降低，切削油的用量一般僅為2～50?ml/h，傳統(tǒng)濕式切削的用量為1?200～6?000?L/h。以改造一條20萬(wàn)產(chǎn)能發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋線為例，經(jīng)計(jì)算，改造后比改造前節(jié)省了46%的成本。

2.投資低

以新建一條40萬(wàn)產(chǎn)能鋁合金缸體/蓋線為例，微量潤(rùn)滑一次性初期投資約為900萬(wàn)元，集中冷卻一次性投資費(fèi)用約為2?000萬(wàn)，總投資降低利潤(rùn)約60%。

3.設(shè)備可動(dòng)率提升

改造后消除了空氣中的霧氣和污染物，電氣故障和電子元件故障顯著減少，縮短了因清理過(guò)濾器、液箱和修復(fù)泄漏等造成的停機(jī)時(shí)間;設(shè)備正常工作運(yùn)行時(shí)間為50%～60%，采用微量潤(rùn)滑技術(shù)的加工單元的正常工作運(yùn)行時(shí)間為80%～90%。

4.刀具壽命提高

采用微量潤(rùn)滑技術(shù)可有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，防止積屑瘤粘結(jié)，延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工表面質(zhì)量，還可改善工廠環(huán)境，是未來(lái)制造領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。