微量潤滑技術(shù)在鋁合金發(fā)動機中的應(yīng)用

如今，我國對汽車制造企業(yè)的加工模式及排放要求日益嚴格。切削液在發(fā)動機制造過程中消耗巨大，不僅生產(chǎn)成本居高不下，還給環(huán)境和人體健康帶來了巨大的潛在危害，因此，引進先進的綠色加工技術(shù)已迫在眉睫。

微量潤滑技術(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行有效潤滑，以達到減少切削熱、防止積屑瘤產(chǎn)生的目的。國內(nèi)外關(guān)于MQL的應(yīng)用證實，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)備可動率。目前，國外發(fā)動機廠家如福特、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;國內(nèi)發(fā)動機廠家如長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)，開始批量生產(chǎn)。

試驗驗證

本文針對MQL工藝提高刀具壽命、改善工件加工質(zhì)量等特點，對MQL切削性能進行試驗驗證及分析，驗證MQL切削效果、質(zhì)量及可靠性。試驗使用LUBRIX V7單通道微量潤滑系統(tǒng)，安裝在發(fā)動機制造現(xiàn)場缸蓋線GROB G320雙主軸加工中心上進行試切試驗。

單通道微量潤滑系統(tǒng)是壓縮空氣和潤滑油通過混合裝置生成一定濃度且顆粒尺寸為0.5～1?μm的油霧，在機床外部通過球閥與主軸相聯(lián)，油霧穿過主軸及刀具內(nèi)冷孔輸送至切削區(qū)域。單通道系統(tǒng)采用毛細管虹吸原理，在油箱內(nèi)通過空氣的壓差(>0.06?MPa)即可實現(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)。單通道微量潤滑系統(tǒng)適用于轉(zhuǎn)速不高于16?000?r/min的主軸，響應(yīng)時間為0.8～2?s。

1.MQL試切條件

通過對MQL裝置的電氣、管路連接，機床程序和信號對接，實現(xiàn)MQL與機床聯(lián)動加工。通過對鋁合金缸蓋加工部位進行MQL鉆削及銑削，對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)時間、加工參數(shù)、PLC程序和內(nèi)冷指令等，試驗條件如表1所示。

2.試切流程

MQL工藝驗證對油霧裝置的聯(lián)接、油霧濃度/壓力、工件溫度變化、刀具切削參數(shù)、機床過程能力(CMK)、切屑堆積和刀具磨損等情況進行了測試和數(shù)據(jù)收集，重點對工件加工效果進行驗證和數(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，通過更改PLC地址和NC程序(組合不同M指令)實現(xiàn)機床對微量潤滑裝置的自動控制，實現(xiàn)自動連切條件;采集刀具變量、編制PLC程序和創(chuàng)建GROB機床操作界面，可實時顯示微量潤滑系統(tǒng)工作狀態(tài)并顯示報錯信息;通過程序參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)刀具與油霧濃度對應(yīng)、供油量調(diào)整、油霧壓力報警和聯(lián)動換刀等功能。

刀具長度、內(nèi)冷孔直徑、油品和氣壓等因素的變化均需要對微量潤滑的參數(shù)進行調(diào)整和測試，否則會導(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，逐一與刀具進行匹配驗證。

試驗方案及數(shù)據(jù)分析

1.試驗數(shù)據(jù)分析

本文對鋁合金缸蓋加工部位進行MQL鉆削及銑削，以對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，主要變化點在排屑槽、刃角、刀柄和內(nèi)冷孔位置/形狀/角度的設(shè)計。試切完畢后，我們對產(chǎn)品直徑、位置度和粗糙度等尺寸進行檢測和對比，試驗對比數(shù)據(jù)如表3所示。

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

從試驗數(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刀具均能達到產(chǎn)品圖樣要求的尺寸，但濕加工刀具積屑瘤嚴重，而MQL刀具基本無積屑瘤且加工產(chǎn)品表面質(zhì)量優(yōu)于濕加工刀具。

2.過程能力分析

本文對40件缸蓋精加工部位的尺寸進行CMK評價，確認連續(xù)加工的過程能(如圖3所示)。通過過程能力分析，無超出控制限的點，過程受控，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

加工過程中，我們實時監(jiān)控工件加工區(qū)域溫度，對比不同溫度對鋁合金工件尺寸的影響。經(jīng)測量，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)，加工過程的溫度差為10?℃時，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15?℃。

4.問題總結(jié)

在試驗驗證過程中，同樣出現(xiàn)一些問題：如微量潤滑切削產(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，對上下料的準確性產(chǎn)生消極影響，還會使設(shè)備運動部件發(fā)生故障，因此機床內(nèi)部的切屑防護和部件排屑設(shè)計非常重要。

結(jié)語

經(jīng)驗證，在濕加工機床改用微量潤滑方案，工件加工質(zhì)量合格，刀具無異常磨損。經(jīng)估算，在保證生產(chǎn)線加工效率不降低的情況下，微量潤滑刀具壽命略高于濕加工刀具，設(shè)備過程能力滿足生產(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)用微量潤滑技術(shù)優(yōu)勢如下：

1.成本降低

無廢液的處理費用，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20萬產(chǎn)能發(fā)動機缸體缸蓋線為例，經(jīng)計算，改造后比改造前節(jié)省了46%的成本。

2.投資低

以新建一條40萬產(chǎn)能鋁合金缸體/蓋線為例，微量潤滑一次性初期投資約為900萬元，集中冷卻一次性投資費用約為2?000萬，總投資降低利潤約60%。

3.設(shè)備可動率提升

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，縮短了因清理過濾器、液箱和修復(fù)泄漏等造成的停機時間;設(shè)備正常工作運行時間為50%～60%，采用微量潤滑技術(shù)的加工單元的正常工作運行時間為80%～90%。

4.刀具壽命提高

采用微量潤滑技術(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，是未來制造領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。