在切削加工工業(yè)中，目前比以往任何時(shí)候更需要重視能源和資源的利用效率，環(huán)境和勞動(dòng)的保護(hù)，減少二氧化碳的排放以及生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)必須在經(jīng)濟(jì)上進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝。在這個(gè)應(yīng)優(yōu)先考慮的領(lǐng)域，可以通過創(chuàng)新的“綠色”工藝挖掘新的合理化潛力，而微量潤(rùn)滑技術(shù)能夠?yàn)榇俗鞒龊艽蟮呢暙I(xiàn)。
對(duì)于汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)零件的大批量切削加工，就其加工費(fèi)用的構(gòu)成所進(jìn)行的分析表明，使用傳統(tǒng)的大流量乳化冷卻液，其費(fèi)用要占到構(gòu)件制造費(fèi)用的15%，這比刀具費(fèi)用所占的份額約高3倍（圖1）。冷卻潤(rùn)滑液系統(tǒng)的費(fèi)用，除了購(gòu)置冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的固定費(fèi)用外，還包括冷卻潤(rùn)滑設(shè)備運(yùn)行的日常支出（冷卻潤(rùn)滑液的采購(gòu)、定期保養(yǎng)和排放等費(fèi)用）。在德國(guó)有非常嚴(yán)格的廢物排放規(guī)定，廢料的排放費(fèi)用比冷卻潤(rùn)滑液的購(gòu)置費(fèi)還要高。同樣，還有維護(hù)、維修以及能源和清理切屑等方面的費(fèi)用。在這里，我們不討論由于使用冷卻潤(rùn)滑液所造成的嚴(yán)重環(huán)境污染（由于泄漏造成土壤、水源和空氣的污染）對(duì)健康的危害（肺病和皮膚濕疹）。
上述問題特別促使了西歐和美國(guó)的汽車制造商紛紛轉(zhuǎn)變想法，紛紛放棄使用傳統(tǒng)的冷卻潤(rùn)滑的戰(zhàn)略。在magias公司，近三年來提供了適合于微量潤(rùn)滑系統(tǒng)使用的生產(chǎn)系統(tǒng)已占到銷售的生產(chǎn)系統(tǒng)的40%多，而這種趨向還在不斷擴(kuò)大中。但是，要是*放棄冷卻潤(rùn)滑液會(huì)對(duì)加工過程的可靠性和有效性產(chǎn)生負(fù)面的影響。冷卻潤(rùn)滑液除了承擔(dān)著冷卻和潤(rùn)滑的任務(wù)外，還起到諸如從加工區(qū)和機(jī)床運(yùn)走切屑的其他重要作用。
即使在較少潤(rùn)滑液供給的情況下，仍能確保潤(rùn)滑的關(guān)鍵技術(shù)是微量潤(rùn)滑技術(shù)。對(duì)于這種技術(shù)，能做到“需要時(shí)供給必需多的潤(rùn)滑介質(zhì)，減少時(shí)則盡可能供應(yīng)少量的潤(rùn)滑介質(zhì)”，人們把一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的，并且在清潔實(shí)施的情況下仍是比較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)同采用微量潤(rùn)滑技術(shù)結(jié)合了起來。
微量潤(rùn)滑技術(shù)的特點(diǎn)是以zui少的潤(rùn)滑液輸送到切削的作用部位。作為潤(rùn)滑介質(zhì)載體的壓縮空氣，采用的壓力為4～10巴。因?yàn)樗褂玫臐?rùn)滑液（通常是脂油和脂肪族醇）幾乎*被蒸發(fā)掉，不進(jìn)行回收，給切削部位連續(xù)輸送“新鮮”的潤(rùn)滑油。其潤(rùn)滑油的消耗量要比通過切屑和工件本身所帶走的冷卻潤(rùn)滑液少好多倍。微量潤(rùn)滑的油耗通常每過程小時(shí)5~50ml。在成批生產(chǎn)中，采用通過主軸內(nèi)部的單通道和雙通道潤(rùn)滑裝置。采用單通道技術(shù)時(shí)，先在潤(rùn)滑裝置中產(chǎn)生油霧，然后將油霧輸入主軸的回轉(zhuǎn)接頭。而對(duì)于雙通道技術(shù)來說，介質(zhì)的混合是在主軸-刀具接口處進(jìn)行的。bielomatikleuze公司可提供單通道和雙通道潤(rùn)滑技術(shù)，這兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上有不同的優(yōu)點(diǎn)（見表1）。
根據(jù)專家的意見，大部分加工過程采用較少的油量（小于25ml/小時(shí)）就足夠了。發(fā)動(dòng)機(jī)的變速箱體，目前使用5ml微量潤(rùn)滑油的總消耗量已能夠可靠地進(jìn)行加工。挑戰(zhàn)性的切削過程（例如鉆孔、鉸孔和攻絲）為有效地進(jìn)行生產(chǎn)需要很多的潤(rùn)滑油（約達(dá)200ml/小時(shí)）。此外，當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)的供給距離較長(zhǎng)時(shí)，推薦采用雙通道微量潤(rùn)滑系統(tǒng)。但是,所采用的技術(shù)和潤(rùn)滑油量很大程度上取決于加工工藝、構(gòu)件所要求的加工質(zhì)量、刀具和所采用的切削用量等綜合因素。除了減少潤(rùn)滑油耗外，一種可看得出來的趨向是減少壓縮空氣，以便進(jìn)一步降低生產(chǎn)費(fèi)用和提高加工過程的可靠性。
當(dāng)前用于微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的刀具開發(fā)重點(diǎn)
除了所要選擇的微量潤(rùn)滑技術(shù)參數(shù)外，有針對(duì)性的開發(fā)適合于微量潤(rùn)滑技術(shù)用的切削刀具是成功實(shí)施這種技術(shù)的重要組成部分。例如對(duì)于深孔鉆削加工來說，這種情況就變得更為明顯。在這里，通過每小時(shí)幾百升流量的內(nèi)高壓冷卻就能夠毫無問題地從較深的孔中排除切屑，而在采用微量潤(rùn)滑技術(shù)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)切屑被卡住的情況，由此導(dǎo)致刀具的損壞。加工所產(chǎn)生的切削熱，大部分被刀具和工件所吸收。由于變化的機(jī)械熱負(fù)荷和不適當(dāng)?shù)牡毒呦到y(tǒng)導(dǎo)致較低的刀具壽命和較差的工件質(zhì)量。除了例如通過有針對(duì)性的進(jìn)給方向前角的變型改善鉆頭和鉸刀的斷屑和排屑性能外，通過給切削部位連續(xù)和足夠量地輸送油-氣混合潤(rùn)滑介質(zhì)有著重要的優(yōu)化潛力。應(yīng)根據(jù)通過實(shí)驗(yàn)建立的模型來計(jì)算和確定刀具中冷卻通道的位置、橫截面和與相鄰冷卻通道的接合點(diǎn)。
由于在汽車工業(yè)中較多的采用復(fù)合刀具，即使是對(duì)于其他的加工刀具，冷卻通道的設(shè)計(jì)也應(yīng)受到普遍的重視。在鉆削和鉸削過程中所獲得的知識(shí)也可以用于多階梯復(fù)合刀具上。除了刀具內(nèi)部的冷卻通道外，刀柄的鎖緊件和夾緊系統(tǒng)冷卻介質(zhì)的傳輸管件也十分重要。內(nèi)部空腔應(yīng)通過結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行消除，以避免產(chǎn)生潤(rùn)滑介質(zhì)的離析。圖2所示是guhring公司根據(jù)德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)din69090專門為微量潤(rùn)滑技術(shù)設(shè)計(jì)的工具接口。
在將來，將通過采用微處理器與易于操作的有限元程序相結(jié)合來適應(yīng)刀具微型結(jié)構(gòu)的發(fā)展。重點(diǎn)是通過有針對(duì)性的改變主切削刃和副切削刃的幾何角度，以減小所產(chǎn)生的熱通量密度來支持開發(fā)節(jié)約資源的新刀具結(jié)構(gòu)。
在生產(chǎn)廠家和用戶所進(jìn)行的微量潤(rùn)滑液的噴射試驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生較高的時(shí)間消耗和費(fèi)用開支，但是直到現(xiàn)在，這對(duì)于了解微量潤(rùn)滑技術(shù)的性能和進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化還是必要的。制造刀具的額外花費(fèi)和質(zhì)量檢驗(yàn)上的耗費(fèi)，使刀具的購(gòu)置費(fèi)用也會(huì)跟著增加20%。
在生產(chǎn)中成功實(shí)施微量潤(rùn)滑
當(dāng)觀察一下當(dāng)前汽車制造廠家利用微量潤(rùn)滑技術(shù)加工汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)眾多零件的情況，可以表明，即使會(huì)增加刀具費(fèi)用，然而刀具制造廠家值得在開發(fā)適合于微量潤(rùn)滑用的刀具系統(tǒng)進(jìn)行投資。除了采用微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行加工的車輪支架外，采用微量潤(rùn)滑加工技術(shù)的還有鑄鐵和鋁合金材質(zhì)的變速箱體、缸蓋、缸體和曲軸。
當(dāng)今，在福特汽車廠，采用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的機(jī)床數(shù)量達(dá)到三位數(shù)。目前，例如在新興市場(chǎng)有更多安裝了這樣的設(shè)備。在2011年，戴姆勒公司采用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的機(jī)床超過了800臺(tái)。應(yīng)用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的發(fā)展趨向十分明顯。圖3提供了一個(gè)關(guān)于目前采用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)所加工的一些產(chǎn)品類別。
微量潤(rùn)滑技術(shù)幾乎*是限于采用具有一定幾何形狀切削刀刃的加工工藝上。所提及的鉆孔工序，仍然要十分謹(jǐn)慎的考慮，特別是對(duì)于小于2mm直徑和刀具長(zhǎng)度大于75倍直徑的鉆頭，進(jìn)行加工要更加小心。氣門機(jī)構(gòu)和噴油嘴的孔加工，這對(duì)于生產(chǎn)廠家來說是一種挑戰(zhàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)中，趨向于小型高增壓的總成導(dǎo)致采用新的耐高溫的材料。采用微量潤(rùn)滑特別是難于解決較高的溫升。但是，在原則上，可以實(shí)現(xiàn)任何一種加工工藝，這取決于正確的調(diào)整。為了成功地實(shí)施微量潤(rùn)滑切削技術(shù)，所有參與切削加工的企業(yè)之間進(jìn)行密切的合作是必要的，特別重要的是用戶要向機(jī)床或刀具制造廠進(jìn)行信息反饋，以便進(jìn)一步改善微量潤(rùn)滑切削過程。為了成功應(yīng)用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)，需要用戶為實(shí)施這種工藝作出果斷的抉擇。
關(guān)于微量潤(rùn)滑設(shè)備，接受調(diào)查的用戶情況表明，設(shè)備的使用沒有統(tǒng)一的說明，zui終的問題是，是否應(yīng)選擇單通道或是應(yīng)選擇雙通道，往往只是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題。而在福特汽車廠采用的主要是雙通道潤(rùn)滑系統(tǒng)，在戴姆勒公司采用的主要是單通道潤(rùn)滑系統(tǒng)。對(duì)于諸如深孔鉆削或需要較高轉(zhuǎn)速的個(gè)別加工工序，在戴姆勒公司的梅塞德斯·奔馳工廠里也采用了雙通道系統(tǒng)，但是，這種雙通道系統(tǒng)在整個(gè)數(shù)量上僅起次要的作用。magias公司認(rèn)為，這些系統(tǒng)在范圍分布的情況是大致相同的。
對(duì)于所采用的潤(rùn)滑介質(zhì)的要求是多種多樣的，zui為重要的要求是在具有良好“抗粘結(jié)性”的同時(shí)，要有較好的潤(rùn)滑性能。在潤(rùn)滑介質(zhì)中斷輸送的情況下，必須要有殘余的潤(rùn)滑效果。但是，同潤(rùn)滑介質(zhì)相的粘附性能，對(duì)弄臟機(jī)床和工件則產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)既不允許進(jìn)一步像化學(xué)反應(yīng)相互作用，也不可以導(dǎo)致沉積。還有不能對(duì)機(jī)床操作者的健康和安全性（阻燃）產(chǎn)生損害。一些確切的要求都與加工任務(wù)有關(guān)。對(duì)于實(shí)際的使用，潤(rùn)滑介質(zhì)應(yīng)容易霧化和可以定量供給，并且具有良好的熱穩(wěn)定性。在加工鋁合金材料時(shí)，主要采用脂油（一種合成油—譯注），這種油有良好的潤(rùn)滑性能，如果強(qiáng)調(diào)無潤(rùn)滑介質(zhì)的殘留物，則往往采用脂肪族醇。在這里，特別對(duì)于出現(xiàn)弄臟工件和機(jī)床的情況，有必要進(jìn)行優(yōu)化。此外，應(yīng)改善潤(rùn)滑油的定量供給。通過合適的測(cè)量技術(shù)，可以針對(duì)加工任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)的油量。
關(guān)于加工技術(shù)在時(shí)間、費(fèi)用和質(zhì)量上存在矛盾的場(chǎng)合，可以顯示出微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的一些積極效果。對(duì)于一條采用微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的新的生產(chǎn)線，進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于比較復(fù)雜和可能存在故障的原因較多，產(chǎn)生的費(fèi)用也就比較高。而反過來，這里的投資卻比較少（取消了冷卻潤(rùn)滑設(shè)備和節(jié)省了空間）。在運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑介質(zhì)的費(fèi)用比較低，而刀具費(fèi)用略有增加。而在這種工藝技術(shù)進(jìn)一步推廣和工件數(shù)的不斷增加的過程中，刀具費(fèi)用的影響預(yù)期將變得較小。由于微量潤(rùn)滑技術(shù)缺少冷卻的作用，工件和機(jī)床必要的溫度補(bǔ)償和車間的空調(diào)或構(gòu)件的溫度調(diào)控，這就產(chǎn)生了其他的一些費(fèi)用項(xiàng)目。如果這些條件都滿足，那么就可以采用較高的切削用量來減少生產(chǎn)時(shí)間和提高構(gòu)件質(zhì)量。為了充分利用這種工藝技術(shù)的潛力，例如mapal和guhring公司專門為他們的用戶提供人員培訓(xùn)。首先，由于終加工質(zhì)量的提高，通常會(huì)作出有利于采用微量潤(rùn)滑技術(shù)的決定。在將來一種可能的方案，也許可以采用夏季用和冬季用的刀具，以適應(yīng)生產(chǎn)的具體溫度條件。在這里，關(guān)鍵首先在于箱體件的精度要求和構(gòu)件的清潔度。較小的刀具直徑和較深的加工孔深以及階梯狀的孔型同樣是一種挑戰(zhàn)。例如，噴油孔、氣門座和導(dǎo)管孔的加工。除了所述的鋁合金外，屬于關(guān)鍵材料的有高強(qiáng)度燒結(jié)材料、蠕墨鑄鐵、adi鑄鐵、鈦鋁合金和高合金鋼。
目前，首先對(duì)于機(jī)床和構(gòu)件的清潔度有著進(jìn)行改善的潛力。*放棄零件清洗設(shè)備的長(zhǎng)期目標(biāo)，在目前，當(dāng)然還無法實(shí)現(xiàn)。而在中期，一個(gè)適宜于清洗的構(gòu)件和噴流效果*的清洗設(shè)備是一種明顯的改進(jìn)。關(guān)于機(jī)床的清潔是力求減少清洗費(fèi)用。目前，采用干冰對(duì)機(jī)床加工區(qū)進(jìn)行定期的清理是必要的。在magias公司，對(duì)這個(gè)問題則是通過專門相應(yīng)的機(jī)床設(shè)計(jì)來解決。在機(jī)床上減少了有可能積聚切屑的平面并在平面上覆蓋了合適的涂層。
總結(jié)和展望
近年來，人們通過許多面向應(yīng)用的研究項(xiàng)目來制訂一些可靠應(yīng)用微量潤(rùn)滑技術(shù)的基本準(zhǔn)則。盡管進(jìn)行了這些研究工作并成功實(shí)施了微量潤(rùn)滑切削技術(shù)，然而為了進(jìn)一步擴(kuò)大微量潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用，仍需要從整體上進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前，在動(dòng)力總成系統(tǒng)零件的加工領(lǐng)域，zui重要的發(fā)展趨勢(shì)是：
◆開發(fā)用于復(fù)合刀具的確定微量潤(rùn)滑流量的測(cè)量設(shè)備
◆噴流效果*的刀具冷卻通道
◆帶有冷卻功能的微量潤(rùn)滑液的輸送
◆用于機(jī)床的智能清潔模式
◆構(gòu)件清洗設(shè)備的優(yōu)化
除了上述的趨向外，諸如開發(fā)用于微量潤(rùn)滑技術(shù)的能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加工過程中油量的測(cè)量技術(shù)，其進(jìn)一步的發(fā)展趨向?qū)⒊掷m(xù)下去。微量潤(rùn)滑技術(shù)較差的冷卻效果，可以在輸送空氣時(shí)通過集成冷卻功能而得到顯著改善，因?yàn)椴捎梦⒘繚?rùn)滑技術(shù)加工的材料，還包括迄今由于其產(chǎn)生較高的切削溫度必須得采用冷卻潤(rùn)滑的一些材料。其他的一些措施是有針對(duì)性的培訓(xùn)職工。只有素質(zhì)很高的職工才能保證成功應(yīng)用微量潤(rùn)滑技術(shù)，才能充分利用這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。刀具、機(jī)床、微量潤(rùn)滑設(shè)備和潤(rùn)滑材料各生產(chǎn)廠家和用戶以及清洗系統(tǒng)和其他外圍設(shè)備的供應(yīng)廠商之間的信息交流是不斷改善加工技術(shù)過程的重要組成部分，這種交流應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。工藝技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)之間的定期會(huì)面和提供科技知識(shí)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)交流的平臺(tái)有利于加速尋找所存問題的解決方案并進(jìn)一步推進(jìn)開發(fā)工作的進(jìn)展。
達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所（ptw）除了提供對(duì)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)鋁合金、鑄鐵和燒結(jié)材質(zhì)進(jìn)行面向應(yīng)用的切削研究的成果外，還提供進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和生態(tài)評(píng)估的完整的方法，以及成功實(shí)施微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的戰(zhàn)略。研究所特別關(guān)注的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)微量潤(rùn)滑技術(shù)與低溫介質(zhì)（co2，n2）的結(jié)合，以便將冷卻集成到微量潤(rùn)滑系統(tǒng)中。不論在有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)工作組里，還是在每?jī)赡昱e行一次的動(dòng)力總成系統(tǒng)零件制造的討論會(huì)上，汽車行業(yè)的決策者們可以就的實(shí)用方法和科技知識(shí)進(jìn)行交流。
（文章來源：德國(guó)werkstatt und betrieb雜志）