綠色制造技術在發動機零部件加工中的應用實踐
2015-7-29 來源：數控機床市場網 圖5 雙刃麻花鉆 作者：上海大眾動力總成有限公司 朱正德
摘要：微量潤滑作為當今綠色制造技術的典型代表，獲得了汽車業界越來越大的關注和重視，特別是已在一些國內發動機零部件的實際生產中得到了成功的應用。本文通過曲軸斜油孔加工這一具體案例，較全面地介紹了實際使用效果，并與傳統制造工藝做了對比分析。
1，采用體現綠色制造理念，更加節能、環保的微量潤滑技術
1.1 什麼是微量潤滑技術
微量潤滑技術（簡稱MQL）是將壓縮空氣與少量的潤滑冷卻液混合氣化后，高速噴射到加工區，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑、冷卻，從而可大大減少“刀具—工件”和“刀具—切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質量的作用。由于使用的潤滑冷卻液很少（見圖1），又能明顯地降低冷卻潤滑系統運行中的能源消耗，還能大大節省相應的管理費用和所產生的廢液處理費用。顯然，MQL作為一項充分體現了綠色制造理念的先進工藝技術，它在汽車制造業等批量生產行業的推廣應用是與現今的大環境和社會發展的趨勢相一致的。
1.2 微量潤滑技術的發展及其在汽車制造業的應用概況
微量潤滑技術的應用，始于上世紀90年代末，開始時僅局限在鑄件加工領域，此后才逐漸擴展到鋼件和鋁制件，但這項綠色制造工藝
圖1 微量潤滑在生產中的應用
在國內制造業進入實用階段則還是近幾年的事。使用微量潤滑的初衷之一就是構建一個潔凈的工作環境，顯然，由于沒有過去那樣油膩濕滑的地面、且所有切屑都是干燥的，因此，只需每隔2到3周對機床進行一次清潔就足夠了。第二個初衷是以之前幾乎不可想象的力度達到了節約和保護資源的目標，而冷卻潤滑劑使用量大幅度降低，以及制備和廢棄處理工作量的大大減少也真正實現了相當環保的“綠色”生產。以某汽車發動機廠的缸蓋生產線為例：單臺加工中心處于循環的冷卻潤滑液約為400升/分，若按 20 臺機床算，則需從相應的流體回路中攝取 8000升/分潤滑液。為此就需要使用容量高達 350 立方米的冷卻潤滑液設備，以及用于放置所需的場地，算下來生產一個缸蓋的消耗量約4.3 升。而在應用微量潤滑時，僅7 至 10 毫升就足夠了，尤其是若每臺機床有兩個主軸，則每個主軸每小時所用的僅略微多于17 毫升/軸.小時。此外，在生產過程中所采用的“在兩個加工間歇中切斷潤滑劑輸送” 的技術有效地節約了資源，還明顯減少了用水量。由于省去了冷卻潤滑液系統回路的循環泵，同時用于部件清潔和切屑干燥的資源消耗量也急劇減少，因此生產過程的總能源需求量得以顯著降低。
2，MQL 系統簡介
微量潤滑系統具有簡單、整個裝置占地面積小，易于安裝(放)在各種類型的機床上(旁)。MQL有內冷和外冷系統之分，前者氣霧通過機床主軸，經刀具的內孔并由端部噴出，或通過原切削液管路由原噴嘴位置噴出，以達到最佳使用效果；而后者的氣霧則由機床外部引入，并由刀具外部供給。另外，MQL裝置還分為單通道微潤滑和雙通道微潤滑二類，其中單通道微潤滑系統的油霧產生于主軸之前，是通過旋轉主軸提供油霧、壓縮空氣生成并輸送油霧的。而雙通道微潤滑則是通過旋轉槍分別供油和氣（內和外兩個通道）。單通道MQL系統主要由主體、即緊湊型油霧單元，球閥，供油單元以及相應的切削加工單元組成，圖2是緊湊型油霧單元的一例。而雙通道系統則主要由主體、即包含供氣和產生油霧（供油）的復合單元（參見圖3），以及球閥、旋轉接頭等。
一般情況下，外冷系統適用于使用外冷刀具的機床，如刨床、車床、銑床、中心鋸床等，適用的材質有銅、鋁、鎂、易切削鋼、中等難度切削鋼等材料。而內冷系統則主要適用于數控車床、加工中心、孔加工機床等。特別適合配合內冷鉆頭、內冷銑刀、內冷絲錐等內冷刀具加工。當然也適用于外冷刀具的使用場合，適用材質則包括鋁合金、銅合金、鎂合金、各類鑄鐵，以及易切削鋼和中高難度切削鋼等材質。
3，微量潤滑技術在汽車發動機廠實際應用案例剖析
在當今國內外汽車發動機行業，小排量汽油發動機曲軸的材質均以鑄鐵、尤其是球墨鑄鐵為主，至于中、大排量（大于1.6L）汽油發動機、尤其是帶渦輪增壓功能的，所配曲軸中的大部分則為鍛鋼材質。而眾所周知，曲軸作為發動機的一個關鍵零件不但結構復雜，而且有很高的技術要求，因此為了能加工出合格的工件，各個企業都會在已相對比較成熟的傳統工藝的基礎上，繼續不斷地完善、改進自身的曲軸生產工藝。進入二十一世紀以來，隨著汽車輕量化和對環保、綠色制造的日益重視，類似微量潤滑技術這樣的新穎制造工藝也在一些企業的實際生產中獲得了應用。下面就是一典型的案例。
在曲軸粗加工階段，對深孔、如斜油孔（見圖4）的加工，迄至本世紀初，即使是多數國內的主流汽車發動機企業，所采取的依然是“槍鉆”這種已沿用多年的傳統工藝。這種制造技術最先是由于應用于加工槍管而得名，鑒于只需要通過一次走刀就能生產出具有較高精度的孔（譬如槍管），故多年來該工藝已普遍應用于深孔加工中。在運行過程中，使用了導向條對刀具進行支撐，自鉆頭位置的進油孔將切削液輸送至切削區域，可同時實現潤滑和冷卻，既有利于排屑，之后讓切屑和切削液順著溝槽被送入油箱做統一處理。也正是因為它具有高效、可靠等特點，至使在很多大批量生產行業（如軍工、汽車零部件等）的工廠里現今仍被應用著。但近年來，這種雖然已為眾多企業運行多年的、相當成熟的制造工藝，因為其投入和使用成本偏高，在加工過程中冷卻（潤滑）液的消耗量大等種種不足，也越來越多地引起了業界的更大關注。于是一些在技術理念上領先的企業在做新的生產線或新的生產能力的規劃時，就一改原來的槍鉆為“高速深孔鉆”工藝，從而為利用了微量潤滑技術創造了條件。
圖4 曲軸粗加工階段的斜油孔加工
執行槍鉆工藝時，采用的是傳統潤滑方式，單單一套體積龐大的潤滑冷卻系統就十分昂貴，且后續的使用成本也相當高。另一方面，還必須有大流量，高壓力，高過濾精度的潤滑冷卻液，否則就會影響油膜的建立并造成排屑的困難。這主要是與經過“槍鉆”加工后的孔壁會呈現一定程度的螺旋狀密切相關，此種表面性狀對排屑造成的不利影響，在曲軸斜油孔這樣的徑長比很大的孔的加工中顯得就更突出了，可參見圖6，此外，因為槍鉆是偏心的，還必須配有鉆套。而當曲軸斜油孔的加工采用了微量潤滑技術后，一方面配以bielomatik（必諾）公司提供的雙通道微潤滑系統，該系統為內冷式結構。而正如前面曾提到過的，所謂的雙通道即是指氣管跟油管乃分別處理，最后才在刀具內混合后噴出。另一方面，空加工在由槍鉆改為雙刃高速鋼麻花鉆后，就不再需要鉆套。進而，由于微量潤滑的油霧本身質量就很小，且因加工中受力對稱，形成的孔壁就較光滑（見圖5）。相應的工藝試驗則表明，應用微量潤滑還明顯地改善了工件清潔度，這是因為此時切屑將更容易在加工中排出，有利于切屑回收，而且在清洗過程中也更不易殘留。事實上，這種切削可以認為是準干式的，相比傳統方式不但使用成本更低，且霧化的潤滑油也更利于油膜的建立。
近些年來，隨著對產品清潔度的日益重視，生產線上的清洗工序也受到了更多的關注，尤其是象發動機中的那些關鍵零件。但另一方面清洗工序又產生了大量的、必須予以處理的污水，這也對那些有社會責任心的企業形成了壓力。為此，近年來一些主流汽車發動機廠在規劃新（生產）線時，出現了在可能情況下，盡量精減設置清洗工序數量的趨勢。仍以一家技術理念領先的汽車發動機企業為例，不同于其建廠時的“一期規劃”，在之后的生產綱領更大的二期、三期中，他們在考慮相應的連桿、曲軸兩條生產線清洗工序的設置時，相比國內極大部分同類企業、乃至較早自身的“一期”都有明顯減少，體現在：
--- 取消了連桿生產線的終清洗工位（全線已無清洗工序）；
--- 取消曲軸生產線的中間清洗工位（全線只有終清洗工位）
需要指出的是，也正是因為實施了或考慮到采用類似于微量潤滑技術那些先進工藝，以及通過加強現場管理等手段，這在工藝規劃階段就為達到精減清洗工序設置的目標打下了基礎。事實上，就如前所述，正因為在曲軸的粗加工階段，將加工深孔的方式由采用傳統的槍鉆工藝改變成雙刃高速鋼深孔麻花鉆方式，并有效地利用了微量潤滑技術的同時，還明顯地改善了工件清潔度，這也為取消曲軸生產線的中間清洗工序提供了條件。
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