doi：10.11835/j.issn.1000-582X.2024.09.006

摘要：微量潤(rùn)滑裝置對(duì)油水氣量的準(zhǔn)確控制及其霧化效果，將直接影響切削冷卻效果，進(jìn)而影響零件加工質(zhì)量。為改善微量潤(rùn)滑裝置的輔助切削效果，研制了一種具有油水氣混合的數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置，有效改善了潤(rùn)滑油霧噴射的連續(xù)性和均勻性?；谖⒘繚?rùn)滑霧化技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置，搭建銑削工藝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試新型微量潤(rùn)滑裝置的輔助切削效果。結(jié)果表明，所研制的油水氣混合的數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置能夠明顯提高油霧質(zhì)量和輔助切削效果。

關(guān)鍵詞：微量潤(rùn)滑；油水氣混合；霧化；噴嘴設(shè)計(jì)；裝置

中圖分類號(hào)：TH11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-582X（2024）09-061-09

Digital minimum quantity lubrication device with oil-water-air mixing

TAO Guibaoa，b，WANG Lidanb，ZHU Yichengb

（a.State Key Laboratory of Mechanical Transmissions for Advanced Equipment;b.College of Mechanical andVehicle Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）

Abstract：The accurate control of oil-water-air volume and its atomization effect by the minimum quantity lubrication（MQL）device directly affect the cooling and cutting performance，thereby influencing the machining quality of parts.To improve the auxiliary cutting effect of the MQL device，a digital MQL device with oil-water-air mixing has been designed and developed to improve the continuity and uniformity of lubricant mist spray.Based on MQL atomization technology，an experimental platform for the milling process has been constructed to test its auxiliary cutting effect.The results show that the developed oil-water-air mixing digital MQL device significantly improves the quality of oil mist and the auxiliary cutting effect.

Keywords：minimum quantity lubrication;oil-water-air mixing;atomization;nozzle design;device

與傳統(tǒng)機(jī)械切削加工冷卻方式相比，微量潤(rùn)滑（minimum quantity lubrication，MQL）技術(shù)潤(rùn)滑油用量少、對(duì)環(huán)境污染危害小、生產(chǎn)成本低，是一種新型的半干式綠色切削技術(shù)，因其符合21世紀(jì)新時(shí)代制造業(yè)的發(fā)展要求而被廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金、不銹鋼等金屬材料的加工工業(yè)[1-4]。MQL也稱最小量潤(rùn)滑，即使用最小量的潤(rùn)滑油達(dá)到最佳切削效果，由于微量潤(rùn)滑技術(shù)采用極少量的潤(rùn)滑油，因此，對(duì)裝置的霧化效果要求極高[5-7]。

微量潤(rùn)滑裝置一般由油箱、油泵、控制閥、噴嘴及管路附件等組成，集成后的系統(tǒng)輕巧、成本低廉，可以方便安裝在機(jī)床上[8]。根據(jù)不同的潤(rùn)滑方式，可以將微量潤(rùn)滑裝置分為內(nèi)冷裝置和外冷裝置[9-10]，內(nèi)冷裝置是壓縮氣體通過(guò)精密油霧發(fā)生器在內(nèi)部發(fā)生霧化，產(chǎn)生的細(xì)小油霧顆粒再經(jīng)由主軸和刀具中心孔道直接噴射到切削區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻；外冷裝置將定量泵出的微量潤(rùn)滑油與壓縮空氣分別輸送至噴嘴處，在噴嘴處完成霧化過(guò)程，再送至切削區(qū)，外冷裝置較容易產(chǎn)生噴嘴和工件干涉的現(xiàn)象，受限于工藝環(huán)境，且噴嘴穩(wěn)定精確對(duì)準(zhǔn)切削區(qū)域困難，因此，內(nèi)冷裝置的效果好于外冷裝置[11]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行了較多研究，且市場(chǎng)上有多種微量潤(rùn)滑裝置，但多數(shù)為外冷裝置。姚薇等[12]設(shè)計(jì)了基于脈沖氣閥和精密潤(rùn)滑泵控制的低溫微量潤(rùn)滑裝置，可以通過(guò)改變脈沖氣閥頻率來(lái)控制微量潤(rùn)滑油的輸出量和輸出壓力。為了提高微量潤(rùn)滑油的滲透性，有學(xué)者在微量潤(rùn)滑裝置上加入了“靜電噴涂”技術(shù)，高壓靜電可以電離電場(chǎng)中的空氣，潤(rùn)滑油易于進(jìn)入切削區(qū)形成邊界薄膜[13-15]。梁賜樂(lè)等[16]研究了不同微量潤(rùn)滑霧化參數(shù)和霧粒傳輸方式條件下的油量調(diào)控性能和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對(duì)傳輸油霧量進(jìn)行調(diào)節(jié)需要結(jié)合壓差和進(jìn)氣壓力，油霧的霧粒特性與傳輸管路的尺寸有關(guān)。目前大多數(shù)微量潤(rùn)滑裝置的流量調(diào)節(jié)都是基于氣動(dòng)脈沖發(fā)生器，這樣會(huì)導(dǎo)致無(wú)法連續(xù)供給微量潤(rùn)滑油，無(wú)法形成持續(xù)的冷卻潤(rùn)滑效果。夏瑞[17]研制了一種基于Arduino控制板和蠕動(dòng)泵的油水氣復(fù)合微量潤(rùn)滑裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)油量、水量、氣壓和溫度的控制。Dinata等[18]開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有Arduino控制的微量潤(rùn)滑裝置，可以用時(shí)間或者切削溫度來(lái)設(shè)定裝置的開(kāi)啟和關(guān)閉。上述基于Arduino的微量潤(rùn)滑裝置產(chǎn)生的油霧具有脈動(dòng)性，油霧連續(xù)穩(wěn)定性有待提高。

為實(shí)現(xiàn)微量潤(rùn)滑裝置中油水氣的充分混合，改善噴射潤(rùn)滑油霧的連續(xù)性和均勻性，文中基于微量潤(rùn)滑霧化技術(shù)與油水氣混合特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置。

1新型微量潤(rùn)滑裝置開(kāi)發(fā)

復(fù)合微量潤(rùn)滑油、電解防銹水、壓縮氣體形成三相射流介質(zhì)，替代傳統(tǒng)油氣混合射流技術(shù)，創(chuàng)新微量潤(rùn)滑射流多參量數(shù)字化控制及接口技術(shù)，替代傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，開(kāi)發(fā)基于油水氣三相復(fù)合的數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置，并實(shí)現(xiàn)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。

1.1新型微量潤(rùn)滑裝置霧化回路設(shè)計(jì)

油水氣霧化回路設(shè)計(jì)如圖1所示。

裝置具有獨(dú)立的油水氣三相通道，采用3次混合霧化技術(shù)。第1次，壓縮空氣與微量潤(rùn)滑油通過(guò)油霧化噴嘴混合形成油霧進(jìn)入混合罐，油霧化噴嘴所需的壓縮空氣壓力高，而耗氣量少，能夠?qū)?rùn)滑油進(jìn)行精細(xì)霧化；第2次，壓縮空氣進(jìn)入混合罐與油霧混合形成油氣霧；第3次，離開(kāi)混合罐的油氣霧與水通過(guò)外混式霧化噴嘴混合形成油水氣霧噴射到切削區(qū)，實(shí)現(xiàn)輔助切削冷卻效果。外混式霧化噴嘴所需的油氣霧壓力要比油霧化噴嘴所需的氣體壓力低些，但耗氣量更大，因此油霧化噴嘴和外混式霧化噴嘴的設(shè)計(jì)是不同的。氣動(dòng)球閥控制開(kāi)關(guān)油水氣霧，油量和水量由2對(duì)微量柱塞泵控制，實(shí)現(xiàn)油量和水量連續(xù)精準(zhǔn)控制，油霧化氣壓和混合油氣氣壓通過(guò)氣動(dòng)比例閥數(shù)字化調(diào)節(jié)。

1.2油霧化噴嘴設(shè)計(jì)

在油霧化噴嘴中，微量潤(rùn)滑油與壓縮空氣發(fā)生霧化作用，破碎成為油霧。油霧化噴嘴采用Y型設(shè)計(jì)，有如下優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)比大，可達(dá)1∶6～1∶10；霧化角不變；耗氣量小等。通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)噴嘴參數(shù)。圖2為設(shè)計(jì)的Y型霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖。

微量潤(rùn)滑油霧化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不同的微量潤(rùn)滑油在相同的噴嘴里，產(chǎn)生的霧化效果是不同的，與潤(rùn)滑油黏度、密度、油壓和氣壓等相關(guān)，本裝置使用的霧化噴嘴是在特定微量潤(rùn)滑油的使用前提下設(shè)計(jì)的。表1為Y型霧化噴嘴主要尺寸參數(shù)。圖3是開(kāi)發(fā)的Y型噴嘴實(shí)物圖。

1.3基于沉降原理的混合罐設(shè)計(jì)

在霧化噴嘴中形成的油霧進(jìn)入混合罐中，與壓縮氣體進(jìn)行二次混合霧化，形成更小的油氣霧顆粒。圖4是混合罐的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖5所示，混合罐的密封蓋上開(kāi)7個(gè)孔。進(jìn)氣口通入用于二次霧化的壓縮氣體，也提供了將油氣霧推出混合罐的壓力。出氣口則將霧化后的油氣霧排出混合罐。密封蓋上安裝了安全閥，避免內(nèi)部油氣霧的壓力超標(biāo)。最大直徑的孔用于安裝液位傳感器，計(jì)量實(shí)際耗油量和實(shí)現(xiàn)高低液位報(bào)警。其他3個(gè)孔分別連接3個(gè)相同的Y型霧化噴嘴產(chǎn)生油霧，根據(jù)用油量大小自動(dòng)分配Y型霧化噴嘴工作的數(shù)量。

潤(rùn)滑油黏度是影響Y型霧化噴嘴霧化效果的最重要因素[19]，潤(rùn)滑油的黏度越大，用油量越大，則越不易霧化成顆粒。因此，采用3個(gè)相同的霧化噴嘴去進(jìn)行第一次霧化，根據(jù)用油量大小自動(dòng)分配Y型霧化噴嘴工作的數(shù)量。

混合罐既是霧化場(chǎng)所，也是儲(chǔ)存微量潤(rùn)滑油的壓力密封容器，微量潤(rùn)滑油從混合罐底部吸出進(jìn)入微量柱塞泵。另外，混合罐也起到了篩去大霧化顆粒的作用。大霧化顆粒將沉降，霧化顆粒的直徑越大，沉降速度越快，霧化顆粒重新回到混合罐底部，轉(zhuǎn)化為液態(tài)的微量潤(rùn)滑油。從混合罐吹出的是微米級(jí)霧化顆粒，使更多的顆粒通過(guò)切削區(qū)形成潤(rùn)滑膜，提升切削潤(rùn)滑冷卻效果。

1.4外混式霧化噴嘴設(shè)計(jì)

在外混式霧化噴嘴中，水與油氣霧發(fā)生第3次霧化，轉(zhuǎn)換成最終的油水氣霧，最后直接噴射到切削區(qū)。外混式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，運(yùn)行可靠，調(diào)節(jié)比可達(dá)1∶5以上，對(duì)不同微量潤(rùn)滑液的適應(yīng)性較好，霧化錐角不會(huì)隨著流量變化。圖6是本裝置的外混式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖，油氣霧從噴嘴側(cè)面進(jìn)入，水則從噴嘴底部中心進(jìn)入內(nèi)部，兩者將在噴嘴出口處發(fā)生霧化作用。圖7是外混式霧化噴嘴實(shí)物圖，表2是外混式霧化噴嘴主要尺寸參數(shù)。

1.5新型微量潤(rùn)滑裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置選用西門子S7-1200型可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）作為核心控制器。裝置控制系統(tǒng)框圖如圖8所示。每個(gè)微量柱塞泵都設(shè)置有零位檢測(cè)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)分別控制2對(duì)微量柱塞泵實(shí)現(xiàn)油量和水量精確調(diào)控，且連續(xù)供液沒(méi)有停頓和脈動(dòng)現(xiàn)象；采用氣壓傳感器和氣動(dòng)比例閥實(shí)現(xiàn)霧化氣壓和混合氣壓的數(shù)字化控制；通過(guò)電磁閥通斷控制微量潤(rùn)滑工作與否，裝置與數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)控制，數(shù)控機(jī)床每換一次刀具改變切削參數(shù)，通過(guò)配方設(shè)置裝置自動(dòng)改變微量潤(rùn)滑參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多刀具多工序切削參數(shù)和微量潤(rùn)滑參數(shù)自動(dòng)匹配。微量潤(rùn)滑裝置還可以與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和耗油量耗水量等信息上傳統(tǒng)計(jì)。

1.6人機(jī)交互操作界面設(shè)計(jì)

裝置采用觸摸屏顯示操作，系統(tǒng)啟動(dòng)后觸摸屏進(jìn)入初始化主界面，用戶可以選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式，對(duì)切削區(qū)進(jìn)行微量潤(rùn)滑冷卻；也可以在配方設(shè)置中設(shè)定多個(gè)工藝配方及其微量潤(rùn)滑參數(shù)，或者在HMI界面查看每天和累計(jì)的微量潤(rùn)滑油和水的使用量。圖9為部分操作界面。

2新型微量潤(rùn)滑裝置實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)床為德國(guó)DMG五軸立式加工中心DMU60monoBLOCK，如圖10所示。該機(jī)床主要參數(shù)：行程范圍（X/Y/Z/B/C）為800 mm/550 mm/550 mm/-120～+30/360，X/Y/Z重復(fù)定位精度0.004 mm，電主軸轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，主軸功率為35 kW。新型微量潤(rùn)滑裝置如圖11所示，外形小巧，方便與數(shù)控機(jī)床集成。

實(shí)驗(yàn)材料為304不銹鋼塊，長(zhǎng)度為170 mm，寬度為100 mm，厚度為25 mm。實(shí)驗(yàn)刀具為4刃硬質(zhì)合金銑刀，采用巴爾查斯涂層，刀具直徑為10 mm，切削刃長(zhǎng)25 mm。搭建的銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)采用如圖13所示的深圳睿奧便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)xTR200測(cè)量不銹鋼工件的加工表面粗糙度Ra，以表征銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2微量潤(rùn)滑銑削實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證新型微量潤(rùn)滑裝置的潤(rùn)滑冷卻效果，將微量潤(rùn)滑銑削與干切削、傳統(tǒng)澆注式切削進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，4個(gè)實(shí)驗(yàn)組的冷卻方式如表3所示。實(shí)驗(yàn)1組和2組使用開(kāi)發(fā)的新型微量潤(rùn)滑裝置輔助切削冷卻，微量潤(rùn)滑油是合作企業(yè)提供的不銹鋼專用微量潤(rùn)滑油。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加工中心進(jìn)給速度為600 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，銑削深度為1 mm，銑削寬度為5 mm，圖14為銑削過(guò)程中新型微量潤(rùn)滑裝置的油水氣霧噴射效果。

從圖14中可以看出，在銑削過(guò)程中，微量油水氣霧能夠連續(xù)且均勻地從外混式霧化噴嘴中噴出，對(duì)銑削過(guò)程中刀具起良好的潤(rùn)滑冷卻作用。

按照表3中的冷卻參數(shù)對(duì)微量潤(rùn)滑裝置和加工中心進(jìn)行設(shè)置，對(duì)不銹鋼塊進(jìn)行分段銑削。每個(gè)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量5次工件表面粗糙度并取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，干切削的工件表面粗糙度均值為0.383μm，大于另外3組實(shí)驗(yàn)的工件表面粗糙度均值，說(shuō)明其他3種冷卻方式是有效的，可降低工件加工表面粗糙度。在4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，微量潤(rùn)滑用油量為80 ml/h時(shí)切削的工件表面粗糙度最小，由此可見(jiàn)，研制的新型微量潤(rùn)滑裝置的輔助切削是有效的，可完全替代傳統(tǒng)澆注式冷卻切削，用油量小，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。另外，用油量80 ml/h的微量潤(rùn)滑切削與用油量40 ml/h、水量40 ml/h的微量潤(rùn)滑切削加工效果相差不大，說(shuō)明油水可以配合進(jìn)行微量潤(rùn)滑切削，將電解防銹水替代部分微量潤(rùn)滑油加工工件，可降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

3結(jié)束語(yǔ)

1）研制了一種油水氣混合的數(shù)字化微量潤(rùn)滑裝置，采用PLC精確調(diào)控裝置的油量、水量和氣壓；雙柱塞泵控制產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定油水氣霧，氣霧無(wú)停頓或脈動(dòng)現(xiàn)象；混合罐起到了篩去大霧化顆粒的作用，使產(chǎn)生的油霧顆粒達(dá)到微米級(jí)，輔助切削潤(rùn)滑冷卻效果更佳。

2）搭建了用于測(cè)試新型微量潤(rùn)滑裝置輔助切削效果的銑削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，4組切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型微量潤(rùn)滑裝置具有良好的人機(jī)界面，操作方便，工作穩(wěn)定，輔助切削冷卻有效，用油量80 ml/h的切削工況可以獲得最小的表面粗糙度，完全可以替代傳統(tǒng)澆注式冷卻，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保加工。

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（編輯詹燕平）