面向制造成熟度的微量润滑装置的优化研究

詹毕伟，赵 武，张 凯，杜小东，金 涛，陈 领

(1.四川大学机械工程学院，四川 成都 610065)(2.中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

近些年来，制造成熟度作为一种能降低制造风险的有效工具，被大量引进到众多制造行业的项目管理中，对于控制风险、提高制造质量起到了关键作用。微量润滑技术是可持续制造领域的前沿技术，在以往的切削加工中，切削液的负面影响不容忽视，不仅不易回收、污染环境、增加成本，而且对切削液的消耗比较多，大量使用切削液对工作人员的健康构成了显著威胁[1]。随着国家建设资源节约型、环境友好型社会要求的提出，环境保护和节能已成为现代机器工业发展的主要趋势之一，众多企业以降低成本、改善生产条件和国家绿色发展为目标，研发了许多绿色技术[2]。微量润滑技术由于能大幅提高工业生产效率，目前已广泛使用在多个领域、行业中。当前研究的微量润滑装置，主要是从雾粒特性、渗透特性和润滑剂选择等几个方面展开相关工作[3]。制造成熟度技术作为一种风险评价工具逐渐被应用于武器装备采办项目和研发、制造领域，目前制造成熟度的分析应用集中在军工武器装备的研制领域，如果将军工武器装备的特点表示出来，再总结出民品制造领域的特征，在民用制造业推广制造成熟度评价法，尤其是在产品设计完成后评价产品与企业的匹配度，对于减少企业的新产品研发风险、降低项目风险和研发投入、提高新产品研制的成功率具有重要的意义。

微量润滑技术兼具以往的湿式切割和干燥切割的优点，被研究者熟知。Dhar等[4]使用未涂层的碳化物工具旋转AISI-1040钢的实验证明MQL(minimum quantity lubrication)系统在不同供给速度下具有良好的切割形状和切削刀具摩擦性能。决定MQL系统冷却和表面粗糙度的主要因素是切削速度和刀具供给量[5]。Rahman等[6]通过钻孔实验得出油流对刀具磨损无明显影响的结论。与使用大量油溶性切削液相比，MQL系统在刀具磨损度相等的条件下具有更好的孔处理质量。Silva等[7]设计了一套适合磨削的微润滑系统，并用实验结果表明MQL系统比传统湿法润滑系统具有更好的处理效果。除了相关的研究之外，专注于微润滑系统研究的德国威布里克斯公司等很多企业都致力于微润滑系统的开发生产；意大利ILC公司生产了一种锯床专用的微量润滑系统；德国福鸟(VOGEL)公司向各类机床、机械设备提供了全面的微量润滑技术。此外还有许多企业将MQL系统实际应用于生产线并取得了很好的绩效。微量润滑装置因其自身独特的优势目前已成为符合机械加工要求的一种润滑方式，在进行微量润滑加工制造时，必须确认金属高速加工时润滑液体流入不会让工件表面产生淬火效果。此外，提高切削速度会让工件的切断破断点提前出现，使得破断点的热源远离刀具前端[8]。切削时由于所有热量都集中在工件和刀片上，因此刀片的热源仅是刀片接触点产生的热量和小摩擦部分产生的热量，因此提高切削速度可以使刀片更弯曲，使工件和刀片能以更快的运动速度有效缩短刀片传导热量的时间。这样就使工件的温度上升且表面变软，导致切断变得容易。微量润滑系统通常由空气压缩机、油泵、控制阀、喷嘴和管道配件组成。该集成的系统成本低、质量小，可方便地安装在机床上[9]。本文所研究的微量润滑装置为复合喷雾微量润滑装置，虽然在工业生产中有着很大的优势，但就其自身而言还存在一些需要优化的装置。鉴于此，本文引入制造成熟度评价的方法，通过建立模型评价复合喷雾微量润滑装置是否还需要进行相关零件的优化。

1 微量润滑装置

目前在制造业中所使用的微量润滑技术主要是指将绿色环保的润滑剂和一定比例的空气混合替代大量润滑液在制造行业中使用，因此微量润滑技术对我国的环境有保护作用。在对实际制造工件进行润滑和冷却时，润滑剂的形态大部分为雾状且运动速度较快，因此可提高润滑剂的渗透性，并大幅提高冷却及润滑效果，有效确保工件的加工品质。微量润滑技术对于润滑剂的使用量需求远远小于传统制造方式，因而大幅度降低了润滑剂使用成本；在金属加工时，使用微量润滑能使相关机械时刻保持干燥，避免处理废液的问题；微量润滑在使用时是根据实际状况进行润滑剂用量的调整，因此可以减轻悬浮颗粒对工厂环境的污染；微量润滑系统结构简单，体积小，且方便安装在各种机械设备上。

本文研究的微量润滑装置为复合喷雾微量润滑装置，其具有以下特点：1)满足环保要求；2)满足降耗节能要求；3)满足特殊机械加工要求。其主要机构为一个油雾发生器单元及与其配套的主贮存油箱、一个电器控制室和一套双级增压装置。此装置已被广泛应用到机械加工中，能够给金属加工提供润滑，提高金属加工效率，同时延长机械使用寿命，但使用制造成熟度评价此模型，发现仍然存在不足之处，其设备结构图如图1所示,内部结构的平面图如图2所示。

图1 复合喷雾微量润滑结构图及工作原理图

1,4—进气口；2,3—电源接口；5—空气出口；6—排气口；7—压力开关；8—增压泵压力表；9—脉冲调节阀；10—电器控制室；11—油量调节；12—排水阀；13—排油阀；14—排污阀；15—排气阀；16—水量平衡调节；17—反冲按钮；18—压力调节；19—气源压力表；20—水泵；21—水箱压力表

在加工时，切削工具与金属的接触面的温度会很高，如使用传统的切削液冷却，迅速冷却高热固体金属会产生淬火效果，在金属表面形成淬火马氏体结构，使金属变硬变脆[10]。因为淬火反应的强度与温差成正比，而提高生产速度就会提高刀具温度，所以提高生产速度会增强冷却效果并且缩短刀具寿命。

复合喷雾微润滑装置采用微米尺寸的雾粒子供给，不会产生淬火效果。在刀具未过热的情况下，提高切削速度，会使工件切削层的断点提前出现，导致切削破坏基点远离刀具前端，难以将破坏点的高温传导至刀具前端[11]。切削产生的热量集中在工件和刀片上，刀具的唯一热源是与刀片的接触点。提高切削速度会使刀片更容易弯曲并高速离开工件和刀具，有效地缩短刀片传导切削热的时间。此外，适当的高温可使切割加工物的表面变软，降低切割力，使切割变得容易。

复合喷雾微润滑装置属于外部润滑系统，成本低、质量小、设置简便。由于喷嘴的方向对润滑效果有很大影响，因此需要确定喷嘴的最佳位置和喷射角度。由于外部润滑雾粒子难以进入切削加工区域，因此对切断的冷却润滑效果不好。此外外部润滑雾粒子小，容易散射，对作业环境有一定的影响。本文尝试从切削液选择和喷嘴的优化设计角度出发来解决这一问题。

2 使用制造成熟度评价

2.1 建立评价指标制度

本文根据《制造成熟度级别手册》提出9个描述制造成熟度的元素[12]，如图3所示。

2.2 制造成熟度等级总体评价流程

在评估技术是否达到指定的制造成熟度水平时，系统将根据图3创建问卷，并由现场专家逐个评价。系统会汇总评价结果从而设置阈值，并将计算结果与专家设置的标准值进行比较。如果超过阈值，则认为已达到制造成熟度评价水平。总体评价流程如图4所示。

图3 制造成熟度评价指标体系

图4 制造成熟度等级总体评价流程

2.3 专家权重的计算方法

(1)

(2)

2.4 基于熵值法的计算权重确定

熵值法可用于避免人为因素的干扰，并能通过设置指标的权重，使得评估结果更加可信。在信息论中，熵被用来衡量不确定性。熵越小，信息的内容量就越大[13]。以下为熵值法运算过程：

1)计算指标j的熵值ej。

(3)

其中：

(4)

2)计算指标j的差异系数gj和总差异G[14]。

gj=1-ej

(5)

(6)

3)计算指标j的权重Wj。

(7)

2.5 使用制造成熟度评价某装置复合喷雾微量润滑效果

本文采用制造成熟度对复合喷雾微量润滑效果进行评价，实现对钢材切削方案的论证。在专家讨论后，确定最低限值为0.75，以此评估该方案是否符合金属切削时的制造成熟度要求。以下为运算过程：

1)获得专家评分。

对构成制造成熟度的要素和分要素设计了问卷，4名行业专家根据要求对其进行了评估。

X=(xij)=

(8)

式中：X为4位专家最后的综合评分。

2)计算专家权重。

4名专家的权重Λ由式(1)和式(2)计算所得：

Λ=(λi)1×m=[0.261,0.299,0.202]

3)计算指标权重。

9项指标的权重W由式(3)～式(7)计算得：

W=(wj)n×1=[0.148,0.030,0.033,0.208,0.125,0.230,0.102,0.057,0.067]T

计算最终评价值a，a=Λ×X×W=0.65≤0.75，表明该项技术还没有满足要求。说明技术方案在工程开发阶段无法通过审查，应该用其他可行的技术方案继续进行实证，以便将项目的技术风险控制在更低的层次。

3 复合喷雾微量润滑

通过以上分析可知本文使用的润滑装置仍有不足之处，影响装置润滑效果的因素包括切削液种类、零件表面粗糙度和喷嘴结构等。如果从润滑效果的角度考虑，切削液就是主要因素，此外从喷嘴的结构组成可知注气管的结构会在很大程度上影响切削液喷出后的润滑效果。因此，本文将缺陷问题锁定在切削液种类和注气管结构改进上，即分析不同切削液对微量润滑装置的影响并对注气管进行结构改进[15]。

3.1 选择切削液

作为现代制造模式，MQL切割技术不仅具有传统切削液的润滑、冷却、防锈和清洗功能，而且切削液无毒，不会对操作员健康造成危害，并且不会在生物降解性、氧化稳定性、储存稳定性、切削润滑性等方面出现腐败或劣化[16]。本文对市场上目前使用较多的3种MQL切削液(合成酯、植物油和聚乙二醇)的成分进行了比较，实验研究(生物降解率的最大值和最小值越高，生物降解性就越好)数据如图5所示。

图5 最高和最低生物降解率

为了测量样品切削液的氧化稳定性，本文在70 ℃的温度下将20 mL的样本暴露在空气中168 h，并通过碘价方法测量接触前后的切削液分子量，发现用降低碘价的方法可以提高氧化稳定性，结果如图6所示，合成酯和聚乙二醇的氧化稳定性较好, 不易被氧化, 而植物油的氧化稳定性较差。

储存稳定性的测量方法是将50 mL切削液放在密封的100 mL样品瓶中，在70 ℃的温度下于空气中暴露4个星期，测量黏度和酸度的变化，变化越小，性能就越稳定，结果如图7所示。

3.2 切削液对零件表面粗糙度的影响

为研究切削液对切削效果的影响，用45钢制作的零件在超精密数控机床上进行如下切削试验：切削速度为179，268，358，447，537 m/min，切削深度为0.3 mm，进给量为0.03 mm/ r，空气压力为0.4 MPa，空气流量为2.3 m3/h，切割液流量为6.25 mL/h，在主刀后面距刀尖20 mm处放置喷嘴。图8所示为经处理后的零件表面粗糙度值。

图6 不同切削液氧化稳定性测量

图7 不同切削液储存稳定性测量

图8 不同切削速度下零件的表面粗糙度值

3种切削液中植物油价格最低，合成酯价格最高，聚乙二醇价格适中。对上述试验数据进行评分，3种切削液各自的得分见表1(最佳得分为10分，其他得分根据试验结果的差异进行评价)。

由于本文待加工的材料是45钢，因此将合成酯替换为植物油会更合理。

3.3 喷嘴关键部件设计及其优化

喷嘴主要由左螺母、液体入口管、O形密封圈、空气注入管、混合型腔、液体入口塞、喷头、右螺母8个部分构成。本文除了研究切削液的微量润滑效果外，还对微量润滑喷嘴部件进行了改进，图9为微粒化喷嘴入口腔的初期设计结构，左端是入口管的螺纹连接部分。中间部分设计为具有支撑、密封及液体入口3个功能的密封塞的定位位置。密封塞的右侧是空气注入型腔。空气注入型腔的有效部分长74 mm、内径28 mm、厚6 mm。空气注入孔分布在侧面和底部，侧面的孔有3排，其间隔为15 mm，每排均等分布在6个小孔中，节流孔孔径为1 mm，空气注入管的外径为14 mm。底面有5个大孔，直径均为2 mm，中央有1个孔，底面圆周均匀分布4个孔。通过实验，该注气管道出现以下问题：

表1 3种切削液的评分

图9 注气管初步设计结构图

首先，位于气体喷射管侧面的气体喷射孔与气体喷射管的中心轴垂直，气体喷射速度和压力比较小。这是因为气体喷射孔喷出的气体存在流动扩散现象，导致气流在混合型腔的流动方向比较发散，此外在气体喷射孔间还存在气液分离现象，造成微粒化不充分。同时，喷嘴出口处的喷出速度过小，表明喷嘴内部的能量损失比较大。当空气流动的压力和速度增加时，气流容易喷到混合型腔的内壁上，空气和液体交替发生断层，气流也严重妨碍向混合型腔的液体入口塞注入液体。

其次，由于气体喷射主要发生在横向气体喷射孔中，因此喷雾质量取决于侧面气体喷射孔的数量和布局，而底面的中心孔在较大程度上决定了切削液是沿着轴向喷射。侧面气体能流入的孔过少，而在气体注入管的底部有过多的气体流入孔且孔径较大，会导致不合理的气体流动分配：在小的流速及压力条件下，如果最下方或左端的气体压强不足，则会导致液体回流从而产生吸入气体的现象。在气流的注射速度和压力提高后，侧面气体喷射孔的气流直接与混合型腔的内壁接触，同时与侧面气体喷射孔对应的混合型腔形成气液间隔，导致混合型腔的气体返回空气注入孔或液体入口，进而阻碍气体和液体的注入。

因此，本文对注气管的侧边结构和侧边孔的数量进行了初步改进，最终根据实验确定了孔的大小，并在两个主要方面进行了初步改进：

1)在与气体喷射管轴成45°附属角度的平面内设置侧面的小孔，气体喷射管从内侧向外侧倾斜配置。

2)删除底面上的周向4个小孔，同时将底面的中心孔直径初步扩大为3 mm；增加退刀槽，并对注气管左端螺纹进行改进。为了降低喷雾中心雾场中心产生空雾区的概率，在喷嘴底部中心扩大了喷口。但为了使冷却喷嘴喷射出的切削液微粒化，需要在中心处产生较强的冷却效果，因此在底面设计了大口径出口，用于减弱底面气流向圆周发散。中央大孔的气体含量比侧喷射孔小得多，但大口径及大液滴可产生更强的冷却效果。改进的注入孔如图10所示。

图10 注气管修改完善构造图

3.4 优化后复合喷雾微量润滑效果的评价

通过以上分析可知，切削液的种类和喷嘴的结构参数对本文制造成熟度评价中的参数有着较大影响，使用合适的切削液和优化喷嘴的参数与结构对微量润滑装置使用制造成熟度评价方法重新进行评价，得到的矩阵如下：

X=(xij)=

(9)

运用2中的评价方法得出最终评价值a=0.77>0.75，可知使用合适的切削液以及使用参数结构优化后的喷嘴是能提升润滑效果的。虽然得到的评价值比本次设置的标准高得不多，但是很显然优化后的效果更好。

4 结束语

本文在研究切削液对润滑装置影响时只选择了一种待加工材料，为使结论更具广泛性，应该选取不同种类的材料分别进行试验。下一步需要对润滑装置的供油系统进行重点研究，其中润滑装置分为外部给油系统和内部给油系统，而内部给油系统的供油方式又可分为内部给油的轴内混合给油冷却方式和内部给油的轴外混合给油冷却方式。后期还可以用制造成熟度评价方法对微量润滑装置的其他机构进行参数和结构的优化，以期得到更好的润滑效果。