刀具切削微量油气润滑装置在五轴加工中心上的应用

李志丹　刘博

（沈阳机床股份有限公司）

高速五轴加工中心主要用于复杂结构和自由曲面的加工，所生产的零件以军工和航天等领域的复杂精密零件为主，对加工工况和零件表面质量要求非常高。

与此同时，环保问题、成本问题以及加工生产工艺都对我国的高端数控机床提出了更高的挑战。考虑到传统的切削液冷却方式已经无法满足高速、高质量的加工要求，探寻一种绿色高效的润滑冷却方式已是大势所趋。

一、传统冷却方式及其不足之处

在传统的工件加工过程中，通常采用大量浇注切削液来实现降低切削温度、保护刀具和工件表面及冲洗残留切屑的目标，但在高速切削的过程中，向切削部位浇注的切削液四处溅开，只有极小比例的切削液进入切削区域，难以实现对工件和刀具的良好冷却。

在传统冷却液的作用下，工件表面在高速切削时产生淬火效应，变硬的金属表面反而会降低刀具寿命。有关数据显示，在一个工件的加工成本中，切削液占15%左右，而且切削液会影响工厂内部的加工环境，对工人的皮肤乃至呼吸道都有一定的伤害，废弃的切削液如果处理不当还会污染环境，破坏土壤和地下水，负面影响非常深远。

二、微量润滑技术

微量润滑技术（Minimum Quantity Lubrication，MQL）的工作原理为：洁净的压缩空气将液体润滑油吹成微米级油雾，并将油雾高速地喷射到加工工件和刀具表面，减少刀具和工件的摩擦，降低加工温度，避免切削液冷却产生的淬火效应，达到润滑和冷却的效果。

微量润滑技术使用油雾润滑冷却，润滑油大多采用对环境无公害材料，实际用量非常少，一般为0.03～0.20L/h，而用传统方式进行冷却时，切削液用量高达50～200L/min。微量润滑技术润滑油的消耗量仅为传统方式切削液消耗量的万分之一，大大降低了加工成本，而且加工后的工件和切屑都是干燥的，省去了后期处理工作，这种准干式切削非常绿色环保。

同时，微量润滑装置还有占用空间小、便于维护和管理等优点，省去了传统冷却方式需要切削液存储箱、水泵、管路、防水处理及切削液回收等一整套复杂装置。

本文选用的刀具切削微量油气润滑装置如图1所示，是由气动柱塞润滑泵、油气混合器、气路系统元件及电气控制元件组成的气液电一体化油气润滑装置。

图1　刀具切削微量油气润滑装置外形

１.气源二联件；２.电磁换向阀；３.频率发生器；４.调压阀；５.气动泵

刀具切削微量油气润滑装置原理如图2所示，压缩空气通过过滤减压阀后，由电磁阀控制气流通道的开启，可实现与设备加工的同步进行。由气动频率发生器即脉冲逻辑元件控制气动油泵的供油频率，可根据实际需要调整单位时间出油频率。

气动油泵为单作用柱塞式增压泵，通入压缩空气后，增压后的油剂进入油气混合器中的计量件，将定量的油剂排出，在油气混合器中与压缩空气混合成油雾，油雾在喷嘴处与压缩空气二次混合，精确地喷在切削刃口发生摩擦部位，在刀具与工件间形成油膜，在高效润滑状态下完成切削加工。

图2　刀具切削微量油气润滑装置原理

1.气动泵；2.气动频率发生器；3.气源二联件；4.油气混合器；5.喷嘴

油膜的润滑性能远优于传统切削液，可明显减少产生于刀具、工件和切屑之间的热量，同时高速压缩空气将部分热量和切屑吹除，充分起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件表面质量的作用。

本装置采用微量切削油精确喷射，耗油量极少，一般为30～200mL/h，仅为传统方式切削液耗量的万分之几，实际费用降低，也消除了传统切削液加工时出现的飞溅、蒸发及变质异味等弊端。

本装置应用于门式五轴加工中心，主轴转速Z高达18 000r/min，三轴进给速度40m/min，A/C轴转速Z高达60r/min，在高速完成铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序的同时，也加工叶轮、叶片等具有复杂曲面的零件，经实际生产加工验证，可完全满足加工工件表面粗糙度值Ra=1.6μm及平面度0.01mm等一系列精度要求，是一种高效可靠的润滑冷却方式。

来源：《金属加工（冷加工）》2018年