汽车动力总成系统零件的干式加工

　　【编者按】达姆施塔特工业大学生产工程与机床研究所（PTW）除了提供对汽车动力总成系统铝合金、铸铁和烧结材质进行面向应用的切削研究的成果外，还提供进行经济和生态评估的完整的方法，以及成功实施微量润滑切削技术的战略。

　　在切削加工工业中，目前比以往任何时候更需要重视能源和资源的利用效率，环境和劳动的保护，减少二氧化碳的排放以及生产的可持续发展。同时必须在经济上 进一步优化生产工艺。在这个应优先考虑的领域，可以通过创新的“绿色”工艺挖掘新的合理化潜力，而微量润滑技术能够为此作出很大的贡献。
　　　
　　对于汽车动力总成系统零件的大批量切削加工，就其加工费用的构成所进行的分析表明，使用传统的大流量乳化冷却液，其费用要占到构件制造费用的15%，这比刀具费用所占的份额约高3倍（图1）。冷却润滑液系统的费用，除了购置冷却润滑系统的固定费用外，还包括冷却润滑设备运行的日常支出（冷却润滑液的采购、定期保养和排放等费用）。在德国有非常严格的废物排放规定，废料的排放费用比冷却润滑液的购置费还要高。同样，还有维护、维修以及能源和清理切屑等方面的费用。在这里，我们不讨论由于使用冷却润滑液所造成的严重环境污染（由于泄漏造成土壤、水源和空气的污染）对健康的危害（肺病和皮肤湿疹）。

　　上述问题特别促使了西欧和美国的著名汽车制造商纷纷转变想法，纷纷放弃使用传统的冷却润滑的战略。在MAG IAS公司，近三年来提供了适合于微量润滑系统使用的生产系统已占到销售的生产系统的40%多，而这种趋向还在不断扩大中。但是，要是完全放弃冷却润滑液会对加工过程的可靠性和有效性产生负面的影响。冷却润滑液除了承担着冷却和润滑的任务外，还起到诸如从加工区和机床运走切屑的其他重要作用。

　　即使在较少润滑液供给的情况下，仍能确保润滑的关键技术是微量润滑技术。对于这种技术，能做到“需要时供给必需多的润滑介质，减少时则尽可能供应少量的润滑介质”，人们把一个可持续发展的，并且在清洁实施的情况下仍是比较经济的技术同采用微量润滑技术结合了起来。

　　微量润滑技术的特点是以最少的润滑液输送到切削的作用部位。作为润滑介质载体的压缩空气，采用的压力为4～10巴。因为所使用的润滑液（通常是脂油和脂肪族醇）几乎完全被蒸发掉，不进行回收，给切削部位连续输送“新鲜”的润滑油。其润滑油的消耗量要比通过切屑和工件本身所带走的冷却润滑液少好多倍。微量润滑的油耗通常每过程小时5~50ml。在成批生产中，采用通过主轴内部的单通道和双通道润滑装置。采用单通道技术时，先在润滑装置中产生油雾，然后将油雾输入主轴的回转接头。而对于双通道技术来说，介质的混合是在主轴-刀具接口处进行的。Bielomatik Leuze公司可提供单通道和双通道润滑技术，这两种技术在实际应用上有不同的优点（见表1）。

　　
　　根据专家的意见，大部分加工过程采用较少的油量（小于25ml/小时）就足够了。发动机的变速箱体，目前使用5ml微量润滑油的总消耗量已能够可靠地进行加工。挑战性的切削过程（例如钻孔、铰孔和攻丝）为有效地进行生产需要很多的润滑油（约达200ml/小时）。此外，当润滑介质的供给距离较长时，推荐采用双通道微量润滑系统。但是,所采用的技术和润滑油量很大程度上取决于加工工艺、构件所要求的加工质量、刀具和所采用的切削用量等综合因素。除了减少润滑油耗外，一种可看得出来的趋向是减少压缩空气，以便进一步降低生产费用和提高加工过程的可靠性。

　　当前用于微量润滑系统的刀具开发重点

　　除了所要选择的微量润滑技术参数外，有针对性的开发适合于微量润滑技术用的切削刀具是成功实施这种技术的重要组成部分。例如对于深孔钻削加工来说，这种情况就变得更为明显。在这里，通过每小时几百升流量的内高压冷却就能够毫无问题地从较深的孔中排除切屑，而在采用微量润滑技术时常常会出现切屑被卡住的情况，由此导致刀具的损坏。加工所产生的切削热，大部分被刀具和工件所吸收。由于变化的机械热负荷和不适当的刀具系统导致较低的刀具寿命和较差的工件质量。除了例如通过有针对性的进给方向前角的变型改善钻头和铰刀的断屑和排屑性能外，通过给切削部位连续和足够量地输送油-气混合润滑介质有着重要的优化潜力。应根据通过实验建立的模型来计算和确定刀具中冷却通道的位置、横截面和与相邻冷却通道的接合点。

　　由于在汽车工业中较多的采用复合刀具，即使是对于其他的加工刀具，冷却通道的设计也应受到普遍的重视。在钻削和铰削过程中所获得的知识也可以用于多阶梯复合刀具上。除了刀具内部的冷却通道外，刀柄的锁紧件和夹紧系统冷却介质的传输管件也十分重要。内部空腔应通过结构措施进行消除，以避免产生润滑介质的离析。图2所示是Guhring公司根据德国工业标准DIN69090专门为微量润滑技术设计的工具接口。

　　
在将来，将通过采用高效微处理器与易于操作的有限元程序相结合来适应刀具微型结构的发展。重点是通过有针对性的改变主切削刃和副切削刃的几何角度，以减小所产生的热通量密度来支持开发节约资源的新刀具结构。

　　在生产厂家和用户所进行的微量润滑液的喷射试验，会产生较高的时间消耗和费用开支，但是直到现在，这对于了解微量润滑技术的性能和进行结构上的优化还是必要的。制造刀具的额外花费和质量检验上的耗费，使刀具的购置费用也会跟着增加20%。

　　在生产中成功实施微量润滑

　　当观察一下当前汽车制造厂家利用微量润滑技术加工汽车动力总成系统众多零件的情况，可以表明，即使会增加刀具费用，然而刀具制造厂家值得在开发适合于微量润滑用的刀具系统进行投资。除了首次采用微量润滑技术进行加工的车轮支架外，采用微量润滑加工技术的还有铸铁和铝合金材质的变速箱体、缸盖、缸体和曲轴。

　　当今，在福特汽车厂，采用微量润滑切削技术的机床数量达到三位数。目前，例如在新兴市场有更多安装了这样的设备。在2011年，戴姆勒公司采用微量润滑切削技术的机床超过了800台。应用微量润滑切削技术的发展趋向十分明显。图3提供了一个关于目前采用微量润滑切削技术所加工的一些产品类别。

　　微量润滑技术几乎唯一是限于采用具有一定几何形状切削刀刃的加工工艺上。所提及的钻孔工序，仍然要十分谨慎的考虑，特别是对于小于2mm直径和刀具长度大于75倍直径的钻头，进行加工要更加小心。气门机构和喷油嘴的孔加工，这对于生产厂家来说是一种挑战。在发动机的研发中，趋向于小型高增压的总成导致采用新的耐高温的材料。采用微量润滑特别是难于解决较高的温升。但是，在原则上，可以实现任何一种加工工艺，这取决于正确的调整。为了成功地实施微量润滑切削技术，所有参与切削加工的企业之间进行密切的合作是必要的，特别重要的是用户要向机床或刀具制造厂进行信息反馈，以便进一步改善微量润滑切削过程。为了成功应用微量润滑切削技术，需要用户为实施这种工艺作出果断的抉择。

　　关于微量润滑设备，接受调查的用户情况表明，设备的使用没有统一的说明，最终的问题是，是否应选择单通道或是应选择双通道，往往只是一个经济问题。而在福特汽车厂采用的主要是双通道润滑系统，在戴姆勒公司采用的主要是单通道润滑系统。对于诸如深孔钻削或需要较高转速的个别加工工序，在戴姆勒公司的梅塞德斯·奔驰工厂里也采用了双通道系统，但是，这种双通道系统在整个数量上仅起次要的作用。MAG IAS公司认为，这些系统在全球范围分布的情况是大致相同的。

　　对于所采用的润滑介质的要求是多种多样的，最为重要的要求是在具有良好“抗粘结性”的同时，要有较好的润滑性能。在润滑介质中断输送的情况下，必须要有残余的润滑效果。但是，同润滑介质相联系的粘附性能，对弄脏机床和工件则产生负面影响。此外，润滑介质会既不允许进一步像化学反应相互作用，也不可以导致沉积。还有不能对机床操作者的健康和安全性（阻燃）产生损害。一些确切的要求都与加工任务有关。对于实际的使用，润滑介质应容易雾化和可以定量供给，并且具有良好的热稳定性。在加工铝合金材料时，主要采用脂油（一种合成油—译注），这种油有良好的润滑性能，如果强调无润滑介质的残留物，则往往采用脂肪族醇。在这里，特别对于出现弄脏工件和机床的情况，有必要进行优化。此外，应改善润滑油的定量供给。通过合适的测量技术，可以针对加工任务实时调整相应的油量。

　　
　　关于加工技术在时间、费用和质量上存在矛盾的场合，可以显示出微量润滑切削技术的一些积极效果。对于一条采用微量润滑切削技术的新的生产线，进行调试时，由于比较复杂和可能存在故障的原因较多，产生的费用也就比较高。而反过来，这里的投资却比较少（取消了冷却润滑设备和节省了空间）。在运行时润滑介质的费用比较低，而刀具费用略有增加。而在这种工艺技术进一步推广和工件数的不断增加的过程中，刀具费用的影响预期将变得较小。由于微量润滑技术缺少冷却的作用，工件和机床必要的温度补偿和车间的空调或构件的温度调控，这就产生了其他的一些费用项目。如果这些条件都满足，那么就可以采用较高的切削用量来减少生产时间和提高构件质量。为了充分利用这种工艺技术的潜力，例如Mapal和Guhring公司专门为他们的用户提供人员培训。首先，由于终加工质量的提高，通常会作出有利于采用微量润滑技术的决定。在将来一种可能的方案，也许可以采用夏季用和冬季用的刀具，以适应生产的具体温度条件。在这里，关键首先在于箱体件的精度要求和构件的清洁度。较小的刀具直径和较深的加工孔深以及阶梯状的孔型同样是一种挑战。例如，喷油孔、气门座和导管孔的加工。除了所述的铝合金外，属于关键材料的有高强度烧结材料、蠕墨铸铁、ADI铸铁、钛铝合金和高合金钢。

　　目前，首先对于机床和构件的清洁度有着进行改善的潜力。完全放弃零件清洗设备的长期目标，在目前，当然还无法实现。而在中期，一个适宜于清洗的构件和喷流效果最佳的清洗设备是一种明显的改进。关于机床的清洁是力求减少清洗费用。目前，采用干冰对机床加工区进行定期的清理是必要的。在Mag IAS公司，对这个问题则是通过专门相应的机床设计来解决。在机床上减少了有可能积聚切屑的平面并在平面上覆盖了合适的涂层。

　　总结和展望

　　近年来，人们通过许多面向应用的研究项目来制订一些可靠应用微量润滑技术的基本准则。尽管进行了这些研究工作并成功实施了微量润滑切削技术，然而为了进一步扩大微量润滑技术的应用，仍需要从整体上进行优化。当前，在动力总成系统零件的加工领域，最重要的发展趋势是：

　　开发用于复合刀具的确定微量润滑流量的测量设备

　　喷流效果最佳的刀具冷却通道

　　带有冷却功能的微量润滑液的输送

　　用于机床的智能清洁模式

　　构件清洗设备的优化

　　除了上述的趋向外，诸如开发用于微量润滑技术的能实时调节加工过程中油量的测量技术，其进一步的发展趋向将持续下去。微量润滑技术较差的冷却效果，可以在输送空气时通过集成冷却功能而得到显著改善，因为采用微量润滑技术加工的材料，还包括迄今由于其产生较高的切削温度必须得采用冷却润滑的一些材料。其他的一些措施是有针对性的培训职工。只有素质很高的职工才能保证成功应用微量润滑技术，才能充分利用这一技术的优点。刀具、机床、微量润滑设备和润滑材料各生产厂家和用户以及清洗系统和其他外围设备的供应厂商之间的信息交流是不断改善加工技术过程的重要组成部分，这种交流应进一步加强。工艺技术领导之间的定期会面和提供最新科技知识及实际经验交流的平台有利于加速寻找所存问题的解决方案并进一步推进开发工作的进展。

　　达姆施塔特工业大学生产工程与机床研究所（PTW）除了提供对汽车动力总成系统铝合金、铸铁和烧结材质进行面向应用的切削研究的成果外，还提供进行经济和生态评估的完整的方法，以及成功实施微量润滑切削技术的战略。研究所特别关注的重点是实现微量润滑技术与低温介质（CO2，N2）的结合，以便将冷却集成到微量润滑系统中。不论在有竞争力的产业工作组里，还是在每两年举行一次的动力总成系统零件制造的讨论会上，汽车行业的决策者们可以就最新的实用方法和科技知识进行交流。

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