高速加工中心刀具微量潤滑、冷卻系統(tǒng)改造

陳彥君 霍衛(wèi)軍 耿海洋 馬喜權(quán)

(中國北車集團(tuán)唐山軌道客車有限責(zé)任公司，河北 唐山 063035)

刀具微量潤滑、冷卻系統(tǒng)是高速加工中心的重要組成部分，其性能直接影響機(jī)床的生產(chǎn)效率、刀具的使用壽命和加工工件的精度。

筆者公司有2 臺(tái)濟(jì)二高速龍門加工中心，主要承擔(dān)動(dòng)車組端墻、端墻柱等零部件加工。切削參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速一般在10 000～12 000 r/min，刀具直徑為65 mm，刀具長度在300 mm 以上。由于加工過程中，主軸轉(zhuǎn)速較高，切削區(qū)域振動(dòng)較大，刀具潤滑、冷卻不均勻或不充分造成刀具刀尖軟化、粘結(jié)、刀具磨損增大，壽命降低1/2。同時(shí)積屑易附著在刀具的表面，致使工件的局部溫升過高，切削深度過大，加工工件精度不合格。因此必須對(duì)此刀具微量潤滑、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，以達(dá)到高速、高精度的加工目標(biāo)。

1 單通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)

1.1 單通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)原理

微量潤滑、冷卻系統(tǒng)原理:壓縮空氣產(chǎn)生的高速氣流，將液態(tài)潤滑油吹碎成微米級(jí)的油顆粒，形成空氣與油顆粒的混合體即油霧，油霧粒子隨壓縮空氣噴射到加工表面，起到潤滑、冷卻作用。微量潤滑油的霧化、傳輸方式有兩種:單通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)和雙通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)。

單通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng):首先壓縮空氣與潤滑油經(jīng)單獨(dú)霧化裝置霧化，然后油霧通過一個(gè)通道傳輸?shù)絿娮焯?，?duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻。壓縮空氣和潤滑油在通過機(jī)床主軸之前混合。此油霧傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。適用油霧傳輸距離短，主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主軸轉(zhuǎn)速≤16 000 r/min 的中、低速切削加工(主軸轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的離心力也越大，會(huì)導(dǎo)致已混合好的油氣再次分離)。

1.2 單通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)的缺陷

濟(jì)二加工中心采用單通道系統(tǒng)微量潤滑、冷卻原理，將油和壓縮空氣混合在一個(gè)直徑大約150 mm、容積為6 L 的儲(chǔ)油罐中。油罐上部是壓縮空氣，下部是潤滑油，靠壓縮空氣壓力將油噴出。由于儲(chǔ)油罐直徑較大，開啟刀具噴霧時(shí)，壓縮空氣壓力不能將潤滑油按設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定、微量噴出。若儲(chǔ)油罐中潤滑油較多時(shí)，噴嘴處會(huì)有大量油霧噴出，6 L 的潤滑油十幾分鐘內(nèi)就會(huì)噴完，造成浪費(fèi)。儲(chǔ)油罐中潤滑油較少時(shí)，噴嘴處只有風(fēng)吹出，并伴有少量的油滴流出，無法起到潤滑、冷卻作用。刀具噴霧裝置安裝在刀具橫梁上部，其與主軸端面距離為十幾米。油霧從刀具噴霧裝置的出口至噴嘴處距離太長，油管直徑較大為10 mm。油霧在輸送過程中變成油滴，造成噴嘴處有油滴流出。油霧管路鋪設(shè)復(fù)雜，冗長，管接頭較多，系統(tǒng)有微小的泄漏，無法保證加工時(shí)，噴嘴有連續(xù)油霧噴出。

制造廠家技術(shù)人員對(duì)此油霧潤滑裝置進(jìn)行多次調(diào)整、改造仍無法徹底解決以上設(shè)計(jì)缺陷，難以滿足加工工藝要求。所以需要對(duì)刀具冷卻系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)雙通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)

2.1 雙通道微量潤滑系統(tǒng)原理

壓縮空氣和微量潤滑油通過兩個(gè)獨(dú)立通道，傳輸至噴嘴處。里面小通道為微量潤滑油，外部大通道為壓縮空氣。沒有單獨(dú)的霧化裝置，在靠近噴嘴處(霧化區(qū))利用噴嘴進(jìn)行霧化，將霧化潤滑油噴射到切削區(qū)。此系統(tǒng)可精確控制潤滑油量，降低消耗成本。系統(tǒng)反應(yīng)速度快，油霧可在瞬間噴射到切削部位，大大提高切削速度(機(jī)床轉(zhuǎn)速最高允許為40 000 r/min)。為此采用雙通道微量潤滑系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造。

2.2 雙通道微量潤滑、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

首先精密控制潤滑油量:將潤滑油箱放在最佳微量裝置的頂部，潤滑油靠自重進(jìn)入PMC(Precise Metering Control)微量控制器(見圖1)。潤滑油量靠調(diào)節(jié)旋鈕1P1 調(diào)節(jié)。壓縮空氣壓力0.4～0.45 MPa 進(jìn)入頻率發(fā)生器1F1，調(diào)節(jié)壓縮空氣工作的頻率，范圍0～1.5(當(dāng)此數(shù)值為0.5 時(shí):一個(gè)工作循環(huán)2 s)。此壓縮空氣進(jìn)入PMC 微量控制器的活塞油泵將潤滑油推出。油泵工作循環(huán)頻率(循環(huán)次數(shù)/s)由1F1 調(diào)節(jié)。每個(gè)工作循環(huán)推出液壓油的體積由1P1 調(diào)節(jié)(1P1 分6 個(gè)檔次，每個(gè)檔次又分0～100 刻度線)。經(jīng)以上兩次調(diào)節(jié)潤滑油滴(可精確到0.01 cm3)被油泵推出微量控制器，流入φ3 mm×0.5 mm 傳輸管。此微量油滴經(jīng)壓縮空氣、油連接裝置，將油管φ3 mm ×0.5 mm 套在主壓縮空氣管φ8 mm×1.25 mm 內(nèi)，使壓縮空氣、油分別沿各自的管路傳輸?shù)絿娮焯?。選用特殊噴嘴，在噴嘴處潤滑油管內(nèi)徑收縮至φ0.5 mm，壓縮空氣管路截面積縮小十幾倍，大大提高了其傳輸速度。在噴嘴出口處壓縮空氣流將微量油打成油霧顆高速吹向加工區(qū)域，帶走切削區(qū)域的熱量對(duì)切削刀刃進(jìn)行潤滑、冷卻。

2.3 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)動(dòng)系統(tǒng):壓縮空氣經(jīng)兩級(jí)過濾后，進(jìn)入微量潤滑系統(tǒng)，電磁換向閥控制系統(tǒng)開啟、關(guān)閉。并設(shè)有壓力、流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。確定了最佳的冷卻油輸送距離，將刀具微量冷卻控制安裝在Z 軸滑枕上，縮短了管路的長度。在加工環(huán)境允許的條件下盡量縮短此裝置與加工區(qū)域的距離L，一般L≤2.5 m 效果最佳。減少、甚至消除油管、壓縮空氣管的泄漏，縮短傳輸時(shí)間。根據(jù)材料、切削參數(shù)，設(shè)計(jì)了兩套刀具冷卻傳輸管路，分別調(diào)節(jié)潤滑油量(1P1、2P1、1F1、2F1)、壓縮空氣量(1V1、2V1)的大小。實(shí)現(xiàn)對(duì)長刀具和短刀具分別進(jìn)行潤滑、冷卻。既降低潤滑油量、壓縮空氣量的消耗，滿足環(huán)保要求，又提高了加工效率和加工精度。達(dá)到最佳潤滑、冷卻效果。下面為頻率發(fā)生器F、潤滑油量調(diào)節(jié)旋鈕1P1 的推薦數(shù)值(見表1)。

表1 推薦數(shù)值

2.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)修改了電氣控制系統(tǒng)、設(shè)計(jì)了PLC 程序。在原有的數(shù)據(jù)塊中加裝梯形圖，在PLC 輸入、輸出模塊中設(shè)定控制點(diǎn)。設(shè)置操作面板上的按鍵K1控制電磁換向閥73Y1，開啟、關(guān)閉長刀具冷卻系統(tǒng)。按鍵K2 控制電磁換向閥74Y1，開啟、關(guān)閉短刀具冷卻系統(tǒng)。在自動(dòng)加工或MDA 方式時(shí)，用M7 控制長刀具冷卻開啟，M8 控制短刀具冷卻開啟，M9 控制長、短刀具冷卻關(guān)閉。程序內(nèi)的地址的符號(hào)及解釋見表2。

3 油霧冷卻的程序控制邏輯

圖2 是對(duì)M320.0 的置位控制，當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)正常后，此時(shí)M2.7=1。當(dāng)按下長刀冷卻啟動(dòng)鍵K1，I7.3=1，或者在自動(dòng)方式及MDA 方式下執(zhí)行M7 指令時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)DB21.DBX194.7=1，都會(huì)使M320.1 產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖，從而置位M320.0，使M320.0=1。

圖3 是對(duì)M320.3 的置位控制，當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)正常后，此時(shí)M2.7=1。當(dāng)按下短刀冷卻啟動(dòng)鍵K2，I6.6=1，或者在自動(dòng)方式及MDA 方式下執(zhí)行M8 指令時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)DB21.DBX195.0=1，都會(huì)使M320.4 產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖，從而置位M320.3，使M320.3=1。

表2 程序內(nèi)的地址符號(hào)及解釋

圖4 是對(duì)M320.0 的復(fù)位控制。復(fù)位控制分為3種情況:第一種情況，當(dāng)正在進(jìn)行長刀具冷卻時(shí)，此時(shí)Q56.4=1。當(dāng)按下長刀具冷卻啟動(dòng)鍵K1，I7.3=1，或者在自動(dòng)方式或MDA 方式下執(zhí)行M9 指令時(shí)。在一個(gè)掃描周期內(nèi)DB21.DBX195.1=1，都會(huì)使M320.2 產(chǎn)生一個(gè)下降沿的脈沖，從而復(fù)位M320.0，使M320.0=0。第二種情況，當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)不正常時(shí)，如緊急停止，此時(shí)M2.7=0，則直接復(fù)位M320.0，使M320.0=0。第三種情況是在自動(dòng)方式或MDA 方式下通過I3.7 復(fù)位M320.0，在自動(dòng)方式或MDA 方式下，當(dāng)正在進(jìn)行長刀具冷卻時(shí)，此時(shí)DB11.DBX6.0=1 或DB11.DBX6.1=1，當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)I3.7=1，直接復(fù)位M320.0，使M320.0=0。

圖5 是對(duì)M320.3 的復(fù)位控制。復(fù)位控制分為3種情況:第一種情況，當(dāng)正在進(jìn)行短刀具冷卻時(shí)，此時(shí)Q4.6=1。當(dāng)按下短刀具油霧冷卻啟動(dòng)鍵K2，I6.6=1，或者在自動(dòng)方式及MDA 方式下執(zhí)行M9 指令時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)DB21.DBX195.1=1，都會(huì)使M320.5 產(chǎn)生一個(gè)下降沿的脈沖，從而復(fù)位M320.3，使M320.3=0。第二種情況，當(dāng)機(jī)床啟動(dòng)不正常時(shí)，如緊急停止，此時(shí)M2.7=0，則直接復(fù)位M320.3，使M320.3=0。第三種情況是在自動(dòng)方式或MDA 方式下通過I3.7 復(fù)位M320.3，在自動(dòng)方式或MDA 方式下，當(dāng)正在進(jìn)行短刀具冷卻時(shí)，此時(shí)DB11.DBX6.0=1 或DB11.DBX6.1=1，當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)I3.7=1，直接復(fù)位M320.3，使M320.3=0。

圖6 是對(duì)Q5.3 及Q56.4 的控制。在機(jī)床啟動(dòng)正常的情況下，此時(shí)M2.7=1。當(dāng)M320.0=1 時(shí)，Q5.3=1，Q56.4=1。則控制長刀具冷卻的電磁閥73Y1 得電，電磁閥芯動(dòng)作，噴嘴出口有油霧噴出。此時(shí)按鍵上方的指示燈亮，指示正在進(jìn)行長刀具油霧冷卻。當(dāng)M320.0=0 時(shí)，Q5.3=0，Q56.4=0。則控制長刀具冷卻的電磁閥73Y1 失電，電磁閥芯復(fù)原，切斷油霧。此時(shí)按鍵上方的指示燈滅，指示長刀油霧冷卻停止。

圖7 是對(duì)Q4.6 及Q56.5 的控制。在機(jī)床啟動(dòng)正常的情況下，此時(shí)M2.7=1。當(dāng)M320.3=1 時(shí)，Q4.6=1，Q56.5=1。則控制短刀具冷卻的電磁閥74Y1 得電，電磁閥芯動(dòng)作，油霧噴射到刀具上。此時(shí)按鍵上方的指示燈亮，指示正在進(jìn)行短刀具油霧冷卻。當(dāng)M320.3=0時(shí)，Q4.6=0，Q56.5=0。則控制短刀具冷卻的電磁閥74Y1 失電，電磁閥芯復(fù)原，切斷油霧。此時(shí)按鍵上方的指示燈滅，指示短刀油霧冷卻停止。

4 結(jié)語

經(jīng)反復(fù)實(shí)踐，此雙通道刀具微量潤滑系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、可靠?？蛇_(dá)到精確、微量潤滑、冷卻效果，大大降低潤滑油的消耗，節(jié)約成本，顯著提高加工中心生產(chǎn)效率和工件的加工精度。

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