微量潤滑——精密高速沖壓的“渦輪”

·節(jié)約60%的油品消耗

·提高50%的生產(chǎn)速度

·無殘留潤滑

隨著近幾年，汽車、電機、家電、五金、儀表、通信等行業(yè)的迅速發(fā)展，市場需求量較穩(wěn)定。因此，對沖壓件不僅在數(shù)量上，且在品質(zhì)上對零件精度和表面質(zhì)量的要求日益提高。尤其是沖壓行業(yè)對高效、精密的技術需求，因此，對高速精密級沖壓機的研制已成必然。正如上海交通大學工程院阮雪榆院士所講，高速精密沖壓技術“任重而道遠”。本文就微量潤滑的特性對高速精密沖壓的作用提出幾點論證。

微量潤滑也叫至小量潤滑，英文為Minimal Quantity Lubrication（MQL)，是一種金屬加工的潤滑方式，即通過壓縮氣體(空氣、氮氣、二氧化碳等)與極微量的潤滑油混合霧化后，形成微米級的液滴，噴射到加工區(qū)進行有效潤滑的一種加工方法。壓縮空氣的流速一般是12米/秒，當帶動微米級液滴流動時，受油品粘度影響，速度會有所降低，400mm2/s粘度以內(nèi)的油品霧化后，流速不會低于6米/秒，相當于步距20mm的送料機以1800次/分的超高頻率工作時的平均速度，充分滿足高速沖壓的潤滑需求。有效數(shù)據(jù)顯示，高速沖壓機在微量潤滑的幫助下，速度可從500次/分提高到800次/分。

圖1:厚度9mm板材沖壓——微量潤滑解決方案

那么，如何在沖壓設備高速運作的狀態(tài)下保障模具內(nèi)凸模的使用壽命，是影響零件精度、質(zhì)量及效率的主要因素。而潤滑，是這些要素的關鍵點。眾所周知，高速精密級沖壓設備主要是通過附著在材料表面的油液來降低沖針的磨損度，而隨著沖孔數(shù)量的增多，模具長度的加大，材料表面潤滑油的消耗會逐漸形成一種“供不應求”的狀態(tài)，模具后半部沖針的潤滑效果就會捉襟見肘。這是因為大部分潤滑設備只能在給料系統(tǒng)后，進料口前進行一次性的上油潤滑，使盡可能多的油液覆蓋材料以便其經(jīng)受更多沖針的“洗禮”。即便如此，油液在模具后半部分起到的潤滑作用還是微乎其微的，因為材料表面過厚的油層在沖剪區(qū)前半部分，會逸散到材料兩側的沖孔中，形成浪費，這些油量是過剩的。受限于材料的寬度、機床空間條件，板材所能承載的油量有限，且只能在上表面涂油，遇到部分沖針在凹模內(nèi)的特殊模具，潤滑目的將會更加難以實現(xiàn)；另外，由于沖壓設備在運轉(zhuǎn)時的閉合性，普通的潤滑設備很難在板材進給的后續(xù)行程中補充缺失的潤滑油，特別是為了迎合沖頭閉合頻率，隨著給料速度的加快，沖頭的閉合角度會越來越小，開角的空間也會越來越小。我們的經(jīng)驗和實踐證明，盡管大部分精沖機使用的模具都配備油槽，但是成本較高，且油槽內(nèi)潤滑油的利用存在“真空”區(qū)，不如在材料表面直接潤滑的效果明顯。

綜合以上高速精密沖壓的潤滑問題，我們研究了多種常見的沖壓潤滑設備，并結合這些設備的特點，總結出潤滑方式的種類、特點及優(yōu)劣性，具體如下：

一、 點滴潤滑：是常見的一種方式，見圖2。適用于粘度較低的潤滑油，由泵體產(chǎn)生一定負壓束縛軟管內(nèi)的潤滑油，再將軟管垂掛在送料系統(tǒng)后，材料中心點正上方，通過重力引力與泵壓的差值來控制油液，以均勻的頻率滴落在材料上；為使油滴全面擴散至材料表面，使用者一般會在進料口前為材料纏上一圈棉布或海綿，通過纖維的傳導性將油滴吸收后再傳輸?shù)讲牧仙稀?/span>

優(yōu)勢：

1、 安裝成本十分低廉、操作簡單；

2、 常見于小噸位、速度適中、材料較薄的普通沖床；

劣勢：

1、對材料寬度的限制：油滴體積一般是0.05ml左右，與油管的口徑無關，單油管所能潤滑的材料面積有限；

2、對沖壓速度的限制：油滴頻率無法太快，否則會形成“油流”，受到高速前進的材料影響，潤滑的均勻程度無法保證，造成浪費；而且，“油流狀態(tài)”下潤滑油的消耗是非常大的；

3、由于纖維的不規(guī)則性，油液傳輸?shù)讲牧仙弦矔植疾痪鶆?，材料表面一部分呈現(xiàn)潤滑量不足，在沖針對這些區(qū)域進行沖剪、拉深等作業(yè)時，磨損的程度會較平時大很多，造成模具壽命的不穩(wěn)定性。另一部分呈現(xiàn)潤滑量過剩，表面過厚的油層通過陽膜擠壓會溢散到模具內(nèi)死角，污染外部工作臺，長時間下來，纖維吸附了粉塵及灰塵后，導致不純凈的油凝結在機床內(nèi)部，不易清洗，不僅造成油品的浪費，還會產(chǎn)生額外的機床維護保養(yǎng)成本。

圖2：典型的點滴式潤滑裝置——微型精密產(chǎn)品的高速沖壓

二、 噴槍潤滑：與點滴潤滑結構相似，區(qū)別在于可以通過高壓，將粘度很高的油品打在進料口處，可還是會利用海綿布進行擴散處理。

    優(yōu)勢：

1、 可應對高粘度潤滑油，如沖壓拉伸油；

2、 適用于一些需要熱處理的油脂、油膏等常溫下呈固態(tài)的潤滑品；

    劣勢：

1、 安裝及使用成本比點滴式潤滑設備高，其他缺陷相同；

2、 使用高粘度潤滑品時，過剩的部分會給機床的清潔帶來更多麻煩。

三、雙夾式滾筒潤滑：油路與海棉布的結合形式。在進料口端，材料上下各有一圓柱形滾筒，油管終端連接到滾筒內(nèi)部，將滾筒表面包裹的海綿布由內(nèi)到外的進行“濕潤”處理，從而達到板材上下表面的潤滑效果。

  優(yōu)勢：

相比簡單的在材料表面纏一層海綿布，滾軸潤滑效果較均勻，只要保證一定的注油頻率，滾軸上的油液始終是充足的，且當給料停止時，同步停止注油，由于纖維的吸油性良好，滾軸上飽和的油液也不會滴落形成浪費。

  劣勢：

1、安裝條件限制：滾軸尺寸根據(jù)機床所加工的較寬材料尺寸而定，要求有一定的安裝空間，必須保證送料系統(tǒng)與進料口之間有一定的“峽谷式”間隙。而為了保證更高的送料精度，特別是在精密微型產(chǎn)品的沖壓線上，大部分情況下材料都是緊貼陰模上端沿水平方向傳輸，如圖2所示，只能夠從上面進行單面潤滑。這種類型的沖床，往往在沖壓后段存在對材料潤滑不足的問題?！獰o法適用于小型高速沖床

  2、速度限制：當沖床加快到一定速度后，滾筒的潤滑油消耗會比潤滑油補充速度快，而且海綿布上的油會因離心力作用而被“甩出”，造成浪費且污染工作臺；另一原因則是高速的滾動狀態(tài)所產(chǎn)生的振動可能會影響給料精度。所以，滾筒潤滑一般只適用在速度中下的沖壓設備上

四、微量潤滑：

作為世界上早期（1945年）從事微量潤滑的企業(yè)，德國惠潤（HPM）科技有限公司在沖壓領域已為全球超過15000家企業(yè)提供了專業(yè)服務和解決方案，特別是在汽車、電子及航空行業(yè)。2009年，德國惠潤（HPM）公司榮獲德國TOP100Top-Innovator（德國創(chuàng)新獎）。

針對傳統(tǒng)三類潤滑方式的不足之處，我們的解決之道是：

圖3：控制模塊置于機床外部

圖4：噴頭組延伸到內(nèi)部對模具或輸送帶實時潤滑

特點：

1、易操作：由于采用模塊化設計，德國惠潤（HPM）微量潤滑系統(tǒng)(MQL)可以單獨或組合應用于多種場合，只需將噴頭固定在需要潤滑的加工位置即可。

2、環(huán)境保護：我們以綠色制造為服務理念，視工人的健康安全為首要前提，將氣壓控制在1~2.5bar，在保證噴霧速度的同時，降低了油霧的擴散力，使油霧形成一層均勻地油膜附著在材料上，不會產(chǎn)生浪費，避免了環(huán)境的污染。

3、節(jié)約油耗、均勻潤滑：系統(tǒng)電磁閥可與沖床角度信號實時聯(lián)動，在材料進給時能確保精確噴霧。潤滑油的用量一般僅為15～25ml/h，相當于傳統(tǒng)潤滑設備的30%用量。

4、提高產(chǎn)品質(zhì)量：由于采用熱阻溫度達350℃的冷卻介質(zhì)，可有效減小沖針、工件及切屑三者之間的摩擦，防止粘結，大大延長了模具的使用周期，也提高了加工產(chǎn)品表面的質(zhì)量。

5、提高沖壓速度：油霧的傳輸速度至低可達到6米/分，即使是瑞士bruderer的超高速精沖機，德國惠潤（HPM）微量潤滑也能保證板材的實時潤滑效果。

6、模內(nèi)噴油：在材料表面潤滑油消耗過多時，我們的噴頭可以從模具外側向內(nèi)進行補充潤滑，這也是針對大多數(shù)精沖機的解決之道。

綜上所述，從潤滑方式的優(yōu)點來看，我國沖壓領域在對材料的潤滑效果上是不斷提高的，更好的潤滑效果意味著模具使用周期更長，為更快的沖壓頻率提供安全保障，使設備有效工作時間更長，產(chǎn)品在沖針磨損度低的情況下質(zhì)量更高，企業(yè)因而產(chǎn)能增加。這一切的前提，都起源于“理想潤滑效果”的穩(wěn)定性。

我們從劣勢的種種情況可以看出，潤滑設備在演變的過程中，所帶來的問題大都表現(xiàn)在速率限制、空間限制和維護周期這三點上。

1、速率限制：是三種潤滑設備共存的問題，即當給料或沖軸閉合頻率過快時，潤滑效果呈幾何式下降，導致在很多擁有先進沖壓設備的企業(yè)里，工人即使面對好的機床，但卻不敢開的過快而損傷模具和材料。因此，速率限制是造成“理想潤滑效果”不穩(wěn)定的較大因素。

2、空間限制：雙夾式滾筒的雙面潤滑是目前看來效果較佳的潤滑設備，能滿足沖壓行業(yè)較佳的潤滑效果。然而，滾軸要求的安裝空間較大，一般只能適用在材料寬度較大的高噸位沖壓機上，在更換較窄材料時，定制的滾軸還會因為與材料的接觸面過剩而浪費潤滑油。三種潤滑設備都僅在進料口處進行潤滑，為滿足模具內(nèi)部的潤滑需求，潤滑的途徑不應僅局限在進料口的材料表面上，應該可以考慮在進給潤滑的同時，向模具內(nèi)部進行補充潤滑。

3、維護周期：模具使用久了，需要保養(yǎng)、換模。根據(jù)模具的尺寸規(guī)格，潤滑油的效果，模具維護周期也不一樣。優(yōu)質(zhì)的沖壓油不僅在潤滑性能上表現(xiàn)較優(yōu)秀，且在揮發(fā)性上也很理想，便于模具的清洗。模具的使用壽命和周期越高，企業(yè)所需的備用模具數(shù)量就越少，更換次數(shù)也越少，對生產(chǎn)成本的管控及效率的提升亦起到至關重要的改善作用。

補充潤滑油的速度跟不上材料進給的速度，就像后勤跟不上主力部隊?！昂笄凇毙枰獡Q一種“快速”地輸送方式，這種輸送方式應該像機車一樣不被交通堵塞所影響，并且，還能兼容“汽油”、“柴油”等不同的介質(zhì)。

如果能解決此三類困難，那么沖壓行業(yè)必將迎來高效、節(jié)約、綠色的新時代。而這個領域，就是微量潤滑的專屬領域。

為了確保沖壓產(chǎn)品的表面光潔度，我們HPM自我研發(fā)了SURVOS及SAMNOS水基（無油）潤滑液，針對銅、鋁、鋅、鋼等材料達到無殘留效果，可以省去后續(xù)的清洗及甩干工序。同時，考慮到材料寬度、厚度及模具的特殊結構，我們還研制了多種針對復雜環(huán)境的噴條及小型噴頭。

結束語：

  微量潤滑系統(tǒng)噴嘴呈15°圓錐角噴出油霧，單個噴嘴能夠形成300mm2直徑的圓形油膜，較佳工作距離在100mm至300mm之間；通過提高潤滑油在板材表面的均勻度，使其在有限平面范圍內(nèi)更持久的發(fā)揮潤滑作用，是微量潤滑系統(tǒng)的基本概念。系統(tǒng)較高可應對2300mm2/s粘度的油品，經(jīng)測試，400mm2/s粘度的極壓油，其噴霧速度在6m/s左右，充分滿足高速進給或大步距進給的潤滑需求。

  噴頭耗油量為15-25ml/h，節(jié)約60%的油品成本。

  獨立的噴頭模塊，能夠固定在模具兩側，并根據(jù)角度信號實時向模內(nèi)注油，對潤滑難以實現(xiàn)的部位進行全面潤滑。