微量潤滑——精密高速?zèng)_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(jī)、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(shù)需求，因此，對高速精密級沖壓機(jī)的研制已成必然。正如上海交通大學(xué)工程院阮雪榆院士所講，高速精密沖壓技術(shù)“任重而道遠(yuǎn)”。本文就微量潤滑的特性對高速精密沖壓的作用提出幾點(diǎn)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?dú)?、二氧化碳?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(jìn)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(dāng)帶動(dòng)微米級液滴流動(dòng)時(shí)，受油品粘度影響，速度會(huì)有所降低，400mm2/s粘度以內(nèi)的油品霧化后，流速不會(huì)低于6米/秒，相當(dāng)于步距20mm的送料機(jī)以1800次/分的超高頻率工作時(shí)的平均速度，充分滿足高速?zèng)_壓的潤滑需求。有效數(shù)據(jù)顯示，高速?zèng)_壓機(jī)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(shè)備高速運(yùn)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(guān)鍵點(diǎn)。眾所周知，高速精密級沖壓設(shè)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(huì)逐漸形成一種“供不應(yīng)求”的狀態(tài)，模具后半部沖針的潤滑效果就會(huì)捉襟見肘。這是因?yàn)榇蟛糠譂櫥O(shè)備只能在給料系統(tǒng)后，進(jìn)料口前進(jìn)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?yàn)椴牧媳砻孢^厚的油層在沖剪區(qū)前半部分，會(huì)逸散到材料兩側(cè)的沖孔中，形成浪費(fèi)，這些油量是過剩的。受限于材料的寬度、機(jī)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(huì)更加難以實(shí)現(xiàn)；另外，由于沖壓設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的閉合性，普通的潤滑設(shè)備很難在板材進(jìn)給的后續(xù)行程中補(bǔ)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(huì)越來越小，開角的空間也會(huì)越來越小。我們的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐證明，盡管大部分精沖機(jī)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(shè)備，并結(jié)合這些設(shè)備的特點(diǎn)，總結(jié)出潤滑方式的種類、特點(diǎn)及優(yōu)劣性，具體如下：

一、 點(diǎn)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(fù)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(diǎn)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(kuò)散至材料表面，使用者一般會(huì)在進(jìn)料口前為材料纏上一圈棉布或海綿，通過纖維的傳導(dǎo)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(guān)，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(huì)形成“油流”，受到高速前進(jìn)的材料影響，潤滑的均勻程度無法保證，造成浪費(fèi)；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?huì)分布不均勻，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(jìn)行沖剪、拉深等作業(yè)時(shí)，磨損的程度會(huì)較平時(shí)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(huì)溢散到模具內(nèi)死角，污染外部工作臺(tái)，長時(shí)間下來，纖維吸附了粉塵及灰塵后，導(dǎo)致不純凈的油凝結(jié)在機(jī)床內(nèi)部，不易清洗，不僅造成油品的浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生額外的機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)成本。

圖2：典型的點(diǎn)滴式潤滑裝置——微型精密產(chǎn)品的高速?zèng)_壓

二、 噴槍潤滑：與點(diǎn)滴潤滑結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于可以通過高壓，將粘度很高的油品打在進(jìn)料口處，可還是會(huì)利用海綿布進(jìn)行擴(kuò)散處理。

    優(yōu)勢：

1、 可應(yīng)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(diǎn)滴式潤滑設(shè)備高，其他缺陷相同；

2、 使用高粘度潤滑品時(shí)，過剩的部分會(huì)給機(jī)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(jié)合形式。在進(jìn)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(jìn)行“濕潤”處理，從而達(dá)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(dāng)給料停止時(shí)，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(huì)滴落形成浪費(fèi)。

  劣勢：

1、安裝條件限制：滾軸尺寸根據(jù)機(jī)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(jìn)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(jìn)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?zèng)_床

  2、速度限制：當(dāng)沖床加快到一定速度后，滾筒的潤滑油消耗會(huì)比潤滑油補(bǔ)充速度快，而且海綿布上的油會(huì)因離心力作用而被“甩出”，造成浪費(fèi)且污染工作臺(tái)；另一原因則是高速的滾動(dòng)狀態(tài)所產(chǎn)生的振動(dòng)可能會(huì)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(shè)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(lǐng)域已為全球超過15000家企業(yè)提供了專業(yè)服務(wù)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(jiǎng)）。

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(jī)床外部

圖4：噴頭組延伸到內(nèi)部對模具或輸送帶實(shí)時(shí)潤滑

特點(diǎn)：

1、易操作：由于采用模塊化設(shè)計(jì)，德國惠潤（HPM）微量潤滑系統(tǒng)(MQL)可以單獨(dú)或組合應(yīng)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(hù)：我們以綠色制造為服務(wù)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(shí)，降低了油霧的擴(kuò)散力，使油霧形成一層均勻地油膜附著在材料上，不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，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(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，在材料進(jìn)給時(shí)能確保精確噴霧。潤滑油的用量一般僅為15～25ml/h，相當(dāng)于傳統(tǒng)潤滑設(shè)備的30%用量。

4、提高產(chǎn)品質(zhì)量：由于采用熱阻溫度達(dá)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(jié)，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(dá)到6米/分，即使是瑞士bruderer的超高速精沖機(jī)，德國惠潤（HPM）微量潤滑也能保證板材的實(shí)時(shí)潤滑效果。

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

綜上所述，從潤滑方式的優(yōu)點(diǎn)來看，我國沖壓領(lǐng)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(shè)備有效工作時(shí)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(shè)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(hù)周期這三點(diǎn)上。

1、速率限制：是三種潤滑設(shè)備共存的問題，即當(dāng)給料或沖軸閉合頻率過快時(shí)，潤滑效果呈幾何式下降，導(dǎo)致在很多擁有先進(jìn)沖壓設(shè)備的企業(yè)里，工人即使面對好的機(jī)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(shè)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(jī)上，在更換較窄材料時(shí)，定制的滾軸還會(huì)因?yàn)榕c材料的接觸面過剩而浪費(fèi)潤滑油。三種潤滑設(shè)備都僅在進(jìn)料口處進(jìn)行潤滑，為滿足模具內(nèi)部的潤滑需求，潤滑的途徑不應(yīng)僅局限在進(jìn)料口的材料表面上，應(yīng)該可以考慮在進(jìn)給潤滑的同時(shí)，向模具內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)充潤滑。

3、維護(hù)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(hù)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(guān)重要的改善作用。

補(bǔ)充潤滑油的速度跟不上材料進(jìn)給的速度，就像后勤跟不上主力部隊(duì)?！昂笄凇毙枰獡Q一種“快速”地輸送方式，這種輸送方式應(yīng)該像機(jī)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(shí)代。而這個(gè)領(lǐng)域，就是微量潤滑的專屬領(lǐng)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(dá)到無殘留效果，可以省去后續(xù)的清洗及甩干工序。同時(shí)，考慮到材料寬度、厚度及模具的特殊結(jié)構(gòu)，我們還研制了多種針對復(fù)雜環(huán)境的噴條及小型噴頭。

結(jié)束語：

  微量潤滑系統(tǒng)噴嘴呈15°圓錐角噴出油霧，單個(gè)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(yīng)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(jìn)給或大步距進(jìn)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(dú)立的噴頭模塊，能夠固定在模具兩側(cè)，并根據(jù)角度信號實(shí)時(shí)向模內(nèi)注油，對潤滑難以實(shí)現(xiàn)的部位進(jìn)行全面潤滑。