纯水喷雾冷却技术在万吨桨中孔及端面加工中的应用

胡增荣

(苏州大学，江苏苏州215137)

习惯上将直径大于5 m的船用螺旋桨称为万吨桨。当前万吨桨基本上都是采用铜合金砂型铸造成型，铸造之后经过一系列的加工过程而变为成品。其中对中孔和端面的加工，一般采用大型立式车床或专用镗孔机进行，本来这两部分的加工并没有什么难度，但由于工件庞大，装夹和校调都很麻烦，并且在加工的过程中操作人员还要经常爬到桨上进行查看、检测等，切削下来的大量铜屑还要回收利用，所以为避免使用切削液造成的不便，实际加工中采用的是干切削方式。

由于万吨桨都是采用手工造型浇注出来的，这就必然导致毛坯件的精度和表面状况都比较差，通常万吨桨割去冒口后上下端面的余量都在20～50 mm左右，中孔的余量单边在20 mm以上，并且常常由于偏心，凸台等因素导致加工余量更大。这样要想提高加工效率，除了要更快地进行安装和调试工作以外，就需要提高切削速度增大切削深度和进给速度。但由于前述原因生产中使用的是干切削方式，这就极大地制约了切削参数的提高，当我们提高切削参数到一定程度的时候，就会发现切屑的颜色不再是铜合金的本色，而变紫或深蓝，这种情况显然是切屑温度过高，刀具的使用寿命将会大幅度下降，频繁换刀必然降低加工效率，也影响加工表面的质量。

1 MQL技术

为克服干式切削方式所造成的问题，我们试验采用了纯水微量喷雾冷却的方法，得到了较好的结果。该方法实际上是MQL技术的变异应用。MQL技术也就是最小量润滑技术，它是将压缩气体与极微量润滑、冷却液混合汽化后，向加工区喷射，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑和冷却。使用MQL技术液体用量非常少，而且应用得当时，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁并且干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境，故又称之为准干式切削。

在万吨桨的切削加工中，不希望使用含油切削液，并且由于工件材料特殊，刀具寿命的影响因素最主要的是切削温度，所以着重于采取措施降低切削区温度。于是考虑采用MQL技术原理，并以纯水为冷却介质，在端面和中孔的加工中使用纯水喷雾冷却技术。MQL技术中切削液供给方式有内部供给和外部供给两种，并且这两种方式都有较为成熟和完善的工业化实现方法，市场上都有现成的相关设备出售。考虑到万吨桨加工的实际使用情况和成本等原因，我们采用了自制的喷雾设备实现加工过程的喷雾冷却，并且采用外部供给方式。

2 纯水喷雾冷却的实现

实现纯水喷雾冷却就是设法把把微量纯水混入压缩空气中，形成雾状的气液两相流体，然后喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷却和润滑，雾化器是其中关键设备。对实现这一功能的雾化器及雾化系统在有很多文献中都有详尽方案。这些雾化方案经过试验证明都可以把冷却液充分雾化，并且各方案均考虑到了流量调节，能使喷出的雾化液的量在一定范围内调节，能够满足不同工况的使用要求。经过研究和对比我们综合采用朱颖、刘剑等人提出的雾化方案［1－2］，如图1。

3 使用效果

我们在8 m立式车床上加工直径为7 m的桨，试验了纯水喷雾冷却的效果。所设计的纯水喷雾试验系统的空气压力和进水量都可调，气源就采用车间使用的压缩空气，压力调节到0.7 MPa，调节进水量以调节喷出的水雾到适合状态，此时经过测试水的消耗量约为300 mL/h，在这种状态下喷雾系统的空气消耗量约为500 NL/min，采用TI300红外测温仪对切削区温度进行测量，并将干切削和采用纯水喷雾冷却的切削区温度和切削的表面质量以及刀具寿命进行对比。

在相同的切削参数的情况下，采用纯水喷雾冷却切削区温度有明显降低，比干切削可低150～180℃左右;喷雾方式和水雾的量对切削区温度都有影响，经过反复试验，在保持切削后表面在2 min内干燥的情况下，切削区温度至少可以降低150℃左右。同时由于高压水雾还具有清理切削区的作用，纯水喷雾冷却加工的表面质量从外观上看要比干切削更好。通过连续加工对比可以发现，纯水喷雾冷却切削刀具的寿命较干切削约可以延长约1.5倍。

4 结语

虽然传统的金属切削冷却方式有很多种，但在万吨桨的中孔和端面加工中，由于种种原因舍弃了传统的各种冷却的方法而采用干式切削，这一方面简化了加工过程，方便了切削加工和切屑的后续处理，消除了切削液的费用;另一方面却影响加工效率，降低了刀具的使用寿命和加工件的表面质量，所以有其明显不足。生产的快速发展，迫使企业不得不探索新型冷却方式，本公司结合生产实际采用的纯水喷雾冷却经过实际使用验证，具有较为理想的效果，水雾对操作人员健康无危害，对工作环境无污染，同时冷却效果好。相较于干切削，纯水喷雾冷却方式可以大幅度降低切削区温度，提高刀具使用寿命，提高切削加工生产效率和产品的加工质量。

另外，纯水喷雾冷却过程中由于两相射流对切削区有清理作用，减少了氧化皮、细切屑等对刀具的磨损，更有利于切削过程高质量进行;保持工作环境清洁，有利于保护操作者的身体健康。所以在万吨桨中孔和端面的加工中纯水喷雾冷却是一种较为适合的技术手段。

［1］朱颖，张汝春.金属切削加工喷雾冷却方法［J］.煤矿机械，2005(6).

［2］刘剑，缪佳兴.喷雾冷却技术及其应用［J］.工具技术，2004，38(11).

［3］胡增荣.纯水喷雾冷却在金属切削加工中的应用［J］.工具技术，2010，44(12).