高速加工中心刀具微量润滑、冷却系统改造

陈彦君 霍卫军 耿海洋 马喜权

(中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035)

刀具微量润滑、冷却系统是高速加工中心的重要组成部分，其性能直接影响机床的生产效率、刀具的使用寿命和加工工件的精度。

笔者公司有2 台济二高速龙门加工中心，主要承担动车组端墙、端墙柱等零部件加工。切削参数:主轴转速一般在10 000～12 000 r/min，刀具直径为65 mm，刀具长度在300 mm 以上。由于加工过程中，主轴转速较高，切削区域振动较大，刀具润滑、冷却不均匀或不充分造成刀具刀尖软化、粘结、刀具磨损增大，寿命降低1/2。同时积屑易附着在刀具的表面，致使工件的局部温升过高，切削深度过大，加工工件精度不合格。因此必须对此刀具微量润滑、冷却系统进行改造，以达到高速、高精度的加工目标。

1 单通道微量润滑、冷却系统

1.1 单通道微量润滑、冷却系统原理

微量润滑、冷却系统原理:压缩空气产生的高速气流，将液态润滑油吹碎成微米级的油颗粒，形成空气与油颗粒的混合体即油雾，油雾粒子随压缩空气喷射到加工表面，起到润滑、冷却作用。微量润滑油的雾化、传输方式有两种:单通道微量润滑、冷却系统和双通道微量润滑、冷却系统。

单通道微量润滑、冷却系统:首先压缩空气与润滑油经单独雾化装置雾化，然后油雾通过一个通道传输到喷嘴处，对加工区域进行冷却。压缩空气和润滑油在通过机床主轴之前混合。此油雾传输系统结构简单、操作方便。适用油雾传输距离短，主轴内部结构复杂，主轴转速≤16 000 r/min 的中、低速切削加工(主轴转速越高，产生的离心力也越大，会导致已混合好的油气再次分离)。

1.2 单通道微量润滑、冷却系统的缺陷

济二加工中心采用单通道系统微量润滑、冷却原理，将油和压缩空气混合在一个直径大约150 mm、容积为6 L 的储油罐中。油罐上部是压缩空气，下部是润滑油，靠压缩空气压力将油喷出。由于储油罐直径较大，开启刀具喷雾时，压缩空气压力不能将润滑油按设计要求，稳定、微量喷出。若储油罐中润滑油较多时，喷嘴处会有大量油雾喷出，6 L 的润滑油十几分钟内就会喷完，造成浪费。储油罐中润滑油较少时，喷嘴处只有风吹出，并伴有少量的油滴流出，无法起到润滑、冷却作用。刀具喷雾装置安装在刀具横梁上部，其与主轴端面距离为十几米。油雾从刀具喷雾装置的出口至喷嘴处距离太长，油管直径较大为10 mm。油雾在输送过程中变成油滴，造成喷嘴处有油滴流出。油雾管路铺设复杂，冗长，管接头较多，系统有微小的泄漏，无法保证加工时，喷嘴有连续油雾喷出。

制造厂家技术人员对此油雾润滑装置进行多次调整、改造仍无法彻底解决以上设计缺陷，难以满足加工工艺要求。所以需要对刀具冷却系统重新进行设计。

2 设计双通道微量润滑、冷却系统

2.1 双通道微量润滑系统原理

压缩空气和微量润滑油通过两个独立通道，传输至喷嘴处。里面小通道为微量润滑油，外部大通道为压缩空气。没有单独的雾化装置，在靠近喷嘴处(雾化区)利用喷嘴进行雾化，将雾化润滑油喷射到切削区。此系统可精确控制润滑油量，降低消耗成本。系统反应速度快，油雾可在瞬间喷射到切削部位，大大提高切削速度(机床转速最高允许为40 000 r/min)。为此采用双通道微量润滑系统对机床进行改造。

2.2 双通道微量润滑、冷却系统设计方案

首先精密控制润滑油量:将润滑油箱放在最佳微量装置的顶部，润滑油靠自重进入PMC(Precise Metering Control)微量控制器(见图1)。润滑油量靠调节旋钮1P1 调节。压缩空气压力0.4～0.45 MPa 进入频率发生器1F1，调节压缩空气工作的频率，范围0～1.5(当此数值为0.5 时:一个工作循环2 s)。此压缩空气进入PMC 微量控制器的活塞油泵将润滑油推出。油泵工作循环频率(循环次数/s)由1F1 调节。每个工作循环推出液压油的体积由1P1 调节(1P1 分6 个档次，每个档次又分0～100 刻度线)。经以上两次调节润滑油滴(可精确到0.01 cm3)被油泵推出微量控制器，流入φ3 mm×0.5 mm 传输管。此微量油滴经压缩空气、油连接装置，将油管φ3 mm ×0.5 mm 套在主压缩空气管φ8 mm×1.25 mm 内，使压缩空气、油分别沿各自的管路传输到喷嘴处。选用特殊喷嘴，在喷嘴处润滑油管内径收缩至φ0.5 mm，压缩空气管路截面积缩小十几倍，大大提高了其传输速度。在喷嘴出口处压缩空气流将微量油打成油雾颗高速吹向加工区域，带走切削区域的热量对切削刀刃进行润滑、冷却。

2.3 管路系统设计

风动系统:压缩空气经两级过滤后，进入微量润滑系统，电磁换向阀控制系统开启、关闭。并设有压力、流量调节机构。确定了最佳的冷却油输送距离，将刀具微量冷却控制安装在Z 轴滑枕上，缩短了管路的长度。在加工环境允许的条件下尽量缩短此装置与加工区域的距离L，一般L≤2.5 m 效果最佳。减少、甚至消除油管、压缩空气管的泄漏，缩短传输时间。根据材料、切削参数，设计了两套刀具冷却传输管路，分别调节润滑油量(1P1、2P1、1F1、2F1)、压缩空气量(1V1、2V1)的大小。实现对长刀具和短刀具分别进行润滑、冷却。既降低润滑油量、压缩空气量的消耗，满足环保要求，又提高了加工效率和加工精度。达到最佳润滑、冷却效果。下面为频率发生器F、润滑油量调节旋钮1P1 的推荐数值(见表1)。

表1 推荐数值

2.4 电气系统设计

本次设计修改了电气控制系统、设计了PLC 程序。在原有的数据块中加装梯形图，在PLC 输入、输出模块中设定控制点。设置操作面板上的按键K1控制电磁换向阀73Y1，开启、关闭长刀具冷却系统。按键K2 控制电磁换向阀74Y1，开启、关闭短刀具冷却系统。在自动加工或MDA 方式时，用M7 控制长刀具冷却开启，M8 控制短刀具冷却开启，M9 控制长、短刀具冷却关闭。程序内的地址的符号及解释见表2。

3 油雾冷却的程序控制逻辑

图2 是对M320.0 的置位控制，当机床启动正常后，此时M2.7=1。当按下长刀冷却启动键K1，I7.3=1，或者在自动方式及MDA 方式下执行M7 指令时，在一个扫描周期内DB21.DBX194.7=1，都会使M320.1 产生一个上升沿的脉冲，从而置位M320.0，使M320.0=1。

图3 是对M320.3 的置位控制，当机床启动正常后，此时M2.7=1。当按下短刀冷却启动键K2，I6.6=1，或者在自动方式及MDA 方式下执行M8 指令时，在一个扫描周期内DB21.DBX195.0=1，都会使M320.4 产生一个上升沿的脉冲，从而置位M320.3，使M320.3=1。

表2 程序内的地址符号及解释

图4 是对M320.0 的复位控制。复位控制分为3种情况:第一种情况，当正在进行长刀具冷却时，此时Q56.4=1。当按下长刀具冷却启动键K1，I7.3=1，或者在自动方式或MDA 方式下执行M9 指令时。在一个扫描周期内DB21.DBX195.1=1，都会使M320.2 产生一个下降沿的脉冲，从而复位M320.0，使M320.0=0。第二种情况，当机床启动不正常时，如紧急停止，此时M2.7=0，则直接复位M320.0，使M320.0=0。第三种情况是在自动方式或MDA 方式下通过I3.7 复位M320.0，在自动方式或MDA 方式下，当正在进行长刀具冷却时，此时DB11.DBX6.0=1 或DB11.DBX6.1=1，当按下复位键时I3.7=1，直接复位M320.0，使M320.0=0。

图5 是对M320.3 的复位控制。复位控制分为3种情况:第一种情况，当正在进行短刀具冷却时，此时Q4.6=1。当按下短刀具油雾冷却启动键K2，I6.6=1，或者在自动方式及MDA 方式下执行M9 指令时，在一个扫描周期内DB21.DBX195.1=1，都会使M320.5 产生一个下降沿的脉冲，从而复位M320.3，使M320.3=0。第二种情况，当机床启动不正常时，如紧急停止，此时M2.7=0，则直接复位M320.3，使M320.3=0。第三种情况是在自动方式或MDA 方式下通过I3.7 复位M320.3，在自动方式或MDA 方式下，当正在进行短刀具冷却时，此时DB11.DBX6.0=1 或DB11.DBX6.1=1，当按下复位键时I3.7=1，直接复位M320.3，使M320.3=0。

图6 是对Q5.3 及Q56.4 的控制。在机床启动正常的情况下，此时M2.7=1。当M320.0=1 时，Q5.3=1，Q56.4=1。则控制长刀具冷却的电磁阀73Y1 得电，电磁阀芯动作，喷嘴出口有油雾喷出。此时按键上方的指示灯亮，指示正在进行长刀具油雾冷却。当M320.0=0 时，Q5.3=0，Q56.4=0。则控制长刀具冷却的电磁阀73Y1 失电，电磁阀芯复原，切断油雾。此时按键上方的指示灯灭，指示长刀油雾冷却停止。

图7 是对Q4.6 及Q56.5 的控制。在机床启动正常的情况下，此时M2.7=1。当M320.3=1 时，Q4.6=1，Q56.5=1。则控制短刀具冷却的电磁阀74Y1 得电，电磁阀芯动作，油雾喷射到刀具上。此时按键上方的指示灯亮，指示正在进行短刀具油雾冷却。当M320.3=0时，Q4.6=0，Q56.5=0。则控制短刀具冷却的电磁阀74Y1 失电，电磁阀芯复原，切断油雾。此时按键上方的指示灯灭，指示短刀油雾冷却停止。

4 结语

经反复实践，此双通道刀具微量润滑系统，性能稳定、可靠。可达到精确、微量润滑、冷却效果，大大降低润滑油的消耗，节约成本，显著提高加工中心生产效率和工件的加工精度。

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