微(wēi)量潤滑——精密高速沖壓的“渦輪”

深圳榮茂貿易有限公司——柳葉舟

·節約60%的油品消耗

·提高50%的生産速度

·100%無殘留潤滑

随着近幾年(nián)，汽車、電機、家電、五金(jīn)、儀表、通(tōng)信等行(xíng)業的迅速發展，市場需求量較穩定。因此，對沖壓件不僅在數(shù)量上(shàng)，且在品質上(shàng)對零件精度和(hé)表面質量的要(yào)求日益提高。尤其是沖壓行(xíng)業對高效、精密的技術(shù)需求，因此，對高速精密級沖壓機的研制已成必然。正如(rú)上(shàng)海(hǎi)交通(tōng)大學工(gōng)程院阮雪榆院士所講，高速精密沖壓技術(shù)“任重而道(dào)遠”。本文就微(wēi)量潤滑的特性對高速精密沖壓的作(zuò)用提出幾點論證。

微(wēi)量潤滑也叫最小量潤滑，英文為(wèi)Minimal Quantity Lubrication（MQL)，是一(yī)種金(jīn)屬加工(gōng)的潤滑方式，即通(tōng)過壓縮氣體(空氣、氮氣、二氧化碳等)與極微(wēi)量的潤滑油混合霧化後，形成微(wēi)米級的液滴，噴射到加工(gōng)區(qū)進行(xíng)有效潤滑的一(yī)種加工(gōng)方法。壓縮空氣的流速一(yī)般是12米/秒，當帶動微(wēi)米級液滴流動時(shí)，受油品粘度影響，速度會有所降低(dī)，400mm²/s粘度以內(nèi)的油品霧化後，流速不會低(dī)于6米/秒，相當于步距20mm的送料機以1800次/分的超高頻(pín)率工(gōng)作(zuò)時(shí)的平均速度，充分滿足高速沖壓的潤滑需求。有效數(shù)據顯示，高速沖壓機在微(wēi)量潤滑的幫助下(xià)，速度可(kě)從(cóng)500次/分提高到800次/分。

圖1:厚度9mm闆材沖壓——微(wēi)量潤滑解決方案

那(nà)麽，如(rú)何在沖壓設備高速運作(zuò)的狀态下(xià)保障模具內(nèi)凸模的使用壽命，是影響零件精度、質量及效率的主要(yào)因素。而潤滑，是這(zhè)些要(yào)素的關鍵點。衆所周知，高速精密級沖壓設備主要(yào)是通(tōng)過附着在材料表面的油液來降低(dī)沖針的磨損度，而随着沖孔數(shù)量的增多，模具長(cháng)度的加大，材料表面潤滑油的消耗會逐漸形成一(yī)種“供不應求”的狀态，模具後半部沖針的潤滑效果就會捉襟見(jiàn)肘。這(zhè)是因為(wèi)大部分潤滑設備隻能(néng)在給料系統後，進料口前進行(xíng)一(yī)次性的上(shàng)油潤滑，使盡可(kě)能(néng)多的油液覆蓋材料以便其經受更多沖針的“洗禮”。即便如(rú)此，油液在模具後半部分起到的潤滑作(zuò)用還是微(wēi)乎其微(wēi)的，因為(wèi)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(fèi)，這(zhè)些油量是過剩的。受限于材料的寬度、機床空間(jiān)條件，闆材所能(néng)承載的油量有限，且隻能(néng)在上(shàng)表面塗油，遇到部分沖針在凹模內(nèi)的特殊模具，潤滑目的将會更加難以實現；另外(wài)，由于沖壓設備在運轉時(shí)的閉合性，普通(tōng)的潤滑設備很(hěn)難在闆材進給的後續行(xíng)程中補充缺失的潤滑油，特别是為(wèi)了(le)迎合沖頭閉合頻(pín)率，随着給料速度的加快(kuài)，沖頭的閉合角度會越來越小，開(kāi)角的空間(jiān)也會越來越小。我們的經驗和(hé)實踐證明(míng)，盡管大部分精沖機使用的模具都(dōu)配備油槽，但(dàn)是成本較高，且油槽內(nèi)潤滑油的利用存在“真空”區(qū)，不如(rú)在材料表面直接潤滑的效果明(míng)顯。

綜合以上(shàng)高速精密沖壓的潤滑問(wèn)題，我們研究了(le)多種常見(jiàn)的沖壓潤滑設備，并結合這(zhè)些設備的特點，總結出潤滑方式的種類、特點及優劣性，具體如(rú)下(xià)：

一(yī)、 點滴潤滑：是最常見(jiàn)的一(yī)種方式，見(jiàn)圖2。适用于粘度較低(dī)的潤滑油，由泵體産生一(yī)定負壓束縛軟管內(nèi)的潤滑油，再将軟管垂挂在送料系統後，材料中心點正上(shàng)方，通(tōng)過重力引力與泵壓的差值來控制油液，以均勻的頻(pín)率滴落在材料上(shàng)；為(wèi)使油滴全面擴散至材料表面，使用者一(yī)般會在進料口前為(wèi)材料纏上(shàng)一(yī)圈棉布或海(hǎi)綿，通(tōng)過纖維的傳導性将油滴吸收後再傳輸到材料上(shàng)。

優勢：

1、 安裝成本十分低(dī)廉、操作(zuò)簡單；

2、 常見(jiàn)于小噸位、速度适中、材料較薄的普通(tōng)沖床；

劣勢：

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

2、對沖壓速度的限制：油滴頻(pín)率無法太快(kuài)，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(fèi)；而且，“油流狀态”下(xià)潤滑油的消耗是非常大的；

3、由于纖維的不規則性，油液傳輸到材料上(shàng)也會分布不均勻，材料表面一(yī)部分呈現潤滑量不足，在沖針對這(zhè)些區(qū)域進行(xíng)沖剪、拉深等作(zuò)業時(shí)，磨損的程度會較平時(shí)大很(hěn)多，造成模具壽命的不穩定性。另一(yī)部分呈現潤滑量過剩，表面過厚的油層通(tōng)過陽膜擠壓會溢散到模具內(nèi)死角，污染外(wài)部工(gōng)作(zuò)台，長(cháng)時(shí)間(jiān)下(xià)來，纖維吸附了(le)粉塵及灰塵後，導緻不純淨的油凝結在機床內(nèi)部，不易清洗，不僅造成油品的浪費(fèi)，還會産生額外(wài)的機床維護保養成本。

圖2：典型的點滴式潤滑裝置——微(wēi)型精密産品的高速沖壓

二、 噴槍潤滑：與點滴潤滑結構相似，區(qū)别在于可(kě)以通(tōng)過高壓，将粘度很(hěn)高的油品打在進料口處，可(kě)還是會利用海(hǎi)綿布進行(xíng)擴散處理。

    優勢：

1、 可(kě)應對高粘度潤滑油，如(rú)沖壓拉伸油；

2、 适用于一(yī)些需要(yào)熱(rè)處理的油脂、油膏等常溫下(xià)呈固态的潤滑品；

    劣勢：

1、 安裝及使用成本比點滴式潤滑設備高，其他(tā)缺陷相同；

2、 使用高粘度潤滑品時(shí)，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(hǎi)棉布的結合形式。在進料口端，材料上(shàng)下(xià)各有一(yī)圓柱形滾筒，油管終端連接到滾筒內(nèi)部，将滾筒表面包裹的海(hǎi)綿布由內(nèi)到外(wài)的進行(xíng)“濕潤”處理，從(cóng)而達到闆材上(shàng)下(xià)表面的潤滑效果。

    優勢：

相比簡單的在材料表面纏一(yī)層海(hǎi)綿布，滾軸潤滑效果較均勻，隻要(yào)保證一(yī)定的注油頻(pín)率，滾軸上(shàng)的油液始終是充足的，且當給料停止時(shí)，同步停止注油，由于纖維的吸油性良好，滾軸上(shàng)飽和(hé)的油液也不會滴落形成浪費(fèi)。

    劣勢：

1、安裝條件限制：滾軸尺寸根據機床所加工(gōng)的最寬材料尺寸而定，要(yào)求有一(yī)定的安裝空間(jiān)，必須保證送料系統與進料口之間(jiān)有一(yī)定的“峽谷式”間(jiān)隙。而為(wèi)了(le)保證更高的送料精度，特别是在精密微(wēi)型産品的沖壓線上(shàng)，大部分情況下(xià)材料都(dōu)是緊貼陰模上(shàng)端沿水平方向傳輸，如(rú)圖2所示，隻能(néng)夠從(cóng)上(shàng)面進行(xíng)單面潤滑。這(zhè)種類型的沖床，往往在沖壓後段存在對材料潤滑不足的問(wèn)題。——無法适用于小型高速沖床

    2、速度限制：當沖床加快(kuài)到一(yī)定速度後，滾筒的潤滑油消耗會比潤滑油補充速度快(kuài)，而且海(hǎi)綿布上(shàng)的油會因離心力作(zuò)用而被“甩出”，造成浪費(fèi)且污染工(gōng)作(zuò)台；另一(yī)原因則是高速的滾動狀态所産生的振動可(kě)能(néng)會影響給料精度。所以，滾筒潤滑一(yī)般隻适用在速度中下(xià)的沖壓設備上(shàng)

四、微(wēi)量潤滑：

作(zuò)為(wèi)世界上(shàng)最早（1945年(nián)）從(cóng)事微(wēi)量潤滑的企業，德國(guó)惠潤（HPM）科技有限公司在沖壓領域已為(wèi)全球超過15000家企業提供了(le)專業服務和(hé)解決方案，特别是在汽車、電子及航空行(xíng)業。2009年(nián)，德國(guó)惠潤（HPM）公司榮獲德國(guó)TOP100Top-Innovator（德國(guó)頂尖創新獎）。

針對傳統三類潤滑方式的不足之處，我們的解決之道(dào)是：

圖3：控制模塊置于機床外(wài)部

圖4：噴頭組延伸到內(nèi)部對模具或輸送帶實時(shí)潤滑

特點：

1、易操作(zuò)：由于采用模塊化設計，德國(guó)惠潤（HPM）微(wēi)量潤滑系統(MQL)可(kě)以單獨或組合應用于多種場合，隻需将噴頭固定在需要(yào)潤滑的加工(gōng)位置即可(kě)。

2、環境保護：我們以綠(lǜ)色制造為(wèi)服務理念，視(shì)工(gōng)人(rén)的健康安全為(wèi)首要(yào)前提，将氣壓控制在1~2.5bar，在保證噴霧速度的同時(shí)，降低(dī)了(le)油霧的擴散力，使油霧形成一(yī)層均勻地(dì)油膜附着在材料上(shàng)，不會産生浪費(fèi)，避免了(le)環境的污染。

3、節約油耗、均勻潤滑：系統電磁閥可(kě)與沖床角度信号實時(shí)聯動，在材料進給時(shí)能(néng)确保精确噴霧。潤滑油的用量一(yī)般僅為(wèi)15～25ml/h，相當于傳統潤滑設備的30%用量。

4、提高産品質量：由于采用熱(rè)阻溫度達350℃的冷(lěng)卻介質，可(kě)有效減小沖針、工(gōng)件及切屑三者之間(jiān)的摩擦，防止粘結，大大延長(cháng)了(le)模具的使用周期，也提高了(le)加工(gōng)産品表面的質量。

5、提高沖壓速度：油霧的傳輸速度最低(dī)可(kě)達到6米/分，即使是瑞士bruderer的超高速精沖機，德國(guó)惠潤（HPM）微(wēi)量潤滑也能(néng)保證闆材的實時(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(kě)以從(cóng)模具外(wài)側向內(nèi)進行(xíng)補充潤滑，這(zhè)也是針對大多數(shù)精沖機的解決之道(dào)。

綜上(shàng)所述，從(cóng)潤滑方式的優點來看(kàn)，我國(guó)沖壓領域在對材料的潤滑效果上(shàng)是不斷提高的，更好的潤滑效果意味着模具使用周期更長(cháng)，為(wèi)更快(kuài)的沖壓頻(pín)率提供安全保障，使設備有效工(gōng)作(zuò)時(shí)間(jiān)更長(cháng)，産品在沖針磨損度低(dī)的情況下(xià)質量更高，企業因而産能(néng)增加。這(zhè)一(yī)切的前提，都(dōu)起源于“理想潤滑效果”的穩定性。

我們從(cóng)劣勢的種種情況可(kě)以看(kàn)出，潤滑設備在演變的過程中，所帶來的問(wèn)題大都(dōu)表現在速率限制、空間(jiān)限制和(hé)維護周期這(zhè)三點上(shàng)。

    1、速率限制：是三種潤滑設備共存的問(wèn)題，即當給料或沖軸閉合頻(pín)率過快(kuài)時(shí)，潤滑效果呈幾何式下(xià)降，導緻在很(hěn)多擁有先進沖壓設備的企業裏，工(gōng)人(rén)即使面對好的機床，但(dàn)卻不敢開(kāi)的過快(kuài)而損傷模具和(hé)材料。因此，速率限制是造成“理想潤滑效果”不穩定的最大因素。

2、空間(jiān)限制：雙夾式滾筒的雙面潤滑是目前看(kàn)來效果最佳的潤滑設備，能(néng)滿足沖壓行(xíng)業最佳的潤滑效果。然而，滾軸要(yào)求的安裝空間(jiān)較大，一(yī)般隻能(néng)适用在材料寬度較大的高噸位沖壓機上(shàng)，在更換較窄材料時(shí)，定制的滾軸還會因為(wèi)與材料的接觸面過剩而浪費(fèi)潤滑油。三種潤滑設備都(dōu)僅在進料口處進行(xíng)潤滑，為(wèi)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(shàng)，應該可(kě)以考慮在進給潤滑的同時(shí)，向模具內(nèi)部進行(xíng)補充潤滑。

    3、維護周期：模具使用久了(le)，需要(yào)保養、換模。根據模具的尺寸規格，潤滑油的效果，模具維護周期也不一(yī)樣。優質的沖壓油不僅在潤滑性能(néng)上(shàng)表現較優秀，且在揮發性上(shàng)也很(hěn)理想，便于模具的清洗。模具的使用壽命和(hé)周期越高，企業所需的備用模具數(shù)量就越少(shǎo)，更換次數(shù)也越少(shǎo)，對生産成本的管控及效率的提升亦起到至關重要(yào)的改善作(zuò)用。

    補充潤滑油的速度跟不上(shàng)材料進給的速度，就像後勤跟不上(shàng)主力部隊。“後勤”需要(yào)換一(yī)種“快(kuài)速”地(dì)輸送方式，這(zhè)種輸送方式應該像機車一(yī)樣不被交通(tōng)堵塞所影響，并且，還能(néng)兼容“汽油”、“柴油”等不同的介質。

如(rú)果能(néng)解決此三類困難，那(nà)麽沖壓行(xíng)業必将迎來高效、節約、綠(lǜ)色的新時(shí)代。而這(zhè)個領域，就是微(wēi)量潤滑的專屬領域。

   

圖3：德國(guó)惠潤（HPM）替代傳統潤滑方式——小型高速開(kāi)式沖床

為(wèi)了(le)确保沖壓産品的表面光(guāng)潔度，我們HPM自(zì)我研發了(le)SURVOS及SAMNOS水基（無油）潤滑液，針對銅、鋁、鋅、鋼等材料達到100%無殘留效果，可(kě)以省去後續的清洗及甩幹工(gōng)序。同時(shí)，考慮到材料寬度、厚度及模具的特殊結構，我們還研制了(le)多種針對複雜(zá)環境的噴條及小型噴頭。

360°旋轉型雙噴頭組	前端可(kě)延長(cháng)——針對狹小空間(jiān)
噴條覆蓋面積
整套TCJ标準型微(wēi)量潤滑系統實物(wù)

結束語：

    微(wēi)量潤滑系統噴嘴呈15°圓錐角噴出油霧，單個噴嘴能(néng)夠形成300mm²直徑的圓形油膜，最佳工(gōng)作(zuò)距離在100mm至300mm之間(jiān)；通(tōng)過提高潤滑油在闆材表面的均勻度，使其在有限平面範圍內(nèi)更持久的發揮潤滑作(zuò)用，是微(wēi)量潤滑系統的基本概念。系統最高可(kě)應對2300mm²/s粘度的油品，經測試，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(wèi)15-25ml/h，節約60%的油品成本。

獨立的噴頭模塊，能(néng)夠固定在模具兩側，并根據角度信号實時(shí)向模內(nèi)注油，對潤滑難以實現的部位進行(xíng)全面潤滑。

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