汽車動力傳動系統加工的微量潤滑(MQL)

2022-05-24 12:05:39 adminbenshen

摘要


本文從工業和學術的角度總結了汽車動力系統加工中微量潤滑(MQL)技術的進展和挑戰。MQL是指以霧的形式將少量的切割液應用到切割區,而不是淹沒工件。消除冷卻劑系統,大大節省了能源和設備,搬遷機器的靈活性,減少了廢物流和地板空間,以及更清潔和更健康的工作環境。福特汽車公司已經展示了這些優勢,目前在許多全球變速器和發動機工廠擁有超過400個MQL數控加工中心,運行MQL業務,并計劃在全球為新項目進一步實施。實現100%實現的技術挑戰包括工具設計、交付系統、芯片管理和熱相關問題,特別是在高能密度過程和難以加工的金屬中,如深孔鉆孔和壓實石墨鐵(CGI)。本文綜述了MQL加工的現狀和局限性,并突出了汽車動力系統加工中下一代MQL技術的研發機遇。


  1. 介紹

    最小量潤滑(MQL),如其顧名思義,在機械加工過程中使用最小量的金屬工作流體(MWF)來實現潤滑。這項技術在過去的十年中已經徹底改變了汽車動力系統的生產。隨著汽車、機床、工具和流體輸送系統制造商之間的密切合作,MQL已經在多個全球工廠展示了更好的質量、更高的生產力、環境影響最小、更低的運行健康問題、減少水和溫室氣體排放和減少能源消耗,從而導致更低的整體成本。德國政府發布的一份名為“明天生產研究”的項目的官方報告,博世和戴姆勒等幾家大公司都表示,MQL的能力和節省成本的[1]。在北美,福特汽車公司動力總成制造公司于2005年5月推出了第一個MQL大規模生產計劃。從那時起,閥體、變矩器外殼和變速箱箱已經在兩個北美傳動工廠用這種綠色工廠的方法進行加工。由于這項技術的成功和上述好處,MQL是福特標準的工藝清單(BOP)加工方法,用于鋁傳動棱柱部件、灰色鐵和鋁發動機塊、鋁發動機頭、曲軸油和交叉孔。防噴器包括解釋特定產品的制造流程的詳細計劃,包括工藝順序和資本設備。對于全球任何新的福特動力系統加工設施,機械,設備布局,配置、工具和說明都是基于MQL操作構建的。


    可持續發展是MQL[2]提供的主要優勢之一。加工工藝的可持續性受到其相關MWF技術的嚴重影響。全球研究始于20世紀90年代初,旨在研究降低與傳統洪水冷卻劑方法相關的成本和環境影響的技術。傳統的機械加工過程使用洪水冷卻來潤滑刀具,去除碎屑,并減少工件、夾具和機器的熱膨脹。洪水MWF是一種水和“油”的乳液——典型的合成配方。流量通常為約20L/min,以高達約70巴(或1000psi)的壓力輸送到切割區。洪水MWF系統需要重要的工廠基礎設施來交付、復墾、過濾、冷卻和廢水處理。此外,該系統需要不斷的監測和處理,以控制液體濃度,并避免真菌和細菌的生長。在全球范圍內,制造商目前每年消耗超過20億升的水基和直油mwf,這創造了對不可再生原料[3]的巨大需求。在福特的幾家動力系統工廠進行的一項研究發現,每年冷卻劑的使用量超過500萬加侖,花費數百萬美元[4]。為了解決這些問題,人們對進行干或接近干的機加工操作的興趣穩步增加;因此開發了MQL技術。


    MQL加工采用霧的形式的MWF(與壓縮空氣),并通過主軸輸送到工具工件界面,以最大限度的潤滑和冷卻。與傳統的濕式工藝相比,MQL只需要10-100毫升/小時,這取決于特定的切割操作。銑削、車削和鉆孔的基礎研究證實,MQL在銑削、鋁、鑄鐵等中范圍切削過程中,甚至更好。[5-6]。然而,由于熱引起的問題,對于高速、高能切割,在技術上仍然具有挑戰性,特別是硬金剛金屬,如壓實石墨鐵(CGI)、鈦合金和鎳基合金。為了使MQL100%實現,汽車行業已經開始更積極地參與MQL的研究,并與學術機構合作,以開發下一代生產過程。


    工業經驗表明,MQL在電力消耗、環境(排放、廢物)、切屑回收價值、安全和靈活性方面的優勢,以及熱問題(擴展、磨損、點火)、工具開發(通過主軸/工具)和切屑去除等主要挑戰。這些信息在工業界是眾所周知,但很少分布到學術界和普通人群。因此,本文旨在基于工業經驗(Ford)和公共領域的學術研究,總結關于MQL的現狀和未來發展方向的知識。在本文第二部分,首先介紹了福特實施MQL的歷史背景,以反映汽車行業的快速變化。然后是對幾個領域的優勢的定量測量。第3節介紹了生產級MQL系統和進步,因為它是MQL實現的一個重要因素。最后,挑戰和導出的研究機會。第四節是最后的結論。


  2. MQL在汽車工業中的實施

    福特于20世紀90年代,開始研究鋁材料的傳統洪水冷卻劑加工技術的替代品。在美國,福特參與了一個合作項目,尋求完全消除冷卻劑,目的是實現鋁的完全干燥加工。(注:許多黑色部件的加工操作都干燥且保持干燥。)在同一時期,歐洲正在進行一個合作項目,探索MQL技術。完全干加工在制孔操作(鉆孔、再孔和敲擊)方面并不成功,但MQL在這類切割操作中是成功的。然后,開發工作集中于“工業化”MQL技術,并解決大容量生產所需的眾多工藝要素(例如,切屑管理、機器和部件的熱管理策略、MQL流體輸送的優化工具設計、MQL交付系統設計優化和可靠性改進,以及粉塵/霧管理)。這一發展是通過21世紀初廣泛的實驗室試驗和一系列小規模生產試點來推動的。


    MQL被廣泛應用的第一個汽車加工操作是在21世紀初的曲軸油和橫孔鉆孔。大多數其他曲軸粗加工操作是干燥的。在此應用中,MQL鉆井可以以顯著更高的滲透率進行,減少了周期時間和機器投資。MQL的實現相對簡單,因為該操作通常是在專用設備上執行的,而無需更改過程中的工具。


    福特從2005年開始將MQL應用于鋁傳動部件,到2008年,在北美的兩家工廠有超過200個MQL加工中心,加工鋁傳動外殼、變矩器外殼和閥體。MQL加工是福特目前對這些部件的標準加工方法,并正在全球新的大體積加工生產線中實施。2011年,福特開始在歐洲的兩家工廠加工鋁發動機頭和鑄鐵發動機塊;與變速器一樣,MQL現在是加工鑄鐵發動機塊和鋁發動機塊和頭的主要標準方法,盡管濕式加工仍用于一些專門的操作。巴西和中國正在安裝新的發動機MQL模塊。


    在全球汽車動力系統加工中,MQL橫孔鉆孔是大多數大容量曲軸應用的標準。鋁發動機塊和頭以及鋁傳動箱的MQL加工在德國比在北美更廣泛。MQL在日本也被廣泛使用,但具體安裝的細節往往無法獲得。福特未來的戰略是將MQL加工擴展到其他業務,它們提供了顯著的好處。目前正在研究的擴展領域包括CGI發動機砌塊加工、熱噴涂發動機孔加工和鋁深孔鉆孔。


  3. 益處

    MQL的主要好處包括成本、能源消耗、環境和切屑回收,這些都將單獨總結如下。


    a.    成本

    MWF相關成本包括設備、處理、處置和安全,是機械加工部件整體成本的重要驅動因素。在動力系統運營中,與MWF相關的成本在總制造成本的10-17%之間。一個對變速箱外殼的案例研究表明,冷卻劑相關的成本高達每單位2美元(不考慮折舊)。通過比較兩個相同的傳輸模塊進行10年周期分析,包括停機成本、維護、運行成本和地板空間,研究顯示在一個專用的MQL機床上節省了15%以上,如圖1所示。



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    圖1    針對特定傳動部件濕法與MQL加工的生命周期分析


    傳統的MWF系統由過濾設備、冷水機、管道和泵組成;因此,節省成本的主要原因是消除水基MWF。MQL設備的資本投資和年度運營成本可以通過較低的MWF、用水量、減少過濾介質和處理、減少壓縮空氣使用和減少廢水處理來抵消。其他節省包括減少空氣排放,處理潮濕、受污染的芯片,以及所有電力消耗。


    b.    能源

    濕式數控機床中最大的能耗是切割工藝(~25%)、MWF系統(30-40%)和壓縮空氣(15-20%)。MWF相關的能耗在所有的加工過程中都是重要的。圖2顯示了濕過程和MQL之間的理想能量圖。在傳統的濕式加工中,能耗大多是固定的,只能通過提高切割效率和減少循環時間來降低。然而,對于MQL,與MWF相關的能量不再存在,這將自動節省能源。隨著主軸和工具設計的進步,MQL加工在許多應用中可以獲得比濕法更高的吞吐量,特別是在鋁加工中。例如,一項比較使用槍鉆和透刀扭鉆鉆曲軸(球墨鑄鐵)油孔的研究表明,在更高的穿透率下,MQL可以產生相當于槍鉆的工具壽命。結果表明,雖然切割時的加工功率和空氣輸出可以增加,但整體能量隨著循環時間的增加而減小,如圖2(b)所示。然而,與濕式加工相比,MQL需要增加壓縮空氣的使用,這可能會降低通過循環時間和MWF泵送改進所獲得的能源效益。



      

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    圖2    (a)濕和(b)MQL相同工藝的能量消耗(來源:Horkoscorp)的說明。


    c.    環境與安全

    用MQL加工通常被認為是一個低排放的過程,因為與濕加工相比,吸入空氣或皮膚上的MWF暴露減少。一個潛在的問題是由于高溫MQL加工的分解和熱解產物。一項研究,由德國政府,測量排放在MQL將鋼左輪手槍螺母和潮濕條件下證實,濃度超過95%的地區不到一半的洪水MWF基線值和遠低于可吸入分數的閾值(10mg/m3空氣),如圖3(a)所示。對于MQL本身,一個單獨的工作臺式測試發現,薄的低粘度潤滑劑(<20mm2/s)產生高發射值,如圖3(b)所示。排放水平也與進入系統的流體量成正比,因此優化一定加工工藝的流量可以進一步提高空氣質量。



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    圖3    加工過程中氣溶膠排放的比較(a)濕和(b)MQL及不同MQL粘度


    對于職業安全的空氣過濾要求,MQL產生細氣溶膠霧,通常小于5μm或亞μm,根據通用汽車的一項研究,與粒徑為5-10μm的濕式加工相比。小液滴在空氣中停留的時間更長,更容易被吸入人體,也更難用霧收集器去除。因此,需要一個高效的顆粒吸收(HEPA)過濾器來捕獲蒸汽和煙霧。此外,這種整潔的油系統將需要火花停止和滅火。注意,在MQL下,液滴尺寸并不恒定;它根據加工設置、流體流量和流體粘度[10,11]而變化。


    在福特,一項關于三種材料(鋼、鑄鐵和鑄鋁)的研究,由于集中熱,這被認為是MQL應用中最糟糕的情況。從加工區、過濾排氣區和工廠空氣中收集空氣樣本進行檢查。工廠空氣中的總空氣顆粒濃度至少比福特最低職業暴露限值(OEL) (1 mg/m3)和美國職業安全與健康管理局(OSHA)許可暴露限值(5mg/m3)低一個數量級。對于工廠空氣中存在潛在危害的化合物,檢測到的揮發性有機化合物(揮發性有機物)的濃度比它們各自的oel值低50倍。檢測到的多環芳香烴(PAH)的濃度一般比OELs低幾個數量級??偟膩碚f,生產空氣過濾能夠去除98-99%的顆粒和碳氫化合物排放,這為MQL工廠提供了一個合適的工作環境。


    d.    切屑回收

    金屬切屑加工是制造中收集和處理回收金屬廢物(如切屑)的常見做法。切屑重新融化的收入通常是工廠運營預算的一個重要組成部分。在濕式加工中,切屑通常必須在運輸到再熔機之前進行干燥,以避免污染道路。切屑干燥很昂貴,因為它需要能源和地板空間。


    在MQL加工過程中,生產的金屬切屑幾乎干燥,幾乎干凈。這些幾乎干燥的芯片不需要干燥,因此會給工廠帶來更多的凈收入。


    e.    MQL系統和工具的設計

    已經為MQL應用程序開發了各種硬件系統。根據輸送到切割現場的設置,潤滑油可以使用外部噴嘴或通過主軸內部通道。外部供應易于使用、實現,不需要特殊的工具;然而,由于工具隱藏在工件內部或后面,它不足以進行深度加工。此外,它需要手動調整,以適應不同的工具,以確保油覆蓋在前沿。在大容量制造中,霧通常通過主軸和刀具在內部輸送。這種方式就提供了最大限度的潤滑。系統的主要關注點是油和空氣霧化效果會影響通過主軸的輸送,氣溶膠的長距離輸送,加上輸送途徑會受到慣性力和離心力的影響,霧的質量是不易穩定的,特別是刀具內孔較小時。研究還表明,由于更好的潤滑和散熱,在加工工藝中首選更細和穩定的霧。外噴系統適用于龍門機床、鋸切加工等。因為這些過程不需要對已加工的尺寸和可加工性進行精確的控制。


    福特目前正在使用這種類型的內部通道系統來加工鋁棱柱形部件,如傳動箱和閥體。確保輸送的霧更細、更均勻,特別是對于離心力變得顯著的高主軸速度。此外,系統在切割之間改變工具或在切割期間改變流量時,延遲時間必須足夠短,這有利于運行多種工具的加工中心。


    工具設計是MQL進步的另一個因素,因為油霧必須達到所有的切割邊緣,特別是在多步驟的工具中。通過主軸應用是常見的鉆、鉸和銑削。當應用于MQL時,鉆機的冷卻液孔的現有端口需要重新設計,以幫助將霧輸送到整個切削面,以建立和防止熱損傷。確保對所有邊緣的適當潤滑比對濕式工具要困難得多,而且通常需要試錯試驗,以確定所需的流體通道尺寸和角關系。對于模塊化刀具,在加工MWF通道時需要進行具體的設計,以確保霧的質量。這些孔通常由EDM加工,并根據直徑進行優化、分支,和出口位置的最大霧輸出。一般規則匯總見表1。實際上,由于先進的工具開發技術和經驗,供應沒有困難。


    表1關于MQL的跨工具通道設計的規則(資料來源:Komet)



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    為了確認適當的霧的產生,噴霧圖案試驗是工業上一種簡單和常見的方法來檢查該工具。樣品工具放置在機器的主軸(MQL)中,當工具旋轉時,綠色或藍色表面位于工具前面、下方或周圍約1.3mm。如果噴霧圖案與切割邊緣的位置緊密對齊,那么該工具很有可能能夠正常工作。


  4. 挑戰和新技術

    MQL的瓶頸分為四個領域:深孔鉆孔、能源密集型工藝(如研磨)、難加工金屬(如鈦、鎳基合金、熱噴涂涂層)以及特殊操作,如研磨和小孔鉆孔。雖然據報道MQL提供了優越的潤滑,但它通常不具有與濕式加工相當的冷卻和切屑清除能力。如果沒有大量的MWF,積累的熱量會磨損工具和熱扭曲零件。如果沒有MWF沖洗切割區,切屑可以很容易地積聚并堵塞在狹窄的操作區域。因此,這些問題可能成為限制上述領域中MQL應用程序的主要障礙。


    深孔鉆孔(DHD)通常是指孔徑比大于10的孔。常見的操作包括發動機塊和曲軸上的油孔。鋁DHD目前普遍是可行的,但仍需要進一步的研究來優化設置和減少尖端積累的問題。高強度鑄鐵中的DHD在技術上具有挑戰性。我們的研究證實,由于切屑和摩擦,不僅在尖端產生大量的熱量,而且在鉆側產生大量的熱量。在低主軸轉速下,由于缺乏動量,切屑會堵塞孔內,從而產生巨大的扭矩和熱量,導致工具斷裂或孔變形。一種常見的工業解決方案是對MQL系統應用一個空氣助推器,它將系統輸入的空氣從5巴調節到10巴。10mm x 200mm深鑄鐵鉆孔的溫度和扭矩數據顯示,在發生切屑堵塞時,空氣增壓器有顯著改善,如圖5所示。盡管有其優點,但高壓也帶來了三個問題:MQL系統必須被設計成在更高的空氣壓力下運行,壓縮氣體所需的額外能量,以及噪音隨著空氣使用的增加而增加。所有這些都可能增加制造成本,從而違背了使用MQL的意圖。



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    圖5    鑄鐵深孔鉆孔:(a)工件內部測量的溫度(距孔緣1.5mm)和(b)扭矩。試驗A和試驗B分別在使用空氣助推器和不使用空氣助推器時進行。


    對于高能強度過程或難以加工的金屬加工,抑制熱是實現MQL的關鍵因素?;陬愃频睦鋮s劑還原概念,近年來,有兩種類MQL技術可用:超臨界co2基油(scco2)和液氮(LN)技術(a.k.a.低溫加工)。


    scco2是一種工業溶劑,傳統上用于干洗溶油。這一特性已被演變成加工過程中的一種技術,可以實現更好的油滲透。簡單地說,將液體二氧化碳泵入超臨界相(31°C,>7.6MPa(1100psi)),并將潤滑劑加入反應室,溶解在scCO2中。當scco2-油混合物輸送到工具尖端時,氣體的膨脹除了潤滑外,由于焦耳湯姆遜效應也會產生冷卻。福特公司已經進行了評估scco2的研究,并得出了該技術的一些有希望的結果。例如,在CGI上的鉆孔磨損試驗中,與常規的MQL系統相比,側翼磨損可以減少到一半或更少。在Inconel的轉動實驗中,即使在高25-45%的材料去除率下,與濕法過程相比,工具磨損也更低或相同。其他一些測試(未發表)也表明,當多晶金剛石(PCD)插入物用于切割黑色金屬材料時,scco2可以減少擴散磨損。然而,該技術關注的是改造主軸的成本、壓縮二氧化碳的額外能耗以及系統的可靠性。


    相比之下,低溫加工技術已經發展到更成熟的狀態。配備LN供應的生產數控機床在市場上由MAG-IAS提供,命名為最低量冷卻(MQC)技術。在-196°C處的LN通過主軸直接輸送到刀具尖端和切割區。之前的低溫應用在切割區域噴灑LN作為超級冷卻劑,而MAG的MQC強調制冷劑應用,這使切割刀具能夠作為散熱器去除熱量。MAG發布的測試數據表明,加工鈦合金的工具壽命比傳統的濕法工藝更長。


    氮技術關注的問題是氮不能很好地溶解和攜帶油,因此氮本質上只是冷卻及有限的潤滑,雖然可以將額外的油管添加到LN(液氮)系統中,以解決這一限制。


  5. 結論

    MQL已經徹底改變了傳統的濕式汽車動力系統加工,因為它顯著地節省了制造成本。本文總結了近幾十年基于工業和學術經驗的MQL技術的發展歷史、優勢、技術挑戰和進展。據了解,大部分節省來自消除洪水冷卻和相關設備和建筑空間。顯著減少廢水和熱降解排放使其成為一個可持續和環境的過程。汽車工業正在積極參與MQL的開發和實施;航空航天制造商也開始研究并在一些業務中實施MQL。


    隨著對各種應用程序需求的增加,技術挑戰在MQL全面實現過程中不可避免。如章節所述,MQL加工過程中的兩個主要挑戰是有限的冷卻和切屑疏散能力,這導致了難以處理難以加工的材料和工藝,如深孔鉆孔和研磨的應用。下一代MQL應旨在解決這兩個問題,同時最小化流體輸送系統本身的額外能源和設備成本。最終目標是創造一個清潔、可持續和高效的生產環境。



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