概述：可持續發展以及資源環境問題已成為當前我國經濟與社會發展關注的焦點，為此我國努力建設資源節約型、環境友好型社會，積極發展循環經濟，推進生態文明建設。再制造是一種資源循環、高附 加值再利用的技術手段，成本僅為新產品制造的 30% ～50%，節能 60%，節材 70%以上。機床具有耐久性、服役周期長、價值高等特點，再制造潛力巨大。機床再制造充分利用老舊機床資源，可形成比原機床功能更強、性能更優并具有節能減排、綠色環保等特點的機床; 是一種低成本地實現制造企業加工能力恢復與提升的手段。由于原機床在設計與制造過程中并未考慮機床的清潔化，這使得機床在加工過程中，產生大量的油霧、油污、噪聲等污染，影響車間環境及工人健康。在制造企業綠色化轉型背景下，迫切需要利用再制造等技術手段實現機床的清潔化提升。
機床的污染問題很大原因來源于加工過程中使用大量切削液，為此可采用微量潤滑( Minimal Quantity Lubrication，MQL) 等技術減少切削液用量及其帶來的污染。目前，國內外已有大量研究機構 對微量潤滑的理論、原理與技術展開了研究，并將微量潤滑與其他技術相融合，取得了很多有應用價值的技術成果，可以廣泛應用于車削、銑削、磨削、鉆削等加工過程。Sharma 等對傳統的微量潤滑與納米流體微量潤滑在不同加工工藝下對加工性能的影響進行綜述與對比分析。Banerjee 等建立了鈦合金微量潤滑加工過程的摩擦模型，并進行了實驗與數值仿真分析，用以確定最優的滑動速度、流量、氣體壓力等微量潤滑參數。袁松梅團隊等開展了微量潤滑冷卻機理的研究，尤其是不同冷卻方式、不同參數對切削力、刀具磨損、表面粗糙度和切屑的影響機理，可為獲得最優的冷卻效果、加工性能提供參考;并對潤滑劑特性、噴嘴、微量潤滑增效技術等展開了研究。何寧、李亮團隊開展了多項微量潤滑實驗研究，并對微量潤滑系統參數對切削加工性能、切削環境空氣質量的影響 以及冷卻潤滑性能進行了分析。李長河團隊等對納米流體微量潤滑磨削的熱力學作用機理、界面摩擦學特性、表面形貌機理等理論展開了研究，并開展了不同工況、參數條件下的實驗研究。多項研究結果表明微量潤滑技術可以大大減少切削液用量，改善車間環境，并有效減小切削力，提高刀具壽命和工件表面質量。
擬將微量潤滑技術融入機床再制造過程，利用微量潤滑技術對清潔化程度不高的老舊機床實施再制造與清潔化提升，達到減少切削液使用量、提高機床清潔化水平的目的。
一、機床再制造清潔化提升的需求分析
在國家大力推進綠色發展的背景下，大量制造企業面臨綠色化轉型，擬改變原來加工車間地面油污滴漏嚴重、空氣油霧油煙彌漫、粉塵重、噪聲大、能耗高等環境問題，實現企業清潔化生產。機床是制造企業的重要資產，承擔著大部分零部件的加工任務。機床的技術水平代表了企業的加工能力及加工水平。加工車間的環境污染問題與機床的加工過程有直接聯系。大量在役機床在原設計與制造過程中并未考慮清潔化加工，而且經歷服役多年之后，出現了精度喪失、功能退化、資源能源效率低下等問題。為此，針對我國在役的量大面廣的老舊機床，有必要對其污染源進行分析，從源頭上分析老舊機床目前的狀態，從根本上解決老舊機床存在的清潔化問題，提出針對性的老舊機床清潔化提升方法。
機床加工過程是一個消耗資源與能源( 含各種原材料、輔料等) 、輸出產品、伴隨產生環境排放的過程，如圖 1 所示為機床加工過程的輸入輸出示意圖。機床加工過程主要存在原材料、刀具、切削液等資源消耗以及電力等能源消耗。加工后輸出工件的同時，產生切屑、熱量、噪音、粉塵、有害氣體及飛濺出的切削液等。產生的切屑中夾雜著切削液等，如果沒有經過分離與處理，易造成油污污染;產生的熱量易加快刀具磨損速度，減少刀具的使用壽命;輸出的噪音易產生噪音污染;粉塵和有害氣體易形成空氣污染; 廢棄的切削液以及切削液的揮發、滴漏，產生刺激性氣味，并產生油霧、油煙、油污等污染。
圖 1 機床加工過程輸入輸出示意圖
根據圖 1 可知，噪音、粉塵和有害氣體對環境及工人健康會造成一定影響;切削液產生的油霧、油煙、油污等不僅對人體健康危害大，并導致車間環境污染，尤其是廢棄的切削液如果不經環保處理，會造成極大的環境污染問題。傳統的老舊機床為了提高冷卻效果、改善加工性能，往往采用大流量的澆注式冷卻方式，從而導致切削液污染嚴重。由此可見，機床加工過程中的污染很大一部分來源于切削液的使用，尤其是油基切削液。為實現加工車間的清潔化生產，需要開發環境友好的切削液或者實現少無切削液的綠色切削，在保證工件加工精度及表面質量、刀具使用壽命的前提下，減少切削液用量，避免油霧、油煙、油污污染。
二、機床再制造清潔化提升過程分析
微量潤滑原理簡介： 微量潤滑將空氣、氮氣或二氧化碳等壓縮氣體與極少量的潤滑劑混合汽化，形成毫米、微米級的液滴，通過噴嘴高速噴射到切削區域進行冷卻與潤滑，是一種綠色的冷卻潤滑方式。機床加工過程中采用微量潤滑，切削液經過霧化之后形成氣液兩相流，粒子尺寸小、滲透能力增強，可以減少摩擦及摩擦熱;當與溫度較高的工件接觸時，微小液滴吸收熱量并汽化，汽化液滴滲透能力更強，更易進入切削區域的刀具與切屑、刀具與工件的接觸界面，起到冷卻、潤滑的作用，而且相比于傳統的供液冷卻潤滑方式效果更佳。
機床再制造清潔化提升過程： 目前，老舊機床整體清潔化程度較低，如不采取再制造的技術手段提升其清潔化程度，勢必會導致機床報廢而造成資源的浪費，而且更換清潔化水平高的新設備成本高昂。針對老舊機床很大一部分污染來自于切削液使用的問題，并結合微量潤滑的優勢及其原理，利用再制造的技術手段，對老舊機床實施清潔化提升，如圖 2 所示。
圖 2 機床再制造清潔化提升過程圖
主要步驟包括: (1) 針對清潔化程度較低的老舊機床，確定其主要的污染源，分析其清潔化升級的個性化需求;
(2) 分析老舊機床采用微量潤滑技術實施再制造與清潔化提升的可行性，并重點對微量潤滑結構與老舊機床原有結構進行匹配分析，不同的加工方式需要選擇不同的微量潤滑裝置結構以及潤滑劑傳輸方式;
(3) 利用微量潤滑對老舊機床實施清潔化提升，需要完成微量潤滑裝置的機械管路系統設計及電氣控制系統設計，相對應的需要對老舊機床的機械結構及電氣系統進行匹配性的再設計，最終實現老舊機床的再制造與清潔化提升，實現綠色高效加工。
機床再制造清潔化提升的實施
微量潤滑裝置的選用及設計： 微量潤滑裝置主要由空氣壓縮機、油泵、油箱、氣動頻率發生器、各種控制閥、噴嘴系統、管路及各種電氣與控制元件等構成，是一種機電液氣一體化裝置，不同廠家、類別、型號的產品的組成有所不同。如圖 3 所示為某型微量潤滑裝置的三維示意圖，零件構成包括①油箱;②接頭/氣壓表;③進氣口;④油水分離器;⑤電磁換向閥;⑥氣動頻率發生器;⑦油量調節鈕;⑧空氣流量閥;⑨箱體;⑩萬向節噴嘴;?加油口。
圖 3 某型微量潤滑裝置三維示意圖
微量潤滑裝置的選用及設計需要注意以下方面：
(1) 針對不同的加工方法，需選擇相對應的外冷式或內冷式的結構，其中外冷式的氣霧由機床外部引入并在刀具外部供給，主要適用于車床、銑床、鋸床等使用外冷刀具的機床;內冷式的氣霧通過機床主軸、經刀具的內孔并由端部噴出，主要適用于加工中心及使用內冷鉆頭、內冷銑刀等內冷刀具的加工。
(2) 需要結合原機床結構、機床主軸轉速、換刀頻率等因素，確定采用單通道還是雙通道的結構，其中單通道方式需要單獨的霧化裝置，并將霧化液與壓縮空氣混合通過一個通道傳輸到噴嘴，結構簡單、制造方便;雙通道方式不需要單獨的霧化裝置，內部小通道輸送微量切削液，外部大通道輸送壓縮空氣，在靠近噴嘴處利用噴嘴進行霧化，可解決油霧不均勻、管路復雜等問題，主要應用于主軸轉速較高、換刀頻繁的場合。
(3) 噴嘴的布局對于冷卻效果也有一定影響，應針對各加工方法的運動形式、刀具的形狀與尺寸等，對噴嘴進行合理布置，以提供更可靠、效果更佳的潤滑;噴嘴具有圓形噴嘴、寬范圍噴嘴、環形噴嘴等不同的形狀選擇。
(4) 壓縮空氣壓力、潤滑油用量等影響著油霧油滴顆粒的大小，進而影響接觸界面的冷卻潤滑效果，這就需要對空氣壓力、潤滑油量等進行控制與優化，需要對空氣壓力調節器、壓力表、泵頻率調節器、泵排量調節器、電磁閥等電液氣控制元件進行選用與設計。微量潤滑裝置可以選用數字 I /O 接口通信方式，與機床的電氣控制系統實現聯動控制，通過控制電磁換向閥實現微量潤滑系統的啟動、停止等操作，并通過程序實現對空氣壓力大小、潤滑油量、報警信號、系統指示燈等的控制。
機床結構匹配與再設計：采用微量潤滑方式替換原有的澆注式冷卻系統所需的切削液箱、切削液泵、凈化過濾裝置及各種管路系統，簡化了機床結構，減少了機床的占地面積。部分老舊機床在原始設計階段，并未考慮未來的技術改造與升級，部分結構并不適合于微量潤滑。為此，針對老舊機床利用微量潤滑技術進行清潔化提升，受到機床原有結構的約束，相對應的需要對機床結構進行匹配與再設計。
(1) 盡可能地利用老舊機床的原有結構。如果采用外冷式微量潤滑系統，老舊機床不需要做結構上的大的改動，有充足的安裝與使用空間即可。如果采用內冷式微量潤滑系統，機床的主軸結構需要進行匹配性的再設計，并需要將原有機床的刀具更換為帶內部通道的刀具，對刀具的結構及參數進行再設計。
(2) 不僅要考慮機械結構的匹配，也要考慮電氣控制系統的匹配。為實現微量潤滑裝置與機床加工狀態的匹配，機床的電氣控制系統以及 PLC 程序等需要一定程度的再設計與修改，實現與微量潤滑電氣控制系統的兼容。
(3) 為避免熱量集中造成機床熱變形，有時候需要補充輔助裝置。由于切屑帶有大量熱量，溫度較高，可以在老舊機床原有集屑箱的底部加裝切屑傳送帶將切屑直接傳送清理出去。
三、案例及效果分析
某齒輪制造車間主要生產各類汽車、工程機械等行業所需齒輪零部件，擁有滾齒機、剃齒機、插齒機等各類齒輪加工機床數十臺。齒輪加工過程尤其是滾齒加工中刀齒斷續切削、易磨損，產生較多的切削熱，所使用的傳統的滾齒機仍然采用油基切削液和或水基切削液以澆注式冷卻以達到冷卻潤滑、排屑、防銹的效果，給車間環境造成了很大的污染。如圖 4 所示為齒輪加工車間地面，由于切削液的跑冒滴漏導致環境狀況不佳。
圖 4 加工車間地面污染狀況
為此，結合滾齒加工特點以及微量潤滑的技術優勢，可以對在役滾齒機進行再制造與清潔化提升。滾齒機可以選用外冷式微量潤滑結構，并設置 3 個噴嘴將微米級的油霧液滴粒子噴射至滾齒加工區域，可以提供良好的潤滑油膜，抑制滾齒加工摩擦熱的產生，降低滾刀的磨損，提高滾刀的壽命。利用微量潤滑技術，對齒輪加工車間的老舊滾齒機床進行再制造與清潔化提升，如圖 5 所示為加裝微量潤滑裝置的再制造滾齒機，雖然冷卻潤滑效果還可以進一步提高，但其技術、經濟與社會等綜合效益顯著。
圖 5 再制造與清潔化提升后的滾齒機
(1) 微量潤滑將潤滑劑以微米級霧粒的方式噴出，不會產生切削液的飛濺，減少了機床周邊環境的油污、油液污染;利用噴嘴以噴霧的形式直接對切削區域進行精準式的冷卻潤滑，可避免切削液在空氣中的彌漫對環境造成的污染，防止油霧、油煙以及刺激性氣味的產生，改善了齒輪加工車間的空氣質量。
(2) 微量潤滑的切削液用量極少，相比已有方式可減少 80%以上，減少了廢棄切削液的產生量，降低了成本，而且大多數采用的可降解的植物型潤滑劑對人體基本無危害;同時，微量潤滑泵比冷卻液循環泵更省電，并去除掉了切削液回收裝置，降低了機床的能源消耗。
(3) 減小了刀具與工件( 齒坯) 、刀具與切屑之間的摩擦，切削條件得到改善，延長了刀具( 滾刀、插刀等) 使用壽命，提高了齒輪的加工精度及表面質量，提高了加工效率，降低了加工成本。
四、結 論
目前，我國制造企業在役的老舊機床清潔化程度低，造成車間環境不佳。經分析發現老舊機床清潔化程度低的主要原因在于切削液的使用，為此將微量潤滑技術引入機床再制造，提出一種基于微量潤滑的機床再制造清潔化提升方法。
(1) 采用微量潤滑技術對老舊機床進行再制造與清潔化提升，需要注意微量潤滑結構與老舊機床原有結構的匹配分析，最終形成匹配、適用的微量潤滑機械與管路系統、電氣控制系統，并相應的對 老舊機床結構進行再設計。
(2) 應用案例表明，利用微量潤滑技術對老舊機床進行再制造后，可以提高機床的加工效率、加工精度及清潔化水平，減少車間環境污染，實現老舊機床提檔升級，支持制造企業低成本地實現綠色化轉型升級以及綠色工廠建設。
(3) 目前，微量潤滑技術在機床再制造領域的應用還較少，與老舊機床相匹配的微量潤滑裝置以及相關參數的設置與優化并不完善，尤其是一些新型的微量潤滑技術的發展還未得到廣泛的應用，這使得冷卻潤滑效果還需要進一步提高。為此，需要在微量潤滑原理及參數優化、機床結構與刀具匹配、切削工藝參數優化以及新技術應用等方面開展更多基礎性的研究工作，推動微量潤滑技術在老舊機床上的應用。
參考文獻略