洛阳微量润滑——精密高速冲压的“涡轮”

微量润滑——精密高速冲压的“涡轮”

·节约60%的油品消耗

·提高50%的生产速度

·无残留润滑

随着近几年，汽车、电机、家电、五金、仪表、通信等行业的迅速发展，市场需求量较稳定。因此，对冲压件不仅在数量上，且在品质上对零件精度和表面质量的要求日益提高。尤其是冲压行业对高效、精密的技术需求，因此，对高速精密级冲压机的研制已成必然。正如上海交通大学工程院阮雪榆院士所讲，高速精密冲压技术“任重而道远”。本文就微量润滑的特性对高速精密冲压的作用提出几点论证。

微量润滑也叫至小量润滑，英文为Minimal Quantity Lubrication（MQL)，是一种金属加工的润滑方式，即通过压缩气体(空气、氮气、二氧化碳等)与极微量的润滑油混合雾化后，形成微米级的液滴，喷射到加工区进行有效润滑的一种加工方法。压缩空气的流速一般是12米/秒，当带动微米级液滴流动时，受油品粘度影响，速度会有所降低，400mm²/s粘度以内的油品雾化后，流速不会低于6米/秒，相当于步距20mm的送料机以1800次/分的超高频率工作时的平均速度，充分满足高速冲压的润滑需求。有效数据显示，高速冲压机在微量润滑的帮助下，速度可从500次/分提高到800次/分。

图1:厚度9mm板材冲压——微量润滑解决方案

那么，如何在冲压设备高速运作的状态下保障模具内凸模的使用寿命，是影响零件精度、质量及效率的主要因素。而润滑，是这些要素的关键点。众所周知，高速精密级冲压设备主要是通过附着在材料表面的油液来降低冲针的磨损度，而随着冲孔数量的增多，模具长度的加大，材料表面润滑油的消耗会逐渐形成一种“供不应求”的状态，模具后半部冲针的润滑效果就会捉襟见肘。这是因为大部分润滑设备只能在给料系统后，进料口前进行一次性的上油润滑，使尽可能多的油液覆盖材料以便其经受更多冲针的“洗礼”。即便如此，油液在模具后半部分起到的润滑作用还是微乎其微的，因为材料表面过厚的油层在冲剪区前半部分，会逸散到材料两侧的冲孔中，形成浪费，这些油量是过剩的。受限于材料的宽度、机床空间条件，板材所能承载的油量有限，且只能在上表面涂油，遇到部分冲针在凹模内的特殊模具，润滑目的将会更加难以实现；另外，由于冲压设备在运转时的闭合性，普通的润滑设备很难在板材进给的后续行程中补充缺失的润滑油，特别是为了迎合冲头闭合频率，随着给料速度的加快，冲头的闭合角度会越来越小，开角的空间也会越来越小。我们的经验和实践证明，尽管大部分精冲机使用的模具都配备油槽，但是成本较高，且油槽内润滑油的利用存在“真空”区，不如在材料表面直接润滑的效果明显。

综合以上高速精密冲压的润滑问题，我们研究了多种常见的冲压润滑设备，并结合这些设备的特点，总结出润滑方式的种类、特点及优劣性，具体如下：

一、 点滴润滑：是常见的一种方式，见图2。适用于粘度较低的润滑油，由泵体产生一定负压束缚软管内的润滑油，再将软管垂挂在送料系统后，材料中心点正上方，通过重力引力与泵压的差值来控制油液，以均匀的频率滴落在材料上；为使油滴全面扩散至材料表面，使用者一般会在进料口前为材料缠上一圈棉布或海绵，通过纤维的传导性将油滴吸收后再传输到材料上。

优势：

1、 安装成本十分低廉、操作简单；

2、 常见于小吨位、速度适中、材料较薄的普通冲床；

劣势：

1、对材料宽度的限制：油滴体积一般是0.05ml左右，与油管的口径无关，单油管所能润滑的材料面积有限；

2、对冲压速度的限制：油滴频率无法太快，否则会形成“油流”，受到高速前进的材料影响，润滑的均匀程度无法保证，造成浪费；而且，“油流状态”下润滑油的消耗是非常大的；

3、由于纤维的不规则性，油液传输到材料上也会分布不均匀，材料表面一部分呈现润滑量不足，在冲针对这些区域进行冲剪、拉深等作业时，磨损的程度会较平时大很多，造成模具寿命的不稳定性。另一部分呈现润滑量过剩，表面过厚的油层通过阳膜挤压会溢散到模具内死角，污染外部工作台，长时间下来，纤维吸附了粉尘及灰尘后，导致不纯净的油凝结在机床内部，不易清洗，不仅造成油品的浪费，还会产生额外的机床维护保养成本。

图2：典型的点滴式润滑装置——微型精密产品的高速冲压

二、 喷枪润滑：与点滴润滑结构相似，区别在于可以通过高压，将粘度很高的油品打在进料口处，可还是会利用海绵布进行扩散处理。

    优势：

1、 可应对高粘度润滑油，如冲压拉伸油；

2、 适用于一些需要热处理的油脂、油膏等常温下呈固态的润滑品；

    劣势：

1、 安装及使用成本比点滴式润滑设备高，其他缺陷相同；

2、 使用高粘度润滑品时，过剩的部分会给机床的清洁带来更多麻烦。

三、双夹式滚筒润滑：油路与海棉布的结合形式。在进料口端，材料上下各有一圆柱形滚筒，油管终端连接到滚筒内部，将滚筒表面包裹的海绵布由内到外的进行“湿润”处理，从而达到板材上下表面的润滑效果。

  优势：

相比简单的在材料表面缠一层海绵布，滚轴润滑效果较均匀，只要保证一定的注油频率，滚轴上的油液始终是充足的，且当给料停止时，同步停止注油，由于纤维的吸油性良好，滚轴上饱和的油液也不会滴落形成浪费。

  劣势：

1、安装条件限制：滚轴尺寸根据机床所加工的较宽材料尺寸而定，要求有一定的安装空间，必须保证送料系统与进料口之间有一定的“峡谷式”间隙。而为了保证更高的送料精度，特别是在精密微型产品的冲压线上，大部分情况下材料都是紧贴阴模上端沿水平方向传输，如图2所示，只能够从上面进行单面润滑。这种类型的冲床，往往在冲压后段存在对材料润滑不足的问题。——无法适用于小型高速冲床

  2、速度限制：当冲床加快到一定速度后，滚筒的润滑油消耗会比润滑油补充速度快，而且海绵布上的油会因离心力作用而被“甩出”，造成浪费且污染工作台；另一原因则是高速的滚动状态所产生的振动可能会影响给料精度。所以，滚筒润滑一般只适用在速度中下的冲压设备上

四、微量润滑：

作为世界上早期（1945年）从事微量润滑的企业，德国惠润（HPM）科技有限公司在冲压领域已为全球超过15000家企业提供了专业服务和解决方案，特别是在汽车、电子及航空行业。2009年，德国惠润（HPM）公司荣获德国TOP100Top-Innovator（德国创新奖）。

针对传统三类润滑方式的不足之处，我们的解决之道是：

图3：控制模块置于机床外部

图4：喷头组延伸到内部对模具或输送带实时润滑

特点：

1、易操作：由于采用模块化设计，德国惠润（HPM）微量润滑系统(MQL)可以单独或组合应用于多种场合，只需将喷头固定在需要润滑的加工位置即可。

2、环境保护：我们以绿色制造为服务理念，视工人的健康安全为首要前提，将气压控制在1~2.5bar，在保证喷雾速度的同时，降低了油雾的扩散力，使油雾形成一层均匀地油膜附着在材料上，不会产生浪费，避免了环境的污染。

3、节约油耗、均匀润滑：系统电磁阀可与冲床角度信号实时联动，在材料进给时能确保精确喷雾。润滑油的用量一般仅为15～25ml/h，相当于传统润滑设备的30%用量。

4、提高产品质量：由于采用热阻温度达350℃的冷却介质，可有效减小冲针、工件及切屑三者之间的摩擦，防止粘结，大大延长了模具的使用周期，也提高了加工产品表面的质量。

5、提高冲压速度：油雾的传输速度至低可达到6米/分，即使是瑞士bruderer的超高速精冲机，德国惠润（HPM）微量润滑也能保证板材的实时润滑效果。

6、模内喷油：在材料表面润滑油消耗过多时，我们的喷头可以从模具外侧向内进行补充润滑，这也是针对大多数精冲机的解决之道。

综上所述，从润滑方式的优点来看，我国冲压领域在对材料的润滑效果上是不断提高的，更好的润滑效果意味着模具使用周期更长，为更快的冲压频率提供安全保障，使设备有效工作时间更长，产品在冲针磨损度低的情况下质量更高，企业因而产能增加。这一切的前提，都起源于“理想润滑效果”的稳定性。

我们从劣势的种种情况可以看出，润滑设备在演变的过程中，所带来的问题大都表现在速率限制、空间限制和维护周期这三点上。

1、速率限制：是三种润滑设备共存的问题，即当给料或冲轴闭合频率过快时，润滑效果呈几何式下降，导致在很多拥有先进冲压设备的企业里，工人即使面对好的机床，但却不敢开的过快而损伤模具和材料。因此，速率限制是造成“理想润滑效果”不稳定的较大因素。

2、空间限制：双夹式滚筒的双面润滑是目前看来效果较佳的润滑设备，能满足冲压行业较佳的润滑效果。然而，滚轴要求的安装空间较大，一般只能适用在材料宽度较大的高吨位冲压机上，在更换较窄材料时，定制的滚轴还会因为与材料的接触面过剩而浪费润滑油。三种润滑设备都仅在进料口处进行润滑，为满足模具内部的润滑需求，润滑的途径不应仅局限在进料口的材料表面上，应该可以考虑在进给润滑的同时，向模具内部进行补充润滑。

3、维护周期：模具使用久了，需要保养、换模。根据模具的尺寸规格，润滑油的效果，模具维护周期也不一样。优质的冲压油不仅在润滑性能上表现较优秀，且在挥发性上也很理想，便于模具的清洗。模具的使用寿命和周期越高，企业所需的备用模具数量就越少，更换次数也越少，对生产成本的管控及效率的提升亦起到至关重要的改善作用。

补充润滑油的速度跟不上材料进给的速度，就像后勤跟不上主力部队。“后勤”需要换一种“快速”地输送方式，这种输送方式应该像机车一样不被交通堵塞所影响，并且，还能兼容“汽油”、“柴油”等不同的介质。

如果能解决此三类困难，那么冲压行业必将迎来高效、节约、绿色的新时代。而这个领域，就是微量润滑的专属领域。

为了确保冲压产品的表面光洁度，我们HPM自我研发了SURVOS及SAMNOS水基（无油）润滑液，针对铜、铝、锌、钢等材料达到无残留效果，可以省去后续的清洗及甩干工序。同时，考虑到材料宽度、厚度及模具的特殊结构，我们还研制了多种针对复杂环境的喷条及小型喷头。

结束语：

  微量润滑系统喷嘴呈15°圆锥角喷出油雾，单个喷嘴能够形成300mm²直径的圆形油膜，较佳工作距离在100mm至300mm之间；通过提高润滑油在板材表面的均匀度，使其在有限平面范围内更持久的发挥润滑作用，是微量润滑系统的基本概念。系统较高可应对2300mm²/s粘度的油品，经测试，400mm²/s粘度的极压油，其喷雾速度在6m/s左右，充分满足高速进给或大步距进给的润滑需求。

  喷头耗油量为15-25ml/h，节约60%的油品成本。

  独立的喷头模块，能够固定在模具两侧，并根据角度信号实时向模内注油，对润滑难以实现的部位进行全面润滑。