純水噴霧冷卻技術在萬噸槳中孔及端面加工中的應用

胡增榮

(蘇州大學，江蘇蘇州215137)

習慣上將直徑大于5 m的船用螺旋槳稱為萬噸槳。當前萬噸槳基本上都是采用銅合金砂型鑄造成型，鑄造之后經過一系列的加工過程而變為成品。其中對中孔和端面的加工，一般采用大型立式車床或專用鏜孔機進行，本來這兩部分的加工并沒有什么難度，但由于工件龐大，裝夾和校調都很麻煩，并且在加工的過程中操作人員還要經常爬到槳上進行查看、檢測等，切削下來的大量銅屑還要回收利用，所以為避免使用切削液造成的不便，實際加工中采用的是干切削方式。

由于萬噸槳都是采用手工造型澆注出來的，這就必然導致毛坯件的精度和表面狀況都比較差，通常萬噸槳割去冒口后上下端面的余量都在20～50 mm左右，中孔的余量單邊在20 mm以上，并且常常由于偏心，凸臺等因素導致加工余量更大。這樣要想提高加工效率，除了要更快地進行安裝和調試工作以外，就需要提高切削速度增大切削深度和進給速度。但由于前述原因生產中使用的是干切削方式，這就極大地制約了切削參數的提高，當我們提高切削參數到一定程度的時候，就會發現切屑的顏色不再是銅合金的本色，而變紫或深藍，這種情況顯然是切屑溫度過高，刀具的使用壽命將會大幅度下降，頻繁換刀必然降低加工效率，也影響加工表面的質量。

1 MQL技術

為克服干式切削方式所造成的問題，我們試驗采用了純水微量噴霧冷卻的方法，得到了較好的結果。該方法實際上是MQL技術的變異應用。MQL技術也就是最小量潤滑技術，它是將壓縮氣體與極微量潤滑、冷卻液混合汽化后，向加工區噴射，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑和冷卻。使用MQL技術液體用量非常少，而且應用得當時，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的處理，清潔并且干凈的切屑經過壓縮還可以回收使用，完全不污染環境，故又稱之為準干式切削。

在萬噸槳的切削加工中，不希望使用含油切削液，并且由于工件材料特殊，刀具壽命的影響因素最主要的是切削溫度，所以著重于采取措施降低切削區溫度。于是考慮采用MQL技術原理，并以純水為冷卻介質，在端面和中孔的加工中使用純水噴霧冷卻技術。MQL技術中切削液供給方式有內部供給和外部供給兩種，并且這兩種方式都有較為成熟和完善的工業化實現方法，市場上都有現成的相關設備出售。考慮到萬噸槳加工的實際使用情況和成本等原因，我們采用了自制的噴霧設備實現加工過程的噴霧冷卻，并且采用外部供給方式。

2 純水噴霧冷卻的實現

實現純水噴霧冷卻就是設法把把微量純水混入壓縮空氣中，形成霧狀的氣液兩相流體，然后噴射到切削區，使工件和刀具得到充分冷卻和潤滑，霧化器是其中關鍵設備。對實現這一功能的霧化器及霧化系統在有很多文獻中都有詳盡方案。這些霧化方案經過試驗證明都可以把冷卻液充分霧化，并且各方案均考慮到了流量調節，能使噴出的霧化液的量在一定范圍內調節，能夠滿足不同工況的使用要求。經過研究和對比我們綜合采用朱穎、劉劍等人提出的霧化方案［1－2］，如圖1。

3 使用效果

我們在8 m立式車床上加工直徑為7 m的槳，試驗了純水噴霧冷卻的效果。所設計的純水噴霧試驗系統的空氣壓力和進水量都可調，氣源就采用車間使用的壓縮空氣，壓力調節到0.7 MPa，調節進水量以調節噴出的水霧到適合狀態，此時經過測試水的消耗量約為300 mL/h，在這種狀態下噴霧系統的空氣消耗量約為500 NL/min，采用TI300紅外測溫儀對切削區溫度進行測量，并將干切削和采用純水噴霧冷卻的切削區溫度和切削的表面質量以及刀具壽命進行對比。

在相同的切削參數的情況下，采用純水噴霧冷卻切削區溫度有明顯降低，比干切削可低150～180℃左右;噴霧方式和水霧的量對切削區溫度都有影響，經過反復試驗，在保持切削后表面在2 min內干燥的情況下，切削區溫度至少可以降低150℃左右。同時由于高壓水霧還具有清理切削區的作用，純水噴霧冷卻加工的表面質量從外觀上看要比干切削更好。通過連續加工對比可以發現，純水噴霧冷卻切削刀具的壽命較干切削約可以延長約1.5倍。

4 結語

雖然傳統的金屬切削冷卻方式有很多種，但在萬噸槳的中孔和端面加工中，由于種種原因舍棄了傳統的各種冷卻的方法而采用干式切削，這一方面簡化了加工過程，方便了切削加工和切屑的后續處理，消除了切削液的費用;另一方面卻影響加工效率，降低了刀具的使用壽命和加工件的表面質量，所以有其明顯不足。生產的快速發展，迫使企業不得不探索新型冷卻方式，本公司結合生產實際采用的純水噴霧冷卻經過實際使用驗證，具有較為理想的效果，水霧對操作人員健康無危害，對工作環境無污染，同時冷卻效果好。相較于干切削，純水噴霧冷卻方式可以大幅度降低切削區溫度，提高刀具使用壽命，提高切削加工生產效率和產品的加工質量。

另外，純水噴霧冷卻過程中由于兩相射流對切削區有清理作用，減少了氧化皮、細切屑等對刀具的磨損，更有利于切削過程高質量進行;保持工作環境清潔，有利于保護操作者的身體健康。所以在萬噸槳中孔和端面的加工中純水噴霧冷卻是一種較為適合的技術手段。

［1］朱穎，張汝春.金屬切削加工噴霧冷卻方法［J］.煤礦機械，2005(6).

［2］劉劍，繆佳興.噴霧冷卻技術及其應用［J］.工具技術，2004，38(11).

［3］胡增榮.純水噴霧冷卻在金屬切削加工中的應用［J］.工具技術，2010，44(12).