概述：可持續(xù)發(fā)展以及資源環(huán)境問(wèn)題已成為當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)，為此我國(guó)努力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，積極發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。再制造是一種資源循環(huán)、高附 加值再利用的技術(shù)手段，成本僅為新產(chǎn)品制造的 30% ～50%，節(jié)能 60%，節(jié)材 70%以上。機(jī)床具有耐久性、服役周期長(zhǎng)、價(jià)值高等特點(diǎn)，再制造潛力巨大。機(jī)床再制造充分利用老舊機(jī)床資源，可形成比原機(jī)床功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)并具有節(jié)能減排、綠色環(huán)保等特點(diǎn)的機(jī)床; 是一種低成本地實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)加工能力恢復(fù)與提升的手段。由于原機(jī)床在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中并未考慮機(jī)床的清潔化，這使得機(jī)床在加工過(guò)程中，產(chǎn)生大量的油霧、油污、噪聲等污染，影響車間環(huán)境及工人健康。在制造企業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型背景下，迫切需要利用再制造等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)機(jī)床的清潔化提升。

　　機(jī)床的污染問(wèn)題很大原因來(lái)源于加工過(guò)程中使用大量切削液，為此可采用微量潤(rùn)滑( Minimal Quantity Lubrication，MQL) 等技術(shù)減少切削液用量及其帶來(lái)的污染。目前，國(guó)內(nèi)外已有大量研究機(jī)構(gòu) 對(duì)微量潤(rùn)滑的理論、原理與技術(shù)展開了研究，并將微量潤(rùn)滑與其他技術(shù)相融合，取得了很多有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)成果，可以廣泛應(yīng)用于車削、銑削、磨削、鉆削等加工過(guò)程。Sharma 等對(duì)傳統(tǒng)的微量潤(rùn)滑與納米流體微量潤(rùn)滑在不同加工工藝下對(duì)加工性能的影響進(jìn)行綜述與對(duì)比分析。Banerjee 等建立了鈦合金微量潤(rùn)滑加工過(guò)程的摩擦模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真分析，用以確定最優(yōu)的滑動(dòng)速度、流量、氣體壓力等微量潤(rùn)滑參數(shù)。袁松梅團(tuán)隊(duì)等開展了微量潤(rùn)滑冷卻機(jī)理的研究，尤其是不同冷卻方式、不同參數(shù)對(duì)切削力、刀具磨損、表面粗糙度和切屑的影響機(jī)理，可為獲得最優(yōu)的冷卻效果、加工性能提供參考;并對(duì)潤(rùn)滑劑特性、噴嘴、微量潤(rùn)滑增效技術(shù)等展開了研究。何寧、李亮團(tuán)隊(duì)開展了多項(xiàng)微量潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)微量潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)對(duì)切削加工性能、切削環(huán)境空氣質(zhì)量的影響 以及冷卻潤(rùn)滑性能進(jìn)行了分析。李長(zhǎng)河團(tuán)隊(duì)等對(duì)納米流體微量潤(rùn)滑磨削的熱力學(xué)作用機(jī)理、界面摩擦學(xué)特性、表面形貌機(jī)理等理論展開了研究，并開展了不同工況、參數(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)研究。多項(xiàng)研究結(jié)果表明微量潤(rùn)滑技術(shù)可以大大減少切削液用量，改善車間環(huán)境，并有效減小切削力，提高刀具壽命和工件表面質(zhì)量。

　　擬將微量潤(rùn)滑技術(shù)融入機(jī)床再制造過(guò)程，利用微量潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)清潔化程度不高的老舊機(jī)床實(shí)施再制造與清潔化提升，達(dá)到減少切削液使用量、提高機(jī)床清潔化水平的目的。

　　一、機(jī)床再制造清潔化提升的需求分析

　　在國(guó)家大力推進(jìn)綠色發(fā)展的背景下，大量制造企業(yè)面臨綠色化轉(zhuǎn)型，擬改變?cè)瓉?lái)加工車間地面油污滴漏嚴(yán)重、空氣油霧油煙彌漫、粉塵重、噪聲大、能耗高等環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)企業(yè)清潔化生產(chǎn)。機(jī)床是制造企業(yè)的重要資產(chǎn)，承擔(dān)著大部分零部件的加工任務(wù)。機(jī)床的技術(shù)水平代表了企業(yè)的加工能力及加工水平。加工車間的環(huán)境污染問(wèn)題與機(jī)床的加工過(guò)程有直接聯(lián)系。大量在役機(jī)床在原設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中并未考慮清潔化加工，而且經(jīng)歷服役多年之后，出現(xiàn)了精度喪失、功能退化、資源能源效率低下等問(wèn)題。為此，針對(duì)我國(guó)在役的量大面廣的老舊機(jī)床，有必要對(duì)其污染源進(jìn)行分析，從源頭上分析老舊機(jī)床目前的狀態(tài)，從根本上解決老舊機(jī)床存在的清潔化問(wèn)題，提出針對(duì)性的老舊機(jī)床清潔化提升方法。

　　機(jī)床加工過(guò)程是一個(gè)消耗資源與能源( 含各種原材料、輔料等) 、輸出產(chǎn)品、伴隨產(chǎn)生環(huán)境排放的過(guò)程，如圖 1 所示為機(jī)床加工過(guò)程的輸入輸出示意圖。機(jī)床加工過(guò)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(shí)，產(chǎn)生切屑、熱量、噪音、粉塵、有害氣體及飛濺出的切削液等。產(chǎn)生的切屑中夾雜著切削液等，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)分離與處理，易造成油污污染;產(chǎn)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(chǎn)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(fā)、滴漏，產(chǎn)生刺激性氣味，并產(chǎn)生油霧、油煙、油污等污染。

圖 1 機(jī)床加工過(guò)程輸入輸出示意圖

　　根據(jù)圖 1 可知，噪音、粉塵和有害氣體對(duì)環(huán)境及工人健康會(huì)造成一定影響;切削液產(chǎn)生的油霧、油煙、油污等不僅對(duì)人體健康危害大，并導(dǎo)致車間環(huán)境污染，尤其是廢棄的切削液如果不經(jīng)環(huán)保處理，會(huì)造成極大的環(huán)境污染問(wèn)題。傳統(tǒng)的老舊機(jī)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(dǎo)致切削液污染嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，機(jī)床加工過(guò)程中的污染很大一部分來(lái)源于切削液的使用，尤其是油基切削液。為實(shí)現(xiàn)加工車間的清潔化生產(chǎn)，需要開發(fā)環(huán)境友好的切削液或者實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削液的綠色切削，在保證工件加工精度及表面質(zhì)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(jī)床再制造清潔化提升過(guò)程分析

　　微量潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介： 微量潤(rùn)滑將空氣、氮?dú)饣蚨趸嫉葔嚎s氣體與極少量的潤(rùn)滑劑混合汽化，形成毫米、微米級(jí)的液滴，通過(guò)噴嘴高速噴射到切削區(qū)域進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑，是一種綠色的冷卻潤(rùn)滑方式。機(jī)床加工過(guò)程中采用微量潤(rùn)滑，切削液經(jīng)過(guò)霧化之后形成氣液兩相流，粒子尺寸小、滲透能力增強(qiáng)，可以減少摩擦及摩擦熱;當(dāng)與溫度較高的工件接觸時(shí)，微小液滴吸收熱量并汽化，汽化液滴滲透能力更強(qiáng)，更易進(jìn)入切削區(qū)域的刀具與切屑、刀具與工件的接觸界面，起到冷卻、潤(rùn)滑的作用，而且相比于傳統(tǒng)的供液冷卻潤(rùn)滑方式效果更佳。

　　機(jī)床再制造清潔化提升過(guò)程： 目前，老舊機(jī)床整體清潔化程度較低，如不采取再制造的技術(shù)手段提升其清潔化程度，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致機(jī)床報(bào)廢而造成資源的浪費(fèi)，而且更換清潔化水平高的新設(shè)備成本高昂。針對(duì)老舊機(jī)床很大一部分污染來(lái)自于切削液使用的問(wèn)題，并結(jié)合微量潤(rùn)滑的優(yōu)勢(shì)及其原理，利用再制造的技術(shù)手段，對(duì)老舊機(jī)床實(shí)施清潔化提升，如圖 2 所示。

圖 2 機(jī)床再制造清潔化提升過(guò)程圖

　　主要步驟包括: (1) 針對(duì)清潔化程度較低的老舊機(jī)床，確定其主要的污染源，分析其清潔化升級(jí)的個(gè)性化需求;

　　(2) 分析老舊機(jī)床采用微量潤(rùn)滑技術(shù)實(shí)施再制造與清潔化提升的可行性，并重點(diǎn)對(duì)微量潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與老舊機(jī)床原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配分析，不同的加工方式需要選擇不同的微量潤(rùn)滑裝置結(jié)構(gòu)以及潤(rùn)滑劑傳輸方式;

　　(3) 利用微量潤(rùn)滑對(duì)老舊機(jī)床實(shí)施清潔化提升，需要完成微量潤(rùn)滑裝置的機(jī)械管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相對(duì)應(yīng)的需要對(duì)老舊機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣系統(tǒng)進(jìn)行匹配性的再設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)老舊機(jī)床的再制造與清潔化提升，實(shí)現(xiàn)綠色高效加工。

　　機(jī)床再制造清潔化提升的實(shí)施

　　微量潤(rùn)滑裝置的選用及設(shè)計(jì)： 微量潤(rùn)滑裝置主要由空氣壓縮機(jī)、油泵、油箱、氣動(dòng)頻率發(fā)生器、各種控制閥、噴嘴系統(tǒng)、管路及各種電氣與控制元件等構(gòu)成，是一種機(jī)電液氣一體化裝置，不同廠家、類別、型號(hào)的產(chǎn)品的組成有所不同。如圖 3 所示為某型微量潤(rùn)滑裝置的三維示意圖，零件構(gòu)成包括①油箱;②接頭/氣壓表;③進(jìn)氣口;④油水分離器;⑤電磁換向閥;⑥氣動(dòng)頻率發(fā)生器;⑦油量調(diào)節(jié)鈕;⑧空氣流量閥;⑨箱體;⑩萬(wàn)向節(jié)噴嘴;?加油口。

圖 3 某型微量潤(rùn)滑裝置三維示意圖

　　微量潤(rùn)滑裝置的選用及設(shè)計(jì)需要注意以下方面：

　　(1) 針對(duì)不同的加工方法，需選擇相對(duì)應(yīng)的外冷式或內(nèi)冷式的結(jié)構(gòu)，其中外冷式的氣霧由機(jī)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(jī)床;內(nèi)冷式的氣霧通過(guò)機(jī)床主軸、經(jīng)刀具的內(nèi)孔并由端部噴出，主要適用于加工中心及使用內(nèi)冷鉆頭、內(nèi)冷銑刀等內(nèi)冷刀具的加工。

　　(2) 需要結(jié)合原機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、換刀頻率等因素，確定采用單通道還是雙通道的結(jié)構(gòu)，其中單通道方式需要單獨(dú)的霧化裝置，并將霧化液與壓縮空氣混合通過(guò)一個(gè)通道傳輸?shù)絿娮?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便;雙通道方式不需要單獨(dú)的霧化裝置，內(nèi)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(jìn)行霧化，可解決油霧不均勻、管路復(fù)雜等問(wèn)題，主要應(yīng)用于主軸轉(zhuǎn)速較高、換刀頻繁的場(chǎng)合。

　　(3) 噴嘴的布局對(duì)于冷卻效果也有一定影響，應(yīng)針對(duì)各加工方法的運(yùn)動(dòng)形式、刀具的形狀與尺寸等，對(duì)噴嘴進(jìn)行合理布置，以提供更可靠、效果更佳的潤(rùn)滑;噴嘴具有圓形噴嘴、寬范圍噴嘴、環(huán)形噴嘴等不同的形狀選擇。

　　(4) 壓縮空氣壓力、潤(rùn)滑油用量等影響著油霧油滴顆粒的大小，進(jìn)而影響接觸界面的冷卻潤(rùn)滑效果，這就需要對(duì)空氣壓力、潤(rùn)滑油量等進(jìn)行控制與優(yōu)化，需要對(duì)空氣壓力調(diào)節(jié)器、壓力表、泵頻率調(diào)節(jié)器、泵排量調(diào)節(jié)器、電磁閥等電液氣控制元件進(jìn)行選用與設(shè)計(jì)。微量潤(rùn)滑裝置可以選用數(shù)字 I /O 接口通信方式，與機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，通過(guò)控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止等操作，并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣壓力大小、潤(rùn)滑油量、報(bào)警信號(hào)、系統(tǒng)指示燈等的控制。

　　機(jī)床結(jié)構(gòu)匹配與再設(shè)計(jì)：采用微量潤(rùn)滑方式替換原有的澆注式冷卻系統(tǒng)所需的切削液箱、切削液泵、凈化過(guò)濾裝置及各種管路系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)，減少了機(jī)床的占地面積。部分老舊機(jī)床在原始設(shè)計(jì)階段，并未考慮未來(lái)的技術(shù)改造與升級(jí)，部分結(jié)構(gòu)并不適合于微量潤(rùn)滑。為此，針對(duì)老舊機(jī)床利用微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行清潔化提升，受到機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的約束，相對(duì)應(yīng)的需要對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配與再設(shè)計(jì)。

　　(1) 盡可能地利用老舊機(jī)床的原有結(jié)構(gòu)。如果采用外冷式微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，老舊機(jī)床不需要做結(jié)構(gòu)上的大的改動(dòng)，有充足的安裝與使用空間即可。如果采用內(nèi)冷式微量潤(rùn)滑系統(tǒng)，機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行匹配性的再設(shè)計(jì)，并需要將原有機(jī)床的刀具更換為帶內(nèi)部通道的刀具，對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

　　(2) 不僅要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的匹配，也要考慮電氣控制系統(tǒng)的匹配。為實(shí)現(xiàn)微量潤(rùn)滑裝置與機(jī)床加工狀態(tài)的匹配，機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)以及 PLC 程序等需要一定程度的再設(shè)計(jì)與修改，實(shí)現(xiàn)與微量潤(rùn)滑電氣控制系統(tǒng)的兼容。

　　(3) 為避免熱量集中造成機(jī)床熱變形，有時(shí)候需要補(bǔ)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(jī)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(chǎn)各類汽車、工程機(jī)械等行業(yè)所需齒輪零部件，擁有滾齒機(jī)、剃齒機(jī)、插齒機(jī)等各類齒輪加工機(jī)床數(shù)十臺(tái)。齒輪加工過(guò)程尤其是滾齒加工中刀齒斷續(xù)切削、易磨損，產(chǎn)生較多的切削熱，所使用的傳統(tǒng)的滾齒機(jī)仍然采用油基切削液和或水基切削液以澆注式冷卻以達(dá)到冷卻潤(rùn)滑、排屑、防銹的效果，給車間環(huán)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(dǎo)致環(huán)境狀況不佳。

圖 4 加工車間地面污染狀況

　　為此，結(jié)合滾齒加工特點(diǎn)以及微量潤(rùn)滑的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)在役滾齒機(jī)進(jìn)行再制造與清潔化提升。滾齒機(jī)可以選用外冷式微量潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，并設(shè)置 3 個(gè)噴嘴將微米級(jí)的油霧液滴粒子噴射至滾齒加工區(qū)域，可以提供良好的潤(rùn)滑油膜，抑制滾齒加工摩擦熱的產(chǎn)生，降低滾刀的磨損，提高滾刀的壽命。利用微量潤(rùn)滑技術(shù)，對(duì)齒輪加工車間的老舊滾齒機(jī)床進(jìn)行再制造與清潔化提升，如圖 5 所示為加裝微量潤(rùn)滑裝置的再制造滾齒機(jī)，雖然冷卻潤(rùn)滑效果還可以進(jìn)一步提高，但其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)等綜合效益顯著。

圖 5 再制造與清潔化提升后的滾齒機(jī)

　　(1) 微量潤(rùn)滑將潤(rùn)滑劑以微米級(jí)霧粒的方式噴出，不會(huì)產(chǎn)生切削液的飛濺，減少了機(jī)床周邊環(huán)境的油污、油液污染;利用噴嘴以噴霧的形式直接對(duì)切削區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)式的冷卻潤(rùn)滑，可避免切削液在空氣中的彌漫對(duì)環(huán)境造成的污染，防止油霧、油煙以及刺激性氣味的產(chǎn)生，改善了齒輪加工車間的空氣質(zhì)量。

　　(2) 微量潤(rùn)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(chǎn)生量，降低了成本，而且大多數(shù)采用的可降解的植物型潤(rùn)滑劑對(duì)人體基本無(wú)危害;同時(shí)，微量潤(rùn)滑泵比冷卻液循環(huán)泵更省電，并去除掉了切削液回收裝置，降低了機(jī)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(zhǎng)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(zhì)量，提高了加工效率，降低了加工成本。

　　四、結(jié) 論

　　目前，我國(guó)制造企業(yè)在役的老舊機(jī)床清潔化程度低，造成車間環(huán)境不佳。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)老舊機(jī)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(rùn)滑技術(shù)引入機(jī)床再制造，提出一種基于微量潤(rùn)滑的機(jī)床再制造清潔化提升方法。

　　(1) 采用微量潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)老舊機(jī)床進(jìn)行再制造與清潔化提升，需要注意微量潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與老舊機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的匹配分析，最終形成匹配、適用的微量潤(rùn)滑機(jī)械與管路系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，并相應(yīng)的對(duì) 老舊機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

　　(2) 應(yīng)用案例表明，利用微量潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)老舊機(jī)床進(jìn)行再制造后，可以提高機(jī)床的加工效率、加工精度及清潔化水平，減少車間環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)老舊機(jī)床提檔升級(jí)，支持制造企業(yè)低成本地實(shí)現(xiàn)綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)以及綠色工廠建設(shè)。

　　(3) 目前，微量潤(rùn)滑技術(shù)在機(jī)床再制造領(lǐng)域的應(yīng)用還較少，與老舊機(jī)床相匹配的微量潤(rùn)滑裝置以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與優(yōu)化并不完善，尤其是一些新型的微量潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展還未得到廣泛的應(yīng)用，這使得冷卻潤(rùn)滑效果還需要進(jìn)一步提高。為此，需要在微量潤(rùn)滑原理及參數(shù)優(yōu)化、機(jī)床結(jié)構(gòu)與刀具匹配、切削工藝參數(shù)優(yōu)化以及新技術(shù)應(yīng)用等方面開展更多基礎(chǔ)性的研究工作，推動(dòng)微量潤(rùn)滑技術(shù)在老舊機(jī)床上的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)略