专利名称：一种在切削加工过程中用于润滑和冷却切削刃和/或工件的方法和装置及其在锯床上的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在机加工运行中润滑和冷却切削刃和/或工件的方法和装置，其中至少两种互不溶混的流体被供向切削刃或工件并且a)一种减小切削刃和工件或切屑之间摩擦的流体基质和b)一种冷却切削刃、工件、切削刀体以及切屑(如必要时)的流体基质被应用于此目的。
在使用指南“DUBBEL”(机械工程袖珍本，第13版、第2卷、出版者斯普林格-弗拉格伯林/海德堡纽约州，1974年)的第四章“冷却和润滑”(第675页和676页上)中有如下的内容切削液是用于冷却刀具的切削刃(延长切削刃的使用寿命和提高切削速度)、润滑加工件(改善其表面结构)并冲走从工件切削下的切屑。
文中接着说冷却可在切削速度保持不变的情况下延长刀具切削刃的使用寿命或可在切削刃保持一定的寿命的情况下提高切削速度；平均最高可达40％。文中接着又说理想的切削冷却液除了好的润滑效果和大的冷却能力外还要求具有小的粘度；在消耗过程中冷却液必须不改变其性能并且必须不树脂化和稠化，否则就要导致切削效率的下降；冷却液要能保护刀刃和工件不生锈；要不起泡沫并且尽可能透明以便于观察切削过程；并且不能对人体具有有害的影响。
油水混和型的乳化液常常被用作切削液。但是这种乳化液既不具有最佳的润滑效果也不具有最佳的冷却作用。根据乳化液的质量情况，各油粒以几微米范围的水相存在，而当这些油粒撞击在切削刃上时，它们不能够形成具有高粘附性和高剪切稳定性的粘附着的润滑膜。润滑效果还由于乳化剂，例如纤基醋酸钠和其类似物质或表面活化剂、金属皂等的作用而大大降低。另外，具有特别好的润滑效果的有机流体都是乳化性能比较差的，所以，大多用润滑效果较低的油类来制造稳定的乳化液。乳化状态的切削液还由于油的那部分与水的那部分相比一具有较高的蒸发温度和较小的蒸发热量而导致冷却效果的剧减。另外，乳化液易受细菌影响而变质，并且由于水/油两种状态的液体具有不同消耗量致使它们的浓度发生改变并随之在使用过程中使它们各自的特定作用发生变化。
CH—PS54344号专利具体说明了一种用于冷却和润滑刀具的方法，其中至少有两种具有不同润滑和冷却性能的不溶混液体供向刀具。这些经刀具流出并形成一种不稳定乳化液的液体被收集在一个共同的容器中，然后进入一个分离容器，在该分离容器中它们被互相分离，经分离的液体流出分离容器后重新供向刀具。
必要时，这些不同状态的液体借助一个离心机加以分离。
和所有用作切削冷却液的乳化液的情况一样，它的缺点在于这样的事实，即由于不同的消耗量，浓度发生变化因而需要定期地予以重新调整。此外，冷却作用特别是润滑作用是非常有限的，这是因为一方面，在循环使用中不可能实现不同状态液体的真正完全的分离，而另一方面，由于乳化性的原因润滑剂(油)只具有低的剪切稳定性和粘结能力。另外对一种乳化液来说要临时改变状态的比例也是不可能的。
DE-U-9116481.8号专利描述了一种冷却和润滑的装置，这种装置允许将很少量的液体恰好供向想要被冷却或润滑的金属切削点。在一个混和室内在过压之下液流被分成直接与气流混和的微滴，并且至少有两股混和流可选择地从混和室喷出到达金属切削的部位上。还规定将各种特别适合冷却和润滑的液体分开地供入混和室或气流中。因此就不必用很难混合和具有上面缺点的乳化液。但是，另一方面，不同的液流以雾化形式的最细的分散体共同存在于该股气流中；这样它们的作用被互相减弱到相当大的程度。因此没有任何有凝聚力的、有粘性的和耐剪切的润滑油膜在金属切削的部分上形成并且冷却效果被沿着液流传送的油滴减小。
DE-PS361916号专利说明了一种带有一个用于机床的电动马达驱动的流体泵的装置。在该装置中流向刀具的冷却液是由刀具的发热量控制的；这里用相应于发热量的驱动功率调节泵马达的速度或者用一个阀直接控制着流入的冷却液来达到目的的。
DE-PS930790描述了一种用于冷却和润滑金属加工刀具的切削刃的方法。按照该发明，冷却液是以一股喷流喷射到刀具和工件之间的空间以达到切削刃上。为此目的，喷流以至少21巴的压力和大于切削速度40倍的速度从喷嘴孔喷射出；该速度至少等于52米/秒。这种已知的方法特别适用于车削和铣削加工中的冷却和润滑。
DE-OS3338739A1号专利说明了一种供给切削液的装置；它将一般脉动高压的切削液的射流供给钻削设备或其它的切削工具并使用一个往复式泵；在被供给的切削溶液中的脉冲或冲击频率可以达到一个预定值并且这可以不依赖于出口侧的流动阻力来实现。因此，即使刀具的液流通道直径较小，刀具切削刃的冷却、切削的去除、刀具的刃口寿命以及被加工表面的精度都可保持在所要求的程度或等级上。
EP0448944A1说明了一种用于间歇地喷射液体特别是一种润滑油悬浮液的装置，液体通过一个喷嘴阀以高频率和高压力被间歇地喷射出。这种喷嘴象一个卸压阀那样起作用，即当悬浮液的供给压力超过临界值时它自动打开而当所述压力低于临界值时它自动关闭。使用一种润滑悬浮液，尤其是一种主要由石墨以及聚合物和如悬浮于水中的稳定剂那样的辅助剂组成的高温润滑油悬浮液；这种润滑油悬浮液是在很高的，例如50至120巴，在特殊情况下达250巴的压力下用20至120米/秒的流速被供向喷嘴阀的。这种方法就耗能和设备而言需要较大的费用。
DE-OS3429965A1号专利说明了一种磨床，具体说是一种导轨磨床，这种导轨磨床具有一根磨削主轴，至少一个用于磨削主轴的冷却润滑油的出口喷嘴，和一个冷却润滑油的循环系统，该冷却润滑油循环系统包括一冷却润滑油油箱，一条从油箱通向出口喷嘴的冷却润滑油供给管路，一条冷却润滑油回油管路和一个用于维持冷却润滑油循环的泵装置。该发明有一个调节流动的冷却润滑油温度至一给定值的温度调节装置设置在冷却润滑油的供给管路中。
从已有技术的上述情况出发，本发明的目的是提供一种如权利要求1的前序部分所述的方法，一种用于实现这种方法的装置和它们的使用。本发明的方法、装置和使用大大地改善了润滑和冷却的效果—与已知的方法和装置的相应效果相比较一而且所需要的装置和关于材料、能源和设备的费用都严格保持在有经济效益的范围内。
由于润滑和冷却效果的改善，有效地延长了刀具的切削刃的寿命，以及提高了切削速度并使被加工表面的质量最佳化。
在权利要求1的前序部分中提及的这种方法中，本发明的上述目的是通过权利要求1的特征部分中所述的特征实现的。
按照本发明，许多令人感到意外的优点产生于去除切屑的加工运行中按照本发明，润滑液流和冷却液流分开地施加在刀具的不同点上从而使具有很大粘附性和剪切稳定性的润滑油膜在刀具或其切削刃上形成；这意味着，由于大大改善的润滑效果导致摩擦的减小，因此在工件、刀具和刀屑上产生较少的摩擦热量。由于这样获得的较好的冷却条件，加工表面的质量得到改善，机床的功率消耗得到减少并且刀具的切削刃的寿命得到大大的提高；而且这是在大大提高的总切削速度的情况下实现的。在这方面，切削刃的寿命和切削速度在类似的工件和材料状态下常常提高2至5倍，在一些极端的情况下提高近10倍。
在按本发明方法的一个实施例中，是用相应于加工过程消耗量的数量以无过剩润滑流体的方式施加润滑流体的，因此无需进行再循环或回收润滑液流。
这种办法节省了需用于再循环回收的装置和耗能；经加工的产品和切屑都是清洁的因而无需为了后道工序的加工而进行费用很高的后处理；润滑剂耗量减小到最低限度而具有最佳的润滑效果；机器以及工件和环境保持不被污染并不会影响健康。
当用一圆锯片或带型锯片进行锯割时，按本发明另一实施例，根据工件和/或锯片所需要的冷却，以在冷却液在加工过程中可以自发地蒸发掉这样的数量施加冷却液；即当分开施加的润滑液被喷射到切屑离去部分之前一定距离处的锯片的某一部位上时，润滑液流可以已形成对锯片表面具有良好的粘附性的润滑油膜的情况下施加在无冷却液的锯片的干燥表面上。这种措施既提供了一种最佳冷却和润滑效果，又同时通过不同附加剂的协同作用以峰值效应的方式提高了总的效率。
如果涉及相对于工件移动的刀具、锯片或铣刀，则本发明另一实施例中安排成润滑流体是施加工在从前进或切削运行方向看的切屑离去部分前头的一个位置上，并且冷却液是直接用在切屑离走的区域上，此冷却液流是施加在先前形成在刀具上的润滑油膜上面的。
本发明的这种基本办法给与两种附加剂(冷却液和润滑液)以最大可能的性能发挥范围，无论就它们的单独的作用还是它们的累加作用而言都是这样。
按本发明方法的另一实施例，润滑流体是在形成具有高的界面结合和剪切稳定性的极薄的膜层的情况下以在一种定向喷流中的均匀悬浮微粒的形式施加的，膜层厚度的范围是在10和150微米之间，较理想是在10和50微米之间，而最理想是在5和20微米之间。
润滑膜对刀具界面的最大粘性，以及经过稳定添加剂加强因而特别显著的膜层的剪切稳定性导致最大的润滑能力，这种润滑能力涉及到在工件加工过程中的摩擦力和摩擦热量的有效减小以及使润滑油耗用量减少到最小的数量。
按照本发明的方法的另一实施例，润滑液流借助经加热的压缩气体以一种悬浮微粒喷流喷出。虽然在许多应用中，润滑液流是用具有环境温度的空气喷出的，但在一些特殊应用中上述采用加热气体的办法还应在此提及。这种办法可以使具有较大粘度和特佳稳定性特性的流体得到很好的喷射。
按照本发明的方法，更理想的是将一种无矿物油的液体用作润滑流体；它可以含有脂肪酸酯和用于热稳定和力学稳定的添加剂或者需要的话，也可以使用具有石墨或硫化钼形式的含固体的添加剂。
为了减小表面张力，冷却流体最有利地可以含有具有表面活化剂、金属皂、多元醇或它们的衍生物形式的添加剂。这有助于在切削刃上或在切削刃与工件之间在细小缝中蠕变过程中加强毛细管作用，改善冷却液在施加点上的散布并有助于减小蒸汽压力。
按照本发明的另一建议方案，一种或两种工作流体的进给速度可以在工件加工过程中按照机床的功率输入量进行调节。
以这种方式控制各种流体简单而又可靠。
最后，本发明有利地提供了尤其是在锯床上使用锯片进行工作加工过程中的润滑和冷却方法的应用。
一种在机加工过程中，对切削刃和/或工件进行润滑和冷却尤其是实现本发明方法的装置，它显示出在权利要求11的特征部分所给出的那些特点。另外的实施例和装置的应用由权利要求12和13提供。
本发明通过描述较佳实施例的一些示意图予以说明，这些附图显示出本发明的进一步的优点
图1是装置的一个示意图，图中同时示出了它在锯床工作台上的部分俯视图；图2是图1所示装置的侧视图；图3是图1所示装置的主视图；图4示出一个具有不借助气体的压力雾化的喷射头；图5示出一个具有借助压缩气体的压力雾化的喷射头；图6是具有润滑油和冷却液的供给点的一个圆锯片的侧视图。
在附图1的框图中所示的该装置具有一个盛放一种用于冷却环形带锯片27(在俯视图中部分示出)的一种流体基质的可移走的容器2和一个盛放一种减小所述环形带锯片27的切削刃和工件间摩擦力的流体基质的第二可移走容器1。
至少两个分开的施加件3和4分别被分配置于这两种流体a)和b)的每一种。在图示的例子中仅一个喷流件配置给流体(a)，而提供给流体b)的是两个喷流件4a和4b。然而并不一定要这样布置；配置给每种流体a)和b)可是是1个或2个或更多个喷流装置。此外，流体a)或b)各具有供给管路10和11。供给管路10将用于流体a)的容器1连接于喷流件3，而供给管路11将用于流体b)的可移走容器2的液体加入到喷流件4a和4b中。用作输送装置的计量泵7或8分别设置在各供给管路10和11中。
喷流件3或4a，4b可以借助可调节的铰接杆33或34a、34b置于相对于待润滑和冷却的环形带锯片的切削刃的适当位置上，而这些喷流件，例如可以借助磁性块35或36a、36b固定在机架37的任选点上。喷流件对于锯片27和工件15之间的切削区域的位置安排得在金属切削位置前喷射润滑油a)的喷流件3是垂直地指向锯齿，而喷射冷却液b)的两个喷流件4a、4b是刚好在金属切削位置之后各从横向倾斜的两个位置指向锯齿侧面。
从图1中还可以看到，该装置可以有一个用于在工件加工过程中对机床功率消耗进行记录的、带有信号线47的装置。这个装置作用在具有一个设定点调节器44和一个数字显示器43的控制单元42上。在金属切削区域上有一运动检测器40连接于信号线路41。一旦当锯片停止运动时就将润滑和冷却装置关掉，典型的控制装置40至48相对于一个给定的参考(基准)输入44根据机床操作情况通过管路45和46调节计量泵的流量。
最为有利的是，这种控制单元使一种或两种流体a)或b)的提供完全相应于机床的操作过程的需要。
图2和3是图1所示的装置、从图2的箭头A方向看过去的侧视图。从两个视图中可以看到，喷射润滑油a)的喷流件3设置在从锯片27的加工运动或前进的方向28看的位于工件前面的一个施加区域16上。与此相反，冷却液流体b)施加在锯片27直接与工件15相啮合区域上的已形成的润滑油膜上面。除了图1以外，图2和3再次清楚地图示说明了不同的流体a)和b)是借助喷流件3和4通过分开的供给管路10和11各自从分开的可取走的容器1和2中喷出的。
此外，在图3的图示中可以看到，喷流件3的喷流30可以是指向斜上方，而喷流件4a、4b的喷流可以指向斜下方。以这种方式，而尤其是借助润滑油a)和冷却液b)的分开施加，不同的附加剂的每一种在它按刀具27的切削刃和工件15间的协同配合来完成其特定功能的部位上发挥其最佳的效果。在任何情况下，润滑油是首先直接施加在刀具上并形成一润滑油膜，然后冷却液再施加到所述油膜上。
在图4和5中可以看到，各喷流件是一个具有形成一股喷流30或31的装置的喷头20或21，喷流30或31能量大而雾化差并可具有推进气体或不带推进气体。喷流30或31的方向可用已知的方式或已知的装置来调节。
还可换用喷射阀来适应不同的喷射数量或喷射条件(如喷射压力)。图5示出至少流体a)或b)的一种可以借助压缩气体，压缩空气或隋性气体以较窄的束流31从一种已知的喷嘴结构喷射出。为此目的喷射装置有一个带有压缩空气贮器19的压缩机18。如需要的话，可使用热空气以有助于以均匀的方式喷射出具有较高粘性的润滑油a)。为此，一热交换器50布置在通向喷射头21的管路中。
图6示出了将本发明的方法或装置应用于圆形锯片27的一个实施例。圆形锯片27以箭头51方向旋转而在工件15上形成一锯痕52。用于润滑目的喷流件3和用于冷却目的的喷流件4分别配置给锯片27。金属切削的部位以标号53表示。从图6中可清楚地看到，润滑油a)以喷流30的形式从喷流件3喷出，而冷却液b)的喷流31从喷流件4喷射出，圆形锯片27相对工件15的切割方向51设置成这样方式—这种方式正是本发明的实质所在—即润滑油喷流30是先于冷却液喷流31喷出，以使具有高的粘性和剪切稳定性的润滑油薄膜54(以点图示)在锯片27的表面上形成。冷却液(b)然后才以喷流形式喷射在润滑油膜54上，即直接喷在金属切割区域53上。
当锯齿穿过所述金属切割区域53时，按照消耗量施加的冷却液(b)便蒸发，因此消除了来自切割区域的热量并冷却刀具27、工件15和切屑。锯片27的通过表面保持干燥并然后可借助喷射流30再涂覆上润滑油膜54。
综上所述，可以说按照本发明的方法和相应的装置，当用于金属切削或别的要排除切屑的机加工过程中可提供了下面的优点—由于润滑油流体a)和冷却液流体b)的分开施加，可获得不同效果的最佳发挥；—由于取消了混和状态，各种流体a)或b)一就其活性物质成份、浓度、粘性、数量、温度而言一在使用时可以不受其它流体的影响。
—由于最大限度地利用了可达到的机床性能从而提高了生产效率同时显著降低了加工成本；—较小的刀具磨损或减少刀具的重磨，大大地延长了切削刃的寿命；—优良的被加工工件的表面质量；因而容差可以保持在较小的容限范围以内；—由于切屑清洁而不要花费任何后处理的成本，没有被排出的乳化液的废料处理方面的问题，工件和环境保持清洁、吸入的空气由于“干燥切削”而不含有有害的含油气雾；—大大地减少了流体基质a)和b)的消耗量。
因此本发明以最佳的方式实现了上述任务。
权利要求
1.一种在切削加工过程中用于润滑和冷却切削刃和/或工件的方法，其中，至少两种不溶混的流体供向切削刃或工件，以及使用a)一种减小切削刃和工件或切屑之间摩擦的流体基质，和b)一种冷却切削刃、工件、切削刀体和必要时，切屑的流体基质，其特征在于所述两种流体(a)和(b)各在分离的容器(1，2)中分开贮存或处理；各流体(a)和(b)从其相应容器(1)或(2)通过分开的供给管路(10)或(11)被输向一个喷流件(3)或(4)；各流体(a)或(b)从其相应的喷流件(3)或(4)被施加到被加工的工件(15)上或使用中的切削刃上，以及，在切削刃和工件(15)向着进刀或切屑移去部分的相对运动的过程中，所述润滑流体(a)首先被施加以形成一粘性润滑油膜，随后冷却液(b)被施加到已散开的润滑油膜上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，润滑流体(a)以相应于工件加工过程中所需的消耗量施加，没有过剩的润滑流体(a)，因此不再需要循环回收或再处理过程。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在用一种圆形或带型锯片(27)锯切过程中，冷却流体(b)是按照工件(15)和/或锯片(27)所需要的冷却量施加的，此冷却液在加工过程中它会全部自然蒸发掉，这样，在分开施加的润滑流体(a)喷射在到锯片在切屑移走部分前一定距离的部位上时，它可以被施加到锯片(27)的无冷却液(b)的干燥表面上而形成对刀片表面具有良好粘性的润滑油膜。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对相对于工件(15)运动的刀具、锯片或铣刀(27)，润滑流体(a)是用在从切削运动前进方向看时的切屑移走区域的部(16)上，而冷却液流(b)直接用在切屑移走区域上因而冷却液流(b)是施加在先已散布到刀具(27)上的润滑油膜上面。
5.如权利要求1至4之任一项所述的方法，其特征在于，润滑流体(a)是以一种定向射流(30)中的均匀气雾的方式施加以形成一种具有高的分界面的结合和剪切稳定性的极薄油膜，其厚度范围是在10和150微米之间，较好是在10和50微米之间，而最好是在5和20微米之间。
6.如权利要求1至5之任一项所述的方法，其特征在于，润滑流体(a)是借助被加热的压缩气体以一种气雾喷流(30)喷射出。
7.如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，一种由脂肪酸酯和添加剂以及用于热稳定性的添加剂和/或用于机械稳定性的添加剂组成的无矿物油的流体可理想地用作润滑流体(a)，以及应用具有任选的硫化钼形式的含固体的添加剂。
8.如权利要求1至7之任一项所述的方法，其特征在于，用于减小表面张力的添加剂以表面活化剂、金属皂、多元醇或它们的衍生物的形式被添加于冷却液流(b)中。
9.如权利要求1至8之任一项所述的方法，其特征在于，按在工件加工过程中机床的输入功率大小，流体的供给速率(N/h)具有不同的调节。
10.一种如权利要求1所述方法的应用是用锯床对工件加工时按该方法对锯刀片(2)进行润滑和冷却。
11.一种用于在切削加工过程中用于润滑和冷却切削刃和/或工件，尤其是实现前述权利要求的方法的装置，其特征在于一分开的贮存和可取走容器(1)和(2)分别分配用于各流体(a)和(b)；至少有一个各自分开的喷流件(3)(4)分别配置于流体a)及b)；一分别设置在可取走容器(1)和(2)喷流件(3)和(4)之间的分开的供给管路(10)和(11)分别地配用于各流体(a)和(b)；其中，所述喷流件(3)和(4)设置在相对切屑移走部分的不同距离上，而在相对工件的切削刃的运动方向上看，喷流件(3)对切屑移走区域的距离要大于与冷却液流相连接的喷流件(4)相对切屑移走区域的距离。
12.如权利要求12所述的装置，其特征在于，它具有一个加工过程中用于对机床的输入功率进行记录的计量件和一用于将测得值发送给测量控制装置(42)的信号线路(41)，由此按所测定的值调节供给流体(a)或(b)的输送装置(7)或(8)。
13.如权利要求11至12所述的装置的用途是用于锯床上对锯刀片(27)进行润滑和冷却。
全文摘要
一种在加削加工过程中用于润滑和冷却切削刃和/或工件的方法、装置及其用途，其中至少两种不溶混流体供向切削刃或工件，使用一种减小切削刃和工件或切屑间摩擦的流体基质和一种冷却切削刃、工件、切削刀体和在需要的情况下，切屑的流体基质从而可实现润滑和冷却效果的惊人增加，其特点是，两种流体(a)和(b)在分开容器(1，2)中分开地被贮存或处理，各流体(a)或(b)通过一分开的供给管路(10)或(11)从其相连容器(1)或(2)输往喷流件(3)或(4)，以及各流体(a)或(b)从其连接的喷流件(3)或(4)施加到被加工的工件(15)或使用中的切削刃上，并且在切削刃和工件(15)向着进刀或切屑移去部分的相对地运动的过程中，所述润滑流体(a)首先被施加以形成一粘性润滑油膜，并随后冷却液(b)被施加到已形成的润滑油膜上。
文档编号B23D59/02GK1119424SQ94191507
公开日1996年3月27日 申请日期1994年3月12日 优先权日1993年3月22日
发明者沃尔·瓦尔 申请人:沃尔·瓦尔