高效環保的二氧化碳 二氧化碳是難加工材料的理想冷卻液
2017-2-15 來源：瓦爾特 作者：-
在加工難加工材料時，二氧化碳是一種特別看好的替代冷卻液。”瓦爾特的業務應用開發總監也持同樣態度，并提供了一些很好的理由。“在開發二氧化碳低溫冷卻過程中，我們試驗各種材料、在實際生產條件下進行了大量試驗。我們的研究發現不僅證明了二氧化碳冷卻對通用工藝的適宜性，而且還發現金屬去除率增加高達70％，但刀具磨損率沒有任何增加。 如果金屬去除率保持恒定，則刀具壽命便可延長。”
這是瓦爾特的專家們與多家機床制造廠和研究院【例如茨維考西撒克遜應用科學大學（WHZ）生產技術研究所（IfP、德國亞琛工業大學、Fraunhofer IPT and WZL和德國開姆尼茨工業大學Fraunhofer IWU】共同研究后得出結論。例如，在銑削含鎳高合金鋼時，渦輪機葉片和渦輪機外殼制造廠在加工這些材料時，刀具使用壽命可延長70％。汽車行業渦輪增壓器材料以及航空業不銹鋼鑄造和鈦合金的加工，也證明了能達到同樣的生產效率。
瓦爾特公司業務應用開發總監Thomas Schaarschmidt說“在加工難加工材料時，二氧化碳是一種特別看好的替代冷卻液。
鋁化鈦 － 一種輕質耐腐蝕但難加工的材料
在加工航空工業用TiAl6V4制成的鈦合金構件時，使用二氧化碳冷卻最理想。瓦爾特專家已經證明，刀具使用壽命延長35％，而金屬去除率增加50％。
特別是，伽馬鋁化鈦等材料越來越多地用于渦輪機葉片制造業和航空工業。原因很簡單：鈦合金與鋁合金的金屬間化合物比以前常用的鎳基合金輕得多，前者密度為3.8 g/cm³，后者密度為8.5 g/cm³。但是，鋁化鈦還能承受發動機的高溫，耐蠕變能量強。
毫無疑問，發動機的重量對航空器或宇宙飛船至關重要。一方面，離心力隨重量的增加而成二次方增加，也即是說，如果重量減半，則離心力僅有其起始值的四分之一；另一方面，航空器的重量越輕，燃料消耗越少，飛得越好，越環保。
美中不足的是，鋁化鈦材料極其難加工。在加工鋁化鈦材料時，刀具磨損特別快，刀具使用壽命只有幾分鐘。高溫緩解了加工問題，因為材料在略高于750℃的溫度時開始軟化，使得材料加工稍微容易一點。但是，正是這種效果，導致刀具承受的應力較大，從而縮短了刀具使用壽命。解決方案是，盡可能直接地冷卻切削刃。
二氧化碳“前程似錦”
這就是瓦爾特一直認為用二氧化碳冷卻是今后的發展趨勢的另一個原因。“我們現在已經開發出了新一代切削刀具材料：Walter Tiger•tec® Gold – 一種基于氮化鈦鋁的嶄新技術平臺 （TiAlN）。今后用這種平臺可加工嶄新的涂層基體組合體。Tiger•tec® Gold備受歡迎的部分原因是因為它的熱硬度極高，最適合快速銑削難加工材料。這還能減少可轉位刀片上形成的發紋狀裂紋，這種裂紋主要是在斷裂切口和熱應力變化（即短時熱沖擊）時容易發生。因此，Tiger•tec® Gold是一種理想的低溫冷卻用切削刀具材料。
采用低溫冷卻的渦輪葉片加工所有的Walter F2334R仿形銑其它通道直徑和方位需要全部重新設計。
在加工可靠性方面，最關鍵的是在所需溫度下，切削刃的冷卻液應盡可能精確。因此，瓦爾特與斯達拉格（Starrag）等技術合作伙伴通力合作，研發出了雙通道供液系統——通過機床、主軸、刀柄和刀具，流向切削刃。其中一個通道輸送二氧化碳，另一個通道流潤滑劑、壓縮空氣或乳化液，這些介質直接流向切削刃，沒有壓力降，而且能保持在室溫。在二氧化碳成液態時，噴嘴處的溫度可首先冷卻到最低－78.5°C（理論值），在達到此溫度時，二氧化碳開始膨脹。與外冷系統不同的是，這種方法僅冷卻工件，因此相對來說，易于加工。采用單獨的冷卻液供應系統，還可保證極為高效的潤滑效果。
瓦爾特有一套Rother Technologie的“Aerosol Master 4000cryolub”系統，這套系統專門用于供應二氧化碳和冷卻潤滑液，其中采用了羅瑟（Rother）研發的氣溶膠干式潤滑技術（ATS）及低溫冷卻技術。根據要求，它可用于按要求調整液態二氧化碳或氣溶膠的供應量，即供應量可根據零部件和材料調整。Thomas Schaarschmidt說：“控制冷卻液供應量，可十分精密地控制冷卻程度。”但是，我們還研發了單通道的加工解決方案。因此，我們在我司（美國）沃基肖技術中心（Technology Center in Waukesha）改造了一座加工中心。
久經證明的低溫加工刀具
迄今為止，為了滿足低溫加工策略要求，瓦爾特為客戶提供了大量專門解決方案刀具。瓦爾特的客戶可訂購所有經久耐用且帶有刀片的工具系統，例如使用二氧化碳冷卻的Walter BLAXX銑刀。“這還是一種半標準件，但是，我們正在加大研發力度，使之標準化。”采用雙冷卻液通道，單獨供應二氧化碳和MQL的刀具解決方案，在整體硬質合金銑削領域還是一種新技術。我們正在與海默（Haimer）合作開發必應的刀具接柄。
Thomas Schaarschmidt表示，除了高效可靠的冷卻潤滑系統外，正確的加工策略也很重要。“我們過去幾年在此領域積累了豐富的經驗，例如，長切口比斷裂切口有效得多，因此加工策略應當盡可能采用連續長切口。”
Thomas Schaarschmidt同時強調，雙通道供液系統翻新不存在任何問題，但是機床所使用的主軸和/或旋轉直刀允許采用這種工藝。“在可轉位刀片領域，我們目前采用的輔助通道直徑可達63毫米，整體硬質合金領域采用的最大直徑為25毫米。”
“我們準備好了”
為批量生產和成本效益做好準備：二氧化碳冷卻
machine + tool：Schaarschmidt先生，關于低溫加工的切削刀具材料開發，瓦爾特的當前進展如何？
Thomas Schaarschmidt：我們和汽車、能源和航空工業領域的知名廠商一起進行了大量的測試，這些測試均獲得了類似的良好結果。根據測試結果，我們可以準確地告訴那些希望采用二氧化碳冷卻的客戶哪些切削刀具材料是最理想的，以及最佳的加工策略是什么。簡而言之：在我們看來，這一技術已經準備好首次用于大規模生產中。
低溫加工目前仍然面臨的主要挑戰是什么？
首先是要找到一個愿意和我們以及其他合作伙伴一起在他們的生產加工工藝中采用這一技術的技術合作伙伴。第二個挑戰與第一關相關，就是到目前為止還缺乏安全規范。目前還沒有相關的行動建議來說明采用二氧化碳冷卻的機床操作中需要采取哪些安全措施。在一年的時間里，我們已經成功地解決了與此相關的問題。茨維考應用科技大學的研究和轉移中心和其他刀具制造商和系統合作伙伴一起成立了一個工作組來研究使用二氧化碳作為冷卻介質的安全課題。通過在斯圖加特國際金屬加工展覽會上的活動，我們公布了采用二氧化碳冷卻的機床安全操作建議。關于采用二氧化碳冷卻的機床的必要安全措施，這一38頁的文件包含了所有必要的法律框架條件和解釋。
你們是否與冷卻潤滑劑制造商進行技術合作開發？都有哪些公司？從中獲得了怎樣的協同效應？
我們同屬于一個工作組，該工作組有著大量高素質的合作伙伴，其中也有一家冷卻潤滑劑制造商。協調效應表現在：我們已經使用并測試新的冷卻潤滑劑– 從而確定在特定的條件下這些潤滑劑是否比壓縮空氣、MQL甚至是二氧化碳更加適合。最終，我們的目的是為客戶提供最佳的解決方案。
在您看來，何時業內才會普遍采用二氧化碳作為冷卻介質？目前的需求怎樣？到目前為止，瓦爾特客戶在哪些應用中一直使用這些刀具？
航空工業和其他領域對此都非常感興趣。我們收到了很多查詢，希望了解二氧化碳冷卻在特定的條件下能獲得怎樣的利潤。我們已經和各種行業的最終客戶一起執行了大量的項目，證明了使用二氧化碳作為冷卻劑的節約潛力。目前在大學中正至少進行著三個項目，最終客戶和我們一起在這些項目中對二氧化碳冷卻的潛力進行測試。此外一些機床制造商的項目也提出了類似的問題。二氧化碳在多大程度上能夠作為冷卻介質取決于在批量生產中的適用性。我們必須和最終客戶一起在接下來的步驟中對此進行測試。因此，下一個問題應當是“何時”。
除了為已測試和試驗的標準刀具配備低溫冷卻選件外，還有什么開發方法？
我們知道刀具的設計應當是怎樣的，以及如何構建接口和加工策略。簡而言之，我們已經擁有了立即開始刀具和裝配零件批量生產所需的全部知識和技術。當然，我們也對合理的進一步開發持開放態度。就目前來說，我可以充滿信心地說：在刀具這方面，我們已經準備好了。在給定的應用案例中，二氧化碳冷卻的表現良好，而且在經濟上也可行，不過還有待在批量生產中的測試。在進一步的開發中，一個重要的出發點就是將刀柄中的冷卻液傳輸與機床中的旋轉給進之間的接口標準化。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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