高效环保的二氧化碳 二氧化碳是难加工材料的理想冷却液
2017-2-15 来源：瓦尔特 作者：-
在加工难加工材料时，二氧化碳是一种特别看好的替代冷却液。”瓦尔特的业务应用开发总监也持同样态度，并提供了一些很好的理由。“在开发二氧化碳低温冷却过程中，我们试验各种材料、在实际生产条件下进行了大量试验。我们的研究发现不仅证明了二氧化碳冷却对通用工艺的适宜性，而且还发现金属去除率增加高达70％，但刀具磨损率没有任何增加。 如果金属去除率保持恒定，则刀具寿命便可延长。”
这是瓦尔特的专家们与多家机床制造厂和研究院【例如茨维考西撒克逊应用科学大学（WHZ）生产技术研究所（IfP、德国亚琛工业大学、Fraunhofer IPT and WZL和德国开姆尼茨工业大学Fraunhofer IWU】共同研究后得出结论。例如，在铣削含镍高合金钢时，涡轮机叶片和涡轮机外壳制造厂在加工这些材料时，刀具使用寿命可延长70％。汽车行业涡轮增压器材料以及航空业不锈钢铸造和钛合金的加工，也证明了能达到同样的生产效率。
瓦尔特公司业务应用开发总监Thomas Schaarschmidt说“在加工难加工材料时，二氧化碳是一种特别看好的替代冷却液。
铝化钛 － 一种轻质耐腐蚀但难加工的材料
在加工航空工业用TiAl6V4制成的钛合金构件时，使用二氧化碳冷却最理想。瓦尔特专家已经证明，刀具使用寿命延长35％，而金属去除率增加50％。
特别是，伽马铝化钛等材料越来越多地用于涡轮机叶片制造业和航空工业。原因很简单：钛合金与铝合金的金属间化合物比以前常用的镍基合金轻得多，前者密度为3.8 g/cm³，后者密度为8.5 g/cm³。但是，铝化钛还能承受发动机的高温，耐蠕变能量强。
毫无疑问，发动机的重量对航空器或宇宙飞船至关重要。一方面，离心力随重量的增加而成二次方增加，也即是说，如果重量减半，则离心力仅有其起始值的四分之一；另一方面，航空器的重量越轻，燃料消耗越少，飞得越好，越环保。
美中不足的是，铝化钛材料极其难加工。在加工铝化钛材料时，刀具磨损特别快，刀具使用寿命只有几分钟。高温缓解了加工问题，因为材料在略高于750℃的温度时开始软化，使得材料加工稍微容易一点。但是，正是这种效果，导致刀具承受的应力较大，从而缩短了刀具使用寿命。解决方案是，尽可能直接地冷却切削刃。
二氧化碳“前程似锦”
这就是瓦尔特一直认为用二氧化碳冷却是今后的发展趋势的另一个原因。“我们现在已经开发出了新一代切削刀具材料：Walter Tiger•tec® Gold – 一种基于氮化钛铝的崭新技术平台 （TiAlN）。今后用这种平台可加工崭新的涂层基体组合体。Tiger•tec® Gold备受欢迎的部分原因是因为它的热硬度极高，最适合快速铣削难加工材料。这还能减少可转位刀片上形成的发纹状裂纹，这种裂纹主要是在断裂切口和热应力变化（即短时热冲击）时容易发生。因此，Tiger•tec® Gold是一种理想的低温冷却用切削刀具材料。
采用低温冷却的涡轮叶片加工所有的Walter F2334R仿形铣其它通道直径和方位需要全部重新设计。
在加工可靠性方面，最关键的是在所需温度下，切削刃的冷却液应尽可能精确。因此，瓦尔特与斯达拉格（Starrag）等技术合作伙伴通力合作，研发出了双通道供液系统——通过机床、主轴、刀柄和刀具，流向切削刃。其中一个通道输送二氧化碳，另一个通道流润滑剂、压缩空气或乳化液，这些介质直接流向切削刃，没有压力降，而且能保持在室温。在二氧化碳成液态时，喷嘴处的温度可首先冷却到最低－78.5°C（理论值），在达到此温度时，二氧化碳开始膨胀。与外冷系统不同的是，这种方法仅冷却工件，因此相对来说，易于加工。采用单独的冷却液供应系统，还可保证极为高效的润滑效果。
瓦尔特有一套Rother Technologie的“Aerosol Master 4000cryolub”系统，这套系统专门用于供应二氧化碳和冷却润滑液，其中采用了罗瑟（Rother）研发的气溶胶干式润滑技术（ATS）及低温冷却技术。根据要求，它可用于按要求调整液态二氧化碳或气溶胶的供应量，即供应量可根据零部件和材料调整。Thomas Schaarschmidt说：“控制冷却液供应量，可十分精密地控制冷却程度。”但是，我们还研发了单通道的加工解决方案。因此，我们在我司（美国）沃基肖技术中心（Technology Center in Waukesha）改造了一座加工中心。
久经证明的低温加工刀具
迄今为止，为了满足低温加工策略要求，瓦尔特为客户提供了大量专门解决方案刀具。瓦尔特的客户可订购所有经久耐用且带有刀片的工具系统，例如使用二氧化碳冷却的Walter BLAXX铣刀。“这还是一种半标准件，但是，我们正在加大研发力度，使之标准化。”采用双冷却液通道，单独供应二氧化碳和MQL的刀具解决方案，在整体硬质合金铣削领域还是一种新技术。我们正在与海默（Haimer）合作开发必应的刀具接柄。
Thomas Schaarschmidt表示，除了高效可靠的冷却润滑系统外，正确的加工策略也很重要。“我们过去几年在此领域积累了丰富的经验，例如，长切口比断裂切口有效得多，因此加工策略应当尽可能采用连续长切口。”
Thomas Schaarschmidt同时强调，双通道供液系统翻新不存在任何问题，但是机床所使用的主轴和/或旋转直刀允许采用这种工艺。“在可转位刀片领域，我们目前采用的辅助通道直径可达63毫米，整体硬质合金领域采用的最大直径为25毫米。”
“我们准备好了”
为批量生产和成本效益做好准备：二氧化碳冷却
machine + tool：Schaarschmidt先生，关于低温加工的切削刀具材料开发，瓦尔特的当前进展如何？
Thomas Schaarschmidt：我们和汽车、能源和航空工业领域的知名厂商一起进行了大量的测试，这些测试均获得了类似的良好结果。根据测试结果，我们可以准确地告诉那些希望采用二氧化碳冷却的客户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。简而言之：在我们看来，这一技术已经准备好首次用于大规模生产中。
低温加工目前仍然面临的主要挑战是什么？
首先是要找到一个愿意和我们以及其他合作伙伴一起在他们的生产加工工艺中采用这一技术的技术合作伙伴。第二个挑战与第一关相关，就是到目前为止还缺乏安全规范。目前还没有相关的行动建议来说明采用二氧化碳冷却的机床操作中需要采取哪些安全措施。在一年的时间里，我们已经成功地解决了与此相关的问题。茨维考应用科技大学的研究和转移中心和其他刀具制造商和系统合作伙伴一起成立了一个工作组来研究使用二氧化碳作为冷却介质的安全课题。通过在斯图加特国际金属加工展览会上的活动，我们公布了采用二氧化碳冷却的机床安全操作建议。关于采用二氧化碳冷却的机床的必要安全措施，这一38页的文件包含了所有必要的法律框架条件和解释。
你们是否与冷却润滑剂制造商进行技术合作开发？都有哪些公司？从中获得了怎样的协同效应？
我们同属于一个工作组，该工作组有着大量高素质的合作伙伴，其中也有一家冷却润滑剂制造商。协调效应表现在：我们已经使用并测试新的冷却润滑剂– 从而确定在特定的条件下这些润滑剂是否比压缩空气、MQL甚至是二氧化碳更加适合。最终，我们的目的是为客户提供最佳的解决方案。
在您看来，何时业内才会普遍采用二氧化碳作为冷却介质？目前的需求怎样？到目前为止，瓦尔特客户在哪些应用中一直使用这些刀具？
航空工业和其他领域对此都非常感兴趣。我们收到了很多查询，希望了解二氧化碳冷却在特定的条件下能获得怎样的利润。我们已经和各种行业的最终客户一起执行了大量的项目，证明了使用二氧化碳作为冷却剂的节约潜力。目前在大学中正至少进行着三个项目，最终客户和我们一起在这些项目中对二氧化碳冷却的潜力进行测试。此外一些机床制造商的项目也提出了类似的问题。二氧化碳在多大程度上能够作为冷却介质取决于在批量生产中的适用性。我们必须和最终客户一起在接下来的步骤中对此进行测试。因此，下一个问题应当是“何时”。
除了为已测试和试验的标准刀具配备低温冷却选件外，还有什么开发方法？
我们知道刀具的设计应当是怎样的，以及如何构建接口和加工策略。简而言之，我们已经拥有了立即开始刀具和装配零件批量生产所需的全部知识和技术。当然，我们也对合理的进一步开发持开放态度。就目前来说，我可以充满信心地说：在刀具这方面，我们已经准备好了。在给定的应用案例中，二氧化碳冷却的表现良好，而且在经济上也可行，不过还有待在批量生产中的测试。在进一步的开发中，一个重要的出发点就是将刀柄中的冷却液传输与机床中的旋转给进之间的接口标准化。
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