高效環保的二氧化碳 二氧（yǎng）化碳是難加工材料（liào）的理想冷卻液
2017-2-15 來源：瓦爾特 作（zuò）者：-
在加工難加工材料時（shí），二氧化碳是一種特別看好的替代冷卻液（yè）。”瓦爾特的業務（wù）應用開發總監也持同（tóng）樣態度，並提供了一些很（hěn）好的理由。“在開（kāi）發二氧化碳低（dī）溫冷卻過程中，我（wǒ）們試驗各種材料（liào）、在實際生產條件下進行了大量試驗。我們（men）的研究發（fā）現不僅證明了二氧化碳（tàn）冷卻對通（tōng）用工藝的適宜性（xìng），而且還（hái）發現金（jīn）屬去（qù）除率增（zēng）加高達70％，但刀具磨損率沒有任何增加。 如果金屬去除率保（bǎo）持恒定，則刀具壽命便可延長。”
這是瓦爾特（tè）的專家們與（yǔ）多家機床製造廠（chǎng）和研究院【例如茨維考西撒克遜應用科學大（dà）學（WHZ）生產技術（shù）研（yán）究所（IfP、德國亞琛工（gōng）業大學、Fraunhofer IPT and WZL和德國開姆（mǔ）尼茨（cí）工業大學Fraunhofer IWU】共同研究後得出結論。例如，在銑削含鎳高合金鋼時，渦輪機葉片和渦輪機外殼製造廠在加工這些材料時，刀（dāo）具使用壽命可延長70％。汽車行業渦輪（lún）增壓器材料以及航空業不（bú）鏽鋼鑄造和鈦合金的加（jiā）工，也證明了能達到同樣（yàng）的生產效率。
瓦爾特公司業務應用（yòng）開（kāi）發總監Thomas Schaarschmidt說“在加工難加工材（cái）料時，二氧化碳是一種特別看好的替代冷卻液。
鋁化鈦（tài） － 一種輕質耐腐蝕但難加工的材料
在（zài）加工航空工業用TiAl6V4製成的鈦合金構件（jiàn）時，使（shǐ）用二（èr）氧化碳冷卻最理想。瓦爾特專家已（yǐ）經證明，刀具使用壽命延長35％，而（ér）金屬（shǔ）去除率增加50％。
特別是，伽馬鋁化鈦等材料越來（lái）越多（duō）地用於渦輪機葉片製造（zào）業和（hé）航（háng）空工業。原（yuán）因很簡單：鈦合金與（yǔ）鋁合金的金屬間（jiān）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，後者密度為8.5 g/cm³。但（dàn）是，鋁化鈦還能承受發（fā）動機的高溫，耐蠕變能量強（qiáng）。
毫無疑問（wèn），發動機的重量對航（háng）空器或宇宙飛船至關重要。一方麵，離（lí）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；另一方麵，航空器的重量越輕，燃料消耗越少，飛得越好，越環（huán）保。
美中不足（zú）的是，鋁化鈦材（cái）料極其難加工。在加工鋁化鈦材料時，刀具磨（mó）損特（tè）別快，刀具使用壽命隻有幾分（fèn）鍾。高溫緩解了加工問題，因為材料在略高於750℃的溫度時開始（shǐ）軟化，使得材料加工稍微容易一點。但是，正是這種（zhǒng）效果，導致刀具承受的應力較大，從而縮短（duǎn）了（le）刀具使用壽命。解決方案是，盡可能直接地冷（lěng）卻切削刃。
二氧化碳（tàn）“前程似錦”
這就是瓦爾特一直認（rèn）為用（yòng）二氧（yǎng）化碳冷卻是今後的發展（zhǎn）趨勢的另一（yī）個原因。“我們現在已（yǐ）經開發出了新一代切削刀具材料：Walter Tiger•tec® Gold – 一種基於氮化鈦鋁的嶄新技術平台 （TiAlN）。今後用這種平（píng）台可加工嶄新的塗層（céng）基體組合體。Tiger•tec® Gold備受歡迎的部分原因是因為（wéi）它的熱硬度極高，最適合快速銑削難加（jiā）工材料。這（zhè）還能減少可轉位刀片上（shàng）形成的發紋（wén）狀裂紋，這種（zhǒng）裂紋（wén）主要是在斷裂（liè）切口和（hé）熱應力變化（即短時熱衝擊）時容（róng）易發生。因此，Tiger•tec® Gold是一種理想的低溫冷卻用切削刀具（jù）材料。
采用低溫冷卻的渦輪葉片加工所（suǒ）有的Walter F2334R仿形銑其它通道（dào）直徑（jìng）和方位需要全部（bù）重新設計。
在加工可靠性方麵，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（lā）格（Starrag）等（děng）技術合作夥伴通力合作，研發（fā）出了（le）雙通道供液係統——通過機床、主軸、刀柄和（hé）刀具，流向切削刃。其中一個通道輸送（sòng）二氧化碳，另一個（gè）通道流潤滑劑、壓縮空氣或乳化液，這些介質直接流向切削（xuē）刃，沒有（yǒu）壓力降，而且能保持在室溫。在二氧化碳成液態時，噴嘴處（chù）的溫（wēn）度可（kě）首先冷卻到最低－78.5°C（理（lǐ）論值），在達到此（cǐ）溫度時，二氧化碳（tàn）開始膨脹。與外冷係（xì）統不同的是，這種方法僅冷卻工件，因此相對來說（shuō），易於加工。采（cǎi）用單獨的冷卻液供應（yīng）係統，還可（kě）保證極為（wéi）高效的潤滑效果。
瓦爾特有一套Rother Technologie的“Aerosol Master 4000cryolub”係統，這套係統專門用於供應二氧化碳和冷卻（què）潤（rùn）滑（huá）液，其中采用了羅瑟（Rother）研發（fā）的氣溶膠幹式潤滑技術（ATS）及低溫冷卻技術。根（gēn）據要求，它可（kě）用於按要（yào）求調整液態（tài）二氧化碳或氣溶膠的供（gòng）應量，即供應量可根據零部件和材料調整。Thomas Schaarschmidt說：“控製冷卻液供應量，可十分精密地控製冷卻程度。”但是，我們還研（yán）發了單（dān）通道的加工（gōng）解決方（fāng）案。因此，我們在我司（美國）沃基肖技術（shù）中（zhōng）心（xīn）（Technology Center in Waukesha）改造了（le）一座（zuò）加工中心。
久經證明的低溫加工刀具（jù）
迄今為止，為了滿足低溫加工策略要求，瓦爾（ěr）特為客戶提供了（le）大量專門解決方案刀具。瓦爾特的客戶可訂（dìng）購所有（yǒu）經久耐用且帶有刀（dāo）片的工具係統，例如使用二氧化碳冷卻（què）的Walter BLAXX銑刀。“這還是一種半標準件，但是，我們正在（zài）加大研發力（lì）度，使之標準化。”采用雙冷卻液通道，單獨供應二氧化（huà）碳（tàn）和MQL的刀具解決方案，在（zài）整體硬質合金銑削領域還是一種（zhǒng）新技術。我們正在與海默（mò）（Haimer）合作開發必應（yīng）的刀具接（jiē）柄（bǐng）。
Thomas Schaarschmidt表示，除了高效（xiào）可靠的冷卻潤滑係統（tǒng）外（wài），正確的加工策略也很（hěn）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（kǒu）比斷裂切口（kǒu）有效得多，因（yīn）此加工策略應（yīng）當盡（jìn）可能采用連續長切口。”
Thomas Schaarschmidt同時強調，雙通道供液係統翻新不存在任何問題，但是機床所使（shǐ）用的主軸和/或旋轉直刀允許采（cǎi）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（de）最大直（zhí）徑（jìng）為25毫米。”
“我們準備好了”
為批量生產和成本效益做好準（zhǔn）備（bèi）：二（èr）氧化碳冷卻
machine + tool：Schaarschmidt先生，關於低溫加工的（de）切削刀具材料開發（fā），瓦（wǎ）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（qǐ）進行了（le）大量的測試，這些測試均獲得了類似的良好結果（guǒ）。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（tàn）冷卻的客戶哪些切削刀具材料是（shì）最理想的，以及最佳的加工策略是什麽。簡而（ér）言之：在（zài）我們（men）看來，這一技術已（yǐ）經準備好首次用於大規模生產中。
低溫加工目前仍（réng）然麵臨的主要挑戰是什麽？
首先是要找到一個願意（yì）和我們以及其他合作夥伴（bàn）一起在他們的（de）生產（chǎn）加工工藝中采用這一技術的技（jì）術合作夥伴。第二個挑戰與第一關相關，就是到目前為止還缺乏安全規範。目前還沒有相關的行動建議來說明采用二氧化碳冷卻（què）的機床操作中需要采取哪些安全措施。在一年的時間裏，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（yán）究和轉移（yí）中心和（hé）其他（tā）刀具製造商和係統合作夥伴一起成（chéng）立了一個工作組來研究使用二氧化碳作為冷卻介（jiè）質的安全課題。通（tōng）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（de）機（jī）床安全操作建議。關於采用二氧化碳冷卻的（de）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（nǐ）們是否與冷卻潤（rùn）滑劑製造商（shāng）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（shǔ）於一個工作組，該工作（zuò）組有著大量高素質的合作夥伴，其中也有一家冷卻潤滑劑製造商。協調效應（yīng）表現在：我們已經使用並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（èr）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（nèi）才會普遍采用二氧化碳作為（wéi）冷卻介質？目（mù）前的需求怎樣？到目（mù）前為（wéi）止，瓦爾（ěr）特（tè）客戶在哪些應用中一直使（shǐ）用這些刀（dāo）具？
航空工業和其（qí）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（néng）獲得怎樣的利潤。我們（men）已經和各種（zhǒng）行業的最終客戶一起執行了大量的項目（mù），證明了使用二氧化碳作為冷卻劑的節約潛（qián）力。目前在大學中正至少進行著三個項目（mù），最終客戶和我們一起在（zài）這些項目中對二氧化碳冷卻的潛力進行測試。此外一些機床製造商的項目也提出了類似（sì）的問題。二氧化碳在多大程度（dù）上能夠（gòu）作為冷卻介質取決於在批量生產中的適用性（xìng）。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（shì）驗的標準刀具配備低溫冷卻選件外，還有什麽開發方法？
我們知道刀具的設計應當是怎樣的，以及如何（hé）構建接口和加（jiā）工策略。簡而言之，我們（men）已經擁有了立即開始刀具和裝配零件批量生產所需的全（quán）部知識和技術。當（dāng）然，我（wǒ）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（chōng）滿信心地說：在刀具這方（fāng）麵，我們已（yǐ）經準備好了。在給定的應用案例中，二（èr）氧化碳冷卻的（de）表現（xiàn）良好，而且在經濟上也可行，不過還有待在批（pī）量生產中的測試。在進一步的開發中，一個重要（yào）的出發點就是將刀柄中（zhōng）的冷卻液傳輸與機床中的旋轉給進之間的接口標準（zhǔn）化。
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