鈦合金加工用冷卻液的科學(xué)選用

　　2011-07-20

　　利用獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同的冷卻液進(jìn)行測(cè)試，可以為正確選擇鈦合金加工用冷卻液提供所需要的公正數(shù)據(jù)。

　　在目前困難的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，提高切削刀具壽命可以提供一種重要的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在加工過(guò)程中，選用合適的冷卻液可將刀具壽命提高15%－30%。但是，最終用戶如何才能知道哪一種冷卻液是正確的選擇呢？

　　在航空航天零件制造業(yè)，正確選用冷卻液尤其重要，因?yàn)樵撔袠I(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。不確定的經(jīng)濟(jì)環(huán)境增加了零件制造商控制成本的壓力。他們要優(yōu)化加工程序，試驗(yàn)新的刀具技術(shù)，并對(duì)加工機(jī)床升級(jí)換代。

　　由于鈦合金強(qiáng)度高、重量輕和耐腐蝕，因此許多飛機(jī)零件都采用鈦合金制造。然而，鈦合金的熱傳導(dǎo)性能差，在切削過(guò)程中產(chǎn)生的溫度可高達(dá)1100℃，會(huì)導(dǎo)致刀具迅速鈍化，而用鈍化的切削刃進(jìn)行加工可能會(huì)產(chǎn)生更多熱量，從而進(jìn)一步縮短刀具壽命。充分的潤(rùn)滑對(duì)于鈦合金的有效加工至關(guān)重要，因?yàn)闈?rùn)滑不足是切削刀具失效的常見(jiàn)原因。

　　有效性評(píng)估

　　如何才能評(píng)估冷卻液對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命和優(yōu)化加工循環(huán)的有效性？馬斯達(dá)化學(xué)公司（Master Chemical Corp.，美國(guó)俄亥俄州佩里斯堡）戰(zhàn)略性技術(shù)開(kāi)發(fā)副總裁Milton Hoff介紹說(shuō)，一種方法是測(cè)量主軸電機(jī)負(fù)荷，“在切削過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量電流變化。可以非常有效地監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)負(fù)荷。大多數(shù)機(jī)床控制器都可以監(jiān)測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切削循環(huán)中的最大電流負(fù)荷。如果機(jī)床無(wú)此監(jiān)測(cè)功能，還可以設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的電流表，來(lái)測(cè)量在一個(gè)加工工步中的電流變化。”無(wú)論采用哪一種方法，都需要測(cè)量起動(dòng)電流和最大電流。

　　加工鈦合金時(shí)，需要仔細(xì)考慮，確定使用哪種金屬切削液。合成切削液泡沫少，具有良好的過(guò)濾性、清潔度和散熱性，而可溶性切削油具有更好的潤(rùn)滑性。半合成切削液在提供有效潤(rùn)滑和清潔度的同時(shí)，還有助于延長(zhǎng)機(jī)油箱的壽命，可謂兩全其美。最后，還有多種因素必須考慮，包括機(jī)床和操作工人的需求、水質(zhì)、切削液的管理、切削液的輸送和壓力等。

　　為了進(jìn)行最有效的分析，需要采用與被評(píng)價(jià)加工過(guò)程相同的刀具和工件材料進(jìn)行切削試驗(yàn)。Hoff說(shuō)，“加工一個(gè)工件時(shí)，使除冷卻液以外的所有其它參數(shù)都保持恒定，可以通過(guò)電流變化測(cè)量出機(jī)床主軸所承受的載荷，并確定哪種冷卻液的潤(rùn)滑性能更好。”

　　在企業(yè)內(nèi)部做這些試驗(yàn)其結(jié)果值得懷疑，因?yàn)闄C(jī)床的適用性、不同的操作者以及冷卻液的維護(hù)等條件會(huì)發(fā)生變化，從而可能會(huì)歪曲試驗(yàn)結(jié)果。利用外部實(shí)驗(yàn)室對(duì)切削液進(jìn)行評(píng)估，可以提供有效決策所需要的、公正的科學(xué)數(shù)據(jù)。例如，馬斯達(dá)化學(xué)公司已經(jīng)與也位于佩里斯堡的歐文斯社區(qū)學(xué)院的機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)室合作，對(duì)切削液和加工過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)。

　　問(wèn)題解決方案

　　一個(gè)一級(jí)航空零件制造商在其下屬各工廠中加工了大量Ti6Al4V零件，并注意到這種鈦合金的應(yīng)用在快速增長(zhǎng)。由于每個(gè)工廠在加工鈦合金時(shí)都使用不同的金屬切削液，因此該制造商對(duì)于選擇一種切削液以延長(zhǎng)刀具壽命，進(jìn)而降低刀具成本很感興趣。為了進(jìn)一步降低加工成本，制造商希望選擇最高效的鈦合金加工工藝。

　　加工鈦合金時(shí)，刀具成本極高，因此，在保證工件質(zhì)量的前提下，使刀具壽命最大化至關(guān)重要。由于該制造商沒(méi)有掌握相關(guān)數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)能顯示使用哪種切削液是標(biāo)準(zhǔn)化加工的最佳選擇），而進(jìn)行工廠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也不是一種好的選擇，因此該航空制造商決定與馬斯達(dá)化學(xué)公司合作，利用歐文斯社區(qū)學(xué)院的試驗(yàn)裝置對(duì)其工廠使用的冷卻液進(jìn)行評(píng)估。采用該學(xué)院的切削實(shí)驗(yàn)室能為該制造商提供公正的試驗(yàn)結(jié)果，而且勿需占用自己的資源。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在試驗(yàn)中測(cè)量切削參數(shù)，將確定哪種冷卻液可以提供充分的潤(rùn)滑。

　　切削鈦合金的機(jī)床對(duì)冷卻液的要求是：霧化程度低，減少工人在大型機(jī)床工作臺(tái)上走動(dòng)清掃切屑時(shí)滑倒的可能性，以及避免殘留的粘濕冷卻液導(dǎo)致鈦合金切屑粘附在機(jī)床上。在切削試驗(yàn)完成后，實(shí)驗(yàn)室還會(huì)進(jìn)行一些測(cè)試，以比較切削液的一些重要的非切削功能，包括生物穩(wěn)定性、油箱壽命、以及涉及健康和安全的一些性能。

　　試驗(yàn)對(duì)象確定為Weldon刀具公司的M42鈷高速鋼立銑刀（4槽，直徑19.05mm，未涂層，轉(zhuǎn)角半徑3.175mm）。該刀具為頂切粗加工立銑刀，全直徑上的切削參數(shù)為：軸向切深8.90mm，切削速度60sfm，每齒切屑負(fù)荷0.1143mm，進(jìn)給率100mm/min。采用順銑方式。

　　試驗(yàn)規(guī)定，用每種切削液對(duì)航空零件制造商提供的Ti6Al4V坯件（尺寸180mm×200mm×1500mm）進(jìn)行兩次切削，并對(duì)Ti6Al4V板材進(jìn)行一次切削，即每種切削液總共進(jìn)行三輪切削試驗(yàn)。試驗(yàn)在歐文斯學(xué)院切削實(shí)驗(yàn)室的Haas VF4立式加工中心上進(jìn)行，該機(jī)床帶有CAT40錐柄，并由計(jì)算機(jī)控制冷卻液流量。

　　試驗(yàn)共評(píng)估了5種切削液，包括馬斯達(dá)化學(xué)公司的TRIM MicroSol 585以及其它4種競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的切削液。每種切削液都用去離子水進(jìn)行稀釋，兌成6%的濃度。刀具壽命是試驗(yàn)的決定性因素。試驗(yàn)完后，所有切屑和材料都被送還該航空零件制造商。

　　測(cè)量與結(jié)果

　　按照上述參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，刀具期望壽命為3小時(shí)。用OGP光學(xué)比較儀對(duì)刀具進(jìn)行微觀檢測(cè)，測(cè)量積屑瘤并拍攝顯微照片。為避免加工硬化的影響，當(dāng)?shù)毒咴谠嚰厦客瓿梢淮巫叩逗螅ㄇ邢鲿r(shí)間大約為30分鐘），就進(jìn)行一次測(cè)量。同時(shí)記錄機(jī)床主軸電流載荷測(cè)量表的讀數(shù)值。

　　按照原計(jì)劃，需要測(cè)量刀具的后刀面磨損。然而，由于刀具外形為螺旋形和扇形，沒(méi)有一條直刃可讓實(shí)驗(yàn)室用作測(cè)量實(shí)際后刀面磨損的參考點(diǎn)，因此，選擇積屑瘤作為替代指標(biāo)。該航空零件制造商的材料與工藝工程師在切削實(shí)驗(yàn)室觀察了初步試驗(yàn)后，認(rèn)為試驗(yàn)方案令人滿意。

　　采用機(jī)床控制器記錄的最大電流載荷值，對(duì)5種切削液進(jìn)行比較。對(duì)于每種冷卻液，在加工過(guò)程中，電機(jī)的電流載荷都是逐漸增大。電流變化斜率越小，表示刀具壽命越長(zhǎng)（切削液A和B斜率最小）。記錄在所有各次走刀中的電機(jī)最大電流的平均值，同時(shí)記錄實(shí)際加工過(guò)程中最大電流的上、下極限值。最大電流的平均值和上、下極限值的分布區(qū)間越小，表明（或預(yù)示）刀具壽命越長(zhǎng)（切削液A和B表現(xiàn)較好）。

　　通過(guò)在完成了設(shè)定的走刀次數(shù)后，對(duì)在4個(gè)切削刃中的任何一個(gè)切削刃上發(fā)現(xiàn)的最大積屑瘤進(jìn)行測(cè)量，也可以預(yù)測(cè)刀具壽命。這是因?yàn)榫哂休^大積屑瘤的刀具鈍化更嚴(yán)重，因此其壽命也更短。切削液A和B對(duì)應(yīng)的刀具總體平均積屑瘤高度最低，并且積屑瘤高度的上、下極限值的分布區(qū)間最小，表明其刀具壽命最長(zhǎng)。

　　試驗(yàn)中，在每次加工后都對(duì)積屑瘤進(jìn)行測(cè)量，用OGP光學(xué)比較儀共拍攝了139張照片。對(duì)于每一種切削液，在4個(gè)切削刃中具有最大積屑瘤的切削刃出現(xiàn)在第26次也是最后一次切削走刀后。

　　對(duì)5種切削液的一些重要的非切削功能（包括殘留性、生物穩(wěn)定性和抗腐蝕性）進(jìn)行了測(cè)試。在每項(xiàng)指標(biāo)中，表現(xiàn)最好的給5分，第二好的給4分，以此類推。評(píng)分系統(tǒng)不加權(quán)（即認(rèn)為所有測(cè)試項(xiàng)目具有相同的重要性）。在殘留性測(cè)試中，切削液A和E獲得了高分，而切削液B和D在機(jī)床、測(cè)試設(shè)備上和周邊區(qū)域有大量殘留。還可以確定，這兩種切削液在機(jī)床工作臺(tái)上殘留濕滑液體的可能性更大。切削液殘留還會(huì)導(dǎo)致切削液用量增多。

　　在泡沫消散時(shí)間測(cè)試中，切削液B和C顯示出優(yōu)異的泡沫特性。在兌自來(lái)水的切削液中對(duì)黑色金屬的腐蝕試驗(yàn)中，切削液A、D和E得到高分，而切削液C對(duì)黑色金屬產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕。在生物穩(wěn)定性試驗(yàn)中，切削液C和D得到很高評(píng)價(jià)，而切削液B因?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)酸敗問(wèn)題而得分很低。在真菌穩(wěn)定性試驗(yàn)中，對(duì)切削液C和E的評(píng)價(jià)最佳，而切削液B顯示出真菌穩(wěn)定性較差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，切削液A和C總分排名最高。按所有非切削和切削性能總體評(píng)價(jià)，切削液A（MicroSol 585）是最佳選擇。

　　試驗(yàn)完成后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供給該航空零件制造商審查。Hoff說(shuō)，“通過(guò)評(píng)估試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以幫助選擇在加工過(guò)程中能使刀具壽命最大化的冷卻液。當(dāng)然，這是一種受控試驗(yàn)，它沒(méi)有考慮在實(shí)際加工中可能或?qū)?huì)產(chǎn)生的一些變量。但它可以為你選擇加工過(guò)程可以接受的潤(rùn)滑液指出正確的方向。”

　　馬斯達(dá)化學(xué)公司航空加工部經(jīng)理Chuck Gee通過(guò)該案例研究，闡釋了外部試驗(yàn)的優(yōu)越性。他說(shuō)，“我向一位制造工程師展示了該案例，他正為所在的公司評(píng)估我們的產(chǎn)品。完全基于科學(xué)數(shù)據(jù)的決策理念具有極大吸引力，目前他正在為自己公司安排評(píng)估日程表。”

　　雖然對(duì)金屬切削液進(jìn)行外部試驗(yàn)在行業(yè)內(nèi)還不普及，但需求正在不斷增長(zhǎng)。馬斯達(dá)化學(xué)公司大約每月提供一次服務(wù)。Gee表示，“你可以根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)決策。當(dāng)你把數(shù)據(jù)、圖形和表格放到一個(gè)工程師面前，當(dāng)他知道這是一個(gè)獨(dú)立的、在可控環(huán)境條件下進(jìn)行的研究，他就會(huì)信任其結(jié)果。”

　　Hoff指出，“對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，好處在于他們可以基于科學(xué)性進(jìn)行決策。知道哪種冷卻液可以使刀具壽命延長(zhǎng)20%，意味著可以節(jié)約大量加工時(shí)間和成本。了解哪種冷卻液能最有效地防止泡沫問(wèn)題、延長(zhǎng)油箱壽命和提供生物穩(wěn)定性，將會(huì)改善工件的整體質(zhì)量。”