鈦合金加工用冷卻液的科學選用
2011-07-20
利用獨立實驗室對不同的冷卻液進行測試，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)。
在目前困難的經濟環(huán)境下，提高切削刀具壽命可以提供一種重要的競爭優(yōu)勢。在加工過程中，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，因為該行業(yè)競爭十分激烈。不確定的經濟環(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，試驗新的刀具技術，并對加工機床升級換代。
由于鈦合金強度高、重量輕和耐腐蝕，因此許多飛機零件都采用鈦合金制造。然而，鈦合金的熱傳導性能差，在切削過程中產生的溫度可高達1100℃，會導致刀具迅速鈍化，而用鈍化的切削刃進行加工可能會產生更多熱量，從而進一步縮短刀具壽命。充分的潤滑對于鈦合金的有效加工至關重要，因為潤滑不足是切削刀具失效的常見原因。
有效性評估
如何才能評估冷卻液對延長刀具壽命和優(yōu)化加工循環(huán)的有效性？馬斯達化學公司（Master Chemical Corp.，美國俄亥俄州佩里斯堡）戰(zhàn)略性技術開發(fā)副總裁Milton Hoff介紹說，一種方法是測量主軸電機負荷，“在切削過程中，通過測量電流變化。可以非常有效地監(jiān)測主軸電機負荷。大多數(shù)機床控制器都可以監(jiān)測一個標準切削循環(huán)中的最大電流負荷。如果機床無此監(jiān)測功能，還可以設置一個獨立的電流表，來測量在一個加工工步中的電流變化。”無論采用哪一種方法，都需要測量起動電流和最大電流。
加工鈦合金時，需要仔細考慮，確定使用哪種金屬切削液。合成切削液泡沫少，具有良好的過濾性、清潔度和散熱性，而可溶性切削油具有更好的潤滑性。半合成切削液在提供有效潤滑和清潔度的同時，還有助于延長機油箱的壽命，可謂兩全其美。最后，還有多種因素必須考慮，包括機床和操作工人的需求、水質、切削液的管理、切削液的輸送和壓力等。
為了進行最有效的分析，需要采用與被評價加工過程相同的刀具和工件材料進行切削試驗。Hoff說，“加工一個工件時，使除冷卻液以外的所有其它參數(shù)都保持恒定，可以通過電流變化測量出機床主軸所承受的載荷，并確定哪種冷卻液的潤滑性能更好。”
在企業(yè)內部做這些試驗其結果值得懷疑，因為機床的適用性、不同的操作者以及冷卻液的維護等條件會發(fā)生變化，從而可能會歪曲試驗結果。利用外部實驗室對切削液進行評估，可以提供有效決策所需要的、公正的科學數(shù)據(jù)。例如，馬斯達化學公司已經與也位于佩里斯堡的歐文斯社區(qū)學院的機械加工實驗室合作，對切削液和加工過程進行試驗。
問題解決方案
一個一級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用在快速增長。由于每個工廠在加工鈦合金時都使用不同的金屬切削液，因此該制造商對于選擇一種切削液以延長刀具壽命，進而降低刀具成本很感興趣。為了進一步降低加工成本，制造商希望選擇最高效的鈦合金加工工藝。
加工鈦合金時，刀具成本極高，因此，在保證工件質量的前提下，使刀具壽命最大化至關重要。由于該制造商沒有掌握相關數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)能顯示使用哪種切削液是標準化加工的最佳選擇），而進行工廠現(xiàn)場測試也不是一種好的選擇，因此該航空制造商決定與馬斯達化學公司合作，利用歐文斯社區(qū)學院的試驗裝置對其工廠使用的冷卻液進行評估。采用該學院的切削實驗室能為該制造商提供公正的試驗結果，而且勿需占用自己的資源。實驗室通過在試驗中測量切削參數(shù)，將確定哪種冷卻液可以提供充分的潤滑。
切削鈦合金的機床對冷卻液的要求是：霧化程度低，減少工人在大型機床工作臺上走動清掃切屑時滑倒的可能性，以及避免殘留的粘濕冷卻液導致鈦合金切屑粘附在機床上。在切削試驗完成后，實驗室還會進行一些測試，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。
試驗對象確定為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，每齒切屑負荷0.1143mm，進給率100mm/min。采用順銑方式。
試驗規(guī)定，用每種切削液對航空零件制造商提供的Ti6Al4V坯件（尺寸180mm×200mm×1500mm）進行兩次切削，并對Ti6Al4V板材進行一次切削，即每種切削液總共進行三輪切削試驗。試驗在歐文斯學院切削實驗室的Haas VF4立式加工中心上進行，該機床帶有CAT40錐柄，并由計算機控制冷卻液流量。
試驗共評估了5種切削液，包括馬斯達化學公司的TRIM MicroSol 585以及其它4種競爭對手的切削液。每種切削液都用去離子水進行稀釋，兌成6%的濃度。刀具壽命是試驗的決定性因素。試驗完后，所有切屑和材料都被送還該航空零件制造商。
測量與結果
按照上述參數(shù)進行切削試驗，刀具期望壽命為3小時。用OGP光學比較儀對刀具進行微觀檢測，測量積屑瘤并拍攝顯微照片。為避免加工硬化的影響，當?shù)毒咴谠嚰厦客瓿梢淮巫叩逗螅ㄇ邢鲿r間大約為30分鐘），就進行一次測量。同時記錄機床主軸電流載荷測量表的讀數(shù)值。
按照原計劃，需要測量刀具的后刀面磨損。然而，由于刀具外形為螺旋形和扇形，沒有一條直刃可讓實驗室用作測量實際后刀面磨損的參考點，因此，選擇積屑瘤作為替代指標。該航空零件制造商的材料與工藝工程師在切削實驗室觀察了初步試驗后，認為試驗方案令人滿意。
采用機床控制器記錄的最大電流載荷值，對5種切削液進行比較。對于每種冷卻液，在加工過程中，電機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（切削液A和B斜率最小）。記錄在所有各次走刀中的電機最大電流的平均值，同時記錄實際加工過程中最大電流的上、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（或預示）刀具壽命越長（切削液A和B表現(xiàn)較好）。
通過在完成了設定的走刀次數(shù)后，對在4個切削刃中的任何一個切削刃上發(fā)現(xiàn)的最大積屑瘤進行測量，也可以預測刀具壽命。這是因為具有較大積屑瘤的刀具鈍化更嚴重，因此其壽命也更短。切削液A和B對應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。
試驗中，在每次加工后都對積屑瘤進行測量，用OGP光學比較儀共拍攝了139張照片。對于每一種切削液，在4個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）進行了測試。在每項指標中，表現(xiàn)最好的給5分，第二好的給4分，以此類推。評分系統(tǒng)不加權（即認為所有測試項目具有相同的重要性）。在殘留性測試中，切削液A和E獲得了高分，而切削液B和D在機床、測試設備上和周邊區(qū)域有大量殘留。還可以確定，這兩種切削液在機床工作臺上殘留濕滑液體的可能性更大。切削液殘留還會導致切削液用量增多。
在泡沫消散時間測試中，切削液B和C顯示出優(yōu)異的泡沫特性。在兌自來水的切削液中對黑色金屬的腐蝕試驗中，切削液A、D和E得到高分，而切削液C對黑色金屬產生了嚴重腐蝕。在生物穩(wěn)定性試驗中，切削液C和D得到很高評價，而切削液B因為可能出現(xiàn)酸敗問題而得分很低。在真菌穩(wěn)定性試驗中，對切削液C和E的評價最佳，而切削液B顯示出真菌穩(wěn)定性較差。根據(jù)實驗室測試結果，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價，切削液A（MicroSol 585）是最佳選擇。
試驗完成后，將試驗數(shù)據(jù)提供給該航空零件制造商審查。Hoff說，“通過評估試驗數(shù)據(jù)，可以幫助選擇在加工過程中能使刀具壽命最大化的冷卻液。當然，這是一種受控試驗，它沒有考慮在實際加工中可能或將會產生的一些變量。但它可以為你選擇加工過程可以接受的潤滑液指出正確的方向。”
馬斯達化學公司航空加工部經理Chuck Gee通過該案例研究，闡釋了外部試驗的優(yōu)越性。他說，“我向一位制造工程師展示了該案例，他正為所在的公司評估我們的產品。完全基于科學數(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估日程表。”
雖然對金屬切削液進行外部試驗在行業(yè)內還不普及，但需求正在不斷增長。馬斯達化學公司大約每月提供一次服務。Gee表示，“你可以根據(jù)數(shù)據(jù)來決策。當你把數(shù)據(jù)、圖形和表格放到一個工程師面前，當他知道這是一個獨立的、在可控環(huán)境條件下進行的研究，他就會信任其結果。”
Hoff指出，“對用戶來說，好處在于他們可以基于科學性進行決策。知道哪種冷卻液可以使刀具壽命延長20%，意味著可以節(jié)約大量加工時間和成本。了解哪種冷卻液能最有效地防止泡沫問題、延長油箱壽命和提供生物穩(wěn)定性，將會改善工件的整體質量。”