钛合金加工用冷却液的科学选用
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利用独立实验室对不同的冷却液进行测试,可以为正确选择钛合金加工用冷却液提供所需要的公正数据。
在目前困难的经济环境下,提高切削刀具寿命可以提供一种重要的竞争优势。在加工过程中,选用合适的冷却液可将刀具寿命提高15%-30%。但是,最终用户如何才能知道哪一种冷却液是正确的选择呢?
在航空航天零件制造业,正确选用冷却液尤其重要,因为该行业竞争十分激烈。不确定的经济环境增加了零件制造商控制成本的压力。他们要优化加工程序,试验新的刀具技术,并对加工机床升级换代。
由于钛合金强度高、重量轻和耐腐蚀,因此许多飞机零件都采用钛合金制造。然而,钛合金的热传导性能差,在切削过程中产生的温度可高达1100℃,会导致刀具迅速钝化,而用钝化的切削刃进行加工可能会产生更多热量,从而进一步缩短刀具寿命。充分的润滑对于钛合金的有效加工至关重要,因为润滑不足是切削刀具失效的常见原因。

有效性评估

如何才能评估冷却液对延长刀具寿命和优化加工循环的有效性?马斯达化学公司(Master Chemical Corp.,美国俄亥俄州佩里斯堡)战略性技术开发副总裁Milton Hoff介绍说,一种方法是测量主轴电机负荷,“在切削过程中,通过测量电流变化。可以非常有效地监测主轴电机负荷。大多数机床控制器都可以监测一个标准切削循环中的最大电流负荷。如果机床无此监测功能,还可以设置一个独立的电流表,来测量在一个加工工步中的电流变化。”无论采用哪一种方法,都需要测量起动电流和最大电流。
加工钛合金时,需要仔细考虑,确定使用哪种金属切削液。合成切削液泡沫少,具有良好的过滤性、清洁度和散热性,而可溶性切削油具有更好的润滑性。半合成切削液在提供有效润滑和清洁度的同时,还有助于延长机油箱的寿命,可谓两全其美。最后,还有多种因素必须考虑,包括机床和操作工人的需求、水质、切削液的管理、切削液的输送和压力等。
为了进行最有效的分析,需要采用与被评价加工过程相同的刀具和工件材料进行切削试验。Hoff说,“加工一个工件时,使除冷却液以外的所有其它参数都保持恒定,可以通过电流变化测量出机床主轴所承受的载荷,并确定哪种冷却液的润滑性能更好。”
在企业内部做这些试验其结果值得怀疑,因为机床的适用性、不同的操作者以及冷却液的维护等条件会发生变化,从而可能会歪曲试验结果。利用外部实验室对切削液进行评估,可以提供有效决策所需要的、公正的科学数据。例如,马斯达化学公司已经与也位于佩里斯堡的欧文斯社区学院的机械加工实验室合作,对切削液和加工过程进行试验。

问题解决方案

一个一级航空零件制造商在其下属各工厂中加工了大量Ti6Al4V零件,并注意到这种钛合金的应用在快速增长。由于每个工厂在加工钛合金时都使用不同的金属切削液,因此该制造商对于选择一种切削液以延长刀具寿命,进而降低刀具成本很感兴趣。为了进一步降低加工成本,制造商希望选择最高效的钛合金加工工艺。
加工钛合金时,刀具成本极高,因此,在保证工件质量的前提下,使刀具寿命最大化至关重要。由于该制造商没有掌握相关数据(这些数据能显示使用哪种切削液是标准化加工的最佳选择),而进行工厂现场测试也不是一种好的选择,因此该航空制造商决定与马斯达化学公司合作,利用欧文斯社区学院的试验装置对其工厂使用的冷却液进行评估。采用该学院的切削实验室能为该制造商提供公正的试验结果,而且勿需占用自己的资源。实验室通过在试验中测量切削参数,将确定哪种冷却液可以提供充分的润滑。
切削钛合金的机床对冷却液的要求是:雾化程度低,减少工人在大型机床工作台上走动清扫切屑时滑倒的可能性,以及避免残留的粘湿冷却液导致钛合金切屑粘附在机床上。在切削试验完成后,实验室还会进行一些测试,以比较切削液的一些重要的非切削功能,包括生物稳定性、油箱寿命、以及涉及健康和安全的一些性能。
试验对象确定为Weldon刀具公司的M42钴高速钢立铣刀(4槽,直径19.05mm,未涂层,转角半径3.175mm)。该刀具为顶切粗加工立铣刀,全直径上的切削参数为:轴向切深8.90mm,切削速度60sfm,每齿切屑负荷0.1143mm,进给率100mm/min。采用顺铣方式。
试验规定,用每种切削液对航空零件制造商提供的Ti6Al4V坯件(尺寸180mm×200mm×1500mm)进行两次切削,并对Ti6Al4V板材进行一次切削,即每种切削液总共进行三轮切削试验。试验在欧文斯学院切削实验室的Haas VF4立式加工中心上进行,该机床带有CAT40锥柄,并由计算机控制冷却液流量。
试验共评估了5种切削液,包括马斯达化学公司的TRIM MicroSol 585以及其它4种竞争对手的切削液。每种切削液都用去离子水进行稀释,兑成6%的浓度。刀具寿命是试验的决定性因素。试验完后,所有切屑和材料都被送还该航空零件制造商。

测量与结果

按照上述参数进行切削试验,刀具期望寿命为3小时。用OGP光学比较仪对刀具进行微观检测,测量积屑瘤并拍摄显微照片。为避免加工硬化的影响,当刀具在试件上每完成一次走刀后(切削时间大约为30分钟),就进行一次测量。同时记录机床主轴电流载荷测量表的读数值。
按照原计划,需要测量刀具的后刀面磨损。然而,由于刀具外形为螺旋形和扇形,没有一条直刃可让实验室用作测量实际后刀面磨损的参考点,因此,选择积屑瘤作为替代指标。该航空零件制造商的材料与工艺工程师在切削实验室观察了初步试验后,认为试验方案令人满意。

图1 不同冷却液对应的电机最大电流

图2 不同冷却液对应的电机最大电流平均值和上、下极限

图4 不同冷却液对应的积屑瘤照片
表1 5种金属切削液的总体得分排名
测评项目ACDEB
在20格冷水中残留量(g)53241
泡沫消散时间(s)35345
对黑色金属腐蚀性 (5%浓度)31542
对7075铝合金腐蚀性 (10%浓度)55511
对黄铜腐蚀性 (10%浓度)55555
对铜腐蚀性 (10%浓度)55555
细菌(TriAxis评分法)25431
真菌(TriAxis评分法)35452
铣削钛合金时电机电流变化斜率42135
铣削钛合金时积屑瘤高度(inch.)53214
总分4039363531
采用机床控制器记录的最大电流载荷值,对5种切削液进行比较(见图1)。对于每种冷却液,在加工过程中,电机的电流载荷都是逐渐增大。图1中,电流变化斜率越小,表示刀具寿命越长(切削液A和B斜率最小)。记录在所有各次走刀中的电机最大电流的平均值,同时记录实际加工过程中最大电流的上、下极限值(见图2)。最大电流的平均值和上、下极限值的分布区间越小,表明(或预示)刀具寿命越长(切削液A和B表现较好)。
通过在完成了设定的走刀次数后,对在4个切削刃中的任何一个切削刃上发现的最大积屑瘤进行测量,也可以预测刀具寿命。这是因为具有较大积屑瘤的刀具钝化更严重,因此其寿命也更短。切削液A和B对应的刀具总体平均积屑瘤高度最低,并且积屑瘤高度的上、下极限值的分布区间最小,表明其刀具寿命最长(见图3)。

图3 不同冷却液对应的最大积屑瘤高度
试验中,在每次加工后都对积屑瘤进行测量,用OGP光学比较仪共拍摄了139张照片。对于每一种切削液,在4个切削刃中具有最大积屑瘤的切削刃出现在第26次也是最后一次切削走刀后。图4为采用切削液A-E加工时,用刀具2切削后拍摄的最后一张照片。
对5种切削液的一些重要的非切削功能(包括残留性、生物稳定性和抗腐蚀性)进行了测试。在每项指标中,表现最好的给5分,第二好的给4分,以此类推。评分系统不加权(即认为所有测试项目具有相同的重要性)。在残留性测试中,切削液A和E获得了高分,而切削液B和D在机床、测试设备上和周边区域有大量残留。还可以确定,这两种切削液在机床工作台上残留湿滑液体的可能性更大。切削液残留还会导致切削液用量增多。
在泡沫消散时间测试中,切削液B和C显示出优异的泡沫特性。在兑自来水的切削液中对黑色金属的腐蚀试验中,切削液A、D和E得到高分,而切削液C对黑色金属产生了严重腐蚀。在生物稳定性试验中,切削液C和D得到很高评价,而切削液B因为可能出现酸败问题而得分很低。在真菌稳定性试验中,对切削液C和E的评价最佳,而切削液B显示出真菌稳定性较差。根据实验室测试结果,切削液A和C总分排名最高(见表1)。按所有非切削和切削性能总体评价,切削液A(MicroSol 585)是最佳选择。
试验完成后,将试验数据提供给该航空零件制造商审查。Hoff说,“通过评估试验数据,可以帮助选择在加工过程中能使刀具寿命最大化的冷却液。当然,这是一种受控试验,它没有考虑在实际加工中可能或将会产生的一些变量。但它可以为你选择加工过程可以接受的润滑液指出正确的方向。”
马斯达化学公司航空加工部经理Chuck Gee通过该案例研究,阐释了外部试验的优越性。他说,“我向一位制造工程师展示了该案例,他正为所在的公司评估我们的产品。完全基于科学数据的决策理念具有极大吸引力,目前他正在为自己公司安排评估日程表。”
虽然对金属切削液进行外部试验在行业内还不普及,但需求正在不断增长。马斯达化学公司大约每月提供一次服务。Gee表示,“你可以根据数据来决策。当你把数据、图形和表格放到一个工程师面前,当他知道这是一个独立的、在可控环境条件下进行的研究,他就会信任其结果。”
Hoff指出,“对用户来说,好处在于他们可以基于科学性进行决策。知道哪种冷却液可以使刀具寿命延长20%,意味着可以节约大量加工时间和成本。了解哪种冷却液能最有效地防止泡沫问题、延长油箱寿命和提供生物稳定性,将会改善工件的整体质量。”
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2010年第2期
上载于:2012-12-3 17:49:01

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