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减少金属切削液的种类

发表时间:2018-08-07浏览次数:

  虽然采用一种切削液来切削和磨削所有的工件材料在经济上可能并不可行,但许多加工车间仍然可以减少所用金属切削液的种类。

  各行各业的加工车间都期望使用一种能适用于所有类型金属切削工艺和所有种类工件材料的切削液。无需因为加工的变化而不断更换切削液无疑将是一项大受欢迎的省时措施。尽管开发这样一种万能金属切削液并非毫无可能,但为了确保切削液在范围如此广泛的加工中仍然具有必需的性能,其价格想必会昂贵得令人望而却步。

  然而,减少加工车间所需切削液的种类仍然是可能的,这取决于车间采用的工件材料和加工工艺的不同组合形式。

  适用于各种材料牌号的切削液

  毫无疑问,对于某种特定材料的加工,设计一种适用于每个材料牌号的金属切削液是有可能的。例如,位于美国伊里诺伊斯州的ITW ROCOL北美公司就为铝加工开发了一种名为Rustlick Ultracut AL的切削液。该公司从事研发的化学家Lee Hitchcock表示,具有不同粘性和硬度的铝及各种铝合金对加工提出了各种挑战,近年来,克服这些挑战已经变得尤其重要,因为有更多的汽车和飞机制造商为了提高其产品的燃料能效,已经改用重量更轻的铝材料。

  在Rustlick切削液的各种特性中,最重要的一点是不会对铝合金造成污损,这对用于航空业和核工业的零件尤其重要。变色是材料被腐蚀的一种形式,当切削液的PH值水平对于被加工铝合金来说过高时,材料就会发生变色现象(PH值的范围从0到14,7为中性点。Hitchcock认为,如果切削液的PH值达到10,则表示其PH值水平高)。

  Hitchcock说,可以通过去除高PH值的胺或添加防腐剂来降低切削液的PH值,以避免材料变色。ITW公司的铝加工用切削液采用了不会造成工件材料变色的胺,同时也添加了防腐剂。为了覆盖各种铝合金牌号,ITW公司在水溶性切削液中加入了一种酯类润滑剂,据称该润滑剂具有相当好的润滑性,因为该公司已在冲压和最小量润滑(MQL)加工中使用过它。

  行业通用的切削液

  开发一种可普遍用于某一特定行业常用工件材料的金属切削液也已成为可能。位于美国密歇根州Madison Heights的切削刀具和切削液生产商Valenite公司为航空工业开发的一种新型半合成切削液Aerotech VP已进入生产现场试验的最后阶段,预计今年秋天就可以上市。

  Valenite公司开发这种切削液的动力源于航空工业对钛合金的需求不断增长,进而对高效加工钛合金材料(如Ti6A14V和Ti-5553)所用的切削液需求大增。该公司ValCool切削液产品经理Mark Goedtel先生表示,虽然航空零件加工车间生产的大多数零件为铝合金材料,但钛合金的应用正在不断增长。例如,波音777客机上的钛合金零部件已占到飞机总重量的7%-10%,超过了以往任何一种波音商用飞机,而新型波音787客机的钛合金零件将占到飞机总重量的14%。

  为了满足航空工业日益变化的切削液需求,Valenite开发了一种适合加工钛合金的切削液,随后又设计了适合加工铝合金和高温合金的半合成切削液。不过,Goedtel认为,钛合金是最难加工的航空材料,其主要挑战在于材料的粘性大、导热性差。钛合金的切削参数范围也很小:切削速度为75-100sfm,进给量为0.006-0.008ipr。

  此外,添加某些合金元素使钛合金变得更加难以加工。以Ti-5553为例,其中添加了3%的铬,使这种通常具有很大弹性和粘性的材料又增加了磨蚀性。

  在刀具-钛合金界面上产生的大部分热量都被刀具的切削刃所吸收,但切削液中包含的水份可以解决这一问题,它可确保从切削界面吸收和带走热量。水具有较高的比热,可以比油更迅速地吸收和释放热量。因此,在加工钛合金时,许多零件制造商可能会选用合成切削液。不过,Valenite仍在新开发的半合成切削液Aerotech VP中加入了较高比例(60%-70%)的油份。

  Valenite公司的战略很简单:开发的切削液应具有的足够的润滑性,以减少摩擦(以及由此产生的热量),但切削液中也应包含可快速带走切削热的水份。Goetel说,“我们的目标是防止产生过多热量,并尽快散热”。油对切削热更好的控制能力可对延长刀具寿命起到辅助作用。切削热会导致崩刃和裂纹,此类破损不仅会缩短刀具寿命,还可能导致刀具突然失效和报废。

  Valenite的内部试验显示了这种切削液延长刀具寿命的潜力,将Aerotech VP半合成切削液用于Ti6Al4V和Ti-5553钛合金的切削加工时,可转位刀片式铣刀和钻头的寿命提高了3倍之多。将该切削液用于4140钢件的切削加工时,刀具寿命提高了50%。显而易见,较长的刀具寿命意味着减少换刀,因此减少了停机时间,提高了生产率。

  此外,根据所加工的工件材料,航空零件加工车间也可将Valenite切削液用于各种切削机床,包括铣床、钻床、车床和磨床。Goetel表示,由于Aerotech VP切削液在各种加工中都表现良好,一些加工车间甚至打算在磨削加工中使用全合成切削液。

  Goedtel补充说,这种多用途的新型切削液含有十几种不同的添加剂,比该公司一种标准半合成切削液的添加剂种类(4-5种)要多得多。

  相反的观点

  当业内一些企业趋向于使用较少种类的金属切削液时,Cimcool切削液的经销商Milacron营销公司却有不同的考虑。该公司切削液产品与营销经理Kevin Tucker表示,“老实说,我差不多持完全相反的意见。许多加工车间和大型零件制造商都在寻求专用切削液,它们在加工特定工件材料或采用特定切削工艺时,有助于获得最佳质量的零件表面光洁度。当然,也有一些车间希望在全部工艺过程只用一种切削液,但对于大多数制造商来说,由于零件的生产成本会受到所用润滑方式的直接影响,因此他们宁愿采用不同的切削液,以改善特定工件的加工质量。”

  根据Tucker的观点,采用一种适用于多种金属材料、多种切削工艺的切削液,对于那些与切削液不完全匹配的零件,可能会以牺牲零件的成本或质量为代价。目前,还没有一种切削液能完全适合每一种金属材料和每一种加工工艺,根据所用金属材料的变化,切削液的性能总会有一些损失。他举例说,加工硬质合金或镁合金所需要的专用切削液可能并不是切削其他金属材料的最佳选择。

  根据Milacron公司切削液技术主管Greg Foltz的观点,切削液的选择在某种程度上取决于加工车间的规模。当加工规模较小时(10-30台机床),可能希望标准化地采用一种切削液,如果今天加工铝合金,明天又加工钢件,则需要使用可满足全部被加工材料的切削液。不过,对于采用多种不同切削工艺、加工多种材料和工件、规模较大的工厂来说,通常每种特定加工均应采用专用切削液。“如果你整天都在磨削轴承钢,那你最好采用专为该工艺而设计的切削液”。

  对于希望减少所用金属切削液种类的车间,Milacron公司推荐选用一种基于该车间最普遍或难度最大的加工工艺而开发的切削液,不过需要注意的是,在将其应用于其他加工时,可能不得不接受比较差的切削效果。

  尽管更倾向于开发专用切削液,但Milacron公司仍然注意到了对可广泛使用的通用型切削液产品(如Cimperial 1070)的需求。该公司也为多功能加工提供高科技人工合成切削液及植物油基切削液。例如,Cimtech 310合成切削液是为航天制造业加工铝合金而设计的,但它对于铸铁和钢件加工也有广泛的适用性。

  其他一些为特定加工而开发的金属切削液也具有多种功能,如Milacron公司的Cimtech 610是为切削难加工材料(如不锈钢、钛合金和铍铜合金)而设计的,一种配方用于金属切削,而另一种配方用于磨削加工。Cimtech 610可能并不适合通用加工,但适用于诸如医疗器件之类产品的加工(这些产品大多用钛合金和不锈钢制造),可用于取代那些加工车间不愿使用的含氯切削液。Cimtech 610不含极压添加剂,但仍然具有很好的性能,甚至比含极压添加剂的产品性能更好。它也不含氯、硫或矿物油,因此可使较小的车间减少油雾污染、清洁车间环境、改善零件表面质量和工作性能。

  硬质合金刀具材料带来的变化

  切削加工的发展趋势之一是刀具材料从高速钢到硬质合金的转变,它使金属切削液可以从油基切削液向水基切削液转变。位于美国密尔沃基市的切削液制造商Benz Oil公司研发主管Peter Kotvis认为,对于刀具制造商来说,这种切削液的变化可以带来更好的经济效益,因为与磨削硬质合金相比,磨削工具钢用的切削液要求具有更好的粘性和化学活性,成本也要高得多。加工时,切削液与工件材料发生化学反应,生成有效切削所需要的液膜。根据在《国际摩擦学》2007年第40卷上发表的研究结果,在磨削加工中,为了控制摩擦,并在磨粒与工件之间留出足够的空间以排出磨屑,需要形成1-2纳米厚的液膜。因此,磨削高速钢的切削液需要添加更多极压剂(EP)以增强活性,形成需要的液膜。而额外购买添加剂并将其加入高速钢切削液中会增加切削液的价格。

  然而,一个刀具制造商可能既生产高速钢刀具,又生产硬质合金刀具,选用哪种切削液才能加工这两种工件材料而无需更换切削液呢?若选用适合加工硬质合金的切削液,则刀具制造商需要加入或增添一些添加剂(如含氯或含硫的碳氢化合物和酯类),以补偿用于加工高速钢时化学活性不足的问题。根据不同的工件材料,添加剂的浓度可能会增加50%-100%。因此,加工车间可能要为仅在某些时候才需要的添加剂而支付费用,可能会认为这些不常用的添加剂过于昂贵。每个车间将不得不审视其所用工件材料的组合搭配,以了解在什么情况下通用切削液会变成一种负担而不是带来方便。

  多用途切削液

  制造商也许可以找到一种金属切削液,它除了用于冷却和润滑刀—工界面以外,还具有多种用途。找到这种切削液取决于制造商所用的工件材料和加工工艺。美国密歇根州的Tawas刀具公司自2007年春转由Benz Oil公司作为其切削液供应商以来,在其刀具制造过程中已可用两种切削液替代6种切削液和润滑液。

  Benz Grind HP-22是一种更通用的磨削液,Tawas刀具公司将其用于13台成形磨床和6台工具刃磨机床上。而该公司以前在成形磨床上使用了4种切削液:主轴润滑油、传动轴润滑油、磨床自身用的液压油和磨削工件材料用的主要切削液。工艺专家Jack Thornton对数目巨大的切削液维护费用很不满意,希望最好只使用一种产品。为此,Tawas刀具公司对3个不同公司生产的3种切削液进行了PM-45工具钢(硬度66HRC)的成形磨削试验(切削速度8.3sfm,磨轮转速10000sfm),通过磨轮的两次进给(每次磨削深度0.006″),磨出刀具形状。

  Thornton设计了可导致磨削烧伤的试验。在3种用于试验的切削液中,只有Benz Grind HP-22不会产生足以导致磨削烧伤的热量。尽管HP-22的粘度低于其他两种试验用切削液,但仍能防止发生烧伤。HP-22在100°F(约38℃)时的粘度为105赛氏通用粘度秒(SUS)。切削液的粘度越小,冷却性能就越好,能够更快地带走热量。

  Thornton说,在这种磨床上,切削油也用作导轨油。粘度较小的切削液可能引起磨床滑架沿导轨移动时发生振动,“不过,我们正在PTG刀具刃磨机床上试验一种低粘度切削油——Benz Grind HP-15,它在100°F时的粘度为70SUS,可以更快带走热量。”

  HP-22切削液还有其它一些优点:较低的粘度可降低Tawas刀具公司使用的陶瓷结合剂CBN砂轮的磨削温度,且不会发生过烧,磨轮载荷也下降了4%。Thornton说,“切削油粘度越小,砂轮浸得越透。你确实可以看到切削油浸透了整个砂轮,从而使磨削温度降低,产生的热量减少。”此外,Tawas刀具公司的冷却装置的工作负荷也比以前有所减轻,冷却装置要在把切削液送回磨床循环使用之前将其温度降低到72°F以下,当切削油粘度较低时,冷却速度要快得多。

  该公司用HP-22作为磨削油和导轨油,用Benz Petraspeed 5(100°F时粘度为66SUS)作为主轴润滑油,用Benz Petraspeed 22(100°F时粘度为106SUS)作为传动轴润滑油,Benz HP-2105(100°F时粘度为1745SUS)作为粘性添加剂。

  HP-22不需要太多维护,而原来使用的磨削液每台机床每个月需要更换5-10加仑重油以提高其粘度。Benz切削液的性能也更稳定,可显著降低油液的损耗量。改用Benz系列切削液后,Tawas刀具公司估计每年可以节省7600美元的相关费用。

  HP-22也比以前的切削液更适合自由磨削。Tawas刀具公司已通过对3种切削液的测试认识了它们的差异。Thorton说,“我们注意到磨床的载荷减轻了,磨轮去除工件材料也更为轻松。”Tawas刀具公司利用其性能优势将切削深度增大了25%。Thornton称,“我们尚未充分利用Benz系列切削液的全部潜能,接下来的试验将确定最合适的切削率。不过已有操作者声称,与此前使用的切削液相比,Benz切削液可使磨削加工时间缩短20%-25%。”实际上,缩短加工时间—提高生产率—增加收益是企业着眼于减少金属切削液种类的必然结果。

  控制切削液成本的措施

  担心金属切削液价格上涨的加工车间可以寻找一些减少开支的方法。水溶性冷却液约占美国金属切削液市场的65%,其中50%-80%为油基切削液,而切削油的价格在过去12个月里上涨了一倍多。

  加工车间可以采用最小量润滑(MQL)方式来替代浇注冷却方式,从而大大减少冷却液的消耗。切削液生产商ITW ROCOL北美公司的研发化学家Lee Hitchcock表示,以前每小时使用几百加仑冷却液的加工车间可将用量削减到每班(8小时)2-3盎司。虽然车间需要购买MQL设备并安装在机床上,还需要对操作工人进行设备使用培训,但通常只需几个月时间即可收回投资。

  如果不能采用MQL,加工车间还可以通过选用半合成或合成切削液(分别含有少量油份或不含油份)来控制切削液的开支,因为此类切削液不会受到油价高涨的直接影响。Fuhr指出,目前可以看到向半合成切削液转变的明显趋势,2007年,对ITW ROCOL公司半合成切削液产品的市场需求增长了10%。Hitchcock补充说,该公司的许多用户在磨削加工时也采用合成切削液。然而,他也指出,切削油具有防止腐蚀的作用,而有些行业(如航空制造业和核工业)无法承受零件被腐蚀的风险。此外,油份较少也会降低切削液的润滑性能,从而使刀具加工更为困难。