對蒸汽和燃?xì)廨啓C(jī)而言，葉片制造是主要生產(chǎn)成本之一。使用難以加工的高溫合金和材料，無疑增加了加工工藝成本。因此，人們迫切需要?jiǎng)?chuàng)新的加工解決方案。瓦爾特還是首次提出適合量產(chǎn)的二氧化碳低溫冷卻概念。
帶葉片加工本身是一門科學(xué)。過去，葉片制造廠面臨的是設(shè)備問題;當(dāng)今，主要面臨葉片材料給加工帶來的頭疼問題。為了進(jìn)一步優(yōu)化效率，渦輪機(jī)設(shè)計(jì)師正在尋求提高輸入更高溫度的最佳解決方案。因?yàn)樾枰捎锰厥獠牧喜拍軡M足高溫要求，所以會(huì)增加葉片的制造成本。傳統(tǒng)的鐵素體、馬氏體和奧氏體渦輪機(jī)鋼材不再適合高溫要求，取而代之的是鎳基高溫合金。但是，這類材料需要更長的加工時(shí)間。從這個(gè)意義上說，最重要的因素是采用相互匹配的創(chuàng)新型刀具和加工概念來控制制造成本，例如能見實(shí)效的高性能冷卻加工概念。
總部位于圖賓根的瓦爾特專為能源行業(yè)研制刀具和加工方案的歷史非常悠久。“幾十年來，能源生產(chǎn)已成為我們專注的主要行業(yè)之一，”瓦爾特業(yè)務(wù)發(fā)展部經(jīng)理Andreas Elenz強(qiáng)調(diào)，“我們是所有關(guān)鍵零件的全方位服務(wù)提供商，當(dāng)然包括葉片。這意味著從保證最大金屬去除率的可轉(zhuǎn)位刀片的粗加工銑刀到保證最小過渡半徑的整體硬質(zhì)合金立銑刀，要配備所有的刀具(對于葉片加工領(lǐng)域而言，這個(gè)量相當(dāng)大)。
冷卻概念
刀具冷卻特別重要，它不僅對刀具本身的影響很大，加工中產(chǎn)生的高溫還關(guān)系到渦輪機(jī)加工過程中是否產(chǎn)生加大硬質(zhì)合金基體壓應(yīng)力和限制其性能的發(fā)揮。與鋼材不一樣，加工難切材料時(shí)，一般不會(huì)通過切屑帶走熱量，其中熱量滲入切屑刃，從而使鈷鎢硬質(zhì)合金軟化。
2013年初，瓦爾特與茨維考西撒克遜應(yīng)用科學(xué)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所(IfP)攜手合作，對采用液體二氧化碳低溫加工進(jìn)行基本研究，其中切削刃口已經(jīng)冷卻到–78.5℃，茨維考實(shí)驗(yàn)全部采用了外部冷卻供應(yīng)，并對各種冷卻策略(MQL， 乳化液、二氧化碳及其各種組合)進(jìn)行了相互比較。 比較結(jié)果表明，二氧化碳法具有最大的冷卻潛力，具有十分明顯的優(yōu)勢，在加工不銹鋼渦輪葉片時(shí)，成本節(jié)省高達(dá)40%。通過這種開拓性基礎(chǔ)研究并與瑞士斯達(dá)拉格機(jī)械工程公司密切合作，瓦爾特率先成為全世界采用低溫冷卻原理的刀具專業(yè)公司，為行業(yè)各種應(yīng)用提供了切實(shí)可行的解決方案。2013年3月，這種技術(shù)首次取得成功，并命名為“Cryo?tec™”。在EMO 2013， 瓦爾特和斯達(dá)拉格獲得了MM獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是他們的解決方案在銑削加工最具創(chuàng)新性。
專用銑刀
對刀具而言，合作雙方選擇了F2334R圓刀片仿形銑刀，這種銑刀專門為葉片加工進(jìn)行了優(yōu)化。其主要特點(diǎn)是加工穩(wěn)定性高，可采用5軸加工。這種刀具覆蓋了整個(gè)加工工藝的70%～80%，從而絕大多數(shù)金屬去除發(fā)生在渦輪葉片部位。使用5軸加工，可優(yōu)化各種位置的槽型比和切削力比，即使在粗加工期間，也能接近想要的最終外形輪廓。
F2334R開有兩道槽，可同時(shí)供應(yīng)兩種不同類型的冷卻液：一道槽供應(yīng)二氧化碳，另一道槽供應(yīng)MQL、壓縮空氣或乳化液。二氧化碳以液態(tài)形式流過刀具，其壓力為60巴，直接噴在切削刃的附近。然后，二氧化碳在此處膨脹后形成干冰，達(dá)到想要的冷卻效果。“Cryo?tec™的重要研發(fā)步驟是采用兩道槽系統(tǒng)，向刀具供應(yīng)內(nèi)冷卻液，而不是外接冷卻液供應(yīng)系統(tǒng)，”瓦爾特渦輪葉片加工技術(shù)負(fù)責(zé)人Thomas Schaarschmidt說，“采用五軸加工，外供二氧化碳決不能達(dá)到理想效果，即不可能盡量靠近高溫切削區(qū)域。當(dāng)加工鈦合金時(shí)，除了純冷卻外，還需要潤滑。在本文所介紹的方法中，采用雙槽刀具分離MQL和二氧化碳。斯達(dá)拉格負(fù)責(zé)研發(fā)專用芯軸，而瓦爾特負(fù)責(zé)提供優(yōu)化刀具。低溫冷卻理念的優(yōu)勢如下：刀具磨損量小，使用壽命更長;切削參數(shù)優(yōu)化，生產(chǎn)效率更高;表面質(zhì)量更好、邊界區(qū)域影響更小，零件質(zhì)量更高;切屑100%可回收利用，無需準(zhǔn)備維護(hù)處置潤滑劑或零件清潔劑。
高壓
Cryo tec™冷卻系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)優(yōu)勢是，在機(jī)床和刀具都能保持盡可能長時(shí)間的二氧化碳?jí)毫ΑＲ驗(yàn)橹灰獕毫ο陆担烷_始形成冰而堵塞二氧化碳供應(yīng)通路。但是，為了達(dá)到既定冷卻效果，二氧化碳輸出量不宜過大，因?yàn)榕c乳化液相比，二氧化碳冷卻液較為昂貴，其成本約為0.30～0.50歐元每千克。“在確定噴嘴直徑時(shí)，我們在研發(fā)工作中投入了大量的人力物力和時(shí)間，” Schaarschmidt說，“目前我們正在努力著手進(jìn)一步優(yōu)化壓力調(diào)節(jié)和供應(yīng)，使之盡可能接近切削區(qū)域。我們還下大力氣與潤滑劑制造廠通力合作研制新型MQL油品。迄今，他們已經(jīng)可用于高溫應(yīng)用，因此需要結(jié)合二氧化碳冷卻使用。目前Cryo tec™刀具只有非標(biāo)刀具，因?yàn)樗惯_(dá)拉格相應(yīng)的機(jī)床/主軸技術(shù)還不成熟。但是，瓦爾特正在想辦法制定一種刀具連接標(biāo)準(zhǔn)。
冷卻性能
利用馬氏體不銹鋼材質(zhì)的渦輪葉片進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)(多軸車銑、原始部件尺寸475 mm×80 mm×80 mm、焊接夾具)表明，如果使用二氧化碳冷卻，切削刃處的溫度可降低100℃，與干式加工相比，刀具刃口壽命延長30%，而切削參數(shù)仍能保持一致。同時(shí)，生產(chǎn)成本節(jié)省15%。在加工奧氏體不銹鋼時(shí)，與MQL相比，刀具使用壽命大大延長，生產(chǎn)成本節(jié)省高達(dá)30%。總體來說，低溫加工對高溫合金(HRSA)和不銹鋼有巨大潛力。現(xiàn)在是需要采用ISO S組和ISO M組的材料和應(yīng)用對此技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。今后研發(fā)重點(diǎn)考慮用于汽車業(yè)零件加工以及設(shè)備技術(shù)、提取和處置等方面未解決的問題。
未來的切削技術(shù)
今后的機(jī)床可能設(shè)計(jì)成同時(shí)具有冷卻和非冷卻功能(不管是否采用冷卻液)。唯一的區(qū)別是選用的切削刀具材料：一種用于冷卻加工，另一種用于干式加工。今后研發(fā)還有另外的主題。銑削期間，通過嚙合和分離，使所采用的刀具齒加熱然后冷卻。只有采用低溫二氧化碳冷卻才能充分達(dá)到這種效果。由于高溫交變效應(yīng)，硬質(zhì)合金基體和涂層以不同速率膨脹，使涂層開裂，最終使切削刀具材料失效。過去幾年研發(fā)的所有切削刀具材料都用于干式加工的高溫作業(yè)，但是現(xiàn)在的切削刀具材料需要專門適合低溫二氧化碳冷卻，能承受溫度巨變。因此，在瓦爾特今后的研發(fā)工作中，Thomas Schaarschmidt需要研究兩大課題：“我們今后主要任務(wù)是對刀具概念和專業(yè)切削刀具材料標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)槲覀冇?jì)劃在2020年前將渦輪機(jī)難切材料的比重增加到40%左右，所以這方面的市場增長潛力巨大，需要加大研發(fā)力度。
圖1：瓦爾特采用Cryo•tecTM 技術(shù)的F2334R刀片
具備二氧化碳冷卻裝置的銑刀。瓦爾特用于渦輪葉片加工的Cryo•tecTM F2334R刀片。
圖2：二氧化碳相曲線圖
二氧化碳相曲線圖：室溫下液態(tài)二氧化碳以57.8巴以上的壓力在被送到切削位置。
圖3：圖賓根瓦爾特公司業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Andreas Elenz秉承一個(gè)優(yōu)良傳統(tǒng)：“能源生產(chǎn)已成為我們幾十年專注的主要行業(yè)之一。”
圖4：瓦爾特業(yè)務(wù)發(fā)展能源部經(jīng)理和葉片加工技術(shù)負(fù)責(zé)人Thomas Schaarschmidt：客戶已經(jīng)接受包括刀具和技術(shù)專長的全套方案。
圖5：葉片根部部位的表面質(zhì)量
粗加工后葉片根部部位的表面質(zhì)量，一個(gè)采用干式加工方式，另一個(gè)采用二氧化碳加空氣冷卻工藝。
圖6：成本節(jié)省曲線圖
與干式加工相比，采用Cryo•tecTM技術(shù)粗加工奧氏體不銹鋼材質(zhì)渦輪葉片，可節(jié)省大量成本。