低溫冷卻，威力無比

      帶葉片加工本身是一門科學。過去，葉片制造廠面臨的是設備問題；當今，主要面臨葉片材料給加工帶來的頭疼問題。為了進一步優化效率，渦輪機設計師正在尋求提高輸入更高溫度的最佳解決方案。因為需要采用特殊材料才能滿足高溫要求，所以會增加葉片的制造成本。傳統的鐵素體、馬氏體和奧氏體渦輪機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間。從這個意義上說，最重要的因素是采用相互匹配的創新型刀具和加工概念來控制制造成本，例如能見實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研制刀具和加工方案的歷史非常悠久。“幾十年來，能源生產已成為我們專注的主要行業之一，”瓦爾特業務發展部經理Andreas Elenz強調，“我們是所有關鍵零件的全方位服務提供商，當然包括葉片。這意味著從保證最大金屬去除率的可轉位刀片的粗加工銑刀到保證最小過渡半徑的整體硬質合金立銑刀，要配備所有的刀具（對于葉片加工領域而言，這個量相當大）。

      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，加工中產生的高溫還關系到渦輪機加工過程中是否產生加大硬質合金基體壓應力和限制其性能的發揮。與鋼材不一樣，加工難切材料時，一般不會通過切屑帶走熱量，其中熱量滲入切屑刃，從而使鈷鎢硬質合金軟化。

      2013年初，瓦爾特與茨維考西撒克遜應用科學大學生產技術研究所（IfP）攜手合作，對采用液體二氧化碳低溫加工進行基本研究，其中切削刃口已經冷卻到–78.5℃，茨維考實驗全部采用了外部冷卻供應，并對各種冷卻策略（MQL， 乳化液、二氧化碳及其各種組合）進行了相互比較。 比較結果表明，二氧化碳法具有最大的冷卻潛力，具有十分明顯的優勢，在加工不銹鋼渦輪葉片時，成本節省高達40％。通過這種開拓性基礎研究并與瑞士斯達拉格機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公司，為行業各種應用提供了切實可行的解決方案。2013年3月，這種技術首次取得成功，并命名為“Cryo?tec™”。在EMO 2013， 瓦爾特和斯達拉格獲得了MM獎，獲獎理由是他們的解決方案在銑削加工最具創新性。

      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行了優化。其主要特點是加工穩定性高，可采用5軸加工。這種刀具覆蓋了整個加工工藝的70％～80％，從而絕大多數金屬去除發生在渦輪葉片部位。使用5軸加工，可優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，可同時供應兩種不同類型的冷卻液：一道槽供應二氧化碳，另一道槽供應MQL、壓縮空氣或乳化液。二氧化碳以液態形式流過刀具，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，達到想要的冷卻效果。“Cryo?tec™的重要研發步驟是采用兩道槽系統，向刀具供應內冷卻液，而不是外接冷卻液供應系統，”瓦爾特渦輪葉片加工技術負責人Thomas Schaarschmidt說，“采用五軸加工，外供二氧化碳決不能達到理想效果，即不可能盡量靠近高溫切削區域。當加工鈦合金時，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。斯達拉格負責研發專用芯軸，而瓦爾特負責提供優化刀具。低溫冷卻理念的優勢如下：刀具磨損量小，使用壽命更長；切削參數優化，生產效率更高；表面質量更好、邊界區域影響更小，零件質量更高；切屑100％可回收利用，無需準備維護處置潤滑劑或零件清潔劑。

      高壓

      Cryo tec™冷卻系統的一個重要技術優勢是，在機床和刀具都能保持盡可能長時間的二氧化碳壓力。因為只要壓力下降，就開始形成冰而堵塞二氧化碳供應通路。但是，為了達到既定冷卻效果，二氧化碳輸出量不宜過大，因為與乳化液相比，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，我們在研發工作中投入了大量的人力物力和時間，” Schaarschmidt說，“目前我們正在努力著手進一步優化壓力調節和供應，使之盡可能接近切削區域。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，他們已經可用于高溫應用，因此需要結合二氧化碳冷卻使用。目前Cryo tec™刀具只有非標刀具，因為斯達拉格相應的機床／主軸技術還不成熟。但是，瓦爾特正在想辦法制定一種刀具連接標準。

      冷卻性能

     利用馬氏體不銹鋼材質的渦輪葉片進行的實驗（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％，而切削參數仍能保持一致。同時，生產成本節省15％。在加工奧氏體不銹鋼時，與MQL相比，刀具使用壽命大大延長，生產成本節省高達30％。總體來說，低溫加工對高溫合金（HRSA）和不銹鋼有巨大潛力。現在是需要采用ISO S組和ISO M組的材料和應用對此技術進行進一步驗證。今后研發重點考慮用于汽車業零件加工以及設備技術、提取和處置等方面未解決的問題。

      未來的切削技術

      圖1：瓦爾特采用Cryo•tecTM 技術的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務開發總監Andreas Elenz秉承一個優良傳統：“能源生產已成為我們幾十年專注的主要行業之一。”        

      圖4：瓦爾特業務發展能源部經理和葉片加工技術負責人Thomas Schaarschmidt：客戶已經接受包括刀具和技術專長的全套方案。  

      圖5：葉片根部部位的表面質量

                                 干式加工

       粗加工后葉片根部部位的表面質量，一個采用干式加工方式，另一個采用二氧化碳加空氣冷卻工藝。  

                                          
        圖6：成本節省曲線圖

      與干式加工相比，采用Cryo•tecTM技術粗加工奧氏體不銹鋼材質渦輪葉片，可節省大量成本。