在航空航天零件製造業，正確選用冷卻液尤其重要，因為（wéi）該行業競爭十分激烈。不確定的經濟環境增加了零件製造商控製成（chéng）本的壓力。他們要優化加工程序，試驗新的刀具技術，並對加工（gōng）機床升級換代。

      由於鈦（tài）合（hé）金（jīn）強度高、重量輕和耐腐蝕，因此許（xǔ）多飛機零（líng）件都采用鈦合金製造。然而，鈦合（hé）金（jīn）的熱（rè）傳導性能差，在切削過程中產生的溫度可高達1100℃，會導致（zhì）刀具迅速鈍（dùn）化，而用鈍化的切削（xuē）刃進行加工可能會（huì）產生更多熱（rè）量，從而進一步縮短刀具壽（shòu）命（mìng）。充分的潤滑（huá）對於鈦合金的有效加工（gōng）至關（guān）重（chóng）要，因（yīn）為潤滑不足是切削刀具失效的常見原因。

      有（yǒu）效性評估

      如何才能評估（gū）冷卻液對延長刀具壽命和優化加工循環的有效性？馬斯達（dá）化學公司(Master Chemical Corp.，美（měi）國俄亥（hài）俄州佩裏斯堡)戰略性技術開（kāi）發副總裁Milton Hoff介紹（shào）說，一種方法是（shì）測量主軸電機負荷，“在切削過程中，通過測量電流變化。可（kě）以非常有效地監測主軸（zhóu）電（diàn）機負荷。大多數機床控製（zhì）器都可以監測一個（gè）標準切削循環中的最大電流負荷。如果機床（chuáng）無此監測功能，還可以（yǐ）設置一個獨立（lì）的電流表，來（lái）測量在（zài）一個加工工步中（zhōng）的電流變化。”無論采用哪一種方法，都需要測量起動電流和（hé）最（zuì）大電流。

      加工鈦合（hé）金時，需要仔細考慮，確定（dìng）使用（yòng）哪種金屬切削液。合成切削液泡沫少，具有良好的過濾性、清（qīng）潔度和散（sàn）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（gòng）有效潤滑和清潔度的同時，還有（yǒu）助於延長機油（yóu）箱的壽命，可謂兩全其美。最後，還有多種因（yīn）素必須考慮，包（bāo）括機床和操作工人的需求、水質、切（qiē）削液的管理、切削液的輸送（sòng）和壓力等。

      為了進行最有效的分析，需要采用與（yǔ）被評價加工過程相同的刀具和工（gōng）件材料進（jìn）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，並確定哪種冷卻液的潤滑性能更好。”

      在企業內部（bù）做（zuò）這（zhè）些試驗（yàn）其結果（guǒ）值得懷疑，因為機（jī）床的適用性、不同的操作者以及冷卻液的維護等條件會發生變化，從而可能會歪曲試驗結果。利用外部實驗（yàn）室對切削液進（jìn）行評估，可以（yǐ）提供有效決策所需要的、公正的科（kē）學數據。例如，馬斯達化學公司已（yǐ）經與也位於佩裏（lǐ）斯堡的歐文斯社區學院的機械加工實驗室合作，對（duì）切削液和加工過程進行試驗。

      問題解決方案

      一個一（yī）級航空零（líng）件製造商（shāng）在其下屬各工廠中加（jiā）工（gōng）了大量（liàng）Ti6Al4V零（líng）件，並注意到這種鈦合金的應用在快速增長。由於每個工廠在加工鈦合金時都（dōu）使用不（bú）同的金（jīn）屬（shǔ）切削（xuē）液，因此該製造商對於選擇一種切削液以延長刀具壽（shòu）命，進而降低刀具成本（běn）很感興趣。為（wéi）了進一步降低加工成本，製造商希望選擇最高效的鈦合金加工工藝。

  
      加工鈦合（hé）金時（shí），刀具（jù）成本極高，因此，在保證工件質量的前（qián）提下，使刀具壽命最大化至（zhì）關重要。由於（yú）該製（zhì）造商沒有掌握（wò）相關數據（jù）(這些數據能顯示使用哪種切削液（yè）是標準化加工的最佳選（xuǎn）擇)，而進行（háng）工（gōng）廠現場測試也不是一種好的選擇，因此該（gāi）航空製造商（shāng）決定與馬（mǎ）斯達化學公司合作，利用歐文斯社區學院的試驗裝置對其工廠使用的冷卻液進行評估。采用（yòng）該學院（yuàn）的切削實驗室能為（wéi）該製造商提（tí）供公正（zhèng）的試驗結果，而且勿（wù）需（xū）占用自（zì）己的（de）資源。實驗室通過在試驗中測量切削參數（shù），將確定哪種（zhǒng）冷卻液可以提供充分（fèn）的潤滑。

      切削（xuē）鈦合金的機床對冷卻液的要（yào）求是：霧化程度低，減少工人在大（dà）型機床工作台上走動清掃（sǎo）切屑（xiè）時滑倒的可能性，以及避免殘留的粘濕冷（lěng）卻液導（dǎo）致鈦合金切屑（xiè）粘附在機床上。在切削試（shì）驗完成後，實驗（yàn）室還會進行一些測試，以比較切削（xuē）液的一些重要的非切削功能，包括生物穩定性（xìng）、油（yóu）箱壽命、以及（jí）涉及健康和安全的一些性（xìng）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，未塗層，轉角半徑3.175mm)。該刀具為（wéi）頂切粗加工（gōng）立銑刀（dāo），全直徑上的切削參（cān）數為：軸向切深8.90mm，切削速度60sfm，每齒切（qiē）屑負荷0.1143mm，進給率100mm/min。采（cǎi）用順銑方式。

      試驗規定，用每種切削液對航空零件製造商提供的Ti6Al4V坯件(尺寸180mm×200mm×1500mm)進行兩次切削，並對Ti6Al4V板材（cái）進行一次切（qiē）削，即每種切削液總共進行三輪切削（xuē）試驗。試驗在歐文斯學院切（qiē）削實驗室（shì）的Haas VF4立（lì）式加工中心上進行，該機床帶有CAT40錐柄，並由計算機控製冷卻液流量。

      試驗共評估了5種切削液，包括馬斯達化學公司（sī）的TRIM MicroSol 585以及其它4種競爭對手（shǒu）的切削液（yè）。每種切削液都用去離子水（shuǐ）進行稀（xī）釋，兌成6%的濃度。刀具壽命是（shì）試驗的決定性因素。試驗完後，所有（yǒu）切屑和（hé）材料都（dōu）被送還該航空零件製造（zào）商。

      測量與結果

      按照上述參數進行切（qiē）削試驗，刀具期望壽（shòu）命為3小時。用OGP光學比較儀（yí）對刀具（jù）進行微觀檢測，測量積屑（xiè）瘤並拍攝顯微（wēi）照片。為避免加工硬化的（de）影響（xiǎng），當刀具（jù）在試件上每完成一次走刀後(切（qiē）削時間大約為30分鍾)，就進行一次測量。同時記錄機床主軸電流載荷測量表的讀（dú）數值。

      按照原計劃，需要測量刀具的後刀麵磨損（sǔn）。然而，由於刀具外形為螺旋形和扇形，沒（méi）有一（yī）條直刃可讓實驗（yàn）室用作測量（liàng）實際後刀麵（miàn）磨損的參考點，因此，選擇積屑瘤作為替代指標。該航空零件製造商的材料與工藝工程師在（zài）切削實驗室觀察了初步試驗後，認為試驗方案令人滿意。

      采用（yòng）機床控製器記錄的最（zuì）大電（diàn）流載荷值，對（duì）5種切削（xuē）液進行比較(見（jiàn）圖1)。對於每種冷卻（què）液，在（zài）加（jiā）工過程中，電機的電流載（zǎi）荷（hé）都是逐漸增大。圖1中，電（diàn）流變化斜率（lǜ）越（yuè）小，表示（shì）刀具壽命越長(切（qiē）削液A和B斜率最小（xiǎo）)。記錄（lù）在所有各次走刀中（zhōng）的電機最大電流的平（píng）均值，同時記錄實際加工（gōng）過程中最（zuì）大電流的上、下極（jí）限值(見圖2)。最大電（diàn）流的平均值和上、下極限值的分布區間越小（xiǎo），表明(或預（yù）示)刀具（jù）壽命越長(切削液（yè）A和B表（biǎo）現較（jiào）好)。

      通過在完成了設定的走刀次數後，對在4個切削刃中的任何（hé）一個（gè）切削刃上發現的最（zuì）大積屑瘤進行測（cè）量，也（yě）可以預測刀具壽命。這是因為具有較大積屑（xiè）瘤的刀具鈍化更嚴重，因此其壽命也更短。切削（xuē）液A和B對應的刀（dāo）具總（zǒng）體平均積屑瘤高度最低，並且積屑（xiè）瘤高度的上、下極限值的分布區間最小，表（biǎo）明其刀具壽命最長(見圖3)。

      試驗中，在每次（cì）加工後都對（duì）積屑瘤進行測量，用OGP光學比較儀共拍攝了（le）139張照片。對於每一種（zhǒng）切削液，在4個切削刃中具有最大積屑瘤的切削刃出現在（zài）第26次也是最後（hòu）一次切（qiē）削走刀後。圖4為采用切削液（yè）A-E加工時，用刀具2切削後拍攝的最後一（yī）張（zhāng）照片。

      對5種切削液的一些重要的非（fēi）切（qiē）削功能(包括殘留性、生物（wù）穩定（dìng）性和抗腐蝕性)進行了測試。在每項指標中，表現最（zuì）好的給5分，第二好的（de）給4分，以此類推。評分係統不加（jiā）權（quán）(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（shì）設備上和周邊區域有大量殘留。還可以確定，這兩種切削液在機床工作台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（yòng）量增多。

      在泡沫消（xiāo）散時間測試中，切（qiē）削液B和C顯示出優異的泡沫特性。在兌自來水的切削液中對黑色金屬的（de）腐蝕試（shì）驗中，切削液A、D和E得（dé）到高分，而切（qiē）削液C對黑色金屬產生了嚴重（chóng）腐蝕。在生物穩定性試驗中，切削液C和D得到（dào）很高評價，而切削液B因（yīn）為可能出（chū）現酸敗問題而得分很低。在（zài）真菌（jun1）穩定性試（shì）驗中，對切削液C和E的評價最佳，而切削液B顯示出真菌穩定性較差。根（gēn）據實驗室測（cè）試結（jié）果，切削液A和C總分排名最高(見表1)。按所有非切削和切（qiē）削性能總體評（píng）價，切削液A(MicroSol 585)是最（zuì）佳選擇。

   
      試驗完成後，將試驗數據提供給該航空零（líng）件製造商審查。Hoff說，“通過評（píng）估試驗數據，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（yàn），它沒（méi）有考慮在實際加（jiā）工（gōng）中可能或將會產生的一些變量。但它可以為你（nǐ）選擇加工過程可以接受的潤滑液指出正確（què）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越性。他說，“我向一位製（zhì）造工程師展示了該案例，他正為所在的公司評（píng）估我（wǒ）們的（de）產品。完全基於科學數據的決策理念（niàn）具有極大吸引力，目前他正在為自（zì）己公司安排評估日（rì）程表。”

      雖然對金屬切削（xuē）液進（jìn）行外部試驗在行（háng）業內還不普及，但需求正在不斷增長。馬斯達化學公司大約每月提供一（yī）次服務。Gee表示，“你可以根據數據來決（jué）策。當你把數據、圖（tú）形和（hé）表格放到一個工程師麵前，當他知道這是一個獨立的、在可控環境條件下進行的研究，他就會（huì）信任其結果。”

      Hoff指出，“對用戶來（lái）說，好處在於他們可以基於科學性進（jìn）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（jiē）約大（dà）量加工時間和成本。了解（jiě）哪（nǎ）種冷卻液能最有效地防止泡沫問題、延長油箱壽（shòu）命和提供生物穩定性，將會（huì）改善工件的整體質量。”