在航空航天零件製造業，正確選用冷卻液尤（yóu）其重（chóng）要，因為該行業競爭十（shí）分激烈。不確定的經濟環（huán）境增加了零件製造商（shāng）控製成本的壓力。他們要優化加工程序，試驗（yàn）新的刀具（jù）技術，並對加工機床升級換（huàn）代。

      由於鈦合金（jīn）強度高、重量輕和耐腐蝕，因此許多飛機零件都采用鈦合金製造。然而，鈦合金（jīn）的熱傳導性能差，在切削過程中產生的溫度可高達1100℃，會（huì）導致刀具迅速鈍化，而用鈍化的切削刃進行加工可能會產生（shēng）更多熱量，從而進一步縮短刀具壽命。充分的潤滑對（duì）於鈦（tài）合（hé）金的有效加工至關（guān）重要（yào），因為潤滑不足是切削刀（dāo）具失效的（de）常見原因。

      有效性評估

      如何才能（néng）評估冷卻液對延長刀具壽命和優（yōu）化加（jiā）工循環的有（yǒu）效性（xìng）？馬斯達化學公司(Master Chemical Corp.，美國俄亥俄州（zhōu）佩裏斯堡)戰略性技術（shù）開發副（fù）總裁Milton Hoff介紹說，一種方法（fǎ）是測量主（zhǔ）軸電機負（fù）荷（hé），“在切削過程中，通過測量電流變化。可以非常有效地（dì）監測主軸電機負荷。大多數機床控製器都可（kě）以監（jiān）測一（yī）個標（biāo）準切削循環中的最大電流負荷。如果機床（chuáng）無此監（jiān）測（cè）功（gōng）能，還可以設置（zhì）一個獨立的電流表，來測量在一個加工工步中的電流變化。”無論（lùn）采用哪一種方法，都需要（yào）測量起動電流和最大電流（liú）。

      加工（gōng）鈦合金時，需要仔細考慮，確定使用哪種金屬切削液。合成切（qiē）削液泡沫少，具有（yǒu）良好的過濾性、清（qīng）潔度和（hé）散熱性，而可溶性切削油具有更好的潤滑性。半（bàn）合成切削液在提（tí）供有效潤滑和清潔度的同時（shí），還有助（zhù）於延長機油箱的壽命，可謂兩全其美。最後，還（hái）有多種因素必須考慮（lǜ），包括機床（chuáng）和操作工（gōng）人的（de）需求、水質、切削液的管理、切削液的（de）輸送和壓力等。

      為了進行最有效的分析，需要采用與被評價加工過程相同的刀具和工件（jiàn）材料進行切削試驗（yàn）。Hoff說（shuō），“加工一個工（gōng）件時，使（shǐ）除冷（lěng）卻液以外的所有其它參數都保持恒定，可（kě）以（yǐ）通過電流變化測量出（chū）機床（chuáng）主軸所承受的（de）載荷（hé），並確定哪種冷（lěng）卻液的潤滑性能更好。”

      在企業內部做（zuò）這些試驗（yàn）其結果值得懷疑，因為機床的適用性（xìng）、不同的（de）操作者以及冷（lěng）卻液的維護等條件會（huì）發生變化（huà），從而可能會歪曲試驗結果。利用外（wài）部實驗（yàn）室對切削液進行評估，可以提供有效決策所需要的、公正（zhèng）的科學數據。例如，馬斯達化學公司已經與也位於佩裏斯堡的歐文斯社區學院的機械加（jiā）工實驗室合作，對切削液和加工過程進行試驗。

      問題解決方案

      一個一級航空零件製造商（shāng）在其下屬各工（gōng）廠（chǎng）中加工（gōng）了大量Ti6Al4V零件，並注意（yì）到（dào）這（zhè）種鈦合（hé）金的應用在快速增長。由於每個工廠在加工鈦合金時都使用不（bú）同的金屬切（qiē）削液，因此該製造商對於選擇一種切削液以延長刀具壽命，進而降低刀具成本很感興趣。為了進一步降低加工成本，製造商希望選（xuǎn）擇最高效的鈦合（hé）金加工（gōng）工（gōng）藝。

  
      加工鈦合金時，刀具成本極高，因此，在（zài）保證工件質量的前提下，使刀具（jù）壽命最大化（huà）至關重要。由於該製造商沒有掌握相關數據(這（zhè）些數據能顯示使用哪種（zhǒng）切削液是標準（zhǔn）化加工的最佳（jiā）選擇)，而進行工廠現（xiàn）場測試也不是一種好的選擇，因此該航空製造商決定與馬斯達化學公司（sī）合作，利用歐文斯（sī）社區學院的試驗裝置對其工廠使用的冷卻液（yè）進行評估。采用（yòng）該學院（yuàn）的（de）切削實驗室能為該製造商提供公正的試驗結果，而且勿需占用自己的資源。實驗室通過在試驗中測量切（qiē）削參數，將確定哪種冷卻液可以提供充分的潤滑。

      切削鈦合金的機床對冷卻液的要求是：霧化程度低，減少工人在（zài）大型機床工作台上走（zǒu）動清掃切屑時滑倒（dǎo）的可能性，以及避免殘留的粘濕冷（lěng）卻（què）液導致鈦合金切（qiē）屑粘附在機床上。在切削試（shì）驗完成後，實驗室（shì）還會進行一些測試，以比較切削液的一些（xiē）重要的非切削功能，包括生物穩定性（xìng）、油箱壽命、以（yǐ）及涉（shè）及健康和安全的一些性能。

      試驗對象確定（dìng）為Weldon刀（dāo）具公司的M42鈷高速鋼立銑刀(4槽，直徑19.05mm，未（wèi）塗層，轉角半徑3.175mm)。該刀具為（wéi）頂切粗加工立銑刀，全直徑上的切削參數（shù）為：軸向切（qiē）深8.90mm，切削速度60sfm，每齒切屑負（fù）荷（hé）0.1143mm，進給率100mm/min。采用順銑（xǐ）方式。

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

      試驗共評估了5種切（qiē）削液，包括（kuò）馬斯達化學公（gōng）司的TRIM MicroSol 585以及其它4種競爭對手（shǒu）的切（qiē）削液。每種切削液都用去離子水（shuǐ）進行稀釋，兌成6%的濃度（dù）。刀具壽命是試驗的決定性因素。試驗完後，所有切屑和材料都被送還該航空零件製造商。

      測量與結果

      按照上述參數（shù）進（jìn）行切（qiē）削試驗，刀具（jù）期望壽命（mìng）為（wéi）3小時。用OGP光學比較儀對刀具進行微觀檢測，測（cè）量積屑瘤並拍攝顯微照片。為避免加工硬化的影響，當刀具在試件上（shàng）每完成一（yī）次走刀（dāo）後(切削時間大約為30分鍾)，就進行（háng）一次測量。同時（shí）記錄機床主軸電流載（zǎi）荷測量表的讀數值。

      按（àn）照（zhào）原計劃，需要（yào）測量刀具的（de）後刀麵磨損（sǔn）。然而，由於刀（dāo）具外形為螺旋形和扇形，沒有一條直刃可讓實驗室用作測量實際後刀麵磨損的參考點（diǎn），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（chéng）師在切削實驗室觀察（chá）了初步試驗後，認為試驗方案令人滿意。

      采用機床控製器記錄（lù）的最大電（diàn）流載荷值，對5種切削液進行（háng）比較(見圖1)。對於每種冷卻液，在加（jiā）工過程中，電機的電流（liú）載（zǎi）荷都是逐漸增大。圖1中，電（diàn）流變化斜率越小，表示刀具壽命越長(切削液A和B斜（xié）率最小)。記錄在所有各（gè）次（cì）走刀中的電機最大（dà）電流的平均值，同時記錄實際加工過程中最大電流的上（shàng）、下極（jí）限值(見圖2)。最大電流（liú）的平均值和上、下極限（xiàn）值（zhí）的分布區間越（yuè）小，表明（míng）(或預示)刀具壽命越長(切削液A和B表現較（jiào）好)。

      通過在（zài）完成了設定的走刀次數後，對在4個切削刃中的任何一個切削刃上發（fā）現的最大積屑瘤進行測量（liàng），也可以預測刀具（jù）壽命。這是因為（wéi）具有較大積屑瘤的刀具鈍化更嚴重，因（yīn）此其壽命也更短。切削（xuē）液A和B對應的刀具總體平均積（jī）屑瘤高度最低，並且積屑瘤高度的上（shàng）、下極限值的分布區間最小，表明其刀具壽命最長(見圖（tú）3)。

      試驗中，在每次加工後（hòu）都對積屑瘤進行測量，用OGP光學比較儀共拍攝了139張照片。對（duì）於每一（yī）種切削液，在4個切削刃中具有最大積（jī）屑瘤的切削刃出現在第26次也是最後一次切削走刀（dāo）後。圖（tú）4為采用切削液A-E加工（gōng）時，用刀具（jù）2切（qiē）削後拍攝的最（zuì）後一（yī）張照片。

      對5種切削液的一些重（chóng）要的非切削功能(包括殘留性、生物穩定性和抗腐蝕（shí）性)進行了測試。在每項指標中，表現最好的給5分，第二好的給4分（fèn），以此類推。評分（fèn）係統不（bú）加權(即認為（wéi）所有測試項目具有相同的重要性（xìng）)。在殘留（liú）性測試中，切削液（yè）A和E獲得了高分，而切（qiē）削液B和（hé）D在機床、測試設備上和周邊區域有大量殘留。還（hái）可以確定，這兩種切削液在機床工作台上殘（cán）留濕滑液體的可能性更大。切削液殘留還會導致切削液用量增多。

      在泡（pào）沫（mò）消（xiāo）散時間測試中，切削液B和C顯示（shì）出優異的泡沫特性。在兌自來水的切削液中對黑色金屬的腐蝕試驗中，切削液A、D和（hé）E得到高分，而切削液C對黑色金屬產生了嚴（yán）重腐蝕。在生（shēng）物穩定性試驗中（zhōng），切削液C和D得到很高評價（jià），而切削液B因為可能出現酸敗問（wèn）題而（ér）得分很低。在真菌穩定性試驗（yàn）中，對切削（xuē）液C和E的評價（jià）最佳，而切削液B顯示（shì）出真（zhēn）菌穩定性較差。根據實驗（yàn）室測試結果，切削液A和（hé）C總分排（pái）名最高(見表1)。按所有非切削和切削性能總體評價，切削液A(MicroSol 585)是最佳選擇。

   
      試驗完成後，將試（shì）驗（yàn）數據提供給該航空零件製造商審查。Hoff說，“通過評估試（shì）驗（yàn）數據，可以幫助選擇在加工過程中（zhōng）能使刀具壽（shòu）命最大化的冷卻液。當然，這（zhè）是一種受控（kòng）試驗，它沒有考慮在實際（jì）加工中可能或將會產生的一些變量。但它可以為你選擇加工過程可以接受的潤滑液（yè）指（zhǐ）出正（zhèng）確的方向。”

      馬（mǎ）斯達化學公司航空加工（gōng）部經理Chuck Gee通過該案例研究（jiū），闡釋了外部試驗的優越性（xìng）。他（tā）說，“我向一位製造（zào）工程師展示了該案例，他正為所在的（de）公司評估我們的產品（pǐn）。完全（quán）基於科學數據的（de）決策理念具有極大吸引力（lì），目前他正在為自己公司安排評估日程表。”

      雖然對金屬切削液進行外部試驗在行業內還不普及，但需（xū）求正在不斷（duàn）增長。馬斯（sī）達化學公司大約（yuē）每月提供一次服務。Gee表示，“你可以根據數據來決策。當你把數（shù）據、圖形和表格放（fàng）到一個工程師麵前，當他知道這是一個獨立的、在（zài）可控環境條件下進（jìn）行的研究（jiū），他就會信任其結果（guǒ）。”

      Hoff指出，“對用戶來說，好處在於他（tā）們可以基於科學性進行決策。知道哪（nǎ）種冷卻液可以使刀（dāo）具壽命（mìng）延長20%，意味著可以節約大量加工時間和成本。了解哪種冷卻液能最有效地防止（zhǐ）泡沫問題、延長（zhǎng）油箱壽命和提供生物穩定性，將會改善工件的整（zhěng）體質量。”