在航（háng）空航天零（líng）件製造業，正（zhèng）確選用冷（lěng）卻液尤其（qí）重要，因為該行業（yè）競爭十分激烈（liè）。不確定的經濟環境增加了零件製造商控製成本的壓力。他們要優化加工程序，試驗新的刀具技術，並對加（jiā）工機床升級換代。

      由於鈦合金強度高、重量輕和耐腐（fǔ）蝕，因此許多飛機零件都采用鈦合金製造。然而，鈦（tài）合金（jīn）的熱傳導性能差，在切削過程中（zhōng）產生的溫度可高達1100℃，會導致刀具迅速鈍化，而用鈍化（huà）的切（qiē）削刃進行加工（gōng）可能會產生更多熱量，從而（ér）進一步縮短刀（dāo）具壽命。充（chōng）分的潤滑對於鈦（tài）合金的（de）有效（xiào）加工至關重要，因（yīn）為潤滑不足（zú）是切削刀具失效的常見原因。

      有（yǒu）效性評估

      如何才能評（píng）估冷卻液對延長刀具壽命和優化加工循環的有效（xiào）性？馬斯達化學公司(Master Chemical Corp.，美國俄亥（hài）俄州佩裏斯堡（bǎo）)戰略性技（jì）術開發副總裁Milton Hoff介紹說，一種方法是測（cè）量（liàng）主軸電機（jī）負（fù）荷，“在切削（xuē）過程中，通過測（cè）量電流變化。可以（yǐ）非常有效地監測主軸電機負荷（hé）。大多（duō）數機床控（kòng）製器都可以監測一個標準切（qiē）削循環中（zhōng）的最大電流負荷。如果機床無此監測功能，還可以設置一個獨立的電流表，來測量在一（yī）個加工工步（bù）中的（de）電流變化。”無論采用哪一（yī）種（zhǒng）方（fāng）法，都需要測量起動電流和最大電流。

      加工（gōng）鈦合金時，需要仔細考慮（lǜ），確定使（shǐ）用哪（nǎ）種金屬切削液。合成切削液泡（pào）沫少，具有良好的過濾性、清潔度和散熱（rè）性（xìng），而可溶性（xìng）切（qiē）削油具有（yǒu）更好的潤滑（huá）性。半合成切削液在提供有效潤滑和清潔度的同時，還有助於延長機油箱的（de）壽命，可謂（wèi）兩全（quán）其美。最後，還有多種因素必須（xū）考慮，包括機床和操作工（gōng）人（rén）的需求、水質、切削液的管理、切削液的輸送和壓力等。

      為了進行最有效的分析，需要采（cǎi）用（yòng）與（yǔ）被評價加工過（guò）程相同的刀具和工件材料進行切（qiē）削（xuē）試（shì）驗。Hoff說，“加工一個工件時，使除冷卻液以外的所有其（qí）它參數都保持恒定，可以（yǐ）通過（guò）電流變化測量出機床主（zhǔ）軸所承受的載荷，並確定（dìng）哪種（zhǒng）冷卻液的潤滑性能（néng）更好。”

      在企業內部做這些試驗其結果值得懷疑，因為機床的適（shì）用性、不同（tóng）的操作者（zhě）以及冷卻液的維護（hù）等條（tiáo）件會發生變化，從而可能會歪曲試驗結果（guǒ）。利用外部（bù）實（shí）驗室對切削液進行評估，可以提供有效決策所需要的、公（gōng）正（zhèng）的（de）科學數據。例如（rú），馬斯達化學公司已經與也位（wèi）於佩裏斯堡的歐文斯社區學院的機械加工實驗室合作，對切削液和加工過（guò）程進行試驗。

      問題解決方（fāng）案

      一個一級航空零件製造商在其（qí）下屬各工廠中加工了大量Ti6Al4V零件（jiàn），並注意到這種鈦合金的應用在快速增長。由於每個（gè）工廠在加工鈦合金時都使（shǐ）用不同的金屬切削液，因此該（gāi）製造商對於（yú）選擇一種切削液以延長刀具壽命，進而降低刀具成本很感（gǎn）興趣。為了進一步降（jiàng）低加工成本，製造商希望（wàng）選擇最高效的鈦合金加工工藝。

  
      加工鈦合金（jīn）時（shí），刀（dāo）具成本極高，因此，在保（bǎo）證工（gōng）件質量的前（qián）提下（xià），使刀具壽命最大化至關重要。由（yóu）於該製造商沒有掌握相關數據(這些數據（jù）能顯示使用哪種切削液是標準化加工的最佳選擇)，而進行工廠現場測試也不是一種好的選擇，因（yīn）此該航空製造商決定與馬斯達（dá）化學公司（sī）合作，利用歐文斯社區學院的試（shì）驗裝（zhuāng）置對其（qí）工廠使用的冷（lěng）卻液進行（háng）評估。采用該學院的切削實驗室能為該製造商提供公正的試驗（yàn）結果，而且勿需占用自己的資源。實驗室通過在試驗中測量（liàng）切削參數，將確定（dìng）哪種冷卻液（yè）可以提供充分的潤（rùn）滑。

      切（qiē）削鈦合金的機床對冷卻液的要求是：霧化程度低，減少工人在大型機床工作（zuò）台上走動清掃切屑時滑倒的可能性，以及避免殘留的粘濕冷（lěng）卻液導致鈦合金切屑粘附在（zài）機（jī）床上。在切削試驗（yàn）完成後，實驗室還會進行一些測試，以比較切削液的一些重（chóng）要的非切削（xuē）功（gōng）能（néng），包括生物穩定性、油箱壽命、以及涉及健康和安全的一些性能（néng）。

      試驗對象確（què）定為Weldon刀具公司的M42鈷高速（sù）鋼立銑刀(4槽，直徑19.05mm，未塗層，轉角（jiǎo）半徑3.175mm)。該刀具為頂切粗加工立銑刀，全直徑上（shàng）的切削參數為：軸向切深8.90mm，切削速度60sfm，每齒切屑負荷0.1143mm，進給率100mm/min。采用（yòng）順銑（xǐ）方式。

      試驗規定，用每（měi）種切削液對航空零件製（zhì）造商提供的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（měi）種切削液總共進（jìn）行三輪切削試驗。試驗在歐文斯學院切削（xuē）實驗室的Haas VF4立式加工中心上進行，該機床帶有CAT40錐柄，並由計（jì）算（suàn）機控製冷卻液流量。

      試驗（yàn）共評估了5種切削液，包括馬斯達化學公司的TRIM MicroSol 585以及其（qí）它4種競爭對（duì）手的切（qiē）削液（yè）。每種切削液都用去離子水進行稀（xī）釋，兌成（chéng）6%的濃度。刀具壽命是試驗的（de）決定性因素。試驗完（wán）後，所有切屑和材料都（dōu）被送還該航（háng）空零件製造商。

      測量與結果

      按照上述參數進行切削試驗，刀具期望壽命為3小時。用（yòng）OGP光學（xué）比較儀對刀具進行微觀檢測，測量積（jī）屑瘤並拍攝顯微照片。為避免加工硬化的影響，當刀具（jù）在試件上每完成一次走刀後(切削時間大（dà）約為（wéi）30分鍾（zhōng）)，就進行一（yī）次測量。同時（shí）記錄機床主軸電流載荷測量表的讀數值。

      按照原計劃，需要測（cè）量（liàng）刀具的後刀麵（miàn）磨損。然（rán）而，由於刀具外形為螺旋形和扇（shàn）形，沒有一條（tiáo）直刃可讓實驗室用（yòng）作測量實際後（hòu）刀麵（miàn）磨損的參考（kǎo）點，因此（cǐ），選擇積（jī）屑瘤作為替代指標。該航空零件製造商的材料與（yǔ）工（gōng）藝工程師（shī）在切（qiē）削實驗室觀察了初步試驗後，認為（wéi）試驗方案令人滿意。

      采用機床控製器記錄的最大電流（liú）載（zǎi）荷值，對5種切削液進（jìn）行比較(見圖1)。對於每種冷卻液，在（zài）加工過程中，電（diàn）機的電流載荷都是逐漸增大。圖1中，電流（liú）變化（huà）斜率越小，表示刀具壽（shòu）命越長(切削液A和B斜率最小)。記（jì）錄在所有各次走刀中的電機（jī）最大電流的平均值，同時記錄實際加工過程中最（zuì）大電流的上、下極限值(見圖2)。最大電流（liú）的平均值和（hé）上、下極限值的分布區（qū）間越小，表明(或預示)刀具壽命越長(切削液A和B表現較好)。

      通過在完成了設定的（de）走刀次數後，對在4個切削刃中（zhōng）的任何一（yī）個切削刃上發現的最大積屑瘤進行測量，也可以預測刀具（jù）壽命。這是因為具有較大積屑瘤的刀具（jù）鈍化更嚴重，因（yīn）此其壽命（mìng）也更短。切削液A和B對應（yīng）的刀具總體平均（jun1）積屑瘤高度（dù）最低，並（bìng）且積屑瘤高度的（de）上、下極限值的分（fèn）布區間最小，表明其刀（dāo）具壽命最長(見圖3)。

      試驗（yàn）中，在每次加工後都對積屑瘤進行測量，用OGP光學比較儀共拍攝了139張照片（piàn）。對於每一（yī）種切削液，在4個切（qiē）削刃（rèn）中具有最大積屑瘤的切（qiē）削刃出現在（zài）第26次也是（shì）最後一次切削走刀後。圖4為采用切削液A-E加工時，用刀具2切削後拍攝的最後一張照片（piàn）。

      對（duì）5種切削液的一些重要的非切削功能(包括殘留性、生物穩定性和抗腐蝕（shí）性)進行了測（cè）試。在每項指標（biāo）中，表現（xiàn）最好的給5分，第二好的給4分，以此（cǐ）類推。評分係統不加（jiā）權(即認（rèn）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（le）高分，而切削液B和D在（zài）機床、測試設備上和周邊區域有大量殘留。還可以（yǐ）確定，這兩種切削液在機床工作台上殘留濕滑液體（tǐ）的可能性更大（dà）。切削液殘留（liú）還會導致切削液用量增多。

      在泡沫消散時間測（cè）試中，切削液B和（hé）C顯示出優異的泡沫特性。在兌自來水的切削（xuē）液中對黑色金屬的腐蝕試驗中，切削液A、D和E得到（dào）高分，而切（qiē）削液C對黑色金屬產生了嚴重腐（fǔ）蝕。在生物穩定性試（shì）驗中，切削液C和D得到很高評價，而切削液B因為可能出現酸敗問題而得分很低。在真菌穩（wěn）定性試驗中，對切削液（yè）C和E的（de）評價最佳，而切削液B顯示出真菌穩定性較差。根（gēn）據（jù）實驗（yàn）室測試結果，切削液A和C總分排名最高(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，將試驗（yàn）數據提供給該航空零件製造商審查。Hoff說，“通過評估試驗數據，可以幫助選擇在加工過程中能使（shǐ）刀具壽（shòu）命最大化（huà）的冷卻液。當然，這是一種受控試驗，它沒有考慮在實際加（jiā）工中可（kě）能或將會產生的（de）一些變量。但它可以為你（nǐ）選擇加工過程可以接受的潤（rùn）滑液指出正確的方向。”

      馬斯達化學公（gōng）司航空加工部經理Chuck Gee通（tōng）過該案例研究，闡釋了外部試驗的優（yōu）越性。他說，“我向一位製造工程師展示了該案例，他正為所在的公司評估我們的產品。完全（quán）基於科學數據的決策理念具有極大吸引力，目前他正在為自（zì）己公司安排（pái）評估日程表。”

      雖然對金屬切削液進行外部試（shì）驗在行業內還不（bú）普及，但需求正（zhèng）在不斷（duàn）增長（zhǎng）。馬斯達化學公司大約每月提供一次服（fú）務。Gee表示，“你可以根據數據來決策。當你把數據、圖形和表格放到一個工程師麵前，當他知道這是一個獨立的、在（zài）可控環境（jìng）條件下進行的研究，他就會信任其結果。”

      Hoff指出，“對用戶來說，好處在於他們可以（yǐ）基於科學（xué）性進行決策。知（zhī）道哪種冷卻液（yè）可以使刀具壽命延長20%，意味著可以節約大量（liàng）加工時間和成本。了解哪（nǎ）種冷卻液能最有效地防止泡沫問題、延長油箱壽命和提供生物穩定性，將會改善（shàn）工件的整體質（zhì）量。”