在航空航天零件製造業，正確選用冷卻液尤其（qí）重要，因為該行業競（jìng）爭十分激烈。不確定的經濟環境（jìng）增加了零件製造商控製成本的壓力。他（tā）們（men）要優化加工程序，試驗新的（de）刀具技術，並對加工（gōng）機床升級換代。

      由於鈦合金強度高、重量（liàng）輕和耐腐（fǔ）蝕，因此許（xǔ）多飛機零件都采用鈦合金製造。然而，鈦合金的熱傳導性能差，在切削過程中產（chǎn）生的溫度可高達1100℃，會導致刀具迅速鈍化，而用鈍化的切削刃進行加工可能會產（chǎn）生更多熱量，從而進一步縮短（duǎn）刀具壽命。充分的潤滑對（duì）於鈦合金的有效加工至關重要，因（yīn）為潤滑不足是切削刀具失效的常見原因（yīn）。

      有效性（xìng）評估

      如何才能評估冷卻液對延（yán）長（zhǎng）刀具壽（shòu）命和優化加（jiā）工循環的有（yǒu）效性？馬斯達化學公司(Master Chemical Corp.，美國俄亥（hài）俄州佩裏斯堡)戰（zhàn）略性（xìng）技術開（kāi）發副總裁Milton Hoff介（jiè）紹說，一種方法是測量（liàng）主軸電機負荷，“在（zài）切削過程中，通過測量（liàng）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（chuáng）控製器都可以監測一個標準（zhǔn）切（qiē）削循環中的最大電流負荷。如果（guǒ）機床無此監測功能，還可以設置（zhì）一個獨立的電流表，來測（cè）量在一個加工工（gōng）步中的電流變化。”無論采用哪一種（zhǒng）方法，都需（xū）要測量起動電流和最大電流。

      加工鈦合金時，需（xū）要仔細考慮，確定使用哪種金屬切削液。合成切削液泡沫少，具有良好（hǎo）的過（guò）濾性、清潔度和散熱性，而可溶性切削油具有更好的潤滑性。半合成切削液在（zài）提供有效（xiào）潤滑和（hé）清潔度的同時，還有助於延（yán）長機（jī）油箱的壽命，可謂兩全其美。最後，還有多種因素必（bì）須考慮，包括（kuò）機（jī）床和操作工人的需求、水質、切（qiē）削液的管理、切削（xuē）液的輸送和（hé）壓力等（děng）。

      為了進行最（zuì）有效的分析，需要采用與被評（píng）價加工過程（chéng）相同的刀具和工件材料進行切（qiē）削試驗。Hoff說，“加工一個工件時，使（shǐ）除冷（lěng）卻液以外（wài）的所有（yǒu）其它參數都保（bǎo）持恒定，可以通過電流變化測量出機床主（zhǔ）軸所承受的載荷，並（bìng）確定哪種冷卻液的潤滑性能更好。”

      在企業內部做這（zhè）些試驗其結果值得懷疑，因為機床的適用性、不同的操作者以及冷卻液的維護等條件（jiàn）會發生變化，從而可能會歪曲試驗結果。利用外（wài）部實驗室對切削液進行評估，可以提（tí）供有效決策所需要的、公正的（de）科學數據。例如（rú），馬斯達化學公司已經與也位於佩裏斯堡的歐文斯社區（qū）學院（yuàn）的機（jī）械加工（gōng）實（shí）驗（yàn）室合作，對（duì）切削液（yè）和加工過程進行試驗。

      問題解決方案

      一（yī）個一級航空零件製造商在其下屬各工廠中（zhōng）加工了大量Ti6Al4V零件，並注意到這（zhè）種鈦合金的應用在快速增（zēng）長。由（yóu）於每個工廠在加工鈦合金時都使（shǐ）用不同的金屬切削液，因此該製造商對於選擇一種切削液以延長刀具壽命（mìng），進而降低（dī）刀具（jù）成本很感興趣。為（wéi）了（le）進一步降低加工成本，製造商希（xī）望選擇最高效的鈦合（hé）金加工工藝。

  
      加工鈦合金時，刀（dāo）具成（chéng）本極高，因此，在保證工件質量的（de）前提下，使刀具壽命最大化至關重要。由於該製造商沒有（yǒu）掌握相關數據(這些（xiē）數據（jù）能顯示（shì）使用哪種切削液是（shì）標準化加工的最佳（jiā）選擇)，而進行工廠現場測試也不是一種好的選擇，因此該航空製（zhì）造商決定與馬斯（sī）達化學公（gōng）司合作，利用歐文斯社（shè）區學院的試驗裝置對其工廠使（shǐ）用（yòng）的冷卻液進行評估。采用該學院的切削實驗室能為該製造商提供公正的試驗結果，而且勿需占用自己的（de）資源。實驗室通過在試驗中測量切削參數，將確（què）定哪種（zhǒng）冷卻液可以提供充（chōng）分的潤滑。

      切削鈦（tài）合金的機床對冷卻（què）液的要求是：霧化（huà）程度低，減少工人（rén）在大型機床工作台上走動清掃（sǎo）切屑時滑倒的可能性，以及（jí）避免殘留的粘濕冷卻液導致鈦合（hé）金切屑粘附在（zài）機床上（shàng）。在（zài）切削（xuē）試驗完（wán）成後，實驗室還會進行（háng）一些測試，以比較切削液（yè）的一些重要的非切削功能，包括生物穩定性、油箱壽命、以（yǐ）及涉及健康和安全的一（yī）些性能。

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

      試驗規定，用每種切削液對航空零件製（zhì）造（zào）商提供的Ti6Al4V坯件（jiàn）(尺寸180mm×200mm×1500mm)進行兩次切（qiē）削，並對Ti6Al4V板材進行（háng）一次切削，即每種切削液總共進（jìn）行三輪（lún）切削試驗。試驗在歐文斯（sī）學院切削實驗室的Haas VF4立式加工中心上進（jìn）行，該機床帶有CAT40錐柄，並由計算機控製冷（lěng）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（sī）的（de）TRIM MicroSol 585以及其（qí）它4種競爭對手的切削液。每種切削液都用去離子（zǐ）水進行稀（xī）釋，兌成6%的濃度。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

      按照上述參數進行切削試驗，刀具期望壽命為3小時。用（yòng）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（jù）在試（shì）件上每（měi）完成一次走刀後(切削時間大約為（wéi）30分鍾)，就進行一次測量。同（tóng）時記錄機床主軸電流載荷（hé）測量表的讀數值。

      按照原計劃，需要測量刀具的後刀麵磨損。然而，由於刀（dāo）具外形為螺旋形和扇形，沒有（yǒu）一條直刃可（kě）讓實驗室用作（zuò）測量實際（jì）後刀麵磨損的參考點（diǎn），因（yīn）此，選擇積屑瘤（liú）作為替代指標。該航空零件製造商的材料與工藝工程師在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）大電流載荷值，對5種切削液進（jìn）行比較(見圖1)。對於每種冷卻（què）液，在（zài）加工過程中，電（diàn）機的電（diàn）流載荷都是逐漸（jiàn）增大。圖1中，電流變（biàn）化斜率越小，表示刀具壽命越長(切削液A和B斜（xié）率最小)。記錄在所有各次走刀中的電機最大電流的平均值，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)。最大電流的平均值和上、下極限（xiàn）值的分布（bù）區間越小，表明(或預示)刀具（jù）壽命越長(切削液A和B表現（xiàn）較好)。

      通過在完成了設定的走刀（dāo）次數後，對在4個切削刃（rèn）中的（de）任（rèn）何一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鈍（dùn）化更嚴重，因此其壽命也更短（duǎn）。切（qiē）削液A和B對應的刀具總體（tǐ）平均積屑瘤高度最低，並且積屑瘤高度的（de）上（shàng）、下（xià）極（jí）限值的分布區（qū）間最小，表明其刀（dāo）具壽（shòu）命最長(見圖3)。

      試（shì）驗中，在每次（cì）加工（gōng）後都對（duì）積屑瘤進行測量，用OGP光學比（bǐ）較儀共拍攝了139張照片。對於每一種切削液，在4個切（qiē）削刃中具（jù）有最大積屑瘤的切削（xuē）刃出現在第26次也是最後一次切削走刀後。圖（tú）4為采用切削液A-E加工時，用刀具2切削後拍攝的最（zuì）後一（yī）張照片。

      對5種（zhǒng）切削液的一些重要的非切削（xuē）功（gōng）能(包括殘留性、生物穩定性和抗腐蝕性（xìng）)進行了測試。在每項指標（biāo）中，表現最好的給5分，第二（èr）好（hǎo）的給4分，以此類推。評（píng）分係統不加權(即認為所有（yǒu）測（cè）試項（xiàng）目具有相同的重要性)。在殘留性測（cè）試中，切削液A和E獲得了高分，而切削液B和D在機床、測試設備上和（hé）周（zhōu）邊區域有大量殘留。還可以確定，這兩種切（qiē）削液在機床工作台上殘留濕滑液體的可能性更大。切削液（yè）殘留還會導致切削（xuē）液用量增多。

      在泡沫消散時間測試中，切削液B和C顯（xiǎn）示出優異的（de）泡沫特性。在兌自來水的切削液中（zhōng）對黑色金屬的腐蝕試驗中，切削液A、D和E得到（dào）高分，而切削液C對黑色金屬產生了嚴重腐蝕。在生物穩定性試驗（yàn）中，切削（xuē）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。在真菌穩定性試驗（yàn）中，對切削液C和E的評價最佳（jiā），而切削液B顯示出（chū）真菌穩定（dìng）性較差。根據實驗室測試結（jié）果（guǒ），切（qiē）削液A和C總分排名最高（gāo）(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（kě）以幫助（zhù）選（xuǎn）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（yī）種受控試驗，它沒有考（kǎo）慮在實際（jì）加工中可能（néng）或將會（huì）產生的一些變量。但它可以為你（nǐ）選（xuǎn）擇加工過程可以接受的（de）潤滑液（yè）指出正確的方向。”

      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（yōu）越性。他說，“我向一位製造工程（chéng）師展示了（le）該案例（lì），他正為所在的公司評估我們的產品。完全基於科學（xué）數據的決策理念具有極大吸引力，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（wài）部試驗在行業內還不（bú）普及，但需求正在不（bú）斷增長。馬斯達化學公司大約每月（yuè）提供一次服務。Gee表示，“你可以根據（jù）數據來決策。當（dāng）你把數據、圖形和表格（gé）放（fàng）到一個工程師麵前，當（dāng）他知道（dào）這是一個獨立的、在可控環境條件下進行的研究，他就會信任其結果。”

      Hoff指（zhǐ）出，“對用戶來說，好處在於他們可以基（jī）於（yú）科學性進行決策。知道哪（nǎ）種冷（lěng）卻液可以使刀（dāo）具壽命（mìng）延長20%，意味著可以節約大量加（jiā）工時間（jiān）和成本。了解哪種冷卻（què）液能最有效地防（fáng）止泡沫問題、延長油箱壽命和提供生（shēng）物（wù）穩定性，將會改（gǎi）善工（gōng）件的整體質量。”