在目前困难的经济环境下，提高切削刀具寿命可以提供一种重要的竞争优势。在加工过程中，选用合适的冷却液可将刀具寿命提高15%－30%。但是，最终用户如何才能知道哪一种冷却液是正确的选择呢？ 在航空航天零件制造业，正确选用冷却液尤其重要，因为该行业竞争十分激烈。不确定的经济环境增加了零件制造商控制成本的压力。他们要优化加工程序，试验新的刀具技术，并对加工机床升级换代。 由于钛合金强度高、重量轻和耐腐蚀，因此许多飞机零件都采用钛合金制造。然而，钛合金的热传导性能差，在切削过程中产生的温度可高达1100℃，会导致刀具迅速钝化，而用钝化的切削刃进行加工可能会产生更多热量，从而进一步缩短刀具寿命。充分的润滑对于钛合金的有效加工至关重要，因为润滑不足是切削刀具失效的常见原因。 有效性评估如何才能评估冷却液对延长刀具寿命和优化加工循环的有效性？马斯达化学公司(Master Chemical Corp.，美国俄亥俄州佩里斯堡)战略性技术开发副总裁Milton Hoff介绍说，一种方法是测量主轴电机负荷，“在切削过程中，通过测量电流变化。可以非常有效地监测主轴电机负荷。大多数机床控制器都可以监测一个标准切削循环中的最大电流负荷。如果机床无此监测功能，还可以设置一个独立的电流表，来测量在一个加工工步中的电流变化。”无论采用哪一种方法，都需要测量起动电流和最大电流。 加工钛合金时，需要仔细考虑，确定使用哪种金属切削液。合成切削液泡沫少，具有良好的过滤性、清洁度和散热性，而可溶性切削油具有更好的润滑性。半合成切削液在提供有效润滑和清洁度的同时，还有助于延长机油箱的寿命，可谓两全其美。最后，还有多种因素必须考虑，包括机床和操作工人的需求、水质、切削液的管理、切削液的输送和压力等。 为了进行最有效的分析，需要采用与被评价加工过程相同的刀具和工件材料进行切削试验。Hoff说，“加工一个工件时，使除冷却液以外的所有其它参数都保持恒定，可以通过电流变化测量出机床主轴所承受的载荷，并确定哪种冷却液的润滑性能更好。” 在企业内部做这些试验其结果值得怀疑，因为机床的适用性、不同的操作者以及冷却液的维护等条件会发生变化，从而可能会歪曲试验结果。利用外部实验室对切削液进行评估，可以提供有效决策所需要的、公正的科学数据。例如，马斯达化学公司已经与也位于佩里斯堡的欧文斯社区学院的机械加工实验室合作，对切削液和加工过程进行试验。 问题解决方案一个一级航空零件制造商在其下属各工厂中加工了大量Ti6Al4V零件，并注意到这种钛合金的应用在快速增长。由于每个工厂在加工钛合金时都使用不同的金属切削液，因此该制造商对于选择一种切削液以延长刀具寿命，进而降低刀具成本很感兴趣。为了进一步降低加工成本，制造商希望选择最高效的钛合金加工工艺。 加工钛合金时，刀具成本极高，因此，在保证工件质量的前提下，使刀具寿命最大化至关重要。由于该制造商没有掌握相关数据(这些数据能显示使用哪种切削液是标准化加工的最佳选择)，而进行工厂现场测试也不是一种好的选择，因此该航空制造商决定与马斯达化学公司合作，利用欧文斯社区学院的试验装置对其工厂使用的冷却液进行评估。采用该学院的切削实验室能为该制造商提供公正的试验结果，而且勿需占用自己的资源。实验室通过在试验中测量切削参数，将确定哪种冷却液可以提供充分的润滑。 切削钛合金的机床对冷却液的要求是：雾化程度低，减少工人在大型机床工作台上走动清扫切屑时滑倒的可能性，以及避免残留的粘湿冷却液导致钛合金切屑粘附在机床上。在切削试验完成后，实验室还会进行一些测试，以比较切削液的一些重要的非切削功能，包括生物稳定性、油箱寿命、以及涉及健康和安全的一些性能。 试验对象确定为Weldon刀具公司的M42钴高速钢立铣刀(4槽，直径19.05mm，未涂层，转角半径3.175mm)。该刀具为顶切粗加工立铣刀，全直径上的切削参数为：轴向切深8.90mm，切削速度60sfm，每齿切屑负荷0.1143mm，进给率100mm/min。采用顺铣方式。 试验规定，用每种切削液对航空零件制造商提供的Ti6Al4V坯件(尺寸180mm×200mm×1500mm)进行两次切削，并对Ti6Al4V板材进行一次切削，即每种切削液总共进行三轮切削试验。试验在欧文斯学院切削实验室的Haas VF4立式加工中心上进行，该机床带有CAT40锥柄，并由计算机控制冷却液流量。 试验共评估了5种切削液，包括马斯达化学公司的TRIM MicroSol 585以及其它4种竞争对手的切削液。每种切削液都用去离子水进行稀释，兑成6%的浓度。刀具寿命是试验的决定性因素。试验完后，所有切屑和材料都被送还该航空零件制造商。 测量与结果按照上述参数进行切削试验，刀具期望寿命为3小时。用OGP光学比较仪对刀具进行微观检测，测量积屑瘤并拍摄显微照片。为避免加工硬化的影响，当刀具在试件上每完成一次走刀后(切削时间大约为30分钟)，就进行一次测量。同时记录机床主轴电流载荷测量表的读数值。 按照原计划，需要测量刀具的后刀面磨损。然而，由于刀具外形为螺旋形和扇形，没有一条直刃可让实验室用作测量实际后刀面磨损的参考点，因此，选择积屑瘤作为替代指标。该航空零件制造商的材料与工艺工程师在切削实验室观察了初步试验后，认为试验方案令人满意。 
图1 不同冷却液对应的电机最大电流 |
图2 不同冷却液对应的电机最大电流平均值和上、下极限 | 
图4 不同冷却液对应的积屑瘤照片 | | 表1 5种金属切削液的总体得分排名 | | 测评项目 | A | C | D | E | B | | 在20格冷水中残留量(g) | 5 | 3 | 2 | 4 | 1 | | 泡沫消散时间(s) | 3 | 5 | 3 | 4 | 5 | | 对黑色金属腐蚀性 (5%浓度) | 3 | 1 | 5 | 4 | 2 | | 对7075铝合金腐蚀性 (10%浓度) | 5 | 5 | 5 | 1 | 1 | | 对黄铜腐蚀性 (10%浓度) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | | 对铜腐蚀性 (10%浓度) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | | 细菌(TriAxis评分法) | 2 | 5 | 4 | 3 | 1 | | 真菌(TriAxis评分法) | 3 | 5 | 4 | 5 | 2 | | 铣削钛合金时电机电流变化斜率 | 4 | 2 | 1 | 3 | 5 | | 铣削钛合金时积屑瘤高度(inch.) | 5 | 3 | 2 | 1 | 4 | | 总分 | 40 | 39 | 36 | 35 | 31 |
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