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      在汽車制造過程中，對諸如鋁合金發(fā)動機等部件進行高速加工可有效提高生產(chǎn)效率。針對鋁合金材料在高速加工中呈現(xiàn)出的不同特性，選擇正確的切削液產(chǎn)品不僅有利于保證工件質(zhì)量，而且可有效減少刀具磨損，延長刀具使用壽命。

      在汽車鋁合金發(fā)動機和傳動件的生產(chǎn)過程中，高速加工（HSM）為提高生產(chǎn)率、改善工件質(zhì)量提供了可能性。使用高轉(zhuǎn)速和高進給率加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以提高加工的表面粗糙度，降低切削力。這些效果的產(chǎn)生源于切削過程中產(chǎn)生的熱量減少，刀具和工具表面的接觸時間縮短，以及金屬剪切應(yīng)力性能受到了限制，而通常在高速加工條件下剪切應(yīng)力會超過極限。

      關(guān)于高速加工中的水基切削液，盡管人們目前對于諸如切削液的穩(wěn)定性和泡沫性能的重要意義有所認(rèn)識，但對切削液潤滑和冷卻性能的要求，以及該要求與傳統(tǒng)的低速加工條件下有何不同，卻了解甚少。本文重點討論在高速和低速切削條件下鋁合金加工性能的不同，以及切削液與其組成對增強切削性能的影響。同時，就設(shè)計精良的鋁合金切削液在目前以及將來高速切削在制造業(yè)持續(xù)應(yīng)用的勢頭下的重要性，給出深刻見解。

      高速加工與傳統(tǒng)加工對比

      為了更好地理解金屬加工液在鋁合金高速加工中的影響，本文在傳統(tǒng)低速加工和高速加工條件下分別進行了機械加工試驗。在高速加工的研究中，有專業(yè)人士認(rèn)為，切屑和刀具間產(chǎn)生的熱量將隨著切削速度的增加而增加，直至達到被加工金屬的臨界速度。到達該臨界速度后，切屑去除溫度將隨進一步的加工速度增加而降低。按這種分析，假設(shè)機械加工性能（切削力、積屑瘤的形成及工具磨損等）全部會受到刀具和切屑界面所產(chǎn)生的熱量的影響，那么將會出現(xiàn)這樣一種預(yù)期結(jié)果，即在到達切削速度峰值之前，所有的加工性能將隨切削速度的增加而降低，然后在速度超過峰值后性能開始提高。為了印證這種假設(shè)，本文對380鑄鋁進行了機械加工實驗，切削速度分別為低于、等于和高于非鐵金屬的切削速度峰值。實驗采用直徑0.25 in（1 in=25.4 mm）的硬質(zhì)合金臺階鉆，加工材質(zhì)為Al 380，主軸速度分別為2 900 r/min、10 000 r/min和18 000 r/min，而這3個切削速度依次對應(yīng)的是低于、等于和高于與切屑去除溫度相關(guān)的臨界速度（見圖1）。

      為了評估在3個不同切削速度下的機械加工性能，對軸向加工力、刀具后刀面磨損、加工后的表面粗糙度和孔徑均進行了測試。軸向加工力不僅是對加工所需要能量的一種測量，還為刀具所需的機械和熱量要求，以及固定加工條件下可預(yù)期的刀具壽命提供了一種間接的測量。圖2給出了在3種切削速度下的平均軸向加工力測試數(shù)據(jù)，可以看出，當(dāng)速度由2 900 r/min增加至10 000 r/min時，軸向加工力也發(fā)生了明顯的攀升，而當(dāng)速度繼續(xù)增大至高速加工條件下（18 000 r/min）時，切削力事實上開始出現(xiàn)了平穩(wěn)下降的態(tài)勢。由此可以得出一個推論，即在高速加工條件下，刀具所受的力和熱量方面的要求是降低的，從而刀具磨損有可能會得到改善。為了支持這樣的論斷，特進行了刀具后刀面磨損的測試，該測試需要在用化學(xué)方法去除刀具切削面上的積屑瘤后進行。圖3和圖4顯示了三種切削速度下刀具后刀面的磨損長度，當(dāng)切削速度由2 900 r/min增至10 000 r/min時，磨損明顯降低，而且當(dāng)達到高速加工18 000 r/min條件下時，磨損進一步降低了。

      雖然刀具磨損是鋁合金加工中的一個重要問題，但刀具上形成的積屑瘤的數(shù)量和程度通常是更為關(guān)鍵的考查參數(shù)。積屑瘤形成以后往往會造成加工表面變差，加工尺寸或孔徑大小精度的誤差。為了評估高速加工對該參數(shù)的影響，分別在3種切削速度下，對刀具上形成的積屑瘤的程度，以及所加工孔的粗糙度和形態(tài)進行了測量。雖然積屑瘤的形成是一個極其動態(tài)的過程，因為刀具切削刃上粘附的金屬，其形成和脫落是在不斷發(fā)生的，對機加工后的刀具進行檢查仍然可以提供一種有用的趨勢評估。如圖5所示，它清楚地顯示出，采用18 000 r/min的高速切削，在切削刃上形成的積屑瘤水平得到了顯著降低。

      隨著高速加工條件下積屑瘤的降低，可以預(yù)期加工表面粗糙度和孔的形態(tài)（從孔頂端到末端尺寸精度的連續(xù)性）也將在高速切削中得到提高和優(yōu)化。圖6和圖7分別顯示了在三種切削速度下所獲得的孔的粗糙度和形態(tài)。與低速條件下相比，高速切削（18 000 r/min）時孔的粗糙度和形態(tài)被提高，這與積屑瘤的測試結(jié)果一致。

      盡管最初的想法是高速加工可能會導(dǎo)致更為苛刻的加工狀況，并由此產(chǎn)生高的切削力、工具磨損和變差的表面粗糙度，但從本文研究的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，隨著切削條件趨于更高的加工速度，整體的刀具和加工孔的質(zhì)量都提高了。從而可以得出結(jié)論：高速切削可以給工件質(zhì)量帶來益處，并且可以提高生產(chǎn)率。

      鋁合金高速加工中的切削液

      了解了高切削速度、低切削力、刀具磨損降低和表面粗糙度提高是可以獲得的，那么一個問題就產(chǎn)生了：高速加工所采用的金屬加工液，需要與目前低速條件下使用的切削液一樣有效和高質(zhì)量嗎？其潤滑和冷卻性能如何？

      為了解決這一問題，進行了高速切削實驗來評估各種鋁合金的水基切削液的性能，并測試切削性能是否會受到所用切削液的影響。為進行這項研究，采用了4種目前在制造業(yè)廣泛使用,且被認(rèn)為代表了當(dāng)今鋁合金加工用切削液發(fā)展水平的產(chǎn)品，并讓它們每一個都經(jīng)受高速切削條件下的試驗。雖然這4種水基切削液被認(rèn)為都是有效的，但它們在更低、更傳統(tǒng)的切削速度下表現(xiàn)出了不同的性能。這些切削不同可能來自于切削液的配方組成、潤滑添加劑的類型及其乳化性能，或者是這些因素共同作用的結(jié)果。然而，我們意識到，如果在高速加工中所使用的切削液能成為一個重要的影響切削性能的因素，那么，在18 000 r/min的高速切削速度下，切削性能的差別就應(yīng)該能夠被觀察到。

      在試驗中采用的4種切削液都屬于大粒徑水包油型的乳液，在顯微鏡下可以觀察到分散在水相中油滴的大小有明顯區(qū)別，這些區(qū)別可以影響到切削液的性質(zhì)和加工效果，因此，在評估一種水基切削液的性質(zhì)和潛在應(yīng)用的時候，乳液粒徑是一種非常有用的信息。

      下面講述在18 000 r/min切削速度下加工Al 380的試驗，4種切削液對應(yīng)的加工表面粗糙度和刀具后刀面磨損均進行了測試。結(jié)果（見圖8、圖9）清楚地顯示出，所使用的切削液顯著地影響了刀具磨損和粗糙度，Q81和Q30-P產(chǎn)生了最好的刀具壽命和孔的粗糙度?？梢姡褂煤瓦x擇正確的切削液不僅會影響加工性能，而且能進一步提高工件質(zhì)量和刀具壽命。

      結(jié)語

      機械加工試驗分別在低速傳統(tǒng)切削速度下，以及高速加工條件下進行，結(jié)果顯示，在高速加工條件下，伴隨著生產(chǎn)率的提高，還可以使切削力和工件質(zhì)量得到改善。這些改善體現(xiàn)在：在切削速度達到18 000 r/min時，刀具磨損和刀具積屑瘤減少，有效提高了被加工件的表面粗糙度。

      在高速加工條件下，伴隨著加工性能的改善，從實驗結(jié)果還可以看出，所使用的切削液能夠?qū)χ匾臏y量參數(shù)產(chǎn)生顯著影響，如刀具磨損和工件質(zhì)量。因此，我們可以得出結(jié)論：伴隨著高速加工在制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，切削液的配方組成和由此帶來的產(chǎn)品性能特點，將繼續(xù)在影響加工質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。