在汽車制造過程中，對諸如鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)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(dòng)機(jī)和傳動(dòng)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(jìn)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(shí)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(huì)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(shí)，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(diǎn)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(qiáng)切削性能的影響。同時(shí)，就設(shè)計(jì)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(jìn)行了機(jī)械加工試驗(yàn)。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(dá)到被加工金屬的臨界速度。到達(dá)該臨界速度后，切屑去除溫度將隨進(jìn)一步的加工速度增加而降低。按這種分析，假設(shè)機(jī)械加工性能（切削力、積屑瘤的形成及工具磨損等）全部會(huì)受到刀具和切屑界面所產(chǎn)生的熱量的影響，那么將會(huì)出現(xiàn)這樣一種預(yù)期結(jié)果，即在到達(dá)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(jìn)行了機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)采用直徑0.25 in（1 in=25.4 mm）的硬質(zhì)合金臺(tái)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(gè)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(gè)不同切削速度下的機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)，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(shí)，切削力事實(shí)上開始出現(xiàn)了平穩(wěn)下降的態(tài)勢。由此可以得出一個(gè)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(huì)得到改善。為了支持這樣的論斷，特進(jìn)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(jìn)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(shí)，磨損明顯降低，而且當(dāng)達(dá)到高速加工18 000 r/min條件下時(shí)，磨損進(jìn)一步降低了。
雖然刀具磨損是鋁合金加工中的一個(gè)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(huì)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(jìn)行了測量。雖然積屑瘤的形成是一個(gè)極其動(dòng)態(tài)的過程，因?yàn)榈毒咔邢魅猩险掣降慕饘伲湫纬珊兔撀涫窃诓粩喟l(fā)生的，對機(jī)加工后的刀具進(jìn)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(shí)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(huì)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(gè)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(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)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(huì)受到所用切削液的影響。為進(jìn)行這項(xiàng)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(gè)都經(jīng)受高速切削條件下的試驗(yàn)。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(shí)到，如果在高速加工中所使用的切削液能成為一個(gè)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(yàn)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(shí)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(yàn)，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(jìn)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。可見，使用和選擇正確的切削液不僅會(huì)影響加工性能，而且能進(jìn)一步提高工件質(zhì)量和刀具壽命。
結(jié)語
機(jī)械加工試驗(yàn)分別在低速傳統(tǒng)切削速度下，以及高速加工條件下進(jìn)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(dá)到18 000 r/min時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，將繼續(xù)在影響加工質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。
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