技术讲座切削液应用技术第11讲：切削液的加工性能评价刘镇昌济南库伦特科技有限公司济南250101摘要：介绍了评价切削液加工性能的实机切削试验方法、模拟切削试验方法及切削液加工性能的综合评价方法。

关键词：切削液，性能评价，加工性能，综合评价切削加工的种类很多，加工对象和加工工具的材质、性状等往往又各不相同，与之相适应的切削液自然也当各具特色，导致切削液产品种类繁多。

如何科学地、恰当地评价和选择切削液就是个不可回避的现实问题。

另一方面，从切削液的研究、生产角度来看，需要对切削液不断地进行改进、创新。

在这两方面都需要解决好切削液的性能评价问题。

切削液的性能可分为加工性能、理化性能、环卫性能三个大的方面【1，2】。

切削液的加工性能系指切削液在切削过程中所能表现出来的效能，它直接与切削加工效果有关。

这些效果包括加工质量、加工效率、刀具损耗、切屑处理等几个主要方面，其中加工质量包括加工精度和已加工表面完整性（表面粗糙度、表面变质层、残留应力），并综合体现在工序成本中。

评价切削液加工性能的试验室方法目前尚不成熟，仍不得不依靠实际的切削试验。

通过切削试验获取切削过程的各种输出信息，并进行处理。

最后，根据这些被处理过的信息，按一定的数学模型去进行性能评价。

1评价切削液加工性能的实机切削试验方法所谓实机切削试验，就是直接在生产线或加工机床上进行切削试验，检测切削结果数据，按照一定的评价模型对受试切削液的加工性能做出评价。

实机切削试验可以归纳为三种方式：工序节拍方式、参数调整方式、综合优化方式。

1.1 工序节拍方式（1）试验方法所谓工序节拍方式，是指使用受试切削液，按照原有工艺的参数、步骤和节拍在生产线或加工机床上对零件进行切削加工，检测某些加工结果数据，对受试切削液做出性能评价。

采用工序节拍方式时，除切削液外，其余工艺条件保持不变。

因此，试验方法简单，换上受试切削液，一切按照原有工艺规程进行切削加工即可。

（2）评价指标由于工件、机床、刀具、切削用量等切削输入参数与原有加工方式相同，切削输出结果中加工效率基本上没有变化，可选用的评价指标是刀具寿命和加工质量。

加工质量指标中，又以已加工表面粗糙度较为敏感，其次是加工精度。

（3）特点与应用工序节拍方式针对某一具体的加工环境对切削液性能进行评价，这是最接近加工实态的试验方式，试验结果可靠。

由于这种试验方式具有很强的针对性，因此其评价结果的代表性也较差，即是说，在这种具体加工环境下性能优异的切削液在别的加工环境下未必如此。

此外，这种试验方式需耗费较长时间。

但由于生产节拍方式简单易行，不影响企业的生产计划，易于被企业接受，因此是目前应用最为广泛的试验方法。

1.2 参数调整方式（1）试验方法所谓参数调整方式，跟工序节拍方式一样，仍然是直接在加工机床上进行切削试验，检测切削结果数据，按照一定的评价模型对受试切削液的加工性能做出评价。

所不同的是，前者可以对切削液的供液方法和压力、流量等参数进行调整，以使切削液充分发挥其加工效能。

（2）评价指标参数调整方式所选用的评价指标与工序节拍方式相同。

（3）特点与应用参数调整方式的特点与工序节拍方式大抵相同。

由于可以对供液方法和压力、流量等参数进行调整，试验参数空间有所扩展，试验工作量必然增加。

但是，这些尝试和努力可能找到最适合的供液参数，使切削液充分发挥其加工效能，往往能够得到出乎意料的结果。

采用参数调整方式最好先在单机上进行试验，切削液及其供液参数确定后再移到生产线上实施。

1.3 综合优化方式（1）试验方法在参数调整方式的基础上，如果把可调整的试验参数进一步扩展到切削用量三要素（切削速度、进给量、背吃刀量），就是综合优化方式。

在这种方式下，可以在更为广泛的参数空间内搜索受试切削液加工效能的最佳值域。

（2）评价指标采用综合优化方式进行试验时，切削液加工性能的评价指标除刀具寿命和加工质量之外，还有加工效率指标，如：单位工序时间、每班次加工零件数、金属切除率等。

（3）特点与应用采用综合优化方式评价切削液的加工性能时，可变更的输入参数有切削液、供液方式、供液压力、供液流量、切削速度、背吃刀量、进给量等。

如果进行单因素试验，工作量将会很大。

这时，一般需要进行周密的试验方案设计。

比如，采用正交试验法，事先确定优化目标，并选择恰当的因素和水平进行试验，以较少的试验次数获得较好的试验结果。

综合优化试验方式不适合在生产线上评价切削液的加工性能，主要用于与切削液相关的技术攻关、科学研究、产品开发等场合。

1.4 用实机切削试验法评价切削液加工性能举例【3】试验方法：工序节拍方式实机试验工件：高铬耐磨铸铁内衬套（硬度HB400），直径186mm，长度413mm，壁厚20mm 试验机床：CW6163C加工方式：外圆车削试验刀具：刀片YBD052，CNMA120408，刀杆MCMNN2525P12（刀槽前角－9º，主偏角50º）切削用量：切削速度43.9m/min，进给量0.8mm/r，背吃刀量2mm受试切削液：A（合成型）、B（微乳化型）、C（非活性极压乳化型）评价指标：刀具达到磨损限时切除金属总体积试验结果：见表1表1 使用不同切削液的车削试验结果可以看出，就加工效能而言，非活性极压乳化型切削液最好；微乳化型切削液次之；合成型切削液最差。

从试验记录中也可看出，使用合成切削液时，曾发生两次闷车（卡盘打滑，工件停转），这是由于合成切削液的润滑性较差、切削力较大所致。

图1为试验现场照片。

图1 切削试验现场照片2评价切削液加工性能的模拟切削试验方法如前所述，评价切削液加工性能的实机切削试验方法虽然最接近加工实态，试验结果可靠。

但它也有一些缺点。

比如，评价结果有很大的局限性。

因为实机切削试验法的评价结果是在某一具体的加工环境中得出的，其好坏只有相对意义。

说某种切削液的加工性能好或者不好，是在特定的加工环境中与其它切削液相互比较而言。

实机切削试验法（尤其是工序节拍方式）耗费时间较长，调整参数不便；此外，在生产现场进行评价还受到各种各样的限制。

比如，不能对工件的预制状态进行精确控制，容易引起试验误差；亦不大可能对多种切削液做出性能评价，因为在生产现场更换切削液毕竟是一件颇为麻烦的事情。

所以，无论是为了现场生产选择切削液，还是为了开发和研究新型切削液，都需要建立实验室模拟试验方法。

模拟切削试验有两类：一类是在通用机床上模拟切削加工实态；另一类是设计制造专门的模拟评定试验机。

2.1 在通用机床上进行的模拟切削试验通用机床指各类车床、铣床、钻床、镗床、刨床、磨床等。

可以利用这些通用机床的固有功能来模拟各种不同的加工状态和环境，用于评价切削液的加工性能。

在设计和实施切削液的实验室模拟评价试验时，需注意以下几点：①试验应该有明确的意义。

它必须模拟金属切削过程中最重要的加工要素和条件。

也就是说，模拟的切削状态要尽可能接近实际的切削状态。

这一点至关重要；②输入参数必须是可控制的，而且对试验结果的影响应该是显著的；③作为评价指标的试验结果应便于测量，或者能够与基准液或其它参考液相互比较；④要保证试验数据的真实性、精确性和可靠性。

试验必须进行得十分仔细，同一种试验需进行多次，对检测数据取平均值。

要留意试验中出现的异常现象。

必须牢记：任何人为地为了加速试验而设置的不真实条件都将导致虚假的结论。

模拟切削试验可以直接使用实际的机械零件，但更多的是使用特制的试件。

试件的材料和热处理状态要与实际零件相同，加工部位的形状要与被加工零件相似，其余部位尽量简单，以降低成本。

在评价指标方面，除使用与加工性能有关的试验结果外，还可以在线检测切削力、切削温度等伴生效应的值作为辅助的评价指标。

模拟试验也可以采用工序节拍方式、参数调整方式或综合优化方式。

（1）单项模拟切削试验一般采用钻削、车削或铣削的方法进行模拟试验。

钻削试验法用于评价切削液的加工性能由来已久。

国内外不少学者从事过这方面的试验研究。

文献【4】比较了钻削、车削和铣削试验，认为用高速钢钻头进行钻削试验来评价不同切削液的加工性能是最好的方法。

评价指标可以是钻孔数、钻孔表面粗糙度、钻头磨损、钻削力和扭矩等。

在数控钻床上进行钻孔试验操作方便，得出的试验结果一致性较好。

（2）综合模拟切削试验美国有一家技术组织TechSolve认为【5】，由于没有一种单独的切削试验方法能够满足预测切削液加工性能的要求，建议采用四种不同的金属切削试验，每种试验考察切削液在金属去除过程中的一个不同方面的表现。

表2是作者根据文献【5】的文字说明归纳出来的试验要素一览表。

表2 用综合模拟切削试验法评价切削液加工性能的要素一览表2.2 切削液加工性能模拟评定试验机a）美国Falex攻丝扭矩试验机b）国产MRG-005型攻丝扭矩试验机图2 攻丝扭矩模拟评定试验机攻丝扭矩模拟评定试验机是一种技术上较为成熟的金属加工液模拟评价设备。

该设备使用标准丝锥和有预制底孔的标准螺母（丝锥和螺母材料的物理性能受严格控制）。

试验时，丝锥浸泡在受试切削液中进行攻丝加工，设备自动记录切削过程中攻丝扭矩的变化，并进行数据处理、输出试验结果。

攻丝扭矩模拟评定试验机最早由美国Falex公司生产面世（图2a）。

我国“八五”攻关计划列为开发项目，由济南试验机厂（现为济南试金集团有限公司）承担研制任务，并于上世纪九十年代开发成功（图2b）。

丝锥是一种多刃成形刀具，攻丝是一种低速成形切削加工方法。

由于是对称的内表面切削，刀具没有退让余地，还带有一定的挤压成分。

攻丝扭矩模拟评定试验机可用于金属加工液的润滑性能的模拟评定，包括切削液、塑性成形加工润滑剂等。

但对于无挤压成分的非成形刀具加工，尤其是中、高速切削加工用油（液），由于模拟的切削状态和实际加工环境之间的差异较大，模拟试验结果与实际加工效果之间的相关性值得进一步探讨。

3 切削液加工性能的综合评价图3 综合评价模型的计算程序流程图上述评价试验的结果若是单项指标，或者只针对1种切削液，试验结束后优劣自然分明；若评价指标有多个并且针对多种切削液，就需要进行综合评价。

综合评价的方法颇多，图3所示为作者使用过的一种切削液综合评价方法的计算程序流程【6】（数学模型略）。

因为实验结果是一组量纲不尽相同的物理量，为便于综合比较，首先须将这些物理量按一定的优劣对应关系转化为无量纲数，这种优劣对应关系称为优越性隶属函数，其函数关系一般需要由评价者根据经验和实际情况设定。

各评价指标的权系数由评价者从切削液的使用目的和加工要求出发，结合自己的知识和经验确定，通常可辅以层次分析法减轻主观失误。

输人数据后，上机运算就可立即打印出评价结果。

参考文献1 刘镇昌. 金属切削液----选择、配制与使用. 北京：化学工业出版社，20072 刘镇昌. 切削液技术. 北京：机械工业出版社，20083 庞文焕. 高铬耐磨铸铁外圆车削工艺参数优化试验研究，【学士学位论文】.指导教师刘镇昌.济南：山东大学，2006. 64 Leep, H. R., Investigation of synthetic cutting fluids in drilling, turning and milling processes,Lubrication Engineering，1981，37（12）：715~7215 Jerry P. Byers. Metalworking Fluids（2nd Edition）. London & New York：CRC Press, Taylor andFrancis Group, Society of Tribologists and Lubrication Engineers, 20066 刘镇昌. 磨削液的效能识别及作用机理研究，【博士学位论文】. 指导教师陈日曜. 武汉：华中科技大学（原华中理工大学），1988。