切削液技术

众所周知,切削液是金属切削加工的重要配套材料。人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。人们在磨制石器、铜器和铁器时,就知道浇水可以提高效率和质量。在古罗马时代,车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油,16世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从1775年英国的约翰·威尔金森(J．wilkinson)为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始,伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。到1860年经历了漫长发展后,车、铣、刨、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现,也标志着切削液开始较大规模的应用。

19世纪80年代,美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。F·W·Taylor发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高对30%～40%的现象和机理。针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢,切削液的主要作用是冷却,故提出“冷却剂”一词。从那时起,人们把切削液称为冷却润滑液。

随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富,发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早,人们采用动植物油来作为切削液,但动植物油易变质,使用周期短。20世纪初,人们开始从原油中提炼润滑油,并发明了各种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后,开始研究和使用矿物油和动植物油合成的复合油。1924年,含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹和齿轮加工。

刀具材料的发展推动了切削液的发展,1898年发明了高速钢,切削速度较前提高2～4倍。1927年德国首先研制出硬质合金,切削速度比高速钢又提高2～5倍。随着切削温度的不断提高,油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求,这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。1915年生产出水包油型乳化液,并于1920年成为优先选用的切削液用于重切削。1948年在美国研制出第一种无油合成切削液,并在20世纪70年代由于油价冲击而使应用提高。

近十几年来,由于切削技术的不断提高,先进切削机床的不断涌现,刀具和工件材料的发展,推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强,对切削液技术提出了新的要求,它必将推动切削液技术向更高领域发展。

切削液的重要作用

在金属切削加工中,合理使用切削液,能够减小刀具与工件之间的摩擦,降低切削温度,减少刀具磨损,从而提高切削效率和加工质量,延长刀具使用寿命,降低加工成本。在切削加工中,切削液主要是起冷却和润滑作用。

(1)冷却作用切削液浇注在切削区后通过切削热的传导、对流和气化,把刀具、工件和切屑上的切削热带走,从而降低了切削区的温度,达到冷却作用,提高了刀具的耐用度和工件的加工精度。

(2)润滑作用切削液渗透到切削区,在刀具与切屑和工件的接触表面上产生吸附并发生化学反应,形成润滑油膜而起到润滑作用,抑制了积屑瘤的产生,有效地减小切削力,降低工件表面粗糙度。此外,切削液还有清洗、排屑和防锈作用。

切削液的现状

目前,切削液的品种繁多,作用各异,但归纳起来分为两大类,即油基切削液和水基切削液。

(1)油基切削液油基切削液即切削油,它主要用于低速重切削加工和难加工材料的切削加工。目前使用的切削油有以下几种:

①矿物油:常用作为切削液的矿物油有全损耗系统用油、轻柴油和煤油等。它们具有良好的润滑性和一定的防锈性,但生物降解性差。

②动植物油:常用作为切削液的动植物油有鲸鱼油、蓖麻油、棉子油、菜于油和豆油。它们具有优良的润滑性和生物降解性,但易氧化变质。

③普通复合切削液:它是在矿物油中加人油性剂调配而成。它比单用矿物油性能好。

④极压切削油:它是在矿物油中加入含硫、磷、氯、硼等极压添加剂、油溶性防锈剂和油性剂等调配而成的复合油。

(2)水基切削液水基切削液分为三大类,即乳化液、合成切削液和半合成切削液。

①乳化液:它由乳化油与水配置而成。乳化油主要是由矿物油(含量为50%～80%)、乳化剂、防锈剂、油性剂。极压剂和防腐剂等组成。稀释液不透明,呈乳白色。但由于其工作稳定性差,使用周期短,溶液不透明,很难观察工作时的切削状况,故使用量逐年减少。

②合成切削液:它的浓缩液不含矿物油,由水溶性防锈剂、油性剂、极压剂。表面活性剂和消泡剂等组成。稀释液呈透明状或半透明状。主要优点是:使用寿命长；优良的冷却和清洗性能,适合高速切削；溶液透明,具有良好的可见性,特别适合数控机床、加工中心等现代加工设备上使用。但合成切削液容易洗刷掉机床滑动部件上的润滑油,造成滑动不灵活,润滑性能相对差些。

③半合成切削液:也称微乳化切削液。它的浓缩液由少量矿物油(含量为5%～30%),油性剂、极压剂、防锈剂、表面活性剂和防腐剂等组成。稀释液油滴直径小于1µm,稀释液呈透明状或半透明状。它具备乳化液和合成切削液的优点,又弥补了两者的不足,是切削液发展的趋势。

切削液添加剂的现状

切削液是一种复杂的化合物,它含有几种乃至几十种不同成分的添加剂。添加剂的成分不但直接影响切削液的切削性能(润滑、冷却和清洗性能),而且还影响切削液的非切削性能(毒性、腐蚀性、污染性、使用周期性和废液可处理性)。切削液常用的添加剂主要有极压润滑剂、防锈剂和防腐剂等。所以切削液的这些添加剂不仅要性能优良,而且要无毒无害。

(1)极压润滑剂目前仍在使用的权压润滑剂主要是含有硫、磷、氯类的化合物,如硫化烯烃、硫化动植物油、硫脲、磷酸酯。氯化石蜡等,它们在高温下与金属表面发生化学反应生成化学反应膜,在切削中起极压润滑作用。它们的润滑性能很好,但对环境有污染,对操作者有害。随着人们环保意识的加强,现在已限制使用此类添加剂。国内外正在着手研究它的替代物。近年来,无毒无害的硼酸盐(酯)类添加剂系列受到了广泛的重视。

(2)防锈添加剂防锈添加剂的作用在于防止工件生锈,它有水溶性和油溶性两类,分别用于水基切削液和切削油。常用的油溶性防锈添加剂有石油磺酸钡、石油磺酸钠等。对于水溶性防锈添加剂,亚硝酸钠是长期被认为有效的防锈添加剂,但人们已逐渐认识到它对人体有致癌的可能性。铬酸盐、重铬酸盐对钢铁也有良好的防锈作用,但有毒、污染环境,它们的使用都受到限制。磷酸盐类防锈剂会污染环境,它们的使用也应受到限制。因而开发新型无毒无害防锈剂是发展趋势。目前利用多种无毒添加剂的协同效应,如由机胺、硼酸盐、苯丙三氮唑等复配成的高效防锈添加剂已取得好的效果。钼酸盐也是防锈性能优良且无毒的防锈剂。

(3)防腐剂切削液本身具备着微生物和菌类生长繁殖的条件,容易腐败变质发臭。防腐剂(或杀菌剂)的作用在于杀灭或抑制细菌和霉菌的生长,以达到延长切削液的使用期限。常用的防腐剂是酚类化合物、甲醛类、含氯和含苯化合物。虽有较强的杀菌作用,但会伤害操作者,并污染环境,刺激人的眼、鼻,使操作者患有皮肤病和呼吸道疾病。近年来由于受到环保法规的限制,许多国家对含酚类、苯类及甲醛类的杀菌剂的使用加以限制,并积极寻求新型无毒杀菌剂。如日本选用油酸、硬脂酸、月桂酸等羧酸配成的铜盐具有一年以上的抗腐蚀能力。美国开发的柠檬酸单铜也有较好的抗菌效果。我们近年来利用硼酸酯、表面活性剂和整合剂复配成的防腐剂也具有较强的抗菌能力。

目前国内在切削液中有防腐剂的产品很少见,在切削液使用中加入防腐剂也不多见。这主要是由于加入防腐剂使切削液的成本增加较大和使用不大方便所致,今后的任务是开发和推广价格适宜使用方便且无毒的防腐剂。

切削液的选用

目前切削液的品种繁多,性能有好优劣,若选择不当,会造成不良后果。切削液的选用应遵循以下原则:

(1)切削液应无刺激性气味,不含对人体有害添加剂,确保使用者的安全。

(2)切削液应满足设备润滑、防护管理的要求,即切削液应不腐蚀机床的金属部件,不损伤机床密封件和油漆,不会在机床导轨上残留硬的胶状沉淀物,确保使用设备的安全和正常工作。

(3)切削液应保证工件工序间的防锈作用,不锈蚀工件。加工铜合金时,不应选用含硫的切削液。加工铝合金时应选用pH值为中性的切削液。

(4)切削液应具有优良的润滑性能和清洗性能。选择最大无卡咬负荷PB值高、表面张力小的切削液,并经切削试验评定。

(5)切削液应具有较长的使用寿命。这对加工中心尤为重要。

(6)切削液应尽量适应多种加工方式和多种工件材料。

(7)切削液应低污染,并有废液处理方法。

(8)切削液应价格适宜,配制方便。

综上所述,用户在选用切削液时,可根据本厂特定的加工情况,先初选认为综合性能较好的2～3种切削液,经工厂试用后,确定出性能满足本厂加工工艺要求,价格适宜的切削液。

切削液的发展趋势

(1)开发绿色切削液

①矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。

②油基切削液逐渐被水基切削液所代替。

③开发性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂。

(2)切削液的绿色使用

①推广集中冷却润滑系统,即把机械加工设备各自独立的冷却润滑装置合并为一个冷却润滑系统,使切削液维护管理上水平。

②研究干切削和最小量润滑切削,以减少切削液的使用量。

③研究和推广切削液废液处理新工艺、新技术,以确保排放的废液对环境无污染。

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