金属切削工艺的润滑

概述

世界金属加工油液占世界总润滑油量5%以上,而且从以油基为主,逐步向水基发展。由于铝加工业的比例增加,铝加工油品种和产量呈上升趋势。在国外金属加工液中,切削液一直占有较大比例,一般为50%左右。金属加工液分类常按金属加工方法分为切削液和成型液两大类,或按油品化学组成分为非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液两大类。我国目前亦大多沿用此分类。

ISO于1986年通过IS06743/7,按油基、水基将加工液分为MH和MA两大类,又根据每类的化学组成、应用各分为8类和9类,共17类,该标准将目前众多的金属加工液的品种均可包含进去,我国已等效采用了该标准,制定了GB7631.5。

金属的机械加工通常包括两种类型:金属的去除和金属的变形。前者作业是靠刃具把金属从被加工件上除掉；后者则是用模具使金属在应力下塑性变形,如轧、拉拔、冲压、挤压等。一般习惯地把金属去除作业所用的润滑剂称为切削液,而把金属变形用的润滑剂称为金属加工工艺用液体。金属加工液则是泛指上述两类加工、作业用润滑剂。

一、金属切削液的选用

大部分金属切削需要使用切削液,甚至在可以正常进行干切削的作业,如果选用适当的冷却润滑剂也可增加工效。早在1883年,F.W.泰勒(Taylor)曾证明用冲洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%。

金属切削液的品种繁多。ASTMD2881把金属加工用的液体划为三类:(1)油和油基液体；(2)水基乳液及分散体；(3)化学溶液(真溶液及胶体溶液)。2类与3类之间的基本区别在于分散相的粒度和粒度分布。溶解油乳化液的平均粒度大于1μm,真溶液及胶体溶液的粒度范围为20~40nm。胶体乳液(Ⅱ-C)代表了一种介于化学溶液与溶解油的乳液之间的中间状态,其粒度分布介于上述两等级之间。这种划分原则基本上是一个理论性的区分,因为从典型的矿物油到不含油的化学溶液之间,可能存在着无限度的等级。

近年来,金属切削液的发展和变化主要是在水溶性液体领域(2、3类)。由于这类液体以水为基质,其传热速度高(水的传热速度为油的2.5倍)。等量的水吸收一定热量后,比油的温升要慢得多,从而提高了冷却效果,且可减少油雾,因此水基切削液的用量增大。以英国为例,水基切削液在整个切削液市场中约占60%。但是水基切削液与油相比存在着润滑性差,其次是锈蚀、胶体稳定性、化学稳定性、生物稳定性、可滤性、泡沫性等问题。这些问题对切削液在机床应用时的“油池寿命(SumpLife)”至关重要。合理选择、应用、监控和维护,对使用水基切削液特别重要。

金属切削液的成分与选择

根据我国目前市场情况,切削液的主要成分如下。

油或油基液体:属于ASTMD2881分类中的Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅰ-C,习惯称为切削油(也称净切削油),主体为矿物油,含或不含添加剂。

乳液:属于ASTMD2881分类中的Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C,有时称为溶解油。根据矿物油含量和油滴粒度可分为3种:粗乳液:含油65%~80%,油滴粒度2~10μm；微乳液:含油40%~50%,油滴粒度<1μm；半合成乳液:含油5%~40%,油滴粒度约0.1μm；

合成液体:含油或不含油,以溶于水的高分子有机物为主要润滑剂。

化学溶液:不含油,属ASTMD2881分类中的Ⅲ。从以上成分来看,以切削油的润滑性最好。乳化液中的粗乳、微乳和半合成型乳液,如配制得当也有相当好的润滑性能。目前粗乳液和微乳液的使用范围最广泛。用于重负荷切削的乳化液要含极压添加剂。合成液是乳化液的补充产品。这种液体常用在特定的用途上。某些合成液体在使用中由于浓度增大,清洗性增强而导致损伤操作人员的皮肤和机床涂层。化学溶液是不含矿物油的水溶液。使用前用水稀释,有良好的冲洗、冷却效果,并应能防止接触区域的锈蚀。这类液体主要用于研磨,功能在于清洗和冷却,没有润滑性。切削液的选择,首先要避免使用那些对机床、刃具和加工材料有害的液体。通常,不含游离硫的硫化油适用于加工钢材和铜材。而有些铜合金和高镍合金,在硫剂(特别是含游离硫)作用下会产生暗色斑痕。水基切削液的成分比较复杂,这是因为要顾及乳化系统的稳定,既要考虑诸成分的HLB值,又要达到各项性能的平衡。由于切削液以水为基质,还应考虑诸成分的水溶性或在水中分散的性质。

选择切削液前应充分了解下列情况。

1.1加工材料的性质

被加工的材料物理化学性质各异,反映在切削操作上就会有切削的难易和与切削液相容性等新问题。对较难加工的材料及其与切削液的相容性分别简略介绍如下。

铝:质软,切割易粘切具。乳化液如碱性强,与铝产生化学反应,造成乳液分层。应选用专用乳化液或石蜡基矿物油作冷却润滑剂。

黄铜:切削时产生大量细屑,易使乳化油变绿。含活性硫的油剂可使加工材料变色,如选油剂要有过滤设备。

青铜:剪切前产生显著的塑性变形,可使乳化液变成绿色。如选油剂要有过滤设备。

铜:粘韧,切削时产生微细卷曲的屑,可使乳化液变成绿色,影响乳化液的稳定,在活性硫作用下生污斑。如选用油剂要配备过滤设备。

可锻铸铁:切削时产生大量微细的具有化学活性的磨蚀性屑。这些活性细屑好似过滤介质,削弱了乳化液的活性,而且可生成铁皂,使乳化液变为红褐色,乳化液的稳定性变劣。如使用油剂,必须用离心机或过滤器把铁屑除去

铅及其合金:易切削,可生成铅皂,破坏乳化液的稳定。如使用油剂,对油剂有稠化倾向,要防止使用含大量脂肪的油剂。

镁:切削时产生细屑,可燃。一般不使用水基切削液,可采用低粘度油作为切削液。

镍及高镍合金:切削时局部产生高热,切屑可能烧结。可选用重负荷乳化液或非活性硫化油。

钛:产生磨蚀性、可燃的切削,易发生加工硬化现象,应用重负荷乳化油或极压油剂。

锌:切削面不规整,难以取得良好的光洁度,与乳化液生成锌皂,使乳化液分离,应选专用乳化液。

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