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金属切削液

、切削液技术的现状和发展 


    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(Jwilkinson)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24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25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

   随着现代机械制造业的快速发展,切削技术和切削工艺的不断创新对切削液的性能提出了更高要求。尤其是近年来环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点,而切削液会对环境和人体造成污染和损害,因此切削液的使用和废液处理已受到环保法规日益严格的制约。在工业发达国家,使用切削液加工时产生的烟雾量也要受到严格限制,对某些切削液废液及带有切削液的切屑要求必须作为有毒材料加以处理,其处理成本不断提高。为了适应社会发展的要求,现代切削液技术的发展出现了一些新的特点。 

1 、高性能、长寿命、低污染切削液的开发及废液处理技术研究

      近年来,我国进口数控机床、加工中心等先进制造设备越来越多,所需切削液若长期依赖进口,因价格昂贵,将使生产成本大幅度上升。因此,研制高性能切削液以替代进口产品已成当务之急。目前,我国水基切削液的使用范围越来越广,且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家,微乳化液已普遍使用,并正在大力研究环保型切削液。 

    目前,国内外切削液研究的重点内容包括:研制高性能切削液,研究延长切削液使用寿命的供液方法以减少废液排放量;研究更有效和更经济的废液处理方法,除使其达到排放标准之外,还应尽可能减少有害污染物在环境中的积累。 

2 、切削液的适当用量

    传统的切削液供液方法常采用浇注法,尤其对于水基切削液,通常是将一定压力、较大流量的切削液喷射覆盖到切削区,以起到润滑、冷却等作用。在加工条件发生变化时,如在更换工件材料或更换刀具类型及几何参数的情况下,通常也不会(或很少)调整切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究,试图在满足加工要求的情况下,使切削液用量最少,与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特公司所做的试验中,对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究,并对工件表面粗糙度、积屑瘤和切削力等作了分析,通过试验得出了最适当的切削液用量。美国Thyssen制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术,使切削液液流或气雾通过刀具作用于加工区域,切削液的流量由CNC程序控制,效果十分理想。 

3 、开发传统切削液的替代品

    在这方面研究最多的是液氮冷却。氮气是大气中含量最多的成分,液氮作为制氧工业的副产品,资源十分丰富。以液氮作为切削液,使用后直接挥发成气体返回大气中,不会产生任何污染物,从环保角度看,是一种极有前途的切削液替代品。液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。美国怀特州立大学的S.Y.Hong和印度工学院的S.Paul分别在车削和磨削加工中对液氮冷却进行了理论和试验研究,结果表明,在超低温加工状态下,刀具材料能够保持良好的切削性能,可提高切削效率和加工质量;同时液氮可显著降低磨削区温度, 

     减少磨削烧伤。液氮冷却的另一种利用方法是间接利用,即不将液氮直接喷射到切削区。美国林肯大学的Z.Y.Wang在多晶体CBN刀具上部的方盒内储存液氮,由进口输入,从出口流出,用这种方式车削烧结氮化硅时,刀具寿命延长了10倍,磨损降低1/4。美国标准和技术国际研究所的Evans用金刚石刀具切削不锈钢时,利用液氮冷却刀杆或夹具,减少了刀具磨损,加工表面粗糙度低于Ra0.025μm 

   喷气冷却也是液氮的利用方式之一,直接用于切削冷却的不是氮气本身,而是被液氮冷却过的气体。日本学者研制的喷气冷却磨削系统就是利用?液氮冷却过的超低温(-50°以下)气体直接喷吹于磨削部位,砂轮为经固体润滑剂处理或添加了极少量超精植物油的CBN砂轮。试验表明,磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大,且残余应力的分布区域变宽,可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。

4、干切削

    目前,国外已有严格的法规限制某些切削液的使用,且废液处理费用极高,如德国每年废液处理约耗资10亿马克。因此,在美国、德国等工业发达国家均大力倡导采用干式切削工艺。目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题,如美国LeBlong Makino公司提出的“红月牙”铸铁加工法,采用陶瓷和CBN刀具,在高速和大进给量加工时,使热量很快聚集到刀具前端,使其呈红热状态,当工件被加热到371°时,其屈服强度减小,可获得较高的金属切除率。铝材在发动机及动力系统中应用量很大,因此铝材的干式切削也受到重视。据报道,BigThree公司的高速金刚石干式加工系统(转速1,500r/min,用于变速箱上铝质通道板的加工,加工精度达0.05mm,每小时可加工 600件,与磨削加工相比,每年可节约300多万美元。另外,对钢和镁等材料的干式切削工艺也在研究之中。在某些应用场合,可利用激冷气体及旋风喷雾器来降低切削温度,如喷气冷却。有人预测,将来如采用高性能刀具材料和排屑性能极好的刀片断屑槽型,结合使用冷却气体,可实现不再使用切削液的目标。 

5 、现代切削液发展趋势

    目前,国内外学者正在努力探索减少或消除环境污染的切削加工方法,但研究目标大多集中在不使用传统切削液的加工上。从目前的发展情况看,无论液氮冷却、喷气冷却或干切削,虽然各有特点和优势,但也有其局限性,如上述三种方法都存在切屑形成过程中润滑性差的问题,因而不得不使用一些润滑剂;另外,目前的机床主体多为铸铁材料,而工件切削后新生的金属表面具有极强的化学活性,暴露在空气中均会很快生锈。如用液氮、喷气冷却或干式切削,则后续工序中必须增加机床和工件的防锈处理,而防锈液、清洗液等同样会污染环境。由此可见,在切削加工领域,离全面取代采用传统切削液的湿式加工还相当遥远,而现代切削液的研究开发就显得更为迫切。目前研究开发的重点是:        大力开发对生态环境和人类健康负作用小、加工性能优越的切削液, 朝着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展;同时,努力改进供液方法,优化供液参数和加强使用管理,以延长切削液的使用寿命,减少废液排放量;此外,还应进一步研究废液的回收利用和无害化处理技术。开发传统切削液的替代品,并加强实用化技术、经济性评价和适用范围等方面的研究。 研究干式切削方法,寻求干式切削刀具、工件和机床及其参数的最佳配合方式,大力推广干式切削应用技术。

二、切削液的作用 

(1)润滑作用:金属切削加工液(简称切削液)在切削过程中的润滑作用,可以减小前刀面与切屑,后刀面与已加工表面间的摩擦,形成部分润滑膜,从而减小切削力、摩擦和功率消耗,降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损,改善工件材料的切削加工性能。

      在磨削过程中,加入磨削液后,磨削液渗入砂轮磨粒-工件及磨粒-磨屑之间形成润滑膜,使界面间的摩擦减小,防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑,从而减小磨削力和摩擦热,提高砂轮耐用度以及工件表面质量。

2)冷却作用:切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具(或砂轮)、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走,从而有效地降低切削温度,减少工件和刀具的热变形,保持刀具硬度,提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和其导热系数、比热、汽化热以及粘度(或流动性)有关。水的导热系数和比热均高于油,因此水的冷却性能要优于油。

3)清洗作用:在金属切削过程中,要求切削液有良好的清洗作用。除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒,防止机床和工件、刀具的沾污,使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利,不致影响切削效果。对于油基切削油,粘度越低,清洗能力越强,尤其是含有煤油、柴油等轻组份的切削油,渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液,清洗效果较好,因为它能在表面上形成吸附膜,阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具及砂轮上,同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上,把它从界面上分离,随切削液带走,保持切削液清洁。

4)防锈作用:在金属切削过程中,工件要与环境介质及切削液组分分解或氧化变质而产生的油泥等腐蚀性介质接触而腐蚀,与切削液接触的机床部件表面也会因此而腐蚀。此外,在工件加工后或工序之间流转过程中暂时存放时,也要求切削液有一定的防锈能力,防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。特别是在我国南方地区潮湿多雨季节,更应注意工序间防锈措施。

5)其它作用:除了以上4种作用外,所使用的切削液应具备良好的稳定性,在贮存和使用中不产生沉淀或分层、析油、析皂和老化等现象。对细菌和霉菌有一定抵抗能力,不易长霉及生物降解而导致发臭、变质。不损坏涂漆零件,对人体无危害,无刺激性气味。在使用过程中无烟、雾或少烟雾。便于回收,低污染,排放的废液处理简便,经处理后能达到国家规定的工业污水排放标准等。 


、金属切削液的问题及处理 


     

   

   

  

 

 

加工精度下降

冷却不充分或不均匀

调供液喷嘴,扩大供液范围,提高供液压力与流量,增大供油量

加工液选型不合适

改用加工液品种,选择合适的加工液

加工液失效

更换加工液

机床涂漆层变色与剥落(含水)

加工液中的碱与表面活性剂对漆层的作用

选择适合的加工液

皮肤过敏、皮肤炎

碱、表面活性剂等组分对皮肤起脱脂作用;某些组分对某些人有过敏作用

选择皮肤刺激小的加工液;防护措施,如戴手套等

铜、铝合金零件变色

加工液组分与铜、铝合金起反应

更换加工液

含水乳化液分离、转相(含水)

稀释方法不当

产品使用说明进行稀释

漏入其它油液

安装浮油回收处理装置

腐败、劣化

杀菌剂杀菌,更换

加工液起泡

加工液中含有表面活性剂量较大

加入适量消泡剂;改用加工液

加工液变色发臭

细菌;漏入其它杂质

加杀菌剂杀菌;换液

组分与切屑起反应

更换加工液

 

 

机床或加工件生锈(含水)

加工液的浓度降低

经常检测浓度变化,添加新液,保持加工液浓度

PH值降低

 

补充碱,PH=9

加工液腐败变质

加杀菌剂;更换加工液

含水乳化液分离、转相(含水)

稀释方法不当

产品使用说明进行稀释

漏入其它油液

安装浮油回收处理装置

腐败、劣化

杀菌剂杀菌,更换

 四、金属切削液的使用方法


    切削液的使用方法对刀具寿命和加工质量都有很大影响,即使最好的切削液,如果不能有效地输送到切削区域,也不能起到应有的作用。因此选用以润滑为主的切削液时(如切削油),应当把它输送到能在摩擦表面生成油膜的部位。相反,如果选用的切削液以冷却为主(如水基切削液),就应当使切削液接近刀具的刃部。这种条件下通常要用压力法强迫切削液进入切削区域,从而把刀具、工件、切屑由于摩擦和变形所产生的热量带走。连续应用切削液比间断应用切削液好,间断应用切削液会产生热循环,从而导致硬而脆的刀具材料(如硬质合金刀具)产生裂纹和崩刃。间断使用切削液除了缩短刀具寿命外,还会使工作表面粗糙不均匀。

      正确使用切削液的另一个好处是有效地排除切屑,这也有助于刀具寿命的延长。如适当安放切削液的喷嘴,可防止铣刀和钻头的排屑槽被切屑堵死或排屑不畅。对于一些大工件的加工,或大进给量的强力切削、磨削,采用二排或多排的冷却液喷嘴,使之能充分冷却,有利于提高加工效率,保证加工质量。

1、手工加油法:

    固体或膏状润滑剂可以用毛笔、刷子将润滑剂涂或滴落到刀具或工件上(主要是攻螺纹、板牙套螺纹时)。最近还研制出手提式供液器,通过加压将润滑剂雾化,喷到刀具和工件上。

    在没有配量冷却系统的机床上,如果钻孔或攻螺纹的数量不多,用手工加油是有效的方法。当在同一机床上要完成两种不同加工时,用手工油可以与机床上的溢流冷却系统配合起来使用。

2、溢流法:

    最常见的使用切削液的方法是溢流法。用低压泵把切削液打入管道中,经过阀门从喷嘴流出,喷嘴安装在接近切削区域。切削液流过切削区后再流到机床的不同部件上,然后汇集到集油盘内,再从集油盘流回到切削液箱中,循环使用。因此,切削液箱应有足够的容积,使切削液有时间冷却并使细的切屑及磨粒等沉降。视加工种类的不同,切削液箱的容积约为20-200L,个别加工则更大,如钻深孔及强力磨削等,切削液箱可达500-1000L或更大。在集油盘内应设有粗的过滤器,防止大的切削进入切削液箱,并在泵的吸油口装有一个精细过滤器。对于磨削、衍磨和深孔钻、深孔镗等机床,由于加工的工件表面质量要求高,必须去除更细的磨屑、砂轮颗粒和切削微粒,如枪钻深孔加工,要用10um的滤纸进行过滤。采用过滤设备可以避免切削液中含有过多的污染物或过多的金属颗粒,有助于保持切削液的清洁和延长切削液的使用周期。现代自动化机床一般都设有切削液过滤、分离、净化装置。

   用溢流法可使切削液连续不断地流到切削区域并冲走切屑。切削液的流量要大一些,才能使刀具和工件被切削液所淹没。除了向切削区提供适当的切削液外,还要有足够的切削液来防止不正常的温升。在深孔钻加工中,切削液箱如太小,切削液的温升很快,当油温超过60℃时,切削便不能继续进行,所以深孔钻床一般都配有较大的冷却油箱。

      下面为美国机械加工切削手册推荐的典型切削液用量:

车削,切削液的流量19L/min

螺纹切削,直径25mm切削液的流量132L/min,直径50mm切削液的流量170L/min,直径75mm切削液的流量227L/min


  • 铣削,小铣刀切削液的流量19l/min(刀具),大铣刀切削液的流量227(刀具)L/min

    钻孔、铰孔,直径25mm的切削液的流量7.6-11L/min,大钻头钻孔的切削切削液的流量 0.3-0.43L/min(直径/mm);

    深孔钻削,外排屑型直径4.6-9.4mm切削液的流量7.6-23L/min9.4-19mm的切削液流量19-64L/min19-32mm的切削液流量38-151L/min32-38mm的切削液流量64-189L/min,内排屑型7.9-9.4mm的切削液流量19-30L/min9.4-19mm的切削液流量30-98L/min19-30mm的切削液流量98-250L/min30-60mm的切削液流量250-490L/min,要求用精密滤网,孔愈深、直径愈大,所用的流量也愈大(对同一系列中的钻头来说);


    • 套孔钻削,外排屑型,直径51-89mm的切削液流量30-182L/min89-152mm的切削液流量61-303L/min152-203mm的切削液流量121-394L/min,内排屑型60-152mm的切削液流量416-814L/min152-305mm的切削液流量814-1287L/min305-475mm的切削液流量1287-1741L/min475-610mm的切削液流量1741-2158L/min,要求用精密滤网,在同一系列钻头中,直径较大和孔较深的用较大的流量;

      衍磨,小孔的切削液流量11L/min(每孔),大孔的切削液流量19L/min(每孔),要求用精密滤网;

      • 拉削,小孔的切削液流量 38L/mm(行程),大孔的切削液流量0.45L/mm(行程)*切削长度;


        无心磨削,小工件的切削液流量76L/min,大工件的切削液流量151L/min

        其他磨削(砂轮宽度/mm)的切削液流量0.75L/min,要求用精密滤网

              切削液流的分布方式直接影响到切削液的效率。喷嘴应当安置在使切削液不会因受离心力的作用而抛离刀具或工件之外的位置。最好是用二个或多个喷嘴,一个把切削液送到切削区域,而其他的则用于辅助冷却和冲走切屑。

              车削和镗削时要求把切削液直接送到切削区域,使切削液覆盖刀具的刃部和工件而起到良好的冷却作用。实践经验证明,切削液的喷嘴内径至少相当于车刀宽度的四分之三

              对于重负荷的车削和镗削,需要有第二个喷嘴沿刀具的下侧面供给切削液。较低喷嘴供给的切削液可以不受切削阻挡顺利送到刀具和工件之间,有助于在低速时起润滑作用。

              水平钻孔和铰孔时,最好是通过空心刀具内孔把切削液送到切削区域,保证刃部有足够的切削液并把切屑从孔中冲出来。由于钻头的螺旋槽(为了排出切屑)要起到把切削液从切削区往外排出的作用,因此即使是立钻,进入切削区的切削液也很少,只有空心钻头才能解决这一问题。目前,我国大多数钻孔都采用麻花钻,切削液的进入与排屑方向相反,所以切削液很难进入刀刃上,影响了切削液的冷却润滑效果,以致造成钻头容易烧伤,磨损严重,耐用度低。如何改善切削液的供给方法是值得研究的问题。

              铣削时最好有二个喷嘴将切削液输送到铣刀的进刀和出刀侧,一个喷嘴流出的切削液被铣刀齿送到切削区域,另一个喷嘴流出的切削液则把切屑从刀具中冲出来。窄的铣刀用标准的圆形喷嘴即可,宽的刀具要用扁平的喷嘴,其宽度至少为刀具宽度的3/4,才能有良好的覆盖率。对于平面铣削,用有许多小孔的管子制成的环形喷液器较好。这样可以把切削液送到各个刃口,使刀具完全浸在切削液中,起到均匀的冷却作用。如果经常用某种特定尺寸的端面铣刀,最好是带有扇形的环形喷射器,其开口处的曲线与刀具的半径相配。


              磨削时采用低压大流量的磨削液,一般可以收到良好的效果。但流量过大时,将会产生不必要的喷溅,特别是对消泡性能较差的合成切削液,更易引起磨削液的溢出,可以采用安装防溅板和加入消泡剂的办法解决。

              磨削时如用一般喷洒方法效果就很差,在磨削热向整个工件扩散之前磨削液几乎不能带走什么热量,这是因为砂轮表面速度很高,围绕砂轮的表面上始终带有一层空气膜,有碍于切削液渗透到切削区域。应当设计一种特殊的喷嘴,迫使切削液通过空气膜送到砂轮上,这种喷嘴应当尽量靠近工件,以防因砂轮离心力的作用而使切削液完全流失掉。另外一种克服砂轮上产生空气膜的方法是靠近喷嘴安装一块挡板以阻断空气流,这样可在砂轮与工件的交接面之间形成部分真空而吸入磨削液。

              3、高压法:

              对于某些加工,如深孔钻和套孔钻削,常用高压(压力为0.69-13.79MPa)切削液系统供油。深孔钻用的是单刃钻头,与镗孔相似,只是钻头内部有切削液的通路。套孔钻削是一种在工件上钻一个圆柱形孔但留下一个实心圆柱体的钻孔法。当刀具进入工件时,钻出的实心圆柱体就通过空心的圆柱形刀头,用压力泵把切削液送到刀具周围,迫使切屑从刀具中心流出。套孔钻削用的切削液必须有良好的极压性和抗烧结性,粘度应当很低,才能在刀具周围自由流动,还应具有良好的油性,以降低刀具与工件,刀具与切屑间的摩擦系数。

              深孔钻削的主要问题是如何在切削区域维持足够的切削液流量。一种办法是利用钻屑槽作为切削液的通路,切削液压力为0.35-0.69MPa,经过转动的密封套流入钻头,然后直接进入切削区,从孔中流出来的切削液帮助排除切屑。在深孔钻削时,采用油孔钻与溢流法相比是一个大的进步,钻头寿命和生产率都有较大幅度的提高。高压法有利于切削液到达切削区域,有时也在其他机床上使用。磨削使高压喷嘴有利于砂轮的清洗。

              4、喷雾法:        

              切削液可以用气载油雾的形式喷到刀具与工件上。切削液经一个小的喷嘴,使用压力为0.069-0.552MPa的压缩空气将切削液分散成很小的液滴喷入切削区。在这种情况下,用水基切削液比用油基切削液好些,因为油基切削液的油雾污染环境,有碍健康,且易于集成较大的油滴。喷雾法最适合于切削速度高而切削区域低(如端铣)的加工。选用冷却性能好的切削液,细小的液滴与热的刀具、工件或切屑接触,能迅速蒸发把热带走。喷雾冷却不需用防溅板、集油盘和回油管,只用很小的球形,而且工件是干的,即使有一点油液也容易擦干。

              用喷雾法有如下优点:1)刀具寿命比干切削长;2)在没有或不宜使用溢流系统时,可用它来提供冷却作用;3)切削液可以到达其他方法无法接近的地方;4)在工件与刀具之间,切削液的流速高于溢流法,冷却效率按同体积的切削液计算,比溢流法高出许多倍;5)在某些条件下可以降低成本;6)可以看见被切削的工件。喷雾法的缺点是冷却能力有限,并且还需要通风。

              喷雾装置有三种方式:1)吸引式,其原理与家用喷雾器一样,主要利用细腰管原理,压缩空气把切削液吸引出液罐而混合雾化于气流中。它有一个通压缩空气的管和另一个虹吸切削液的管,并联接于混合接头上,它适合于低粘度切削油和乳化液的喷雾。2)气压式(加压法),其原理是切削液装于密封液筒内,用0.2-0.4MPa的压缩空气加压,当电磁阀打开时,切削液就被压出,通过混合阀与压缩空气气流混合雾化。这种装置适合于水基合成液和乳化液的喷雾,但水溶液和乳化液中不得含有脂肪油或悬浮的固体物质。雾化混合比可由混合阀和调压阀调整。3)喷射式,其原理是用齿轮泵把切削液加压,通过混合阀直接喷射于压缩空气气流中使其雾化。这种装置适用于将透明冷却水和低粘度切削油雾化。

              喷雾化可应用于端铣、车削、自动机床加工、数控机床加工。带有电磁阀控制的喷雾装置适用于在数控机床上攻螺纹、铰孔。

              5、制冷液体降温法:        

              制冷液体降温法种类很多,如氮、氩、二氧化碳等气体均可压缩成液体放于钢瓶中,氟昂气体可用机械装置压缩成液体,使用时放出,经过调节阀,由喷嘴直接注射于切削区,靠气化吸热来冷却刀具、工件和切屑。这种方法冷却效果非常好,适用于不锈钢、耐热钢、高强度合金钢等难加工材料的切削加工,可以大大提高刀具耐用度。

              6、切削液的集中供给系统:

        对于大、中型机械加工厂,在可能的情况下,都应当考虑采用集中循环系统为多台机床供应切削液,但必须各台机床是采用同一种切削液。几台磨床可以用联结在一起的输送系统处理磨屑。集中处理被切削液润湿的细切屑和磨屑,可以减少人力处理,改善劳动条件。

              切削液集中供给系统可使工厂更好地维护切削液。切削液集中在一个大池中,通过定期抽样检查,按照检查结果定期补充原液或水,便于控制切削液的浓度。可以减少抽样检查的次数,从而进行更多项目的检查,保证切削液在使用期的质量。同分开设置的许多单独的多切削液供给系统相比,由于切削液的维护工作减少,成本也相对降低。

              集中供给系统最主要的优点是能通过离心处理的方法,可有效去除切削液中的浮油和金属颗粒,同时也去掉了切削液中的一半的细菌(因为细菌很容易在切削液的漂浮油与金属颗粒之间的界面上生长)。连续去除这些脏物,定期检验质量并根据这些检查结果,有计划地使用添加剂或加入原液,这都是使集中系统十分有效地延长切削液使用寿命的重要因素。这样也减少了水溶性切削液的废液处理。

        、切削液的分类



        油基切削液的分类 

           1)纯矿物油(L-MHA):使用煤油、柴油等轻质油和L-AN7L-AN10LAN15L-AN22L-AN32等全损耗系统油,其中轻质油主要用于铸铁件的切削及衍磨及研磨加工,有利于铁粉的沉降。纯矿物油成本低、稳定性好,对金属不腐蚀,使用周期长。在使用过程中,即使有少量切削油漏入齿轮箱、轴承和液压系统中或部分润滑油漏入切削油中,都不致影响机床的使用性能。但纯矿物油由于不含润滑添加剂、润滑效果较差,承载能力低,一般只适用于轻负荷切削及易切削钢材和有色金属的加工。对于要求低温流动性能好的切削油,可用聚烯烃等合成油,其凝点可达-30℃以下,但价格较贵。

           2)脂肪油(或油性添加剂)+矿物油(L-MHB):脂肪油曾被广泛用作切削油,一般用于精车丝杆、滚齿、剃齿等精密切削加工,常用的有菜籽油、豆油、猪油等。脂肪油主要由脂肪酸甘油酯组成,对金属表面有强的吸附性能,具有良好的润滑性能,其缺点是易氧化变质,并在机床表面形成难于清洗的粘膜(即“黄袍”)。脂肪油也可按一定比例(质量分数,下同约10-30%)加入矿物油中,以提高矿物油的润滑效果,但由于脂肪油为食用油,货源较少,近年来已逐渐被油性添加剂所替代。如15%JQ-1精密切削润滑剂+85%矿油,摩擦系数可达到菜籽油的水平,用于精车丝杆、插齿、刨齿、拉削等均获得良好效果。

           3)非活性极压切削油(L-MHC):由矿油加非活性极压添加剂组成。所谓非活性极压切削油是指切削油在100℃、3小时的腐蚀试验中,铜片腐蚀在2级以下(中等程度均匀变色)。氯化石蜡、磷酸酯、硫化脂肪油等属非活性极压添加剂。这类切削油的极压润滑性好,对有色金属不腐蚀,使用方便,被广泛用于多种切削加工。

           4)活性极压切削油(L-MHD):由矿物油和反应性强的硫系极压添加剂配制而成。这类切削油对铜片的腐蚀为3-4级,对有色金属有严重腐蚀。它有良好的抗烧结性能和极压润滑性,可以提高高温和高压条件下刀具使用寿命,对刀具积屑瘤有强的控制能力,多用于容易啃刀的材料和难加工材料的切削。硫化切削油的行业标准是SH 0364-92

           5)复合切削油L-MHEL-MHF):由矿物油+油性添加剂和极压添加剂配制而成。使用油性添加剂如高级脂肪酸、脂肪油等,能在金属表面产生物理吸附和化学吸附,形成一个分子膜吸附层,可降低切削时的摩擦阻力,但这类添加剂只有在较低的温度时才有效,当温度高于200℃时,极性化合物产生解吸和分解而失去润滑作用,这时需要由极压添加剂发挥作用。同时含有油性剂的硫、磷、氯极压添加剂的复合切削油,可以在很宽的温度范围内保持良好的润滑状态,适合于多工位切削及多种材料的切削加工。 

        2水基切削液的分类 

           1)防锈乳化液(L-MAA):由矿油、乳化剂、防锈剂等组成,矿物油的含量(质量分数下同)约为50-80%,在水中形成水包油型乳化液。与油基切削液相比,乳化液的优点在于冷却效果好,一般稀释为5-10%的水溶液使用,成本较低,使用安全。乳化液最大的缺点是稳定性差,易受细菌、霉菌的侵蚀而发臭变质,使用周期短。乳化油行业标准SH 0365-92

           2)防锈润滑剂乳化液(L-MAB):这类乳化液含有动植物脂肪或长链脂肪酸(如油酸),具有较好的润滑性。缺点是这些动植物脂肪或长链不饱和脂肪酸易受微生物及霉菌的侵蚀而分解,使用周期很短。为了延长其使用周期,可在乳化液中加少量的碳酸钠、硼砂或苯甲酸钠(约为水稀释后乳化液的0.1-0.3%),可提高乳化液的PH值和增强抗霉菌的能力,延长使用周期。

           3)极压乳化液(L-MACL-MAD):这类乳化液含有油溶性的硫、磷、氯型极压添加剂,具有强的极压润滑性,可用于攻丝、拉削、带锯等重切削加工,也用于不锈钢、耐热合金钢等难切削材料的加工。

        4)微乳液(L-MAE):这类乳化液含油量较少(质量分数约10-30%),其中含表面活性剂量大,可在水中形成半透明状的微乳液,乳化颗粒在0.1μm以下(一般乳化液的颗粒>1μm)。微乳液的优点是稳定性较乳化液大大提高,使用周期也比乳化液长。

           5)极压微乳液(L-MAF):含有硫、磷、氯型极压添加剂,具有良好的极压润滑性,可用于重负荷切削及难切削材料的加工。含有硫、磷、氯型极压添加剂的乳化液和微乳液,要特别注意提高其防锈性能。氯离子的存在很容易对黑色金属产生腐蚀,因此要选择在水中不易分解的含氯极压添加剂。含硫极压剂的乳化液不适合用于加工铜及铜合金。

           6)化学合成切削液(L-MAG):化学合成切削液包括二种:一种是只含水溶性防锈剂的真溶液,如由亚硝酸钠、碳酸钠、三乙醇胺等组成的水溶液。这类溶液具有一定的冷却、清洗、防锈性,不易变质,使用周期较长,但其润滑性和润湿性较差,表面张力较大(与水接近),并且在水分蒸发后在金属表面会留下硬的结晶残留物,所以这类切削液只适合于一般的磨削加工。另一种合成液是由表面活性剂、水溶性防锈剂和水溶性润滑剂组成,是一种颗粒极小的胶体溶液。这种切削液表面张力低,润湿性好,渗透能力强,冷却和清洗性能好,也有一定的润滑作用。合成切削液由于是单相体系,其稳定性较乳化液好,使用周期较长,但由于不含油,且清洗能力强,很容易把机床导轨面上的润滑油清洗掉,造成刀架移动困难,并在这些可移动部件的接触面容易产生锈蚀,所以在使用合成切削液时要注意加强设备的防锈管理。合成切削液国家推荐标准GB/T6144-85

           7)极压化学合成切削液(L-MAH):这种切削液是包含有水溶性极压添加剂的化学合成切削液,如硫化脂肪酸皂、氯化脂肪聚醚等,可以使切削液的极压润滑性大幅度提高。含硫的水溶性极压添加剂对铜腐蚀严重,不适宜在铜零件的设备使用,而且一般硫氯型水溶性极压添加剂在水中的稳定性差,易分解出腐蚀性强的硫酸根、氯离子等,对机床和工件会引起腐蚀,必须在切削液中加入防锈能力强的水基金属防锈剂和金属钝化剂。近年来,已开发出非硫磷氯型的水基极压润滑剂,这类润滑剂除有较好的极压润滑性外,还具备一定的防锈能力,对有色金属不产生腐蚀。可扩大水基合成切削液的使用范围。

        、油基切削液与水基切削液的区别 



                油基切削液的润滑性能较好,冷却效果较差。水基切削液与油基切削液相比,润滑性能相对较差,冷却效果较好。慢速切削要求切削液的润滑性要强,一般来说,切削速度低于30m/min时使用切削油。含有极压添加剂的切削油,无论对任何材料的切削加工,当切削速度不超过60m/min时都是有效的。在高速切削时,由于发热量大,油基切削液的传热效果较差,会使切削区的温度过高,导致切削油产生烟雾、起火等现象,并且由于工件温度过高而产生热变形,影响工件加工精度,故多用水基切削液。

              乳化液把油的润滑性和防锈性与水的极好冷却性结合起来,同时具备较好的润滑冷却性,因而对于有大量热生成的高速低压力的金属切削加工很有效。与油基切削液相比,乳化液的优点在于有较大的散热性、清洗性,用水稀释使用而带来的经济性以及有利于操作者的卫生和安全而使他们乐于使用。实际上除特别难加工的材料外,乳化液几乎可以用于所有的轻、中等负荷的切削加工及大部分重负荷加工。乳化液还可用于除螺纹磨削、沟槽磨削等复杂磨削外的所有磨削加工。乳化液的缺点是容易使细菌、霉菌繁殖,使乳化液中的有效成分产生化学分解而发臭、变质,所以一般都应加入毒性小的有机杀菌剂。

              化学合成切削液的优点在于经济、散热快、清洗性强和极好的工件可见性,易于控制加工尺寸,其稳定性和抗腐败能力比乳化液强。合成切削液的缺点是在某些苛刻的条件下使用时,润滑性欠佳,这将引起机床活动部件的粘着和磨损,而且化学合成液留下的粘稠状残留物会影响机器零件的运动,还会使这些零件的重叠面产生锈蚀。

              一般在下列的情况下应选用水基切削液:1)对油基切削液潜在发生火灾危险的场所;2)高速和大进给量的切削,使切削区趋于高温,冒烟激烈,有火灾危险的场合;3)从前后工序的流程上考虑,要求使用水基切削液的场合;4)希望减轻由于油的飞溅及油雾的扩散而引起机床周围污染和肮脏,从而保持操作环境清洁的场合;5)从价格上考虑,对一些易加工材料及工件表面质量要求不高的切削加工,采用一般水基切削液已能满足使用要求,又可大幅度降低切削液成本的场合。

              当刀具的耐用度对切削的经济性占有较大比重时(如刀具价格昂贵,刃磨刀具困难,装卸刀具辅助时间长等);机床精密度高,绝对不允许有水混入(以免造成腐蚀)的场合;机床的润滑系统和冷却系统容易串通的场合以及不具备废液处理设备和条件的场合,均应考虑选用油基切削液。      油基切削液和水基切削液使用性能对比:油基切削液的切削性能如刀具耐用度、尺寸精度和表面粗糙度好,相比之下水基切削液的切削性能差。油基切削液的操作性能如机床、工件的防锈蚀好,油漆的防剥落性好,切屑的分离、去除性差,抗冒烟、起火性差,对皮肤有刺激,操作环境卫生差,防长霉、腐败、变质性好,使用切削液易维护,废液易处理;而水基切削液的操作性能与油基相反,其机床、工件的防锈蚀性差,油漆的防剥落性差,切屑的分离、去除性好,抗冒烟、起火性好,对皮肤无刺激,操作环境卫生好,防长霉、腐败、变质性差,使用切削液不易维护,废液不易处理。油基液的经济性如切削液费用高,切削液管理费用低,废液处理费用低,机床维护保养费用低,水基切削液的经济性如切削液费用低,切削液管理费用高,废液处理费用高,机床维护保养费用高。 

        油基切削液

        水基切削液

        润滑性能较好,冷却效果较差

        润滑性能相对较差,冷却效果较好

        刀具耐用度、尺寸精度和表面粗糙度好


         

        防锈蚀好,油漆的防剥落性好

        防锈蚀性差,油漆的防剥落性差,,

        切屑的分离、去除性差,抗冒烟、起火性差,操作环境卫生差

        切屑的分离、去除性好,抗冒烟、起火性好,操作环境卫生好,

        防长霉、腐败、变质性好

        防长霉、腐败、变质性差

        切削液费用高,切削液管理费用低,废液处理费用低,机床维护保养费用低

        切削液费用低,切削液管理费用高,废液处理费用高,机床维护保养费用高


        、切削液的选择依据 


              在某一加工工序中需要使用什么样的切削液,主要根据以下几方面来考虑。

               (1)改善材料切削加工性能:如减小切削力和摩擦力,抑制积屑瘤及鳞刺的生长以降低工件加工表面粗糙度,提高加工尺寸精度;降低切削温度,延长刀具耐用度。

                (2)改善操作性能:如冷却工件,使其容易装卸,冲走切屑,避免过滤器或管道堵塞;减少冒烟、飞溅、气泡,无特殊臭味,使工作环境符合卫生安全规定;不引起机床及工件生锈,不损伤机床油漆;不易变质,便于管理,对使用完的废液处理简单,不引起皮肤过敏,对人体无害。

                (3)经济效益及费用的考虑:包括购买切削液的费用,补充费用,管理费用及提高效益、节约费用等。

                (4)法规、法令方面的考虑:如劳动安全卫生法规,消防法,污水排放法规等。

              根据加工方法、工件要求达到精度、切削液特性确定切削液类型是水基还是油基切削液。例如在加工中如需强调防火安全性,就应考虑使用水基切削液,也就要考虑废切削液的排放问题,企业应具备废液处理的设施和采取相应措施。而进行磨削加工时,切削速度与切削区域温度高,一般只能选用水基切削液;对于使用硬质合金刀具的切削加工,一般考虑选用油基切削液。机床使用说明书中规定使用的切削液品种,一般在使用机床时如无特殊理由就不宜轻易改变,以免影响机床的使用性能。在权衡这几方面条件后,便可确定选用油基还是水基切削液。在确定切削液的类型以后,可根据加工方法、工件要求精度及表面粗糙度、被加工材料等等制约项目以及润滑性、冷却性等等切削液特性进行第二步选择。然后按规定项目对所选的切削液能否达到预期的要求进行鉴定,如果还有问题,再反馈回来,查明出现问题的原因,并加以改善,最后作出明确的选择结论。

         

        、选择切削液的经济性 

                  选择切削液必须进行综合的经济分析,正确评价所选切削液的经济性,从购入切削液的费用、切削液管理费用、切削刀具的损耗费、生产效率的提高、切削液的使用周期到由环境污染问题而引起的切削液的废液处理费用等。在所加工产品的总生产费用中,与切削液有关的费用只占了很小的一部分,往往由于正确地选用了切削液而改善了产品质量,提高工作效率,延长了刀具耐用度,而带来了显著的经济效益。但如果所使用的切削液选择得不恰当则会产生相反的结果,这是为什么要进行综合的经济分析的目的。

         

        、根据加工方法选用切削液


        铰削、拉削、钻孔用切削液       


              1、铰削:

                铰削加工是对孔的精加工,要求精度高。铰削属低速小进给量切削,主要是刀具与孔壁成挤压切削,切屑碎片易留在刀槽或粘接在刃边上,影响刃带的挤压作用。破坏加工精度和表面粗糙度,增加切削转矩,还会产生积屑瘤,增加刀具磨损。铰孔基本上属于边界润滑状态,一般采用润滑性良好并有一定流动性的高浓度极压乳化液或极压切削油,就可以得到良好效果。对不锈钢、耐热钢可采用高极压性的复合切削液。对深孔铰削,采用润滑性能好的深孔钻切削油便能满足工艺要求

              2、拉削:        

              拉刀是一种沿着轴线方向按刀刃的齿升并列着众多刀齿的加工工具,拉削加工的特点是能够高精度地加工出具有复杂形状的工件。因为拉刀是贵重刀具,所以刀具耐用度对生产成本影响较大。此外,拉削是精加工,对工件表面粗糙度要求严格。拉削时,切削阻力大,不易排屑,冷却条件差,易刮伤工件表面,所以要求切削液的润滑性和排屑性能较好。国内已有专用的含硫极压添加剂的拉削油。

              对于不锈钢和耐热合金的拉削,可用下列配方(质量分数):极压润滑剂20%,氯化石蜡15%,司苯801%L-ANN22全损耗系统用油64%

              3、钻孔:

              使用一般的麻花钻钻孔,属于粗加工,钻削时排屑困难,切削热不易导出,往往造成刀刃退火,影响钻头使用寿命及加工效率。选用性能好的切削液,可以使钻头的使用寿命延长数倍甚至更多,生产效率也可明显提高。一般可选用极压乳化液或极压合成切削液。极压合成切削液表面张力低,渗透性好,能及时冷却钻头,对延长刀具寿命,提高加工效率十分有效。对于不锈钢、耐热合金等难切削材料,可选用低粘度的极压切削油。

        螺纹加工用切削液 

         


           切削螺纹时,刀具与切削材料成楔形接触,刀刃三面被切削材料所包围,切削力矩大,排屑比较困难,热量不能及时由切屑带走,刀具容易磨损,切削碎片挤塞并且容易产生振动。尤其是车螺纹和攻螺纹时切削条件更苛刻,有时会出现崩刃和断丝锥,要求切削液同时具备较低的摩擦系数和较高的极压性,以减少刀具的摩擦阻力和延长刀具使用寿命。一般应选用同时含有油性剂和极压剂的复合切削液。此外,攻螺纹时切削液的渗透性很重要,切削液能否及时渗透到刀刃上,对丝锥的耐用度影响很大。切削液的渗透性与粘度有关,粘度小的油渗透性较好,必要时可加进少量的柴油或煤油来提高渗透效果。有的场合,如盲孔攻螺纹时,切削液很难进入孔中,这时采用粘度大、附着能力强的切削液效果反而更好。

        车削、镗削用切削液 

         


                1、粗车:        

              粗车时加工余量较大,因而切削深度和进给量都较大,切削阻力大,产生大量切削热,刀具磨损也较严重,主要应选用以冷却作用并具有一定清洗、润滑和防锈作用的水基切削液,将切削热及时带走,降低切削温度,从而提高刀具耐用度。一般选用极压乳化液效果更好。极压乳化液除冷却性能好之外,还具备良好的极压润滑性。使用水基切削液要注意机床导轨面的保养,下班前要将工作台上的切削液擦干,涂上润滑油。

              2、精车:

           精车时,切削余量较小,切削深度一般只有0.05-0.8mm,进给量也小,要求保证工件的精度和表面粗糙度。精车时由于切削力小,温度不高,所以宜采用摩擦系数低,润滑性能好的切削液,一般采用高浓度(质量分数10%以上)的乳化液和含油性添加剂的切削液为宜。对于精度要求很高的车削,如精车螺纹,要采用菜籽油、豆油或其他产品作润滑液才能达到精度要求。正如上面所提到的,由于植物油稳定性差,易氧化,有的工厂采用(质量分数)JQ-1精密切削润滑剂15%L-AN32全损耗系统用油85%作为精密切削油,效果良好。

              3、镗削:

              镗削机理与车削一样,不过它是内孔加工,切削量和切削速度均不大,但散热条件差,可采用乳化液作切削液,适用时应适当增加切削液的流量和压力。

              4、铣削:

              铣削是断续切削,每个刀齿的切削深度时刻变化,容易产生振动和一定的冲击力,所以铣削条件比车削差。用高速钢刀具高速平铣或高速端铣时,均需要冷却性好、并有一定的润滑性能的切削液,如极压乳化液。在低速铣削时,要求润滑性较好的切削油,如精密切削油和非活性极压切削油。对不锈钢和耐热合金钢,可用含硫、氯极压添加剂的切削油。


        深钻孔、齿轮加工用切削液 


               1、深孔钻:

                 深孔钻(枪钻)是近年发展起来的深孔加工新工艺。传统的深孔加工(孔深与孔径之比大于5),需要钻、镗、粗铰、研磨等多道工序才能加工出有较高精度和较低表面粗糙度的孔。新工艺是采用结构特殊的刀具和高压冷却润滑系统,可将上述多道工序简化为一次连续走刀完成相当深度的高精度和低表面粗糙度的孔加工,这种工艺效率高,经济效益显著。

                  性能优良的深孔钻切削液是深孔钻加工技术关键之一,深孔钻切削液必须具备下列性能:1)良好的冷却作用,消除由于变形及摩擦所产生的热量,抑制积屑瘤的生成。2)良好的高温润滑性,减少刀刃及支承的摩擦磨损,保证刀具在切削区的高温下保持良好的润滑状态。3)良好的渗透性、排屑性,使切削液能及时渗透到刀刃上,并保证切屑能顺利排出。因此,深孔钻切削液要求具有高的极压性和低的粘度。目前国内生产的BTA深孔钻切削油具备了良好的高温润滑性、冷却性和排屑性,已被广泛使用在进口和国产的深孔钻机床上,使用性能良好。

              2、齿轮加工:

               滚齿、插齿时刀齿断续切削并有冲击力,故刀齿容易磨损,尤其在进给量大和高速切削时,刀齿的磨损就更严重,所以要求切削液具备良好的润滑性能。过去在滚齿、插齿中一般都是用20号或30号机械油作切削油,由于机械油中不含润滑添加剂,故加工的齿轮齿面粗糙度较差,刀具耐用度也低。近年来,许多工厂在原用机械油的基础上加进15%JQ-1精密切削润滑剂,使加工的齿轮齿面粗糙度和精度达到精密汽车齿轮的要求,刀具耐用度也明显提高。这是因为在机械油中加入JQ-1后,摩擦系数降低30%,承受负荷能力提高50%以上,大大降低了切削时的摩擦阻力,使加工质量和刀具耐用度均有明显改善。对于高硬度材料的滚齿、插齿、用氯系添加剂和有机钼添加剂的切削油有明显效果。

              对于高速切齿加工,用油基切削液,会产生较大油烟,污染环境,而且由于冷却不充分,往往会造成工件表面烧伤,影响加工质量,刀具磨损也加剧,此时最好选用具有强极压性的水基切削液,如含有硫、磷极压添加剂的水基合成切削液或高浓度极压乳化液,可克服高速切削时的油污染,加工质量和刀具磨损情况均比油基切削液好。但对原有的滚齿、插齿机床,必须采取措施,防止水进入转动部分,以免机床产生故障。

              用硬质合金刀具进行齿轮加工,过去大部分采用干切削,工件温升高,刀具寿命低。最近研制成功的EC滚切硬齿切削液,可以成功地用于滚齿加工,使工件温度下降,提高了齿轮的加工精度,刀具的使用寿命可延长80-100% 

              剃齿加工要求高的表面质量,为了防止粘刀,可采用含活性极压添加剂的切削油,又因为剃齿加工产生细小的切屑,为了使切屑容易冲掉,最好用低粘度的切削油,如果切屑分离不畅,会使已加工表面质量恶化。


        磨削、衍磨用切削液 


                  1、磨削     

              磨削加工能获得很高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。磨削时,磨削速度高,发热量大,磨削温度可高达800-1000℃甚至更高,容易引起工件表面烧伤和由于热应力的作用产生表面裂纹及零件变形,砂轮磨损钝化,磨粒脱落,而且磨屑和砂轮粉末易飞溅,落到零件表面而影响加工精度和表面粗糙度。加工韧性和塑性材料时,磨屑易嵌塞在砂轮工作面上的空隙处或磨屑与加工金属熔结在砂轮表面上,会使砂轮失去磨削能力。因此,为了降低磨削温度,冲洗掉磨屑和砂轮末,提高磨削比和工件表面质量,必须采用冷却性能和清洗性能良好,并有一定润滑性和防锈性的切削液。

              1)普通磨削:可采用防锈乳化液或苏打水及合成切削液(质量分数),如:防锈乳化液2%,亚硝酸钠0.5%,碳酸钠0.2%,水97.3%0.8%亚硝酸钠,0.3%碳酸钠,0.5%甘油,98.6%水;直接用质量分数为3%-4%的防锈乳化液或化学合成液。

              2)高速磨削:通常把砂轮线速度超过50m/s的磨削称为高速磨削。当砂轮的线速度增加时,磨削温度显著升高。从试验测定,砂轮线速度为60m/s时的磨削温度(工件平均温度)比30m/s高约50-70%;砂轮线速度为80m/s时,磨削温度比60m/s时又高15-20%。砂轮线速度提高后,单位时间内参加磨削的磨粒数增加,摩擦作用加剧,消耗能量也增大,使工件表层温度升高,增加了表面发生烧伤和形成裂纹的可能性,这就需要用具有高效冷却性能的冷却液来解决。所以在高速磨削时,不能使用普通的磨削液,而要使用具有良好渗透、冷却性能的高速磨削液,3)强力磨削:这是一种先进的高效磨削工艺,例如切入式高速强力磨削时,线速度为60m/s的砂轮以3.5-6mm/min左右的进给速度径向切入,切除率可以高达20-40mm3/mm.s,

              这时砂轮磨粒与工件摩擦非常剧烈,即使在高压大流量的冷却条件下,所测到摩擦区工件表层温度范围达700-1000℃,如果冷却条件不好,磨削过程就不可能进行。在切入式强力磨削时,采用性能优良的合成强力磨削液与乳化液相比,总磨削量提高35%,磨削比提高30-50%,延长正常磨削时间约40%,降低功率损耗约40%。所以强力磨削时,冷却液的性能对磨削效果影响很大。      4)金刚石砂轮磨削:这是使用于硬质合金、陶瓷、玻璃等硬度高的材料的磨削加工,可以进行粗磨、精磨,磨出的表面一般不产生裂纹、缺口,可以达到较低的表面粗糙度。为了防止磨削时产生过多的热量和导致砂轮过早磨损,获得较低的表面粗糙度,就需要连续而充分的冷却。这种磨削由于工件硬度高,磨削液主要应具备冷却和清洗性能,保持砂轮锋锐,磨削液的摩擦系数不能过低,否则会造成磨削效率低,表面烧伤等不良效果,可以采用以无机盐为主的化学合成液作磨削液。精磨时可加入少量的聚已二醇作润滑剂,可以提高工件表面加工质量。对于加工精度高的零件,可采用润滑性能好的低粘度油基磨削液。

              5)螺纹、齿轮和丝杠磨削:这类磨削特别重视磨削加工后的加工面质量和尺寸精度,一般宜采用含极压添加剂的磨削油,这类油基磨削液由于其润滑性能好,可减少磨削热,而且其中的极压添加剂可与工件材料反应,生成低抗剪强度的硫化铁膜和氯化铁膜,能减轻磨粒切削刃尖端的磨损,使磨削顺利进行。为了获得较好的冷却性和清洗性,又要保证防火安全,应选用低粘度高闪点的磨削油为宜。

              2、衍磨:

              衍磨加工的工件精度高,表面粗糙度低,加工过程产生的铁粉和油石粉颗粒度很小,容易悬浮在磨削液中,造成油石孔堵塞,影响加工效率和破坏工件表面的加工质量,所以要求冷却润滑液首先要具备较好的渗透、清洗、沉降性能。水基冷却液对细小粉末的沉降性能差,一般不宜采用。粘度大的油基磨削液也不利粉末的沉降,所以一般采用粘度小(40℃约2-3mm2/s时)的矿物油加入一定量的非活性的硫化脂肪油作衍磨油。

         

        、根据工件材料选用切削液 


        1)削难切削材料时切削液的选用 


               合理选用切削液,可以有效地减小切削过程中的摩擦,改善散热条件,降低切削力、切削温度和刀具磨损,提高刀具耐用度和切削效率,保证已加工表面质量和降低产品的加工成本。随着科学技术和机械加工工业不断发展,一些新型、高性能的工程材料得到广泛应用。这些材料大都属于切削加工性很差的难切削材料,这就给切削加工带来了难题。为了使难切削材料的加工难题获得解决,除合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量及掌握操作技术等切削条件外,合理选用切削液也尤为重要的条件。 

              在难切削材料中,有的硬度高达6570HRC,抗拉强度比45号钢的抗拉强度高三倍左右,造成切削力比切削45号钢高200%~ 250%;有时材料导热系数只有45号钢导热系数的141/7或更低,造成切削区热量不能很快传导出去,形成高的切削温度,限制切削速度的提高;有的材料高温硬度和强度高,有的材料加工硬化的程度比基体高50%~200%,硬化深度达0.l0.3mm,造成切削的困难;有的材料化学活性大,在切削中和刀具材料产生亲和作用,造成刀具产生严重的粘结和扩散磨损;有的材料弹性模量极小和弹性恢复大及延伸率很大,更难于切削。因为,在切削各种难切削材料时,要根据所切材料各自的性能与切削特点与加工阶段,选择相宜的切削液,以改善难切削材料的切削加工性,而达到加工的目的。 

              常用的切削液有:水溶液、普通乳化液、极压乳化液、矿物油、植物油、动物油、极压切削油等。其中,水溶液的冷却效果最好,极压切削液的润滑效果最好。一般的切削液,在200℃左右就失去润滑能力。可是在切削液中添加极压添加剂(如氯化石蜡、四氯化碳、硫代磷酸盐、二烷基二硫、代磷酸锌)后,就成为润滑性能良好的极压切削液,可以在6001000℃高温和14701960MPa高压条件下起润滑作用。所以含硫、氯、磷等极压添加剂的乳化液和切削油,特别适合于难切削材料加工过程的冷却与润滑。下面介绍几种难切削材料加工时的切削液选用。 

          不锈钢:在粗加工时,选用3%5%乳化液或10%~15%极压乳化液、极压切削油、硫化油;在精加工时,选用极压切削油或10%20%极压乳化液、硫化油、硫化油80%85%加四氯化碳15%20%、矿物油78%80%加黑机油或植物油和猪油18%加硫1.7%、全损耗系统用油90%加四氯化碳10%、煤油50%加油酸25%加植物油25%、煤油60%加松节油20%加油酸20%;拉削、攻螺纹、铰孔时,采用10%15%极压乳化液或极压切削油、硫化豆油或植物油;在硫化油中加10%20% 四氯化碳、在猪油中加20%30% 四氯化碳、或在硫化油中加10%15%煤油用于铰孔;在硫化油中加入15% 20%四氯化碳或用白铅油加全损耗系统用油或用煤油稀释氯化石蜡或用MoS2油膏用于攻螺纹;在滚齿或插齿时,用20% 25%极压乳化液或极压切削油;在钻孔时,用10%15%乳化液或10%15%极压乳化液、极压切削油、硫化油、MoS2切削剂。

             高温合金:除采用切削不锈钢所用的切削液外,在粗加工时,采用硫酸钾三陵2%加亚硝酸钾1%加三乙醇胺7%加硼酸7%10%加甘油7%10%加水余量;或采用葵二酸7% 10%加亚硝酸钠5%加三乙醇胺7% 10%加硼酸7%10%加甘油7%10%加水余量。 

              钛合金:粗加工时,采用3%5%乳化液或10%15%极压乳化液;精加工时,采用极压切削油或极压水溶液、四氯化碳加等量的酒精;拉削、攻螺纹和铰孔时,采用板压切削油或蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油、蓖麻油60%加煤油40%;钻孔时,采用极压乳化液或极压切削油、硫化油、电解切削液。 

            高强度钢切削加工时,除选用常用切削液和极压切削液外,用豆油或菜子油作为攻螺纹切削液,效果较好;加工铜时,用四氯化碳加N32全损耗系统用油或用MoS2润滑脂作润滑剂;精加工纯铁时,用酒精稀释蓖麻油作切削液;切削软橡胶时,用酒精或蒸馏水作切削液。

        2)铝材加工需要专用切削液 

                 机械零部件制造加工过程中,铝合金材料得到了广泛的使用。铝合金与大部分钢材和铸铁材料相比,具有一个明显的优点:较低的屈服强度。因此,加工中需要的切削力较低,可以在刀具不发生过量磨损的情况下提高切削速度和进料比。但是,就铝合金的切削性能而言,它的柔韧性会带来两个严重的问题:

                第一,容易出现粘结的现象。铝质颗粒粘结到切削刀具的表面,严重影响加工件表面粗糙度,或在刀具上形成一条“粘结”的积屑瘤,积屑瘤会产生较大的阻力,因而就需要更高的切削力,从而形成了糟糕的切削痕迹。粘结和材料变形常常决定了铝合金在切削加工中的最大切削速度和进料比。

                第二,由于铝材具有高度的延展性,它有可能会形成长长的条状裂纹,这些裂纹会阻断切削区域,使切削过程变的困难,同时切下的碎屑难以被切削液带走。

                在铝合金加工中需要考虑的另一个问题是它的高热胀系数。机加工中因变形和摩擦而产生的热能够迅速地扩展到工件上,从而很难准确控制工件尺寸,并且需要更大的切削力。因此,为满足机械加工制造对铝合金材质越来越大的需求,以及发展较大的切削速度和进料比,获得更高的劳动生产率,使用专业铝加工切削液技术,实现高水平的润滑和冷却效果就显得相当重要。 

                为了使铝材零部件和铝合金加工件的表面获得非常理想的表面粗糙度,需要使用金属切削液技术来实现高水准的润滑条件。边界润滑特性是切削液的一个基本特性,也是实现工艺目标和机械加工质量的主要决定因素。维持或改善铝材加工质量的同时,不断地开发和使用能提供高效边界润滑条件的专业切削液,会使切削速度、进料比和金属加工过程的整个劳动生产率都得到极大的提高。 

        十一、根据刀具材料选用切削油 


                1、刀具钢刀具:        

                其耐热温度约在200-300℃之间,只能适用于一般材料的切削,在高温下会失去硬度。由于这种刀具耐热性能差,要求冷却液的冷却效果要好,一般采用乳化液为宜。

              2、高速钢刀具:

                 这种材料是以铬、镍、钨、钼、钒(有的还含有铝)为基础的高级合金钢,它们的耐热性明显地比工具钢高,允许的最高温度可达600℃。与其他耐高温的金属和陶瓷材料相比,高速钢有一系列优点,特别是它有较高的坚韧,适合于几何形状复杂的工件和连续的切削加工,而且高速钢具有良好的可加工性和价格上容易被接受。

              使用高速钢刀具进行低速和中速切削上,建议采用油基切削液或乳化液。在高速切削时,由于发热量大,以采用水基切削液为宜。若使用油基切削液会产生较多油雾,污染环境,而且容易造成工件烧伤,加工质量下降,刀具磨损增大。

              3、硬质合金刀具:

              用于切削刀具的硬质合金是由碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和5-10%的钴组成,它的硬度大大超过高速钢,最高允许工作温度可达1000℃,具有优良的耐磨性能,在加工钢铁材料时,可减少切屑间的粘结现象。

              在选用切削液时,要考虑硬质合金对骤热的敏感性,尽可能使刀具均匀受热,否则会导致崩刃。在加工一般的材料时,经常采用干切削,但在干切削时,工件温升较高,使工件易产生热变形,影响工件加工精度,而且在没有润滑剂的条件下进行切削,由于切削阻力大,使功率消耗增大,刀具的磨损也加快。硬质合金刀具价格较贵,所以从经济方面考虑,干切削也是不合算的。在选用切削液时,一般油基切削液的热传导性能较差,使刀具产生骤冷的危险性要比水基切削液小,所以一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液为宜。在使用冷却液进行切削时,要注意均匀地冷却刀具,在开始切削之前,最好预先用切削液冷却刀具。对于高速切削,要用大流量切削液喷淋切削区,以免造成刀具受热不均匀而产生崩刃,亦可减少由于温度过高产生蒸发而形成的油烟污染。

              4、陶瓷刀具:

              采用氧化铝、金属和碳化物在高温下烧结而成,这种材料的高温耐磨性比硬质合金还要好,一般采用干切削,但考虑到均匀的冷却和避免温度过高,也常使用水基切削液。

              5、金刚石刀具:

                具有极高的硬度,一般使用于切削。为避免温度过高,也象陶瓷材料一样,许多情况下采用水基切削液。

        十二、根据机床要求选用切削液 


                 在选用切削液时,必须考虑到机床的结构装置是否适应。有些机床,如多轴自动车床、齿轮加工机床等,设计时就已考虑使用油基切削液,所以没有采用特殊的轴承密封盖和特殊的装置来保护机床内部机构免受外界水、汽的侵袭,并且这类机床大都靠油基切削液来润滑接近切削区域的运动部件,因而必须使用油基切削液。如果使用水基切削液,水溶液会渗入到轴承和机床内部机构,使这些零部件脱油而产生腐蚀和加速磨损。水基切削液渗入液压系统会使液压油乳化变成油包水或水包油的乳化液,使粘度增大或大幅度下降,改变了液压油的性质,影响液压系统的正常运行。因此,对于那些原用油基切削液的机床,要转用水基切削液时必须慎重,必要时要作适当的改装,否则会导致机床损坏。

        十三、金属切削油的维护和管理


              1、油基切削液的维护与管理:

              油基切削液在使用过程中不易变质,一般只需定期补充所消耗的一部分以维持足够的循环油量,是一种长期使用易于管理的切削液。所谓易于管理只是相对与水基切削液而言。为了长期保持油基切削液的性能,加强管理也是必要的。

              在注入新的切削液时,必须事先将油箱清洗干净,去除切屑、油泥、淤渣等。如果在新的切削液中混入已经变质的切削液、游污等,将加速新液的劣化变质。在使用期间换用别的切削液时,要预先进行两种切削液的相容性和性能变化检查,如不相容或混合后性能下降时,则要前一种切削液清除后才能换上后一种切削液。

              油基切削液在使用管理上必须注意以下问题:1)因混入水分而引起润滑性、防锈性下降。2)因混入漏油使有效成分减少而引起性能降低。3)微细切屑、铁粉、淤渣的堆积导致切削液的使用性能变差。4)机床轴承部件和供液泵中使用的钢合金产生变黑、腐蚀。

              关于水分混入切削液的原因,主要是前道工序是水基切削液,水由工件带进来,或使用过水基切削液的机床换用油基切削液时,液箱和管道积存有水分等。为了除去附着在工件和机床的水分,必须先用具有水置换性的防锈油和清洗油进行处理,将水分通过置换性防锈油或清洗油带走。水分混入切削液中使切削液防锈性能下降,特别切削液中有些润滑添加剂遇到水会分解,产生腐蚀性物质,使机床和工件生锈,而且有些添加剂遇水会变成粘稠状物质,堵塞过滤网,影响切削液的正常使用。切削液含水后,其润滑性能也大幅度下降,使刀具耐用度缩短。

              混入少量水的油基切削液,可加热蒸发,再用活性白土吸附并过滤,可重新使用,如切削性能下降,可适当补充一些添加剂(如加入质量分数为10%JQ-1精密切削润滑剂或JQ-2极压切削润滑剂),便可恢复原来的使用性能。

              在油基切削液的管理上,要特别当心漏油的混入。因油基切削液与机床用的液压油、润滑油同为矿油,故仅从外观不能判断是否有漏油混入。液压油和一般润滑油所含添加剂浓度比油基切削液低,如果大量的润滑油混入到油基切削液中,其添加剂的浓度就会降低,结果使其切削性能下降,刀具的耐用度缩短。一般混入油的量如超过30%,油基切削液的性能就会显著下降,这时就要补充添加剂或将油降格使用。所以为了保持油基切削液的性能,必须尽量减少漏油的混入。如组合机床、滚齿机等机床从结构上几乎都是使润滑油流入切削液中,要避免润滑油的漏入很困难。这时应粗略估计一下每月漏入切削液的漏油量,定期补充一些切削润滑剂(如JQ-1JQ-2),便可使切削液长期保持良好的切削性能。液压油的混入大都是由于密封不良所致,故只要检修好密封装置就能防止液压油的混入。

              切削液在使用过程中存在较大的问题是微细切屑、铸铁粉、淤渣等沉积在油箱内会加速切削油的劣化变质,使油的粘度增高或生成胶状物质等。所以在切削过程中,不仅要除去大切屑,连细微粉也要定期清除,便可减轻切削液的污浊,延长切削液的使用寿命。

              在枪钻加工、磨削加工中,金属粉混入切(磨)削液不但会损伤供液泵,而且会使已加工表面粗糙度恶化,所以必须采用过滤法排除切屑。枪钻机床要求使用10um的滤纸进行切削液过滤。另外切削液的油箱也要足够大,使切削液在循环过程中保持足够的油量,减少切削液的温升。此外,定期补充新液,使供液箱内保持足够的液量对减少切削液的温升也很重要。切削液的温度过高,不仅影响工件的加工精度,也会加快切削液的劣化。

              机床的轴承部件和供液泵中使用的钢合金产生变黑和腐蚀,主要是使用含有活性硫系极压添加剂的切削液引起的,所以对有铜合金与切削液接触的机床,应选用非活性型的切削液。直接用硫磺粉加入矿油中生产的硫化切削液对铜合金的腐蚀严重,改用硫化脂肪油加入矿油中配制的硫化切削液,其活性度明显下降,基本上对铜合金不产生腐蚀。

              2、乳化液的维护与管理:

              乳化液的维护保养比油基切削液复杂得多。当配置乳化液时,要先将水加满水箱,然后边搅拌边加入乳化油。要避免将水加入油中或用少量的水稀释乳化油,否则会得到油包水型乳化液,这类乳化液的粘度大,不适合一般的切削使用。

              配制乳化液所用的水十分重要,含有各种矿物质和盐的硬水常会防碍乳化过程。用硬水配制的乳化液常会迅速分层,析出大量的油和不溶于水的皂,影响使用效果。另一方面,如水质太软,泡沫就有可能增多。所以配制乳化液时要预先了解水质的情况,如水质太硬必须经过预处理,可在水中加入质量分数为0.1-0.3%的三聚磷酸钠或二乙胺四醋酸钠便可起到降低水质硬度的作用。但加入三聚磷酸钠过多会导致细菌、霉菌的繁殖。所以如果当地的自来水硬度过大,最好使用去离子水。

              乳化液中含有的脂肪油和不饱和脂肪酸很容易被微生物侵蚀。乳化液中经常遇到的微生物有细菌、霉菌和藻类三类,这三类微生物对乳化液的稳定性有不利影响。许多乳化液都含有杀菌剂,但其添加量都受到油溶解度的限制。当配制成乳化液时,杀菌剂的浓度进一步降低,因而降低了它的杀菌作用。乳化液受到微生物的侵蚀后,乳化液中的不饱和脂肪酸等化合物被微生物所分解,破坏了乳化液的平衡,产生析油,析皂及酸值增大,引起乳化液腐败变质。观察乳化液的腐败现象有如下过程:1)轻微的腐败臭气发生。2)乳化液由白色变成灰褐色。3PH值,防锈性急剧下降。4)乳化液油水分离,生成沉渣或油泥等物质,堵塞过滤网。5)切削、磨削性能下降。6)产生臭味扩散到整个车间,使操作环境恶化,不得不更换新的切削液。

              为了防止乳化液腐败,可以采取如下措施:1)注入新液时,首先要把机床周围及供液系统内的切屑和油污等物全清除,并用杀菌剂消毒后才加入新液。不清洗干净就等于向新液中投放腐败的菌种。2)乳化液稀释要用自来水或软水,避免使用含大肠杆菌和无机盐多的地下水。

        3)要进行补给液的管理,保持乳化液在规定的浓度下工作,稀薄浓度的乳化液助长细菌的繁殖。4)当发现PH值有降低的倾向时,应添加PH值增高剂(如碳酸钠),使PH值保持在9左右。当乳化液的PH值超过9时,微生物便难于繁殖。5)节假日等长期停机时,应向液箱内定期鼓入空气,以防止厌氧菌的繁殖,同时也可除去臭气。6)在注意防止漏油混入的同时,按装一个能迅速除去混入漏油的装置。7)采用有效的排屑方式,避免切屑堆积在液箱内。8)若觉察到腐败的征兆,应立即添加杀菌剂将菌杀灭。


                一般酚类的杀菌剂毒性较大,对废液的排放造成污染,已较少使用。目前较常用的低毒杀菌剂为三丹油,添加量的质量分数约0.1-0.2%(对稀释后的乳化液),对延长乳化液的使用周期有明显效果。

              3、合成切削液的维护与管理:

              合成切削液属于单相体系,没有乳化液的成分复杂,PH值也较乳化液高(一般9-9.5),而且合成液中常含有硼酸盐、苯甲酸盐、亚硝酸盐等成分,这些成分都有一定的抗微生物分解的能力,所以合成液的使用寿命一般都较乳化液长,不易腐败变质。

              在使用合成切削液时主要应注意三个问题:一是要控制好使用浓度,在切削液使用一段时间后,由于水份蒸发及工件、切屑带走一部分切削液,在补充水时要按比例加入一定量的原液,最好定期作浓度检查,如浓度变化较大时,应适当调整加入的水量和原液量,使切削液保持在规定的浓度范围内使用;二要尽量避免在合成液中混入润滑油,由于合成液一般都含有较多的表面活性剂,混入润滑油后,油便被乳化,使合成液逐渐变为乳化液,影响其使用性能,也容易引起发臭变质;三是避免使用硬度过大的水。合成液中一般都含有脂肪酸皂作润滑剂,如水的硬度大时,水中的钙、镁离子与脂肪酸反应生成不溶性皂,使润滑性能下降,并影响清洗效果。所以对硬度大的水要进行软化处理后再进行配制,或在组分中加入抗硬水剂。

              在合成液中定期加入一定量的杀菌剂也可以延长换液的周期。

              使用合成切削液要特别注意重视机床和工件的防锈管理。使用的稀释水中若含有多量的氯化钠、硫酸盐、不仅易引起切削液饿腐败,也会降低其防锈性能,所以稀释水应选用好的水质。切削液的防锈性与浓度有着密切关系,当防锈性降低时,一般采取的措施是补充原液以提高合成切削液的浓度。合成切削液不含油,水分蒸发后不能在金属表面留下一层油膜,其防锈性能比油基切削液和防锈乳化液差。工件在工序之间滞留,或气象条件骤变,空气湿度大等环境都易引起生锈,应考虑将工件浸入防锈水或涂上防锈油以防止锈蚀。机床的工作台面在下班前也应将水抹干净涂上防锈油。