世界機械制造工業(yè)是以切削、磨削與鑄鍛造三大加工工藝為主要支柱的。其中切削加工的應用比例最高,約占機械加工總勞動的30%～40%,金屬切削液約占整個金屬加工液總量的52%。近年來,金屬切削加工技術發(fā)展迅速、日新月異,要求與之配套的切削液不斷更新?lián)Q代,以適應機床切削的要求。下面就由宜興華青潤滑材料科技有限公司(http://www.0510hq.cn)與大家一起從切削液的作用機理、研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景三個方面進行探討、學習。

1 切削液的作用原理

   切削液與一般潤滑油使用狀態(tài)不同,一般潤滑油是處在反復移動的不變的摩擦面之間,盡管有時壓力很大,但容易形成潤滑膜。而切削液是時時接觸切削所形成的新鮮表面,加工面連續(xù)發(fā)生彈性變形,因而刀具與被加工面間所承受的壓力,要比一般摩擦狀態(tài)大得多。另外,切削時除外摩擦熱之外,還有刀具與切入金屬內(nèi)部分子的內(nèi)摩擦熱(剪切面應力變化產(chǎn)生的熱),因此切削區(qū)可達到600～800℃的高溫,這就要求切削液除有良好的潤滑性能外,必須具有良好的冷卻性能。由于在切削加工時產(chǎn)生大量碎屑和磨粉,會影響刀具和磨料的性能,因此切削液還需要有良好的清洗和排屑作用。此外,為了使工件在加工和短暫的工序間不生銹,以及與切削液接觸的機床和刀具不生銹,要求切削液具有良好的防銹作用。

1.1 潤滑機理

  金屬切削加工,多數(shù)屬邊界摩擦。在切削高溫高壓條件下,切削液中的某些添加劑與刀具和工件發(fā)生物理吸附和化學吸附或發(fā)生化學反應,形成低剪切強度的潤滑膜。切削液是通過滲透、潤濕,建立潤滑膜,改善摩擦狀態(tài)來實現(xiàn)潤滑的。

1.2 冷卻機理

  切削液的冷卻作用是將產(chǎn)生的切削熱迅速地從切削區(qū)帶走,以降低刀具的最高溫度,延長其耐用度;減少工件的熱變形,減少其產(chǎn)生的熱應力,從而提高加工精度。其冷卻機理是通過滲入切削摩擦和變形區(qū)(熱源)的切削液來實現(xiàn)散熱冷卻的。切削液的冷卻作用取決于它本身的導熱性能、對金屬表面的潤滑性和供液方式。

1.3 清洗排屑機理

  切削中加入的某些表面活性劑,對工件表面的油污潤濕、滲透、乳化和分散,降低油污在金屬表面上的附著能力,并借助切削液的流速和壓力將碎屑、磨粉和油污等沖走。114 防銹機理 切削液中的防銹添加劑,通過吸附在機床和工件表面形成保護膜隔絕外界環(huán)境,或通過增強切削液的堿性(在使用時切削液的pH值應保持在8～10之間,通常用碳酸鈉或三乙醇胺調(diào)節(jié)切削液的pH值),避免產(chǎn)生腐蝕反應,達到防銹目的。

2 切削液的研究現(xiàn)狀

  目前國內(nèi)使用的切削液主要是油基型切削液,其中含有硫、磷、氯等極壓抗磨添加劑。以前考慮了用動、植物油或兩者的混合油再加入潤滑劑,但由于動植物油容易腐敗變質,粘附在金屬表面不易清洗,目前應用越來越少。當前國外有人采用被稱為惰性極壓劑(PEP)的油溶性磺酸鹽作為油基型金屬切削液的添加劑。總的來說,油基型切削液的潤滑性好,但其存在發(fā)煙、產(chǎn)生有毒氣體、冷卻性差和消耗較多等缺點。

  1999年作者對安陽鋼鐵公司進行了考察,發(fā)現(xiàn)該公司引進的最新設備(從德國引進)都用了水溶性切削液。目前,國內(nèi)切削液研究人員都在研究一種既 有優(yōu)異潤滑性,又能符合國家標準,通過生物降解對環(huán)境無公害的金屬切削液。

3 切削液的發(fā)展趨勢

  從切削液的作用機理和研究現(xiàn)狀,大致可以看出其發(fā)展趨勢,主要有以下幾個方面:

①將納米材料加入油中,或對切削加工的金屬納米化處理、微金屬滲透技術處理等手段,來提高金屬切削液的性能;

②用微乳化方法對油基型切削液添加劑進行處理,提高切削液的環(huán)保性能,增強它的實用性;

③向水基型金屬 切削液方向發(fā)展。

下面著重談談水基切削液的發(fā)展問題。

(1)金屬切削液正逐步向水基方向發(fā)展,英國油基切削液的需求從1979年占60%降到1990年的42%,而水基切削液則從38%上升到58%,另外,為滿足環(huán)保和健康法規(guī)的要求,水基切削液正向無氯、無酚、不含亞硝酸鈉及使用壽命長,處理費用低的方向發(fā)展。

(2)水基切削液是將濃縮液用大量水稀釋后使用,因而不會產(chǎn)生油煙和引發(fā)火災。水的比熱容大,熱導率高,汽化熱大,是非常優(yōu)良的冷卻劑,且成本低廉。另外,加工后的脫脂清洗也比較簡單。和油基切削液相比,它的潤滑性、防銹性稍差,且易受細菌影響,發(fā)生腐蝕,排放后處理費用大。近年來,隨著潤滑劑、防銹劑和抗銹劑和抗菌劑等研究的深入和排放后處理工藝技術的完善,水基切削液在越來越多的場合取代了油基切削液。水基切削液分為乳化液、半合成液和合成液三種,它們的性能特點見表1。

(3)水基合成切削液是由各種水溶性添加劑和水 組成,在其成分中完全不含礦物油。使用時用一定比例的水稀釋后,形成透明或半透明的稀釋液,具有極好的冷卻和清洗作用、易過濾和循環(huán)使用、使用期 長、環(huán)境衛(wèi)生好等優(yōu)點。配制1000kg乳化油,需用600～800kg機械油,除了造成能源浪費外,還會污染環(huán)境。因此,采用水基合成切削液可以大量節(jié)約能源,并減少對環(huán)境的污染。根據(jù)水基合成切削液的性能和用途,大致可以分成以下四種類型:普通型、防銹型、極壓型和綜合型水基合成切削液。

   從表1中可以看出在三種水基切削液中,除了潤滑性較差外,合成液的性能優(yōu)勢是很明顯的。制約水基合成切削液發(fā)展的重要因素就是如何提高其潤滑性能,亦就是水溶性潤滑添加劑的研究問題。無論是從經(jīng)濟性,還是環(huán)境保護的角度出發(fā),發(fā)展水基合成切削液是一種必然趨勢。隨著國內(nèi)外對水溶性潤滑添加劑研究的逐步深入,合成液潤滑性能的提高,必將使合成液有更大的發(fā)展和更廣泛的應用前景。

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