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如何选用金属切削液?

发布时间:2013-11-17 点击:1337 字体大小: 返回
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。ASTM D2881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体的粒度和粒度分布。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(Sump Life)”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。 
一、金属切削液的成分与选择
(1)、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ASTM D 2881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ASTM D 2881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 2~10 μm; 微乳液:含油40%~50%,油滴粒度<1 μm; 半合成乳液:含油5%~40%,油滴粒度约0.1 μm; 
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ASTM D 2881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。 
(2)、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
(3)、加工工况 
刀具的作用是在主剪切区域把加工材料用强剪切力切除剥落。刀具的推进面和暴露的新鲜金属面之间,由于强烈的附着作用使推进面受到高的应力。因切割剥落 的屑要移过刀具推进面,从而形成了第二剪切区域。在第二剪切区域产生的剪切作 用使刀具受到最大摩擦力。润滑和冷却作用在此时同样重要。但属于金属去除的机械加工种类很多,又各有其独特的工况。一般认为,在低速加工(螺纹切削、扩孔和 齿面切削)时,切削润滑剂的主要任务是缩小推进面与屑的粘结,作为边界润滑剂。在高速切削加工时,切削液的主要作用是降低摩擦热,带走热量。
那些切削液难以到达剪切区域的加工作业,给润滑、冷却造成很大的困难。通常对扩孔、齿轮切削(特别是滚齿)、深孔钻和镗孔、攻丝(特别是盲孔)、深套孔、 车螺纹加工要精心选择适用的切削液。
(4)、油基和水基的特点
油基切削液指含添加剂的矿物油。水基切削液指乳液、合成液及化学溶液。笼统地说,低速重负荷切削需要充分的润滑,通常选用极压切削油剂。高速浅层切削 ,冷却是首要的,一般选用水基切削液。有些极压乳化液具有很好的润滑和冷却性 ,可以用于重负荷切削。一般的研磨加工,有时润滑反而有害,故可使用合成液或化学溶液。加工材料、刀具材质、机床构造也是确定选用油基液或水基液的重要依据。 
二、使用和维护 
(1)、 配制(稀释) 只有水基切削液需要配制,即按一定比例加水稀释。水基切削液特别是乳化型 的,在用水稀释时要注意以下几个方面。 
1、 水质 一般情况下不宜使用硬度超过400的水,因高硬度的水中所含的钙、镁离子会使 阴离子表面活性剂失效,乳液分解,出现不溶于水的金属皂。即使乳化液是用非离子表面活性剂制成,大量的金属离子也可使胶束聚集,从而影响乳液的稳定性。太 软的水也不宜使用。用太软的水配制的乳化液在使用过程中易产生大量泡沫。 
配制乳化液的水的适宜硬度应为50~200。可用去离子水和未经处理的工业水混 配使用。我国幅员辽阔,切削液品种极多,因此在选购水基切削液之前,最好用当 地的水作调配试验。一般禁止使用处理后的污水、含化学物质的水和二次水来配制乳化液。锅炉用的软化水也要慎用。
硬水地区的用户可采用碳酸钠法把水软化后使用。软化剂用量最好经试验确定。要防止软水后水的pH值过高。软水剂使用过度会破坏乳化液的稳定。
2、 稀释
切削液的稀释关系到乳化液的稳定。切削液在使用前,要先确定稀释的比例和所需乳化液的体积。然后算出所用切削液(原液)量和水量。 
选取洁净的容器,将所需的全部水倒入容器内,然后在低速搅拌下加入切削液原液。配制乳化液时,原液的加入速度以不出现未乳化原液为准。切削液原液和水 的加入程序不能颠倒。不要在机床的油池(槽)内直接调配乳液。
(2)、切削液的使用
切削液的使用效果,首先取决于正确选用适合加工工况的切削品种,以及合理地调配稀释。但以下诸因素亦值得重视。 
循环液体总量 
机加工过程中循环使用的切削液因飞溅、雾化、蒸发以及加工材料和切屑携带,不断地消耗。这种消耗以a(携带值)表示。其定义是:为了维持机床油槽原有切削 液的体积,每月需补加切削液量,以原有体积倍数表示。例如,一个切削液循环系统的a=1,是指一个V为20 m3液体循环系统,每月需补充稀释后的切削液(或 油)20 m3。欧洲汽车工业机加工的a值为1~1.5。个别切削液循环系统可低至0.25 ,即原来投入的切削液,假设不进行补充,4个月就会被携带完,也有高达a=4的。 
携带值a与加工材料的形状关系很大。携带值a无疑与机加工费用相关。但携带 值太小会增大切削液的维护费用。每立方米冷却剂一年的总费用K为: 
K=k1+k2+k3(元/m3•年)
式中,k1为变换冷却剂的费用(原液+水)、废冷却液排放费用(劳力、清洗、 充入水以及停工时间);k2为携带值费用(液体因工件、切屑携出的损失及液体雾化、蒸发的损失);k3为冷却剂的维护费用。从上式可知,携带值过大或过小都会增大费用。
冷却液的逐渐消耗,使循环系统的液体减少,液体温度上升甚至过热,冷却效力下降。冷却效力下降会影响加工件的精度,并使刀具硬度下降。切削液温度升高 会加剧液体的雾化和蒸发,污染车间环境,进而增大液体消耗,形成恶性循环。通 常机床的液槽(油槽)如处于半满状态就不能发挥液体的应有功效,而且液体易变质 。
当使用油剂切削液(净切削油)的温度过高,危害更为严重。净切削油的冷却能 力较低,且多用在那些难加工、发热量大的切削中。油槽内净切削油超温不但具有 前述危害,还可能导致添加剂分解(分解可能产生有害物质),损坏机床、加工材料和刀具,恶化环境。特别是含大量氯化物添加剂的净切削油,大多用于苛刻的机加 工,产生的热量大。这时油槽应增多充油量,以增加热容量。 
o
切削液的流量 
一般的机加工应保证压力、大流量。镗深孔和空心杆刀具可采用高压喷射冷却液,以利于把切屑冲刷出来。有些中低碳钢和钛材的钻孔加工采用脉冲式注射冷却 液更有利,但要注意适合油泵的性能。苛刻的加工所使用的含氯净切削油,要加大流量。
流量的大小可用循环系数f表示。定义是每小时循环量为总容量的倍数。切削液循环系统的温度、泡沫、污染物含量对f都有影响。
油嘴形状
油嘴的形状应适合被加工件的形状和大小,以及刀具种类和操作程序。良好的油嘴应使切削液一直保持液流平坦,使加工件各部分充分浴于液体内。油嘴形状要按实际效果来调整,基本要求是使最需要冷却和润滑之处得到足够的冷却液。
泡沫 
水基切削液和净切削油在使用中会发生泡沫过多的问题。泵速过大会造成液体湍流,或者油管阻力形成喷射会增大液体的泡沫。特别是水基切削液的泡沫性是其 主要性能指标之一。
不同性质的切削液相混(如净切削油与乳化液相混)也会使泡沫增多。机床变更 切削液前要洗净油槽和循环路线。此外配制乳化液时要避免激烈搅拌和空气搅拌。
过度软化的水和含碱的水会增加乳化液的泡沫。流体循环泵密封不严也会增大液体的泡沫。泡沫的危害使冷却润滑液失效和油槽容积的浪费。泡沫严重的冷却液 会造成机床、刀具和工件损坏。
机床的密封
经常检查机床的轴封(特别是用乳化液作为冷却剂时),防止切削液串入机床齿 轮箱、床头箱或其它密封的传动机构内。乳化液如果进入矿物油润滑系统将使机床 磨损。含极压剂的净切削油串入机床传动或液压系统,危害较小。
 
 

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