金屬切削工藝管理論文

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概述：世界金屬加工油液占世界總潤滑油量5％以上，而且從以油基為主，逐步向水基發展。由于鋁加工業的比例增加，鋁加工油品種和產量呈上升趨勢。在國外金屬加工液中，切削液一直占有較大比例，一般為50％左右。金屬加工液分類常按金屬加工方法分為切削液和成型液兩大類，或按油品化學組成分為非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液兩大類。我國目前亦大多沿用此分類。ISO于1986年通過IS06743/7，按油基、水基將加工液分為MH和MA兩大類，又根據每類的化學組成、應用各分為8類和9類，共17類，該標準將目前眾多的金屬加工液的品種均可包含進去，我國已等效采用了該標準，制定了GB7631.5。

金屬的機械加工通常包括兩種類型：金屬的去除和金屬的變形。前者作業是靠刃具把金屬從被加工件上除掉；后者則是用模具使金屬在應力下塑性變形，如軋、拉拔、沖壓、擠壓等。一般習慣地把金屬去除作業所用的潤滑劑稱為切削液，而把金屬變形用的潤滑劑稱為金屬加工工藝用液體。金屬加工液則是泛指上述兩類加工、作業用潤滑劑。

（一）、金屬切削液的選用（技術切削設備的潤滑見機床的潤滑特點）

大部分金屬切削需要使用切削液，甚至在可以正常進行干切削的作業，如果選用適當的冷卻潤滑劑也可增加工效。早在1883年，F.W.泰勒(Taylor)曾證明用沖洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%。金屬切削液的品種繁多。

ASTMD2881把金屬加工用的液體劃為三類：

(1)油和油基液體；

(2)水基乳液及分散體；

(3)化學溶液(真溶液及膠體溶液)。

2類與3類之間的基本區別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，真溶液及膠體溶液的粒度范圍為20~40nm。膠體乳液(Ⅱ-C)代表了一種介于化學溶液與溶解油的乳液之間的中間狀態，其粒度分布介于上述兩等級之間。這種劃分原則基本上是一個理論性的區分，因為從典型的礦物油到不含油的化學溶液之間，可能存在著無限度的等級。

近年來，金屬切削液的發展和變化主要是在水溶性液體領域(2、3類)。由于這類液體以水為基質，其傳熱速度高(水的傳熱速度為油的2.5倍)。等量的水吸收一定熱量后，比油的溫升要慢得多，從而提高了冷卻效果，且可減少油霧，因此水基切削液的用量增大。以英國為例，水基切削液在整個切削液市場中約占60%。但是水基切削液與油相比存在著潤滑性差，其次是銹蝕、膠體穩定性、化學穩定性、生物穩定性、可濾性、泡沫性等問題。這些問題對切削液在機床應用時的“油池壽命(SumpLife)”至關重要。合理選擇、應用、監控和維護，對使用水基切削液特別重要。

1、金屬切削液的成分與選擇

根據我國目前市場情況，切削液的主要成分如下。

(1)油或油基液體：屬于ASTMD2881分類中的Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅰ-C，習慣稱為切削油(也稱凈切削油)，主體為礦物油，含或不含添加劑。

(2)乳液：屬于ASTMD2881分類中的Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C，有時稱為溶解油。根據礦物油含量和油滴粒度可分為3種：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%，油滴粒度約0.1μm；

(3)合成液體：含油或不含油，以溶于水的高分子有機物為主要潤滑劑。

(4)化學溶液：不含油，屬ASTMD2881分類中的Ⅲ。從以上成分來看，以切削油的潤滑性最好。乳化液中的粗乳、微乳和半合成型乳液，如配制得當也有相當好的潤滑性能。目前粗乳液和微乳液的使用范圍最廣泛。用于重負荷切削的乳化液要含極壓添加劑。合成液是乳化液的補充產品。這種液體常用在特定的用途上。某些合成液體在使用中由于濃度增大，清洗性增強而導致損傷操作人員的皮膚和機床涂層。化學溶液是不含礦物油的水溶液。使用前用水稀釋，有良好的沖洗、冷卻效果，并應能防止接觸區域的銹蝕。這類液體主要用于研磨，功能在于清洗和冷卻，沒有潤滑性。切削液的選擇，首先要避免使用那些對機床、刃具和加工材料有害的液體。通常，不含游離硫的硫化油適用于加工鋼材和銅材。而有些銅合金和高鎳合金，在硫劑(特別是含游離硫)作用下會產生暗色斑痕。水基切削液的成分比較復雜，這是因為要顧及乳化系統的穩定，既要考慮諸成分的HLB值，又要達到各項性能的平衡。由于切削液以水為基質，還應考慮諸成分的水溶性或在水中分散的性質。

選擇切削液前應充分了解下列情況。

1.1加工材料的性質

被加工的材料物理化學性質各異，反映在切削操作上就會有切削的難易和與切削液相容性等新問題。對較難加工的材料及其與切削液的相容性分別簡略介紹如下。

鋁：質軟，切割易粘切具。乳化液如堿性強，與鋁產生化學反應，造成乳液分層。應選用專用乳化液或石蠟基礦物油作冷卻潤滑劑。

黃銅：切削時產生大量細屑，易使乳化油變綠。含活性硫的油劑可使加工材料變色，如選油劑要有過濾設備。

青銅：剪切前產生顯著的塑性變形，可使乳化液變成綠色。如選油劑要有過濾設備。

銅：粘韌，切削時產生微細卷曲的屑，可使乳化液變成綠色，影響乳化液的穩定，在活性硫作用下生污斑。如選用油劑要配備過濾設備。

可鍛鑄鐵：切削時產生大量微細的具有化學活性的磨蝕性屑。這些活性細屑好似過濾介質，削弱了乳化液的活性，而且可生成鐵皂，使乳化液變為紅褐色，乳化液的穩定性變劣。如使用油劑，必須用離心機或過濾器把鐵屑除去

鉛及其合金：易切削，可生成鉛皂，破壞乳化液的穩定。如使用油劑，對油劑有稠化傾向，要防止使用含大量脂肪的油劑。

鎂：切削時產生細屑，可燃。一般不使用水基切削液，可采用低粘度油作為切削液。

鎳及高鎳合金：切削時局部產生高熱，切屑可能燒結。可選用重負荷乳化液或非活性硫化油。

鈦：產生磨蝕性、可燃的切削，易發生加工硬化現象，應用重負荷乳化油或極壓油劑。

鋅：切削面不規整，難以取得良好的光潔度，與乳化液生成鋅皂，使乳化液分離，應選專用乳化液。

1.2加工工況

刀具的作用是在主剪切區域把加工材料用強剪切力切除剝落。刀具的推進面和暴露的新鮮金屬面之間，由于強烈的附著作用使推進面受到高的應力。因切割剝落的屑要移過刀具推進面，從而形成了第二剪切區域。在第二剪切區域產生的剪切作用使刀具受到最大摩擦力。潤滑和冷卻作用在此時同樣重要。但屬于金屬去除的機械加工種類很多，又各有其獨特的工況。一般認為，在低速加工(螺紋切削、擴孔和齒面切削)時，切削潤滑劑的主要任務是縮小推進面與屑的粘結，作為邊界潤滑劑。在高速切削加工時，切削液的主要作用是降低摩擦熱，帶走熱量。

那些切削液難以到達剪切區域的加工作業，給潤滑、冷卻造成很大的困難。通常對擴孔、齒輪切削(特別是滾齒)、深孔鉆和鏜孔、攻絲(特別是盲孔)、深套孔、車螺紋加工要精心選擇適用的切削液。

1.3油基和水基的特點

油基切削液指含添加劑的礦物油。水基切削液指乳液、合成液及化學溶液。籠統地說，低速重負荷切削需要充分的潤滑，通常選用極壓切削油劑。高速淺層切削，冷卻是首要的，一般選用水基切削液。有些極壓乳化液具有很好的潤滑和冷卻性，可以用于重負荷切削。一般的研磨加工，有時潤滑反而有害，故可使用合成液或化學溶液。加工材料、刀具材質、機床構造也是確定選用油基液或水基液的重要依據。

2使用和維護

2.1配制(稀釋)只有水基切削液需要配制，即按一定比例加水稀釋。水基切削液特別是乳化型的，在用水稀釋時要注意以下幾個方面。

2.1.1水質一般情況下不宜使用硬度超過400的水，因高硬度的水中所含的鈣、鎂離子會使陰離子表面活性劑失效，乳液分解，出現不溶于水的金屬皂。即使乳化液是用非離子表面活性劑制成，大量的金屬離子也可使膠束聚集，從而影響乳液的穩定性。太軟的水也不宜使用。用太軟的水配制的乳化液在使用過程中易產生大量泡沫。

配制乳化液的水的適宜硬度應為50~200。可用去離子水和未經處理的工業水混配使用。我國幅員遼闊，切削液品種極多，因此在選購水基切削液之前，最好用當地的水作調配試驗。一般禁止使用處理后的污水、含化學物質的水和二次水來配制乳化液。鍋爐用的軟化水也要慎用。硬水地區的用戶可采用碳酸鈉法把水軟化后使用。軟化劑用量最好經試驗確定。要防止軟水后水的pH值過高。軟水劑使用過度會破壞乳化液的穩定。

2.1.2稀釋

切削液的稀釋關系到乳化液的穩定。切削液在使用前，要先確定稀釋的比例和所需乳化液的體積。然后算出所用切削液(原液)量和水量。

選取潔凈的容器，將所需的全部水倒入容器內，然后在低速攪拌下加入切削液原液。配制乳化液時，原液的加入速度以不出現未乳化原液為準。切削液原液和水的加入程序不能顛倒。不要在機床的油池(槽)內直接調配乳液。

2.2切削液的使用

切削液的使用效果，首先取決于正確選用適合加工工況的切削品種，以及合理地調配稀釋。但以下諸因素亦值得重視。

(1)循環液體總量

機加工過程中循環使用的切削液因飛濺、霧化、蒸發以及加工材料和切屑攜帶，不斷地消耗。這種消耗以a(攜帶值)表示。其定義是：為了維持機床油槽原有切削液的體積，每月需補加切削液量，以原有體積倍數表示。例如，一個切削液循環系統的a=1，是指一個V為20m↑3液體循環系統，每月需補充稀釋后的切削液(或油)20m↑3。歐洲汽車工業機加工的a值為1~1.5。個別切削液循環系統可低至0.25，即原來投入的切削液，假設不進行補充，4個月就會被攜帶完，也有高達a=4的。

攜帶值a與加工材料的形狀關系很大。攜帶值a無疑與機加工費用相關。但攜帶值太小會增大切削液的維護費用。每立方米冷卻劑一年的總費用K為：

K=k1+k2+k3（元/m3·年）

式中，k1為變換冷卻劑的費用(原液+水)、廢冷卻液排放費用(勞力、清洗、充入水以及停工時間)；k2為攜帶值費用(液體因工件、切屑攜出的損失及液體霧化、蒸發的損失)；k3為冷卻劑的維護費用。從上式可知，攜帶值過大或過小都會增大費用。

冷卻液的逐漸消耗，使循環系統的液體減少，液體溫度上升甚至過熱，冷卻效力下降。冷卻效力下降會影響加工件的精度，并使刀具硬度下降。切削液溫度升高會加劇液體的霧化和蒸發，污染車間環境，進而增大液體消耗，形成惡性循環。通常機床的液槽(油槽)如處于半滿狀態就不能發揮液體的應有功效，而且液體易變質。

當使用油劑切削液(凈切削油)的溫度過高，危害更為嚴重。凈切削油的冷卻能力較低，且多用在那些難加工、發熱量大的切削中。油槽內凈切削油超溫不但具有前述危害，還可能導致添加劑分解(分解可能產生有害物質)，損壞機床、加工材料和刀具，惡化環境。特別是含大量氯化物添加劑的凈切削油，大多用于苛刻的機加工，產生的熱量大。這時油槽應增多充油量，以增加熱容量。

(2)切削液的流量

一般的機加工應保證壓力、大流量。鏜深孔和空心桿刀具可采用高壓噴射冷卻液，以利于把切屑沖刷出來。有些中低碳鋼和鈦材的鉆孔加工采用脈沖式注射冷卻液更有利，但要注意適合油泵的性能。苛刻的加工所使用的含氯凈切削油，要加大流量。

流量的大小可用循環系數f表示。定義是每小時循環量為總容量的倍數。切削液循環系統的溫度、泡沫、污染物含量對f都有影響。

(3)油嘴形狀

油嘴的形狀應適合被加工件的形狀和大小，以及刀具種類和操作程序。良好的油嘴應使切削液一直保持液流平坦，使加工件各部分充分浴于液體內。油嘴形狀要按實際效果來調整，基本要求是使最需要冷卻和潤滑之處得到足夠的冷卻液。

(4)泡沫

水基切削液和凈切削油在使用中會發生泡沫過多的問題。泵速過大會造成液體湍流，或者油管阻力形成噴射會增大液體的泡沫。特別是水基切削液的泡沫性是其主要性能指標之一。不同性質的切削液相混(如凈切削油與乳化液相混)也會使泡沫增多。機床變更切削液前要洗凈油槽和循環路線。此外配制乳化液時要避免激烈攪拌和空氣攪拌。過度軟化的水和含堿的水會增加乳化液的泡沫。流體循環泵密封不嚴也會增大液體的泡沫。泡沫的危害使冷卻潤滑液失效和油槽容積的浪費。泡沫嚴重的冷卻液會造成機床、刀具和工件損壞。

(5)機床的密封

經常檢查機床的軸封(特別是用乳化液作為冷卻劑時)，防止切削液串入機床齒輪箱、床頭箱或其它密封的傳動機構內。乳化液如果進入礦物油潤滑系統將使機床磨損。含極壓劑的凈切削油串入機床傳動或液壓系統，危害較小。

2.3切削液的維護

大型機械加工車間常采用集中冷卻潤滑系統。這類循環系統的冷卻液不停地循環使用，油池壽命十分重要。延長油池壽命除了冷卻液的質量和合理使用外，冷卻液的維護也是重要的因素。冷卻液、切削液的維護工作主要包括以下幾項。

(1)確保液體循環路線的暢通

及時排除循環路線的金屬屑、金屬粉末、霉菌粘液、切削液本身的分解物、砂輪屑，以免造成堵塞。

(2)抑菌

削液(特別是乳液)抑菌生長的重要性是人所共知的。可采用定期投入殺菌劑和用超微過濾等手段抑制細菌的繁殖。

(3)切削液的凈化

污染切削液的物質主要是金屬粉末和砂礫細粉、飄浮油和游離水、微生物和繁殖物，特別是毛霉目真菌。

切削液內所含的固體粉末來源于加工件和刀具。這類固體不但易堵塞管路并有以下危害：(1)懸浮于冷卻液內的粒子損壞泵的密封，增大刀具磨損，損害人的皮膚，影響加工質量；(2)固體沉淀在油池底部，與有機物聚結，形成一層有大量氣孔的沉淀層，為微生物繁殖提供了有利條件，而霉菌的細絲更穩定了沉淀的固體；(3)切削液中的金屬粉末具有很高的化學活性，可使切削液中的某些成分失效。菌污染使切削液酸敗分解，霉菌的繁殖產生粘稠物，導致管路和噴嘴堵塞。

飄浮油是指機床傳動和液壓系統用油因機床密封不嚴漏入切削液系統的油。飄浮油的危害是使切削液系統的某些材料膨脹變形，干擾了乳化液的乳化平衡，使乳化液失去穩定性。而且飄浮油常浮于乳液油表層，阻擋了乳化液和空氣的接觸，導致乳化液缺氧，使厭氧菌快速繁殖，加速乳化液的腐敗變質。

切削液被上述三類物質污染后，如采取分別去除污染的方法，手續十分繁瑣。近年來開發了超細過濾方法，可除去固、液和大部分菌類污染物。但被超細過濾的切削液只限于含油少的微乳液或合成液，其成分在低濃度時不會構成膠束或其它凝聚物。

有一種循環再生系統可把上述三類污染物在一個整體系統內清除。這種系統包括多種設備，分別用來除去不同的污物。例如用撇油輪除去表面飄浮油；用高速離心機或紙質過濾器除去金屬粉末和泥砂；用高壓巴氏殺菌器滅菌。這類整體的冷卻劑再生系統如圖所示。整體的冷卻劑再生系統