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(fā)展。由于鋁加工業(yè)的比例增加，鋁加工油品種和產(chǎn)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(xué)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(jù)每類的化學(xué)組成、應(yīng)用各分為8類和9類，共17類，該標(biāo)準(zhǔn)將目前眾多的金屬加工液的品種均可包含進(jìn)去，我國已等效采用了該標(biāo)準(zhǔn)，制定了GB7631.5。

金屬的機(jī)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(yè)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(yīng)力下塑性變形，如軋、拉拔、沖壓、擠壓等。一般習(xí)慣地把金屬去除作業(yè)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(yè)用潤滑劑。

（一）、金屬切削液的選用（技術(shù)切削設(shè)備的潤滑見機(jī)床的潤滑特點(diǎn)）

大部分金屬切削需要使用切削液，甚至在可以正常進(jìn)行干切削的作業(yè)，如果選用適當(dāng)?shù)睦鋮s潤滑劑也可增加工效。早在1883年，F(xiàn).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(xué)溶液(真溶液及膠體溶液)。

2類與3類之間的基本區(qū)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(xué)溶液與溶解油的乳液之間的中間狀態(tài)，其粒度分布介于上述兩等級(jí)之間。這種劃分原則基本上是一個(gè)理論性的區(qū)分，因?yàn)閺牡湫偷牡V物油到不含油的化學(xué)溶液之間，可能存在著無限度的等級(jí)。

近年來，金屬切削液的發(fā)展和變化主要是在水溶性液體領(lǐng)域(2、3類)。由于這類液體以水為基質(zhì)，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(gè)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(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性、可濾性、泡沫性等問題。這些問題對(duì)切削液在機(jī)床應(yīng)用時(shí)的“油池壽命(SumpLife)”至關(guān)重要。合理選擇、應(yīng)用、監(jiān)控和維護(hù)，對(duì)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(jù)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(xí)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(shí)稱為溶解油。根據(jù)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(jī)物為主要潤滑劑。

(4)化學(xué)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(dāng)也有相當(dāng)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(fù)荷切削的乳化液要含極壓添加劑。合成液是乳化液的補(bǔ)充產(chǎn)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(qiáng)而導(dǎo)致?lián)p傷操作人員的皮膚和機(jī)床涂層。化學(xué)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(yīng)能防止接觸區(qū)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(duì)機(jī)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(huì)產(chǎn)生暗色斑痕。水基切削液的成分比較復(fù)雜，這是因?yàn)橐櫦叭榛到y(tǒng)的穩(wěn)定，既要考慮諸成分的HLB值，又要達(dá)到各項(xiàng)性能的平衡。由于切削液以水為基質(zhì)，還應(yīng)考慮諸成分的水溶性或在水中分散的性質(zhì)。

選擇切削液前應(yīng)充分了解下列情況。

1.1加工材料的性質(zhì)

被加工的材料物理化學(xué)性質(zhì)各異，反映在切削操作上就會(huì)有切削的難易和與切削液相容性等新問題。對(duì)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(zhì)軟，切割易粘切具。乳化液如堿性強(qiáng)，與鋁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，造成乳液分層。應(yīng)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(shí)產(chǎn)生大量細(xì)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(shè)備。

青銅：剪切前產(chǎn)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(shè)備。

銅：粘韌，切削時(shí)產(chǎn)生微細(xì)卷曲的屑，可使乳化液變成綠色，影響乳化液的穩(wěn)定，在活性硫作用下生污斑。如選用油劑要配備過濾設(shè)備。

可鍛鑄鐵：切削時(shí)產(chǎn)生大量微細(xì)的具有化學(xué)活性的磨蝕性屑。這些活性細(xì)屑好似過濾介質(zhì)，削弱了乳化液的活性，而且可生成鐵皂，使乳化液變?yōu)榧t褐色，乳化液的穩(wěn)定性變劣。如使用油劑，必須用離心機(jī)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(wěn)定。如使用油劑，對(duì)油劑有稠化傾向，要防止使用含大量脂肪的油劑。

鎂：切削時(shí)產(chǎn)生細(xì)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(shí)局部產(chǎn)生高熱，切屑可能燒結(jié)。可選用重負(fù)荷乳化液或非活性硫化油。

鈦：產(chǎn)生磨蝕性、可燃的切削，易發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，應(yīng)用重負(fù)荷乳化油或極壓油劑。

鋅：切削面不規(guī)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(yīng)選專用乳化液。

1.2加工工況

刀具的作用是在主剪切區(qū)域把加工材料用強(qiáng)剪切力切除剝落。刀具的推進(jìn)面和暴露的新鮮金屬面之間，由于強(qiáng)烈的附著作用使推進(jìn)面受到高的應(yīng)力。因切割剝落的屑要移過刀具推進(jìn)面，從而形成了第二剪切區(qū)域。在第二剪切區(qū)域產(chǎn)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(shí)同樣重要。但屬于金屬去除的機(jī)械加工種類很多，又各有其獨(dú)特的工況。一般認(rèn)為，在低速加工(螺紋切削、擴(kuò)孔和齒面切削)時(shí)，切削潤滑劑的主要任務(wù)是縮小推進(jìn)面與屑的粘結(jié)，作為邊界潤滑劑。在高速切削加工時(shí)，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(dá)剪切區(qū)域的加工作業(yè)，給潤滑、冷卻造成很大的困難。通常對(duì)擴(kuò)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(diǎn)

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(xué)溶液。籠統(tǒng)地說，低速重負(fù)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(fù)荷切削。一般的研磨加工，有時(shí)潤滑反而有害，故可使用合成液或化學(xué)溶液。加工材料、刀具材質(zhì)、機(jī)床構(gòu)造也是確定選用油基液或水基液的重要依據(jù)。

2使用和維護(hù)

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(shí)要注意以下幾個(gè)方面。

2.1.1水質(zhì)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(huì)使陰離子表面活性劑失效，乳液分解，出現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)生大量泡沫。

配制乳化液的水的適宜硬度應(yīng)為50~200。可用去離子水和未經(jīng)處理的工業(yè)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(dāng)?shù)氐乃髡{(diào)配試驗(yàn)。一般禁止使用處理后的污水、含化學(xué)物質(zhì)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(qū)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(jīng)試驗(yàn)確定。要防止軟水后水的pH值過高。軟水劑使用過度會(huì)破壞乳化液的穩(wěn)定。

2.1.2稀釋

切削液的稀釋關(guān)系到乳化液的穩(wěn)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(nèi)，然后在低速攪拌下加入切削液原液。配制乳化液時(shí)，原液的加入速度以不出現(xiàn)未乳化原液為準(zhǔn)。切削液原液和水的加入程序不能顛倒。不要在機(jī)床的油池(槽)內(nèi)直接調(diào)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(diào)配稀釋。但以下諸因素亦值得重視。

(1)循環(huán)液體總量

機(jī)加工過程中循環(huán)使用的切削液因飛濺、霧化、蒸發(fā)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(jī)床油槽原有切削液的體積，每月需補(bǔ)加切削液量，以原有體積倍數(shù)表示。例如，一個(gè)切削液循環(huán)系統(tǒng)的a=1，是指一個(gè)V為20m↑3液體循環(huán)系統(tǒng)，每月需補(bǔ)充稀釋后的切削液(或油)20m↑3。歐洲汽車工業(yè)機(jī)加工的a值為1~1.5。個(gè)別切削液循環(huán)系統(tǒng)可低至0.25，即原來投入的切削液，假設(shè)不進(jìn)行補(bǔ)充，4個(gè)月就會(huì)被攜帶完，也有高達(dá)a=4的。

攜帶值a與加工材料的形狀關(guān)系很大。攜帶值a無疑與機(jī)加工費(fèi)用相關(guān)。但攜帶值太小會(huì)增大切削液的維護(hù)費(fèi)用。每立方米冷卻劑一年的總費(fèi)用K為：

K=k1+k2+k3（元/m3·年）

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

冷卻液的逐漸消耗，使循環(huán)系統(tǒng)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(huì)影響加工件的精度，并使刀具硬度下降。切削液溫度升高會(huì)加劇液體的霧化和蒸發(fā)，污染車間環(huán)境，進(jìn)而增大液體消耗，形成惡性循環(huán)。通常機(jī)床的液槽(油槽)如處于半滿狀態(tài)就不能發(fā)揮液體的應(yīng)有功效，而且液體易變質(zhì)。

當(dāng)使用油劑切削液(凈切削油)的溫度過高，危害更為嚴(yán)重。凈切削油的冷卻能力較低，且多用在那些難加工、發(fā)熱量大的切削中。油槽內(nèi)凈切削油超溫不但具有前述危害，還可能導(dǎo)致添加劑分解(分解可能產(chǎn)生有害物質(zhì))，損壞機(jī)床、加工材料和刀具，惡化環(huán)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(jī)加工，產(chǎn)生的熱量大。這時(shí)油槽應(yīng)增多充油量，以增加熱容量。

(2)切削液的流量

一般的機(jī)加工應(yīng)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(huán)系數(shù)f表示。定義是每小時(shí)循環(huán)量為總?cè)萘康谋稊?shù)。切削液循環(huán)系統(tǒng)的溫度、泡沫、污染物含量對(duì)f都有影響。

(3)油嘴形狀

油嘴的形狀應(yīng)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(yīng)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(nèi)。油嘴形狀要按實(shí)際效果來調(diào)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(huì)發(fā)生泡沫過多的問題。泵速過大會(huì)造成液體湍流，或者油管阻力形成噴射會(huì)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(biāo)之一。不同性質(zhì)的切削液相混(如凈切削油與乳化液相混)也會(huì)使泡沫增多。機(jī)床變更切削液前要洗凈油槽和循環(huán)路線。此外配制乳化液時(shí)要避免激烈攪拌和空氣攪拌。過度軟化的水和含堿的水會(huì)增加乳化液的泡沫。流體循環(huán)泵密封不嚴(yán)也會(huì)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(fèi)。泡沫嚴(yán)重的冷卻液會(huì)造成機(jī)床、刀具和工件損壞。

(5)機(jī)床的密封

經(jīng)常檢查機(jī)床的軸封(特別是用乳化液作為冷卻劑時(shí))，防止切削液串入機(jī)床齒輪箱、床頭箱或其它密封的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)。乳化液如果進(jìn)入礦物油潤滑系統(tǒng)將使機(jī)床磨損。含極壓劑的凈切削油串入機(jī)床傳動(dòng)或液壓系統(tǒng)，危害較小。

2.3切削液的維護(hù)

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

(1)確保液體循環(huán)路線的暢通

及時(shí)排除循環(huán)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(xì)菌的繁殖。

(3)切削液的凈化

污染切削液的物質(zhì)主要是金屬粉末和砂礫細(xì)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(nèi)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(nèi)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(zhì)量；(2)固體沉淀在油池底部，與有機(jī)物聚結(jié)，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(xì)絲更穩(wěn)定了沉淀的固體；(3)切削液中的金屬粉末具有很高的化學(xué)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(chǎn)生粘稠物，導(dǎo)致管路和噴嘴堵塞。

飄浮油是指機(jī)床傳動(dòng)和液壓系統(tǒng)用油因機(jī)床密封不嚴(yán)漏入切削液系統(tǒng)的油。飄浮油的危害是使切削液系統(tǒng)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(wěn)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(dǎo)致乳化液缺氧，使厭氧菌快速繁殖，加速乳化液的腐敗變質(zhì)。

切削液被上述三類物質(zhì)污染后，如采取分別去除污染的方法，手續(xù)十分繁瑣。近年來開發(fā)了超細(xì)過濾方法，可除去固、液和大部分菌類污染物。但被超細(xì)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(shí)不會(huì)構(gòu)成膠束或其它凝聚物。

有一種循環(huán)再生系統(tǒng)可把上述三類污染物在一個(gè)整體系統(tǒng)內(nèi)清除。這種系統(tǒng)包括多種設(shè)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(jī)或紙質(zhì)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(tǒng)如圖所示。整體的冷卻劑再生系統(tǒng)