切削液(cutting fluid, coolant)是一种用在金属切削、磨加工过程中,用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配合而成,同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。

克服了传统皂基乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病,对车床漆也无不良影响,适用于黑色金属的切削及磨加工,属当前最领先的磨削产品。 切削液各项指标均优于皂化油,它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点,并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等特点。

 历史  

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2~4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2~5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。

1945年在美国研制出第一种无油合成切削液,全球一款全合成金属切削液由Cimcool辛辛那提铣床公司(后更名为辛辛那提—米拉克龙)率先研制成功,并且以独特的粉红色来标记该产品,CIMCOOL 是革命性的。在其诞生的1945年,切削液只有纯油和像牛奶一样的乳化液可选。 

CIMCOOL由于是水基产品,其冷却性能是纯油的2倍,与油不一样的,它没有烟雾、不会有火灾隐患,加工后的部件清洁。与乳化液相似,CIMCOOL保持了出色的冷却性能,借助独特的化学合成润滑剂,其润滑性得以发展,允许更高的切削速度并改善了刀具寿命。CIMCOOL对细菌攻击显示出较高的抵抗能力,它的透明性能对于工业来说乐于接受。CIMCOOL是金属加工液体科技领域向前迈出的意味深长的一步,其它公司纷纷转而研发化学金属加工液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。

 分类  

水基的切削液可分为乳化液、半合成切削液和全合成切削液。

乳化液、半合成以及全合成的分类通常取决于产品中基础油的类别:乳化液是仅以矿物油作为基础油的水溶性切削液;半合成切削液是既含有矿物油又含有化学合成基础油的水溶性切削液;全合成切削液则是仅使用化学合成基础油(即不含矿物油)的水溶性切削液。

每一种类型的切削液都会含有除基础油以外的各种添加剂:防锈剂、有色金属腐蚀钝化剂、消泡剂等。有些厂家会有微乳液的分类;通常认为是介于乳化液和半合成切削液之间的类别。

乳化液的稀释液在外观上呈乳白色;半合成液的稀释液通常呈半透明状,也有一些产品偏乳白色;全合成液的稀释液通常完全透明如水或略带某种颜色。

 作用  

润滑

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。

冷却

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。

清洗

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,保持界面清洁。

防锈

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。

其它

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。

 检测项目  

切削油的质量检测有哪些项目?

切削油的主要质量控制指标有粘度、闪点、倾点、脂肪含量、硫含量、氯含量、铜片腐蚀、水分、机械杂质、四球试验等。关于测定方法可参考有关的试验方法标准,在此仅对部分项目给予简单说明。

 脂肪含量  

脂肪是切削油中的油性添加剂,是划分切削油类别的一个重要指标。脂肪在切削油中可起到降低摩擦系数、减少刀具磨损的作用(对防止后刀面的磨损尤为有效)。加有较多脂肪的切削油特别适合于有色金属加工以及切削量不大但产品精度及光洁度要求高的场合(如精车丝杠)。一般可用皂化值来大致判定其脂肪含量。切削油中脂肪含量过高或其质量控制不当,容易在机器上形成粘性物质造成机件运动不灵活,严重时会变成漆膜即所谓“穿黄袍”。

 氯含量  

切削油中氯主要来自含氯的极压剂。氯需要在较高含量(大于1%)时,方可显现出有效的极压作用。如果氯含量不足1%,可以认为它不是为了提高润滑性。一般含氯极压切削油其氯含量都在4%以上,最高时可达30%~40%。但出于职业卫生及环保方面的考虑,有些国家已对切削油中氯的最高含量做了规定,如日本的JIS规定氯含量不得超过15%。氯对不锈钢的加工以及在拉拔成型加工中都非常有效。其缺点是不够稳定,遇水或温度过高时会分解产生HCl引起腐蚀、生锈。

 硫含量  

切削油中硫来自两个方面。一个是加入的含硫极压剂,另一个是来自其他没有极压作用的含硫化合物,如基础油中原有的天然硫化物以及防锈剂、抗氧剂等。有效的硫只需很低含量(0.1%)即可产生明显的极压效果。含硫极压剂对抑制积屑瘤特别有效,没有简单的方法能分别测出有极压性的硫和没有极压性的硫。所以很难仅仅依据其硫含量(特别是硫含量不高时)判断其极压性如何。不过多数切削液制造厂家在其产品说明书中都标明加入的极压剂硫含量。

 铜片腐蚀  

测定的方法是铜片法。腐蚀活性的大小用级数表示,1~2级为低活性或非活性,3~4级为高活性。级数越大,腐蚀活性越强。铜对硫很敏感,用此法可以判断切削油中有没有含硫极压剂和极压剂的活性大小(注意:此法不能判断含硫剂的多少)。此项目也是划分切削油类别的一个重要指标。

 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,不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、槽沟麻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。润滑性欠佳将引起机床活动部件的粘着和磨损,而且,化学合成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:

⊙ 对油基切削液潜在发生火灾危险的场所;

⊙ 高速和大进给量的切削,使切削区超于高温,冒烟激烈,有火灾危险的场合;

⊙ 从前后工序的流程上考虑,要求使用水基切削液的场合;

⊙ 希望减轻由于油的飞溅护油雾和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。

 选用  

工具钢

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。

高速钢

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时,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。

硬质合金

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。

陶瓷

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。

金刚石

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

 维护  

切削液要满足冷却、润滑、清洗、防锈四个目的,因此从这四方面着手。

1.冷却高水基切削液在常规使用状态时的含水量95%以上,磨削时含水量在97%以上;

2.润滑水溶性润滑剂(聚乙烯醇、甘油)。

3.清洗在切削液中采用非离子性表面活性剂(如平平加、太古油)和阴离子表面活性剂(烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠)进行复配,能起到显着降低切削液表面张力的作用,达到清洗的目的。

4.防锈水溶性防锈剂品种较多,通常分为有机防锈剂与无机防锈剂两类。一般采用钼酸钠(0.05%)替代亚硝酸钠,以减少污染;和有机防锈剂(硼胺)复合使用,达到很好的防锈效果。

切削液的维护工作主要包括以下几项:

1确保液体循环路线的畅通

防止杂油、杂物,特别是食物或布料等混入供液系统,及时排除循环路线的金属屑、金属粉末、霉菌粘液、切削液本身的分解物、砂轮屑,以免造成堵塞。

2抑菌

切削液 ( 特别是乳液 ) 抑菌生长的重要性是人所共知的。可采用定期投入杀菌剂和用超微过滤等手段抑制细菌的繁殖。

3切削液的净化

污染切削液的物质主要是金属粉末和砂砾细粉、飘浮油和游离水、微生物和繁殖物,特别是毛霉目真菌。浮油是厌氧菌滋生的温床,如不及时除去,切削液将很快发臭。

4.调整浓度

每天用折光仪检测切削液的浓度,并及时调整,正确的浓度可以保证切削液的稳定性。

切削液内所含的固体粉末来源于加工件和刀具。这类固体不但易堵塞管路并有以下危害

飘浮油是指机床传动和液压系统用油因机床密封不严漏入切削液系统的油。飘浮油的危害是使切削液系统的某些材料膨胀变形,干扰了乳化液的乳化平衡,使乳化液失去稳定性。而且飘浮油常浮于乳液油表层,阻挡了乳化液和空气的接触,导致乳化液缺氧,使厌氧菌快速繁殖,加速乳化液的腐败变质。

切削液被上述三类物质污染后,如采取分别去除污染的方法,手续十分繁琐。开发了超细过滤方法,可除去固、液和大部分菌类污染物。但被超细过滤的切削液只限于含油少的微乳液或合成液,其成分在低浓度时不会构成胶束或其它凝聚物。

 性能评定  

要选择一个标准来判定切削液性能优劣是比较困难的,而根据这个标准建立一个评价切削液效率的试验过程同样是一件难事。这个问题从实验室转移到工厂中会更复杂,但也可通过下述方法对切削液的性能作出评价。

 刀具寿命  

采用刀具寿命评价切削液性能时,存在的主要问题是试验结果与工厂所测数据间的相关性常常很差。因为对直刃刀具有效的 (......更多內容)

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