切削液資料.doc

在切削加工中，合理使用切削液，可以改善切屑、工件與刀具間的摩擦狀況，降低切削力和切削溫度，延長刀具使用壽命，并能減小工件熱變形，抑制積屑瘤和鱗刺的生長，從而提高加工精度和減小已加工表面粗糙度。所以，對切削液的研究和應用應當予以重視。 l 切削液的分類 金屬切削加工中常用的切削液可分為三大類：水溶液、乳化液、切削油。 1.水溶液 水溶液的主要成分是水，它的冷卻性能好，若配成液呈透明狀，則便于操作者觀察。但是單純的水容易使金屬生銹，且潤滑性能欠佳。因此，經常在水溶液中加入一定的添加劑，使其既能保持冷卻性能又有良好的防銹性能和一定的潤滑性能。 2.乳化液 乳化液是將乳化油用水稀釋而成。乳化油是由礦物油、乳化劑及添加劑配成，用9598水稀釋后即成為乳白色或半透明狀的乳化液。它具有良好的冷卻作用，但因為含水量大，所以潤滑、防銹性能均較差。為了提高其潤滑性能和防銹性能，可再加入一定量的油性、極壓添加劑和防銹添加劑，配制成極壓乳化液或防銹乳化液。 3.切削油 切削油的主要成分是礦物油，少數采用動植物油或復合油。純礦物油不能在摩擦界面上形成堅固的潤滑膜，潤滑效果一般。在實際使用中常常加入油性添加劑、極壓添加劑和防銹添加劑以提高其潤滑和防銹性能。 動植物油有良好的“油性”，適于低速精加工，但是它們容易變質，因此最好不用或少用，而應盡量采用其他代用品，如含硫、氯等極壓添加劑的礦物油。 、切削液的冷卻作用 切削液能夠降低切削溫度，從而可以提高刀具使用壽命和加工質量。在刀具材料的耐熱性較差、工件材料的熱膨脹系數較大以及兩者的導熱性較差的情況下，切削液的冷卻作用顯得更為重要。 切削液冷卻性能的好壞，取決于它的導熱系數、比熱容、汽化熱、汽化速度、流量、流速等。一般地說，水溶液的冷卻性能最好，油類最差(表81)，乳化液介于兩者之間而接近于水。 二、切削液的潤滑作用 金屬切削時切屑、工件與刀具間的摩擦可分為干摩擦、流體潤滑摩擦和邊界潤滑摩擦三類。真正的干摩擦只發(fā)生在絕對清潔的摩擦表面間，這時摩擦系數很大。如在真空中兩金屬表面間的摩擦系數可達10100，而摩擦力的大小取決于金屬的抗剪強度。在大氣中進行金屬切削(即干切削)時，雖然剛剛產生的刀屑摩擦表面是十分清潔的，但是和空氣接觸后迅速氧化(時間約為百分之一秒到幾千分之一秒)4，形成氧化膜而降低了磨擦系數(一般在l以下)。采用切削液以后，其潤滑作用又有所提高，可進一步降低摩擦系數，使切削過程進行得更順利。 切削液的潤滑作用，只是在切屑、工件與刀具界面間存在油膜形成流體潤滑摩擦時，才能得到比較好的效果。但在很多情況下；當切屑、工件與刀具界面間承受的載荷增加，溫度升高，油膜的厚度便要減薄。如載荷與溫度繼續(xù)增加，則油膜厚度進一步減薄，一直到相當于金屬表面的凹凸不平度時，流體油膜便部分地被破壞，而由凸起的金屬峰尖直接接觸(圖81)，起不到良好的流體潤滑作用。但是由于潤滑液的滲透和吸附作用，部分接觸面仍存在著潤滑液的吸附膜，起到減小摩擦系數的作用，這種狀態(tài)就稱之為邊界潤滑摩擦。邊界潤滑時的摩擦系數值大于流體潤滑，但小于干切削。 在金屬切削加工中，大多屬于邊界潤滑。邊界潤滑一般分為低溫低壓邊界潤滑、高溫邊界潤滑、高壓邊界潤滑和高溫高壓邊界潤滑四種。 一般的切削油在200左右即失去其潤滑能力，因此只適用于低溫低壓邊界潤滑摩擦。而在某些切削條件下，切屑、刀具界面間可達到6001000左右的高溫和1.52.0gpa(150200kgfmm2)的高壓11，這就形成了高溫高壓邊界潤滑，或稱極壓潤滑。 邊界潤滑的摩擦力ff可用下式表示： ffarm1十(1m)2 (81) 式中 ar真正的接觸面積； m發(fā)生金屬接觸的面積在真正接觸面積中所占的比例； l較軟一方金屬的抗剪強度； 2潤滑膜的抗剪強度。 如果切削液的極壓性能良好，潤滑膜布滿金屬表面，金屬接觸的面積很小或接近于零(即m0)；則潤滑情況接近于流體潤滑，其摩擦力為 ff=ar2 (82) 如果不用切削液，也不考慮產生氧化膜等因素，則形成干摩擦，此時m1，摩擦力為 ffarl (83) 在流體潤滑中，潤滑液的承載能力，隨潤滑液的粘度增加而增加。而在邊界潤滑中，由于不存在完全的油膜，其承載能力已與油的粘度無關，而取決于潤滑液中的“油性”。所謂“油性”，是指在動植物油脂中，包含著對金屬有強烈吸附性的原子團，能在切屑、工件與刀具界面間形成物理吸附膜，即潤滑膜。在一般金屬的低速精加工切削時，主要是添加動植物油脂的油性添加劑(或直接采用動植物油)。但是，大多數難切削金屬的加工，屬于極壓潤滑狀態(tài)，此時油性添加劑在金屬摩擦表面所形成的潤滑膜，也將被高溫高壓所破壞，這就必須依靠極壓添加劑(詳見下節(jié))形成另一種性質的潤滑膜。這層潤滑膜是極壓添加劑在高溫高壓下，進入切屑、工件與刀具界面間，和金屬發(fā)生化學反應所生成的氯化鐵、硫化鐵等化學吸附膜，使邊界潤滑層具有較好的潤滑性。 由上述分析可知：大多數的金屬切削過程是在邊界潤滑摩擦條件下進行的，采用恰當的能適應這樣摩擦狀態(tài)的切削液，就有可能改善切削過程的摩擦條件，達到提高切削效果的目的。 三、切削液的清洗作用 當金屬切削中產生碎屑(如切鑄鐵)或粉屑(如磨削)時，要求切削液具有良好的清洗作用。清洗性能的好壞，與切削濃的滲透性、流動性和使用的壓力有關。為了增強切削液的滲透性、流動性，往往加入劑量較大的表面活性劑和少量礦物油，用大的稀釋比(水占9598左右)制成乳化液或水溶液；可以大大提高其清洗效果。為了提高其沖刷能力，及時沖走碎屑及粉屑，在使用中往往給予一定的壓力，并保持足夠的流量。 四、切削液的防銹作用 為了減小工件、機床、刀具受周圍介質(空氣、水分等)的腐蝕，要求切削液具有一定的防銹作用。防銹作用的好壞，取決于切削液本身的性能和加入的防銹添加劑的作用。在氣候潮濕地區(qū)，對防銹作用的要求顯得更為突出。 除以上四個方面以外，對切削液還有價廉、配制方便、性能穩(wěn)定、不污染環(huán)境和對人體無害等要求。任何一種切削液，都難以全面滿足各項要求，只能根據具體條件適當選定品種，發(fā)揮其某些主要方面的作用。為了改善切削液的性能所加入的化學物質，稱為添加劑。常見的有油性和極壓添加劑、防銹添加劑、防霉添加劑、抗泡沫添加劑以及乳化劑等(詳見表82)。 一、油性添加劑和極壓添加劑 油性添加劑主要應用于低壓低溫邊界潤滑狀態(tài)，它在金屬切削過程中主要起滲透和潤滑作用，降低油與金屬的界面張力，使切削油很快滲透到切削區(qū)，在一定的切削溫度作用下進一步形成物理吸附膜，減小前刀面與切屑、后刀面與工件之間的摩擦。 在極壓潤滑狀態(tài)下，切削液中必須添加極壓添加劑來維持潤滑膜強度。常用的極壓添加劑是含硫、磷、氯、碘等的有機化合物，這些化合物在高溫下與金屬表面起化學反應，生成化學吸附膜，它比物理吸附膜的熔點高得多，可防止極壓潤滑狀態(tài)下金屬摩擦界面直接接觸，減小摩擦，保持潤滑作用。常用極壓添加劑如下： (1)含硫的極壓添加劑：在切削液中引入硫元素有兩種方式，一是用元素硫直接硫化的礦物油，叫硫化切削油；二是在礦物油中加入含硫的添加劑，如硫化動植物油、硫化烯烴和硫、氯化動植物油等，制成極壓切削油。硫化切削油對銅及銅合金有腐蝕作用，加工時氣味大，已逐漸被極壓切削油所代替。含硫的極壓切削油在金屬切削過程中和金屬起化學反應，生成硫化鐵。硫化鐵沒有像氯化鐵那樣的層狀結構，比氯化鐵摩擦系數大，但熔點高(硫化鐵熔點1193，二硫化鐵熔點117l)，硫化膜在高溫下不易破壞，故切削鋼件時，能在1000左右的高溫下，仍保持其潤滑性能。 (2)含氯的極壓添加劑：常用的含氯極壓添加劑有氯化石蠟(氯含量為4050)、氯化脂肪酸或酯類等。氯的化學性能活潑，在200300時即能與金屬表面起化學反應。氯化物的摩擦系數低于硫化物，故含氯極壓添加劑具有優(yōu)良的潤滑性能，含氯極壓添加劑的切削液約可耐600的高溫，特別適合于切削合金鋼、高強度鋼、鉬以及其他難切削材料。氯化石蠟等有腐蝕性，必須與油溶性防銹添加劑一起使用。有的資料30認為含氯添加劑的重點應放在四氯化碳這一類高揮發(fā)性的添加劑，因為它能滲入切屑、工件與刀具界面間的微裂縫中，同時又能防止冷焊磨損的發(fā)生。但因四氯化碳會揮發(fā)出有害氣體，所以國內很少采用。 (3)含磷的極壓添加劑：在切削液中，常用的含磷添加劑是有機磷酸酯或硫代磷酸鋅。這類添加劑有中等的極壓性能，與鋼鐵接觸即被吸附，并起化學反應，生成磷酸鐵化學潤滑膜，降低摩擦、減小磨損的效果比含硫、含氯的極壓添加劑更為良好。 為了得到效果較好的切削液，往往在一種切削液中加入上述的兩種或三種添加劑，復合使用，以便切削液迅速進入高溫切削區(qū)，形成牢固的化學潤滑膜。 二、防銹添加劑 為了使機床、刀具、工件不受腐蝕，要在切削液中加入防銹添加劑。它是一種極性很強的化合物，與金屬表面有很強的附著力，在金屬表面上優(yōu)先吸附形成保護膜，或與金屬表面化合形成鈍化膜，保護金屬表面不與腐蝕介質接觸，因而起到防銹作用。常用的防銹添加劑，可分為水溶性和油溶性兩大類： (1)水溶性防銹添加劑：水溶性防銹添加劑的品種很多，其中以亞硝酸鈉在乳化液和水溶液中的應用較為廣泛。亞硝酸鈉基本上沒有潤滑性能，在堿性介質中對鋼鐵有防銹作用，用量一般控制在0.25左右，濃度再高則對操作者皮膚有害。亞硝酸鈉的防銹作用，對有色金屬(如銅、鋁及其合金等)無效，甚至起腐蝕作用。加工銅的乳化液或水溶液，宜用苯駢三氮唑為防銹添加劑，加入0.010.1即見效果。應當注意，水溶性防銹添加劑用于乳化液時，用量不宜過大，因為它們大多是電解質，用量過大會破壞乳化液，致使油水分離。 (2)油溶性防銹添加劑：油溶性防銹添加劑主要應用于防銹乳化液，也有用于切削油的。在使用過程中，常常將各種具有不同特點的防銹劑復合使用，以達到綜合防銹的良好效果。如添加氧化石油酯及其皂類，能提高耐大氣腐蝕性能；添加胺類，能提高油脂的抗氧化性，中和酸性物質，添加羊毛脂及其皂類，能提高吸附性。 三、防霉添加劑 乳化液長期使用以后，容易變質發(fā)臭，這是由于細菌繁殖的結果。只要加入萬分之幾的防霉添加劑，即可起到殺菌和抑制細菌繁殖的效果。但防霉添加劑會引起操作者皮膚起紅斑、發(fā)癢等，所以一般不用。 四、抗泡沫添加劑 切削液中一般都加入防銹添加劑、乳化劑等表面活性劑，這些物質增加了混入空氣而形成泡沫的可能性。如果泡沫過多，會降低切削液的效果。若加入百萬分之幾的抗泡沫添加劑(如二甲基硅油)，可以有效地防止形成泡沫。在高速強力磨削時，由于會產生比較多的泡沫，所以必須在磨削液中添加適量的抗泡沫劑，并作消泡試驗。 五、乳 化 劑 乳化液是使礦物油和水乳化形成穩(wěn)定乳化液的關鍵性物質。它能吸附在油水界面上形成堅固的吸附膜，使油很均勻地分散在水中，形成穩(wěn)定的乳化液。 (1)乳化液形成的機理(表面活性劑的作用)：油水本來是互不相溶的，經過高速攪拌也能形成分散體，但靜置后不久還會分離。若加入表面活性劑后，再加攪拌混合，油就會以微小的顆粒分散在水中，形成穩(wěn)定的乳化液，即使靜置也難分離。這是因為表面活性劑是一種有機化合物，它的分子是由極性基團和非極性基團兩個部分組成助。極性基因是親水的，叫做親水基團，可溶于水；非極性基團是親油的，叫做親油基團或憎水出由，可溶于油。 加入油和水中的表面活性劑能定向地排列吸附在油水兩相界面上，極性端朝水，非極性端朝油，把油和水連接起來，降低油水的界面張力，使油以微小的顆粒穩(wěn)定地分散在水中，形成穩(wěn)定的水包油(0w)乳化液，如圖82所示。這時水為連續(xù)相，稱為分散介質或外相；油為不連續(xù)相，稱為分散相或內相。反之就是油包水(wo)的乳化液，如圖83所示。在金屬切削加工中應用的是水包油(ow)的乳化液。 表面活性劑在乳化液中，除了起乳化作用外，還能吸附在金屬表面上形成潤滑膜，起油性添加劑的潤滑作用。 (2)表面活性劑的種類：表面活性劑的種類和牌號很多，但按其性質和分子結構，大體可分為四類：陰離子型、陽離子型、兩性離子型和非離子型。在配制乳化液時，應用最廣泛的是陰離子型和非離子型的表面活性劑(詳見表82)。 陰離子型表面活性劑的特點是乳化性能好，并有一定的清洗和潤滑性能，有的還有定的防銹性能，但抗硬水能力差，易起泡沫。 非離子型表面活性劑在乳化液和水溶液中不產生離子，所以不怕硬水，也不受ph值(酸堿值的大小)的限制，而且分子中的親水、親油基可根據需要加以調節(jié)。 (3)乳化穩(wěn)定劑：乳化液中加入穩(wěn)定劑的作用有兩個方面：一是使乳化油中的皂類借穩(wěn)定劑的加溶作用與其他添加劑充分互溶，以改善乳化油及乳化液的穩(wěn)定性；二是擴大表面活性劑的乳化范圍，提高穩(wěn)定性。但是，在使用乳化穩(wěn)定劑低分子醇時，應特別注意，因它同時又是破乳劑，如用量過大會造成油水分層。應當根據工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求，選用不同的切削液。如選擇不當，就得不到應有效果。常用切削液的配方及其選用可參考附錄8。 高速鋼刀具粗加工時，應選用以冷卻作用為主的切削液，主要目的是降低切削溫度；硬質合金刀具粗加工時可以不用切削液，必要時也可以來用低濃度的乳化液或水溶液，但必須連續(xù)地、充分地澆注。精加工切削時（包括鉸削、拉削、螺紋加工、剃齒等），應選用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液。硬質合金刀具精加工時采用的切削液與粗加工時基本相同，但應適當注意提高其潤滑性能。切削高強度鋼和高溫合金等難加工材料，對切削液的冷卻、潤滑作用都有較高的要求，此時應盡可能采用極壓切削