不同金屬切削條件下切削液的選擇

東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 (遼寧沈陽(yáng) 110004) 張樹(shù)軍 張立君 劉春城 張國(guó)斌 劉 悅

在機(jī)械切削加工中，使用數(shù)控機(jī)床切削時(shí)，按切削加工方法劃分，主要有車削、銑削、鉆削和鏜削等;按去除材料多少劃分，有粗加工、半精加工和精加工;按使用切削刀具材料劃分，有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等;按機(jī)床劃分，主要有明確要求使用油基切削液的機(jī)床、沒(méi)有要求的機(jī)床、單件小批量生產(chǎn)類型的機(jī)床以及成批生產(chǎn)或自動(dòng)生產(chǎn)線 (柔性制造系統(tǒng))等。

對(duì)于不同方式的切削加工，相同金屬的切除特性是不一樣的，加工難度的變化也是差別明顯。例如，同樣使用Q235碳素鋼材料，在保證表面粗糙度質(zhì)量指標(biāo)上，加工螺紋要難于切削其他表面;精加工要難于粗加工。較難的切削加工對(duì)切削液的要求也較高。正確使用切削液能夠有效保證加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具使用壽命以及提高加工效率。

1.粗加工

當(dāng)數(shù)控機(jī)床需要粗、精加工分開(kāi)或工件不在一臺(tái)機(jī)床完成時(shí)，就可以按粗、精加工的特性選擇切削液。粗加工時(shí)，背吃刀量和進(jìn)給量均較大，導(dǎo)致切削阻力大，因而產(chǎn)生大量的切削熱，傳給工件和刀具的熱量也相應(yīng)地增多，使得工件的熱變形和刀具的磨損加劇，應(yīng)該選擇以冷卻為主并具有一定潤(rùn)滑清洗和防銹作用的水基切削液，并且要大流量連續(xù)澆注。在車削等屬于連續(xù)加工或粗加工余量均勻時(shí)，切削熱是著重考慮的問(wèn)題，切削液的冷卻作用是首先衡量的指標(biāo)。

在銑削或加工形狀不規(guī)則、余量不均勻和斷續(xù)加工時(shí)，切削速度要比連續(xù)均勻加工低，切削熱的影響要比沖擊和振動(dòng)對(duì)刀具和工件的影響小，切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用要均衡考慮。機(jī)床條件允許時(shí)，在孔加工、切斷時(shí)可以使用帶內(nèi)部供液孔的內(nèi)孔車、鏜刀和切槽刀，或使用壓力供液，以及粗加工難加工材料時(shí)使用噴霧供液，均能起到較好效果。

粗加工的工件一般留有加工余量，同時(shí)，加工難加工材料和有色金屬材料時(shí)，表面粗糙度指標(biāo)要求不高，因此，加工難加工材料和有色金屬材料時(shí)，粗加工對(duì)切削液中的化學(xué)成分要求不高，可以使用水基極壓乳化液。

粗加工鑄鐵和脆性有色金屬時(shí)，這些材料切削時(shí)共同的特點(diǎn)是切屑呈崩碎狀，細(xì)小的切屑碎末在切削液的沖擊下呈流動(dòng)狀態(tài)，隨切削液循環(huán)時(shí)流經(jīng)切削液箱時(shí)大部分會(huì)沉積，一部分隨切削液流動(dòng)，聚集在切削液輸送管細(xì)小部位便會(huì)堵塞冷卻噴管，并使切屑粘附在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件 (如導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副)上。同時(shí)切削液與鑄鐵中某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致切削液變質(zhì)，引起切削液性能下降。由于使用切削液會(huì)帶來(lái)這些難題，一般不使用切削液。為了減少粉塵和切削熱的影響，條件具備時(shí)，可以考慮使用抽塵裝置，以吸走粉塵、細(xì)小切屑和一部分熱量。如果使用切削液，易使用水基切削液，并一定做好切削液過(guò)濾和凈化、防止切削液變質(zhì)和濃度下降的預(yù)防工作。粗加工時(shí)，與精加工相比，切削液的濃度要低一些。

2.精加工

精加工按切削速度劃分，有高速精加工和低速精加工之分。高速精加工時(shí)，使用油基切削液雖然能夠保證工件表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具使用壽命，但其所含的礦物油的粘度和閃點(diǎn)低，經(jīng)常產(chǎn)生油煙、油霧和油蒸氣，同時(shí)分解有毒成分，影響生產(chǎn)環(huán)境，損害操作者的身心健康。所以精加工高速切削時(shí)，盡可能地使用水基切削液中含極壓添加劑的乳化液或微乳化液，且其濃度要高于粗加工的濃度。低速精加工時(shí)，切削溫度低，不易產(chǎn)生上述問(wèn)題。為了保證工件的加工精度，宜使用油基切削液。

相對(duì)于粗加工而言，精加工時(shí)的切削速度高，切屑變形產(chǎn)生的切削熱比刀具后刀面摩擦產(chǎn)生的切削熱低，切削力小，即使高速切削，切削熱對(duì)工件的熱變形也沒(méi)有粗加工明顯，刀具之所以使用切削液主要是減少刀具后刀面的磨損。刀具在精加工時(shí)，相對(duì)切削速度較高，切屑從工件上切除的瞬間的溫度是很高的，即便使用切削液，若因切削液的滲透性不好或壓力不夠，切削液沒(méi)有充分滲透到切削區(qū)，會(huì)使刀具極易出現(xiàn)后刀面磨損，即使刀具仍然能夠使用，卻使工件表面粗糙度質(zhì)量達(dá)不到要求，仍然需要更換刀具。所以精加工時(shí)，一定要使用潤(rùn)滑效果顯著、滲透性好的切削液，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命，保證工件的加工精度和表面粗糙度質(zhì)量要求。

低速精加工黑色金屬材料時(shí)，可以選用活性極壓切削油;低速精加工有色金屬時(shí)，宜選用非活性極壓切削油;高速精加工有色金屬時(shí)，可以選用非活性極壓添加劑的乳化液。

3.孔加工

在數(shù)控加工中，孔加工主要指鉆孔、鉸孔、在車床上車削內(nèi)孔和在鏜床上鏜孔。由于排屑、散熱困難，刀具 (桿)剛性差，孔加工的切削速度要低于外輪廓加工，難度也要高于外輪廓加工。

鉆孔時(shí)使用一般的麻花鉆鉆孔，屬于粗加工，鉆削時(shí)排屑困難，不易散發(fā)切削熱，往往造成刀刃退火，影響鉆頭使用壽命及加工效率。選用性能好的切削液，可以使鉆頭的壽命顯著延長(zhǎng)，生產(chǎn)率也明顯提高。一般選用極壓乳化液或極壓合成切削液。極壓合成切削液表面張力低，滲透性好，能及時(shí)冷卻鉆頭，對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工效率十分有效。對(duì)于不銹鋼、耐熱合金等難切削材料，可選用低粘度的極壓切削油。

鉆孔時(shí)，無(wú)論是普通鉆孔還是深孔鉆孔，散熱條件差，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，切屑的排出方向與鉆頭的進(jìn)給方向相反，切削液需滲入鉆頭刃部才能潤(rùn)滑、冷卻和輔助排屑，切削液首先應(yīng)該具備良好的滲透性，并且供液方式、流量和壓力也要滿足要求。

在提高鉆頭壽命指標(biāo)上，油基切削液總體好于水基切削液，水基切削液中極壓微乳液最好，油基切削液中低粘度的活性硫化油是所有切削液中整體性能最好的。

由于鉸削屬于精加工中低速薄屑切削加工，鉸孔時(shí)，應(yīng)該著重考慮鉸孔的尺寸精度和表面粗糙度兩項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)以及鉸刀保持精度的使用壽命指標(biāo)。

在控制孔徑指標(biāo)上，油基切削液均使孔徑擴(kuò)大，礦物油使孔徑擴(kuò)大量較大，極壓切削油較小，活性硫化、氯化油最小;水基切削液使孔徑減小，含硫極壓微乳液、微乳液使孔徑減少最大，乳化液居中，合成切削液最小。鑒于此，為了控制鉸孔尺寸，使用新鉸刀時(shí)，使用水基切削液，使孔不易擴(kuò)大，當(dāng)鉸刀磨損至一定程度時(shí)，可以使用油基切削液，使孔徑稍微擴(kuò)大。

在降低鉸孔的表面粗糙度值這一指標(biāo)上，使用水基切削液要比使用油基切削液效果好。油基切削液中，活性硫化氯化油效果最好，然后依次是含氯極壓油、混合礦物油，純礦物油最差;水基切削液中，乳化液、微乳液和含硫極壓微乳液的效果基本相同，合成切削液最差。

在控制鉸刀使用壽命方面，油基切削液中的非活性極壓切削油和減摩切削油性能最好;水基切削液中，合成切削液最差。

除浮動(dòng)鏜刀外，車削內(nèi)孔與鏜削都屬于單刃切削，散熱條件比外圓差，切削液使用時(shí)與鉆孔和鉸孔一樣，要適當(dāng)增加流量和壓力。

4.螺紋加工

螺紋加工屬于成形加工，攻、套螺紋時(shí)，屬于多刃低速切削，刀刃被切削材料所包圍，切削力矩大，排屑較困難，熱量不能及時(shí)由切屑帶走，切屑碎片擠塞并且容易產(chǎn)生振動(dòng)，刀具容易磨損。尤其攻螺紋時(shí)切削條件更苛刻:排屑空間狹小、切屑不易折斷和流出，攻絲和排屑產(chǎn)生較大的切削力、摩擦力，極易導(dǎo)致絲錐崩刃和折斷。要求切削液同時(shí)具備較低的摩擦因數(shù)和較好的滲透性，以減少刀具的摩擦阻力和延長(zhǎng)刀具使用壽命。

切削黑色金屬材料時(shí)，一般應(yīng)選用硫、氯添加劑成分較多，低粘度，滲透性好的油基切削液。

使用高速鋼低速車削螺紋時(shí)，其切削液與攻、套螺紋選用的原則相同。使用硬質(zhì)合金刀具車削螺紋，其切削速度快，沖擊力大，切削溫度高，切削刃面積小，承受的切削力大，螺紋牙型精度要求高，不易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺等影響螺紋表面質(zhì)量的問(wèn)題，對(duì)刀具的使用壽命指標(biāo)要求高，要求切削液冷卻、潤(rùn)滑和滲透性能同時(shí)具備，應(yīng)選用含極壓添加劑的水基切削液為宜。

5.不同刀具材料

很多時(shí)候，為了避免刀具受熱不均導(dǎo)致破損，使用硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)，習(xí)慣采用干切削。但在數(shù)控機(jī)床上，從效率、綜合成本和加工質(zhì)量全面衡量，最好使用切削液。使用硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，切削速度相對(duì)較高時(shí)，一般使用水基切削液，要大流量連續(xù)使用并注意觀察，保證噴嘴始終對(duì)準(zhǔn)切削位置;使用高速鋼刀具切削，切削速度較低時(shí)，一般使用以潤(rùn)滑為主的油基切削液。

使用陶瓷刀具、金屬陶瓷刀具、金剛石和立方氮化硼刀具主要適用于高速切削、干切削以及硬切削等加工方式，可以不使用切削液。有時(shí)，為了避免切削溫度過(guò)高，使用這些刀具多數(shù)情況下也要使用切削液。由于切削速度高，使用水基切削液為宜。

6.結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控切削過(guò)程中，合理使用切削液對(duì)提高加工效率、改善加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具使用壽命以及降低綜合成本具有十分重要的作用。但是切削液在使用過(guò)程中會(huì)對(duì)加工者造成健康危害;廢液處理和排放也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。針對(duì)綠色制造的提出，加工者應(yīng)該探索不用切削液或少用切削液完成加工任務(wù)，相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也應(yīng)不斷研發(fā)性能更好、綠色環(huán)保、通用性好和經(jīng)濟(jì)性好的切削液，來(lái)滿足切削液使用者的要求。機(jī)床的管理者、加工工藝技術(shù)人員和機(jī)床操作者應(yīng)該及時(shí)跟蹤、關(guān)注，并積極推廣和使用新型環(huán)保切削液以及新型冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，以便能夠選用更合適的切削液及技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。