切削油的研究進展及發(fā)展趨勢

王 瑋，韓冬云，金 陽，李丹東，曹祖賓，宋美晗

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001）

切削油的研究進展及發(fā)展趨勢

王 瑋，韓冬云，金 陽，李丹東，曹祖賓，宋美晗

（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001）

金屬切削油具有改善切削加工時金屬表面的摩擦、降低刀具和切屑的粘著、減小工件的熱變形、保持加工精度和提高刀具耐用度等特點。綜述了近年來國內(nèi)外對切削油的研究進展。通過對金屬切削加工過程中所使用的切削油進行分類，介紹切削油的作用、邊界潤滑模型及機理，從而對切削油的應(yīng)用前景進行展望。

切削油；分類；潤滑機理；應(yīng)用

金屬加工油是指在不同的金屬加工過程中起潤滑作用的液體，包括切削用油和成型用油兩類，即在切削、磨削等金屬除去過程，及沖壓、拉拔等金屬成型過程中所使用的潤滑劑。其中，切削油是一種應(yīng)用于金屬切削加工過程中，在刀具與加工件之間起潤滑、冷卻作用的液體，是由基礎(chǔ)油添加多種助劑經(jīng)科學(xué)復(fù)配而成，具備良好的潤滑性能、冷卻性能、防銹性能等特點。選擇合適的金屬切削油對減少切削加工時金屬表面的摩擦、降低刀具和切屑的粘著、減小工件的熱變形、保持加工精度、提高刀具的耐用度及生產(chǎn)效率有著十分重要的作用［1］。

在金屬切削加工過程中，為了提高加工效率和精度、延長加工工具的使用壽命，必須減少刀具與工件之間的摩擦，及時帶走加工區(qū)產(chǎn)生的熱量［2］。針對上述情況，一般可采取兩種處理方式來實現(xiàn)：一是通過開發(fā)高性能的材料，可以迅速提高金屬切削的加工率；二是使用性能優(yōu)良的切（磨）削液，切削效率明顯上升，工件表面粗糙度降低［3］。

本文重點對金屬切削加工過程中所使用的切削油進行分類，綜述了切削油的作用及邊界潤滑機理，并對切削油的應(yīng)用前景進行展望。

1 切削液的分類及作用

1.1 切削液的分類

在金屬切削加工中所使用的切削油一般分為水溶性切削油和油性切削油［4］。

1.1.1 水溶性切削油

水溶性切削液被稱為濃縮液，又稱可溶性油，加水稀釋后的溶液稱為乳化液。基本組成：礦物油、防腐劑、防銹劑、表面活性劑、水及其它添加劑。根據(jù)乳化液的不同形態(tài)可將其分成乳化液、半合成切削液和全合成切削液這三大類。

乳化液：在乳化油中加入一定量的水，混合稀釋，即可制成乳化液。乳化油主要組成部分是基礎(chǔ)油和添加劑，其中基礎(chǔ)油最大含量可達 85%。與切削純油不同，一般認(rèn)為芳香烴含量較高的環(huán)烷烴更適合用作乳化油基礎(chǔ)油，因為它的添加劑溶解性更高，乳化效果更好。稀釋后的乳化油呈乳白色，外觀不透明，因此俗稱肥皂水。乳液顆粒直徑較?。?～10 μm），潤滑性好，一般用于加工負(fù)荷較高的場合，缺點是抗菌性差易變質(zhì)。

半合成切削液：又稱微乳液。通常外觀透明或半透明，稀釋液滴直徑在 0.1～1μm。半合成切削液其實也是一種乳化液，水含量在 20%～60%，礦物油含量在 5%～30%左右，比較理想的基礎(chǔ)油是環(huán)烷基油。半合成切削液與乳化油所使用的乳化劑差別不大，只是乳化劑含量更高。由于含有大量水，因此需要加入偶合劑來平衡配方體系，油性劑和極壓劑來滿足極壓性能的要求，及防銹劑、防腐劑、消泡劑等添加劑。由于兼具乳化油和全合成切削液的優(yōu)點，半合成切削液成正成為重要的發(fā)展方向［5］。

全合成切削液：是礦物油含量為零的水基切削液。稀釋液顆粒直徑為 0.003 μm，全合成切削液具有良好的冷卻作用，但防銹性和潤滑性較差，因此必須添加防銹劑和潤滑劑以改善油劑產(chǎn)品的性能。全合成切削液中不含有礦物油，普遍抗菌性較好，使用周期長。外觀透明，可見性良好，可用于現(xiàn)代加工設(shè)備如數(shù)控機床、加工中心等，特別適合磨削等高速加工場合。它的最大特點是具有極佳的清洗性，但也會造成機床潤滑油的損失以及油漆脫落。

1.1.2 油性切削油

礦物油是一種混合物，由不同碳氫化合物組成，根據(jù)烴類組成不同可以分為三類：石蠟基、環(huán)烷基及芳烴基等。其中石蠟基油所占比例較高，芳香烴含量少的基礎(chǔ)油適合用來調(diào)配切削油，因為油品粘度隨溫度變化較小，具有較高的粘度指數(shù)，性能穩(wěn)定。油性切削油的基礎(chǔ)油一般是采用低粘度礦物油，與特殊添加劑復(fù)配制成切削油。不需用水稀釋可以直接使用，又叫做非可溶性油。

與水溶性切削油相比，油性切削油一般防銹性、潤滑性較好，壽命長，對皮膚刺激較小，但是在高溫、高速加工時產(chǎn)生煙霧的可能性較大，甚至可能有著火的危險。油品的粘度高，分子量大時，潤滑性能及金屬表面隔離能力較強，但流動性及冷卻性比低粘度油品差，一般用于低速高負(fù)荷場合。

1.2 切削液的作用

切削液在金屬切削加工過程得到了廣泛的應(yīng)用，其作用主要有以下幾方面：

（1）潤滑作用：在切削過程中，切削油不僅可以減小刀具與工件表面之間的磨擦，還可以浸潤刀具、工件及其切屑之間形成潤滑膜，起到潤滑作用。

（2）冷卻作用：通過切削油的對流和汽化作用把熱量從切削區(qū)帶走來實現(xiàn)冷卻作用，降低切削溫度［6］，減少工件熱變形，保持刀具硬度。切削油的冷卻作用與它的熱參數(shù)值密切相關(guān)，尤其是比熱容和熱導(dǎo)率。由于水的這兩種熱參數(shù)值都較高，因此水基切削液具有更好的冷卻性能。

（3）清洗作用：在金屬切削過程中，生成的切屑、磨屑、以及鐵粉、油污等滯留在工件、刀具和砂輪上，使工件和機床變臟，切削效果變差，因此良好的清洗作用［7］是切削油必須具備的性能之一。粘度越低的油基切削液，清洗作用越強，特別是柴油、煤油類輕質(zhì)油品。

（4）防銹作用：在金屬加工過程中，切削油具有較好的防銹性能 ，能夠防止工件與水或其它腐蝕介質(zhì)接觸而造成工件甚至機床的腐蝕。

2 切削油的邊界潤滑模型及機理

切削油是為了減少金屬切削加工中工件的摩擦、磨損，切削油潤滑能力的大小決定了設(shè)備的運轉(zhuǎn)周期，因此研究切削油的潤滑機理是十分重要的。切削一般屬于混合-邊界潤滑（主要是邊界潤滑）。邊界潤滑時所產(chǎn)生的是一種極薄或不連續(xù)油膜，它是既不符合牛頓液體力學(xué)定律，也不符合雷諾液體潤滑方程式，是一種微小局部摩擦面接觸的潤滑狀態(tài)。處于這種狀態(tài)時機械易發(fā)生磨損事故，這時的油膜只有幾層分子膜，厚度一般為 10-5～10-6mm。切削油潤滑處于混合潤滑狀態(tài)時，邊界潤滑阻力小，節(jié)能效果明顯，因此切削油的邊界潤滑能力至關(guān)重要。

2.1 邊界潤滑的三種模型

在高溫高壓的切削條件下，切削液通過物理/化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，在滲透過程中形成邊界潤滑層，此時的刀具-切屑、刀具-工件間的潤滑稱為邊界潤滑狀態(tài)［9］。在摩擦表面間的邊界潤滑一般有三種模型，如圖1所示。

圖1 三種邊界潤滑模型Fig.1Three kinds of boudarylubricaton model

（1） Hardy 模型。金屬表面具有均勻的吸附性能，表面活性物質(zhì)分子規(guī)則排列于金屬表面上形成吸附膜，減弱了表面間力場，減小了工件間的摩擦力，此時邊界潤滑層的形成是通過物理吸附來完成的；

（2）p.Bowden 和 D.Tabor模型。金屬表面的吸附性能是不均勻的，存在某些粘結(jié)點，分子雜亂的排列于表面上，此時邊界潤滑層的形成是通過化學(xué)吸附來完成的；

（3）J.Adamson 模型。在極壓條件下，兩表面密實接觸，僅有少量分子吸附于表面，且由于吸附膜上較大的壓力而發(fā)生了平躺，此時的邊界潤滑層是通過化學(xué)反應(yīng)來完成的［10］。

2.2 邊界潤滑機理

在物理吸附中極性分子的吸附要比非極性分子牢固，化學(xué)吸附要比物理吸附牢固 。切削液的潤滑作用取決于邊界潤滑層的分子吸附程度，分子吸附力越大、剪切強度越低，潤滑作用就越強，因此切削液的物理—化學(xué)特性決定了它的潤滑作用［11］。

處于邊界潤滑狀態(tài)時，起極壓抗磨作用的主要是邊界潤滑膜。在過高負(fù)載或沖擊載荷的極壓狀態(tài)下，化學(xué)反應(yīng)膜被破壞，這時極壓添加劑又在露出的金屬表面反應(yīng)生成極壓膜。極壓潤滑過程的實質(zhì)就是極壓膜不斷破裂又重新生成的過程。極壓劑的添加量要適當(dāng)，太少影響活性極壓效果不理想，太多可能會腐蝕金屬表面。

極壓劑的種類很多，常用的是含硫、含磷極壓抗磨劑。在摩擦過程中，極壓劑中的 S、P 在金屬表面上生成低剪切強度的反應(yīng)膜，如硫化物、磷化物金屬鹽等?；瘜W(xué)反應(yīng)膜的成膜機理較復(fù)雜，以常用的二硫化物反應(yīng)膜為例，如圖2所示。極壓抗磨效果的好壞取決于 S-S 鍵斷裂的難易程度，而抗膠合效果則由 C-S 鍵的斷裂條件決定。一般 S-S 鍵易斷裂，抗磨效果較好；C-S 鍵能越小，燒結(jié)負(fù)荷就越高，F(xiàn)eS 與 Fe3O4膜共存效果更好。一般認(rèn)為含硫極壓劑抗磨機理為：極壓劑的 S-S鍵在抗磨區(qū)斷裂，生成有機硫醇鐵；C-S 鍵在極壓區(qū)斷裂，生成硫化鐵膜，發(fā)揮極壓與抗磨作用。

圖2 二硫化物潤滑機理Fig.2 The lubrication mechanism of disulfide

3 切削液的發(fā)展現(xiàn)狀

從 1948 年美國第一次研制出無油合成切削液開始，水基金屬切削液經(jīng)歷了從乳化液到合成液、再到微乳化液的歷程。我國在上世紀(jì)80年代，機械行業(yè)出現(xiàn)了合成液研制的熱潮，90年代起，重點轉(zhuǎn)移到微乳化液［12］的研制，但是考慮到微乳化切削液的成本較高，其開發(fā)受到限制，因此高性能新型水基金屬切削液的開發(fā)成為研究重點［13］。

（1）新型水溶性潤滑劑。國產(chǎn)切削液研究受水溶性添加劑技術(shù)的限制，但隨著技術(shù)研發(fā)實力的增強，國內(nèi)許多機構(gòu)開始研制高性能水溶性添加劑。梅煥謀［14］等利用磷酸酯和硫元素制成的硫代磷酸酯和苯并噻唑類等物質(zhì)，水溶性、極壓性或防腐性較好；李德忠等研制的新型含磷有機潤滑劑 LDZ-1是一種水溶性半合成切削液可應(yīng)用于鋁翅片加工［15］。國外研究表明在含磷極壓劑中加入 N、S、B可以更好的增強極壓劑的潤滑性能。Donofrio，John R、Cardis，Angeline B 取得了含硼極壓劑相關(guān)的研究成果和專利［16-18］。

（2）高性能環(huán)保切削液的研究。想要優(yōu)化切削液的性能，提高加工精度，可以嘗試向切削液中加入添加劑。其中，氯系極壓添加劑不僅成本低廉，而且極壓效果好，所以應(yīng)用廣泛。但是在后期廢液處理過程中，會產(chǎn)生致癌物質(zhì)。最近幾年，我國引進的先進設(shè)備數(shù)目不斷增加，當(dāng)然，與其配套的進口切削液產(chǎn)品也隨之增加，這就導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加。為降低生產(chǎn)成本，研發(fā)性能更加優(yōu)良，使用壽命更長，有害添加劑含量少及廢液排放量少的切削液成為國內(nèi)切削液的研發(fā)重點［19］。

（3）通用型多功能型產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。對于傳統(tǒng)切削液產(chǎn)品來說，它只適用于單一的某種材質(zhì)，應(yīng)用范圍很窄。近年來，生產(chǎn)線越來越復(fù)雜、機床設(shè)備的越來越先進及工業(yè)發(fā)展也在迅速變化，傳統(tǒng)的切削液使用受到越來越多的限制，因此，通用型多功能產(chǎn)品成為切削液研發(fā)的主要方向。

雖然近幾年我國切削液研究水平有了很大進步，但仍存在著切削液評定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、中高端切削液的價格較高、國內(nèi)品牌的切削液在高端切削液市場中所占份額較少等問題，為此，尋求價格合適的通用型多功能優(yōu)良切削液產(chǎn)品是切削液未來研究發(fā)展的趨勢。

4 結(jié) 論

（1）在金屬切削加工中所使用的切削油可分為水溶性切削油和油性切削油。水溶性切削油根據(jù)乳化液的不同形態(tài)可分為乳化液、全合成切削液和半合成切削液三類；油性切削油可用于低速高負(fù)荷場合。

（2）切削油可以應(yīng)用于金屬切削、磨削、沖壓、拉拔等金屬加工過程中，具備良好的潤滑性能、冷卻性能、防銹性能等特點，對節(jié)能環(huán)保具有一定的意義；尋求價格合適的通用型多功能優(yōu)良切削液產(chǎn)品是切削液未來研究發(fā)展的趨勢。

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Researchprogress and Development Trend of Cutting Oil

WANG Wei, HAN Dong-yun, JIN Yang, LI Dan-dong, CAO Zu-bin, SONG Mei-han
（Faculty of Chemical Engineering and Environmental Engineering ,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

As apromising material, cutting oil has attracted considerable attention over thepast years in metal cuttingprocess, which could not only reduce the workpiece roughness, extend tool life, reduce the cutting tool and chip sticking, but also reduce thermal deformation, maintain the machining accuracy and increase cutter durability. In thispaper, researchprogress of cutting oil was introduced, and cutting oil for metal cuttingprocess was classified. Function, boundary lubrication model and lubrication mechanism of cutting oil were discussed, and its development trend in future was also analyzed.

Cutting oil; Classification; Lubrication mechanism; Application

TE 624

： A

： 1671-0460（2017）02-0336-03

2016-10-14

王瑋（1996-），女，安徽省宿州市人。E-mail：2689714962@qq.com。

韓冬云（1975-），女，副教授，博士，主要從事非常規(guī)油氣開發(fā)和利用方面的研究。E-mail：hdy_mailbox@163.com。