機(jī)床切削液的理化性能與評(píng)價(jià)方法概述

供稿|趙宗紅，譚善鋒，崔曉琳 / ZHAO Zong-hong, TAN Shan-feng, CUI Xiao-lin

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為了恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)切削液的理化性能，結(jié)合實(shí)際的機(jī)加工切削液使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)切削液的理化性能和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。文章從切削液的作用機(jī)理出發(fā)，介紹了切削液的主要作用與分類，分析了油基切削液和水基切削液的理化性能及評(píng)價(jià)方法，對(duì)實(shí)際機(jī)加工中切削液的選擇、使用維護(hù)以及切削液的研究、生產(chǎn)制造有重要指導(dǎo)意義。

切削加工的種類很多，加工對(duì)象和加工工具的材質(zhì)、性質(zhì)、形狀等也各不相同，與之相適應(yīng)的切削液也種類繁多，各具特色。如何科學(xué)地、恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)切削液是一個(gè)不可回避的重要問題。另外從切削液的研究、生產(chǎn)制造角度來看，也需要對(duì)切削液進(jìn)行不斷的改進(jìn)、創(chuàng)新。從這兩個(gè)方面來看，都需要解決好切削液的性能評(píng)價(jià)的問題。而切削液的理化性能是與切削工藝有關(guān)的主要性能，對(duì)切削液的使用和維護(hù)有著重要的意義。

切削液概述

機(jī)床切削液歷史悠久，是伴隨著工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生的。人們注意到金屬切削加工中刀具對(duì)金屬材料的直接切削要耗費(fèi)大量能量且產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，而各類形式的切削液明顯改善了金屬加工性能和質(zhì)量。一般來說，金屬的機(jī)械加工分為去除和成形加工兩種。去除加工是從毛坯上去除多余材料得到所需尺寸和形狀的工藝方法，同時(shí)去除加工會(huì)產(chǎn)生切屑；而成形加工是通過使工件產(chǎn)生塑性變形得到所需尺寸和形狀的工藝方法，如鍛壓、軋制等，此過程中一般不產(chǎn)生切削。在這兩類加工中，所使用的工藝油(液)，統(tǒng)稱為金屬加工油(液)，也習(xí)慣性地根據(jù)用途簡(jiǎn)稱為切削液。本文主要論述去除加工中使用的切削液。

切削液的作用機(jī)理

在金屬加工過程中使用切削液主要目的有： (1)延長(zhǎng)刀具(或砂輪)的使用壽命；(2)降低工件表面粗糙度和提高工件精度；(3)把切屑和灰末從切削區(qū)域沖走；(4)降低切削力和提高切削效率。因此，性能良好的切削液必須具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗和防銹等作用。

(1) 潤(rùn)滑：通過加入切削液，工件與刀具的表面接觸以后，切削液黏附在金屬表面上形成潤(rùn)滑膜，這種潤(rùn)滑膜可以減小刀具-切屑、刀具-工件界面的摩擦，減輕黏結(jié)和抑制切屑瘤，從而降低工件表面粗糙度，提高刀具耐用度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，減少機(jī)床換刀時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。所以潤(rùn)滑作用的好壞直接關(guān)系到刀具的使用壽命和工件的表面粗糙度及加工精度。

(2) 冷卻：切削加工過程中所消耗的功95%～97%都轉(zhuǎn)變成切削熱。切削液通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流、蒸發(fā)將已產(chǎn)生的切削熱從切削區(qū)帶走并降低其溫度，從而減少工件的熱變形，提高刀具的耐用度和產(chǎn)品的加工精度。

(3) 清洗：毛坯表面黏附的鐵粉、油污等，以及切削過程中產(chǎn)生的各種形狀的切屑，會(huì)嚴(yán)重的影響加工效果，因此切削液應(yīng)對(duì)切屑、鐵粉、油污等有良好的分離和沉降作用。切削液循環(huán)系統(tǒng)中，在切削液回流到冷卻槽后能迅速使切屑等沉降于容器的底部，油污等物懸浮于液面上，以保證切削液反復(fù)使用后仍能保持清潔，保證加工質(zhì)量和延長(zhǎng)使用 周期。

(4) 防銹：切削液防銹性能的好壞對(duì)于很多行業(yè)特別是一些沿海潮濕地區(qū)來說，是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。

切削液的作用機(jī)理比較復(fù)雜，潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹4個(gè)作用不是孤立的，它們既對(duì)立又統(tǒng)一，而且各類切削液的作用，均有它的側(cè)重性和針對(duì)性，所以對(duì)切削液的評(píng)定要根據(jù)實(shí)際使用需求 進(jìn)行。

切削液的分類

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7631.5—1989“潤(rùn)滑劑和有關(guān)產(chǎn)品的分類：M組(金屬加工)”，切削液分為油基切削液和水基切削液。油基切削液基本成分是基礎(chǔ)油(礦物油或合成油)，主要用于首先要求潤(rùn)滑性的加工工藝，基本可歸納為4類：純礦物油、減摩、非活性極壓、活性極壓切削油。水基切削液是將原液用水稀釋后使用的切削液，適用于首先要求冷卻性的加工工藝，主要分為乳化、微乳化、合成切削液。

切削液的理化性能與評(píng)價(jià)

油基切削液

(1) 外觀

切削油的外觀包括色度、透明度、均勻性等。油品的顏色，可以反映其精制程度和穩(wěn)定性。但不同油源和類屬的原油所生產(chǎn)的基礎(chǔ)油其顏色和透明度可能不相同，而在基礎(chǔ)油中使用添加劑后，顏色也會(huì)發(fā)生變化，顏色作為判斷油品精制程度高低的指標(biāo)已失去意義。因此，大多數(shù)的潤(rùn)滑油已無顏色(或色度)的指標(biāo)。

對(duì)于使用中或儲(chǔ)運(yùn)過程中的油品，通過比較其外觀的變化，可大致地估量其氧化、變質(zhì)和受污染的情況。如顏色變深，則表明油品已受污染或者氧化變質(zhì)，如顏色變成乳濁，則油品中有水或氣泡的存在。

外觀顏色的測(cè)定：潤(rùn)滑油的顏色，除直接觀察(即目測(cè))外，在實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)定方法我國(guó)采用GB/T 6540—86石油產(chǎn)品顏色測(cè)定法(與ASTM D1500—1982石油產(chǎn)品顏色的測(cè)定法等效)和SH/T 1068—92石油產(chǎn)品色度測(cè)定法。

(2) 黏度

黏度是潤(rùn)滑油的重要技術(shù)指標(biāo)，也是絕大數(shù)潤(rùn)滑油劃分牌號(hào)的依據(jù)，黏度是選擇基礎(chǔ)油的首要標(biāo)準(zhǔn)。黏度的度量方法分為絕對(duì)黏度和相對(duì)黏度兩大類。絕對(duì)黏度分為動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度兩種；相對(duì)黏度有恩氏黏度、賽氏黏度和雷氏黏度等幾種表示方法。切削油的運(yùn)動(dòng)黏度一般為3×10-6～60×10-6m2/s (40 ℃) ，比一般齒輪油、液壓油之類的潤(rùn)滑油的黏度低，潤(rùn)滑油的黏度為22×10-6～680×10-6m2/s (40 ℃)。

黏度是影響油基切削液的潤(rùn)滑性和滲透性的重要因素。在流體潤(rùn)滑的情況下，黏度越高在摩擦面形成的膜越厚，減小摩擦的效果越顯著，潤(rùn)滑性越好。相反，黏度越低，滲入刀具-切屑、刀具-工件之間越容易，尤其磨削時(shí)容易洗凈砂輪氣孔內(nèi)的切屑、磨粒，防止砂輪堵塞，其滲透性、清潔性越好。

(3) 腐蝕性實(shí)驗(yàn)

銅板腐蝕是判定切削油中有沒有含硫極壓劑和添加劑的活性大小的方法。此項(xiàng)目也是劃分切削油類別的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)的方法一般按照GB/T 5096—1985“石油產(chǎn)品銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)法”，腐蝕活性的大小用級(jí)數(shù)表示，1～2級(jí)為低活性或非活性，3～4級(jí)為高活性。級(jí)數(shù)越大，腐蝕活性越強(qiáng)。

(4) 氧化安定性

切削油在一定的外界條件下抵抗氧化作用的能力主要取決于化學(xué)組成，也與使用條件如溫度、氧壓、接觸金屬、接觸面積大小、氧化時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。氧化速度受溫度的影響最大，溫度每升高約8～10 ℃，氧化速度提高一倍。為提高油品的氧化安定性，調(diào)制時(shí)可加入抗氧化添加劑。

評(píng)價(jià)各類油基切削液氧化安定性的實(shí)驗(yàn)各有不同，通常是在一定溫度并有金屬催化劑存在的條件下，向其中通入氧，經(jīng)過強(qiáng)烈氧化后，測(cè)定油品的質(zhì)量變化，包括氧化后的酸值、黏度、沉淀物等。氧化后酸值大、黏度增長(zhǎng)率大、沉淀物多，則表明切削油的氧化安定性差，使用壽命不長(zhǎng)。

水基切削液

(1) pH值

pH值是表示水基切削液酸堿度的指標(biāo)，是防銹性、腐蝕性等使用管理方面的重要檢查項(xiàng)目，一般為8～10。若pH值過低，對(duì)鋼、鑄鐵和銅的防銹性能會(huì)下降；pH值過高，對(duì)鋁件易產(chǎn)生腐蝕，pH值達(dá)到10.5以上，對(duì)操作者皮膚會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的刺激性。

(2) 抗泡性

水基切削液的泡沫問題經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生麻煩。例如，泡沫多占據(jù)大量的空間，使切削液溢出；泡沫中存在著大量的空氣使切削液導(dǎo)熱能力下降，使抽液泵產(chǎn)生“空吸”等。因此，抗泡性是使用管理上的重要檢查項(xiàng)目。

評(píng)價(jià)的方法是：將樣本溶液倒入100 mL的量筒中，使液面在70 mL處，蓋好塞子，上下?lián)u動(dòng) 1 min(以1/3 m為搖動(dòng)的距離，100～120 次/min的搖動(dòng)頻率)然后靜置10 min，觀察液面殘留泡沫體積，應(yīng)小于或等于2 mL。

(3) 乳化安定性

由于乳化切削液原液中的表面活性劑含量有一定限度，當(dāng)加水稀釋時(shí)，會(huì)因?yàn)樗|(zhì)，使乳化狀態(tài)不安定，產(chǎn)生分離現(xiàn)象。乳化液在使用的過程中，會(huì)受到切屑、水分、雜質(zhì)等的污染，也可能引起分層、析皂、析油。如果切削液更換周期延長(zhǎng)，隨著水分的蒸發(fā)與補(bǔ)給，加入的水中微量無機(jī)物會(huì)積聚下來，進(jìn)一步使乳化安定性、防銹性等狀態(tài)惡化，以致引起乳化液腐敗。

乳化安定性實(shí)驗(yàn)主要用來判定乳化型切削液的乳化安定程度。評(píng)價(jià)的基本方法是：將乳化液配成濃度(體積分?jǐn)?shù))5%，取50 mL乳化液于滴定管中，15～33 ℃下放置24 h，觀察皂或油層析出的體積，其中液面上層黃白色脂狀物為析皂，棕黃色透明油狀物為析油。析皂或析油的體積分?jǐn)?shù)X用公式(1)表示：

式中，V為析皂或油層的體積，mL。

析皂體積分?jǐn)?shù)X＜0.5%判斷為合格；X≥0.5%或析油，均判為不合格。

(4) 腐蝕性

腐蝕性是判斷水基切削液對(duì)工件、機(jī)床、夾具、切削液箱、切削液循環(huán)系統(tǒng)等金屬材料腐蝕程度的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方法是：使用材料鑄鐵、紫銅、鋁板為樣片，打磨洗凈后，放入實(shí)驗(yàn)液中浸泡，加玻璃罩，(55±2) ℃恒溫箱中，鑄鐵24 h，紫銅與鋁板 8 h，取出樣片做評(píng)級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)如表1。鑄鐵A級(jí)合格，紫銅與鋁板A、B級(jí)均合格。

表1 腐蝕性能評(píng)價(jià)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(5) 防銹性

通常情況下，機(jī)加工結(jié)束后工件不做其他處理直接暴露在空氣中，在有氧環(huán)境及溫濕度較大時(shí)，容易生銹，因此水基切削液的腐蝕實(shí)驗(yàn)不能取代防銹實(shí)驗(yàn)，尤其是鑄鐵、銅類必須進(jìn)行防銹實(shí)驗(yàn)。

評(píng)價(jià)防銹性能的方法有單片防銹實(shí)驗(yàn)、疊片防銹實(shí)驗(yàn)和鐵屑濾紙法。鐵屑濾紙法較前兩種更適應(yīng)于固定材料的實(shí)態(tài)檢測(cè)，主要的方法為：取6 g無銹鑄鐵屑(經(jīng)干切削加工的灰口鑄鐵屑，5～18目)用120#溶劑汽油洗2次，并用熱風(fēng)吹干均勻鋪在有35 mm× 35 mm方格濾紙上的表面皿上，取2 mL實(shí)驗(yàn)液灑在鐵屑上，室溫2 h后，用自來水沖掉濾紙上的鐵屑，用熱風(fēng)吹干，檢測(cè)濾紙上的銹斑，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 鐵屑濾紙法銹斑程度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

(6) 油水可分離性

實(shí)際機(jī)加工生產(chǎn)中，切削液中混入潤(rùn)滑油或液壓油是經(jīng)常出現(xiàn)的問題，如果這些油品混入易使切削液變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起凝固化傾向，生成膠狀物使過濾器堵塞。因此，希望切削液油水分離性較好，使混入的油品迅速分離，通過撇油裝置除去，以維持切削液的良好狀態(tài)。

油基和水基切削液的共同點(diǎn)

對(duì)于各種類型的切削液都需關(guān)注的性能，比熱容、熱導(dǎo)率、表面張力、滲透性、對(duì)材料的接觸適應(yīng)性以及廢液的可處理性等，這些性能的評(píng)價(jià)方法，大部分尚無標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)的評(píng)價(jià)方法需參考國(guó)外相近實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

切削液本身的物理化學(xué)性質(zhì)，一般情況下在實(shí)驗(yàn)室可以充分評(píng)價(jià)，但由于切削液的劣化和腐敗等問題對(duì)水基和油基切削液來說，很大程度上受現(xiàn)場(chǎng)使用條件的影響，通常需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工的實(shí)際情況來確定實(shí)驗(yàn)方法。

美國(guó)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一般推薦的檢測(cè)項(xiàng)目是密度、黏度、閃點(diǎn)和燃點(diǎn)、酸堿度、潤(rùn)滑添加劑含量、穩(wěn)定性(原液和稀釋液)、泡沫實(shí)驗(yàn)、潤(rùn)滑性實(shí)驗(yàn)(針-V行塊實(shí)驗(yàn)、四球?qū)嶒?yàn)、環(huán)-塊實(shí)驗(yàn)、鐘擺式實(shí)驗(yàn))等。日本對(duì)切削液的理化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照J(rèn)ISK2241“切削液性狀實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行，對(duì)水基切削液有表面張力、乳化安定性、不揮發(fā)成分、pH值、含氯量、總硫含量、起泡實(shí)驗(yàn)、耐腐蝕性等8項(xiàng)；對(duì)油基切削液有閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、脂肪油含量、氯含量、總硫含量、銅板腐蝕、耐負(fù)荷能力等8項(xiàng)。

我國(guó)的切削液標(biāo)準(zhǔn)還在完善中?，F(xiàn)有的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是JB/T7453—1994“微乳化切削液”、SH/T0365—1992“乳化油”、SH/T0364—1992“硫化切削油”、GB/T6144—1985“合成切削油”，其中“硫化切削油”和“乳化油”已經(jīng)廢止。目前主要應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是JB/T7453—1994。

機(jī)床切削液的選用基本規(guī)則

切削液的理化性能決定切削液在機(jī)床上的使用效果，不同的切削液使用效果存在差異，對(duì)工件的影響也不相同。機(jī)床切削液的選用主要從工藝要求、成本、安全性能方面綜合評(píng)價(jià)。

◆ 工藝要求

如上所述，切削液起潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹等作用，但在某項(xiàng)具體的工藝要求中，要同時(shí)保證各方面的性能，卻很難實(shí)現(xiàn)。所以在選用時(shí)要有所側(cè)重。一般來說，可以參照表3來對(duì)切削液的選用進(jìn)行基本的選擇，在實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合具體工藝需求來分析比較，常常要通過對(duì)比某幾種切削液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來確定。

表3 根據(jù)工藝要求選用切削液參考標(biāo)準(zhǔn)

◆ 成本壓力

成本是所有生產(chǎn)性企業(yè)非常關(guān)注的問題。水基切削液的價(jià)格及維護(hù)成本一般為油基型切削液的20%～30%，但需要說明的是，并不是所有的工藝都能使用水基切削液；在機(jī)械加工型生產(chǎn)企業(yè)里，機(jī)床維護(hù)、刀具和工藝器具成本往往占有很大一部分，而切削液的類型會(huì)直接影響到機(jī)床維護(hù)成本和刀具成本。因此在選擇切削液時(shí)，各企業(yè)需要根據(jù)自身實(shí)際情況綜合考慮。如果切削液的選擇不合適，會(huì)使后期的刀具成本大大增加，以及對(duì)加工工件的尺寸精度、表面要求造成不可預(yù)測(cè)的影響。

◆ 安全性能

為了降低使用風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用環(huán)保、低毒型產(chǎn)品?，F(xiàn)在市面上的切削液，其中有些成分對(duì)長(zhǎng)時(shí)間直接接觸人員的身體和器官是有危害的，例如可導(dǎo)致各類皮炎以及呼吸器官受損等。所以，在正式投產(chǎn)使用前，應(yīng)要求供貨方提供認(rèn)證的產(chǎn)品 SDS(產(chǎn)品安全數(shù)據(jù)單)，按照其說明的有害成分及預(yù)防措施，制定崗位操作指導(dǎo)，有效避免可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)及人員傷害。

結(jié)束語

本文介紹了切削液的簡(jiǎn)單分類與作用機(jī)理，詳細(xì)說明了油基切削液與水基切削液的理化性能與評(píng)價(jià)的方法。針對(duì)切削液在理化性能方面的特點(diǎn)，結(jié)合日常的機(jī)加工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，給出了切削液理化性能方面的實(shí)際判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)加工用切削液的開發(fā)與使用維護(hù)有重要意義。