金屬切削液的選用分析與解決策略

董必輝

摘要：本文從各種常見的切削方式著手，比較全面地分析了如何在具體的切削加工環(huán)境下科學(xué)而合理地選用切削液，并提出一些解決策略，使多元化的終端切削液用戶能夠獲得更好的加工效果或者更低的加工成本。

關(guān)鍵詞：切削液;選用;分析;解決策略

中圖分類號(hào)：F426.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0106-03

0 ?引言

在石油產(chǎn)品名詞術(shù)語GB/T4016-83中，切削液（油）的中文說明是：在金屬切削加工過程中用于潤(rùn)滑和冷卻加工工具和加工部件的一種混合潤(rùn)滑劑。早在1868年英國(guó)的W.H.Northcott便確認(rèn)了在車床上使用切削油的效果;1883年美國(guó)的F.W.Taylor用實(shí)驗(yàn)證明使用碳酸鈉水溶液可以大大提高切削速度。自那時(shí)起，相繼開始了切削液在車、銑、刨、磨、鉆、齒輪加工和螺紋加工等各種金屬切削加工領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，如今切削液在制造業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。

但是，由于切削液技術(shù)涉及諸如切削加工學(xué)、油脂化學(xué)、摩擦磨損與潤(rùn)滑科學(xué)、表面活性劑科學(xué)以及勞動(dòng)衛(wèi)生與環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)科，制造企業(yè)普遍缺乏熟悉上述各門學(xué)科的、懂得切削液的工藝技術(shù)人員，由機(jī)床操作者自行選擇與應(yīng)用切削液是多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)習(xí)慣。這種選擇與應(yīng)用的盲目性與放任自流，極易造成加工效果與加工成本等方面各種各樣不應(yīng)該發(fā)生的問題。因此，如何根據(jù)具體的切削加工環(huán)境科學(xué)而合理地選擇與應(yīng)用切削液就顯得十分重要。

1 ?切削液分類及其種類

1.1 切削液類別

在等效采用ISO6743/7標(biāo)準(zhǔn)制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7631.5-89中，將切削液（Cutting fluid）分為“用于首先要求潤(rùn)滑性的加工工藝”的金屬加工潤(rùn)滑劑和“用于首先要求冷卻性的加工工藝”的金屬加工潤(rùn)滑劑兩大類，即油基切削液（又稱切削油Cutting oil）與水基切削液。

1.2 切削液種類

1.2.1 油基切削液種類

常用的油基切削液的種類有純礦物油（或合成油）（L-MHA）、減摩切削油（L-MHB）、非活性極壓切削油（L-MHC、L-MHE）、活性極壓切削油（L-MHD、L-MHF）等。

①純礦物油L-MHA：天然存在的，或者從處理其它礦物原料中得到的，主要由各種烴組成的混合物，如煤油、柴油等，常被用作各種商品油的基礎(chǔ)油，穩(wěn)定性較好，但潤(rùn)滑效果差。②減摩切削油L-MHB：由基礎(chǔ)油與脂肪油（或其它油性添加劑）組成，減摩性能良好。③非活性極壓切削油L-MHC：含有基礎(chǔ)油和非活性極壓添加劑（如氯化石蠟、硫化脂肪油、有機(jī)鉬等）的切削油。其極壓潤(rùn)滑性能良好，常用于各種中速、中負(fù)荷切削加工。④非活性極壓切削油L-MHE：同時(shí)含有基礎(chǔ)油、非活性極壓添加劑（如氯化石蠟、硫化脂肪油、有機(jī)鉬等）和油性添加劑（如脂肪油、高級(jí)脂肪酸）的切削油，其潤(rùn)滑性能優(yōu)異。⑤活性極壓切削油L-MHD：含有基礎(chǔ)油和活性極壓添加劑（主要指活性硫極壓添加劑，如硫化礦物油）的切削油。其極壓潤(rùn)滑性能良好，對(duì)積屑瘤有較強(qiáng)的抑制能力;但對(duì)銅、黃銅件易產(chǎn)生腐蝕，刀具磨損也相對(duì)較大。⑥活性極壓切削油L-MHF：同時(shí)含有基礎(chǔ)油、活性極壓添加劑和油性添加劑的切削油。其潤(rùn)滑性能良好，適用范圍廣泛;但具有一定的腐蝕性。

1.2.2 水基切削液種類

常用的水基切削液的種類有乳化切削液（L-MAA、L-MAB、L-MAC、L-MAD）、微乳化切削液（L-MAE、L-MAF）、合成切削液（L-MAG、L-MAH）等。

①防銹乳化切削液L-MAA：由基礎(chǔ)油、乳化劑、防銹劑、防腐殺菌劑、消泡劑等按一定比例配制而成。其冷卻效果較好，使用安全，成本較低;但潤(rùn)滑與穩(wěn)定性較差，使用壽命較短。②減摩乳化切削液L-MAB：在L-MAA防銹乳化切削液中加入動(dòng)植物脂肪或長(zhǎng)鏈脂肪酸。其潤(rùn)滑性能良好;但抗霉菌能力差，使用壽命短。③極壓乳化切削液L-MAC：在L-MAA防銹乳化切削液原液中加入油溶性硫、磷、氯型極壓添加劑。其潤(rùn)滑性能良好，常用于負(fù)荷與摩擦嚴(yán)酷的加工場(chǎng)合。④極壓減摩乳化切削液L-MAD：在L-MAB減摩乳化切削液原液中加入油溶性硫、磷、氯型極壓添加劑。其潤(rùn)滑性能良好，常用于負(fù)荷與摩擦嚴(yán)重的加工場(chǎng)合。⑤微乳化切削液L-MAE：調(diào)整乳化切削液配方，將其中的基礎(chǔ)油含量減少，表面活性劑含量增加，其分散相的粒徑在0.05-1μm，溶于水后形成半透明裝的溶液，其穩(wěn)定性較好。⑥極壓微乳化切削液L-MAF：在L-MAE微乳化切削液中加入硫、磷、氯型極壓添加劑和/或減摩添加劑。常用于重負(fù)荷及難切削材料的加工，但其防銹性能及耐腐蝕性能較差。⑦防銹合成切削液L-MAG：含有水溶性防銹添加劑的真溶液（如亞硝酸鈉、碳酸鈉水溶液之類）。其冷卻、防銹、清洗性能較好，使用壽命較長(zhǎng);但潤(rùn)滑和浸潤(rùn)性能差。⑧極壓合成切削液L-MAH：在L-MAG防銹合成切削液中加入水溶性的極壓添加劑和/或減摩添加劑。其極壓潤(rùn)滑性能好;但穩(wěn)定性較差，對(duì)機(jī)床、工件特別是銅等易產(chǎn)生腐蝕。

2 ?油基切削液與水基切削液的性能比較

2.1 加工性能比較

總體而言：在加工質(zhì)量（加工精度、表面完整性）方面，油基切削液較水基切削液好，這是因?yàn)橛突邢饕旱臐?rùn)滑性能較好;在加工效率方面，油基切削液較水基切削液差，這是因?yàn)樵诟咚偾邢?、?qiáng)力切削中，由于切削溫度較高，油基切削液容易冒煙，甚至有著火的危險(xiǎn)，而水基切削液不會(huì)發(fā)生類似問題;在刀具壽命方面，油基切削液較水基切削液好，這是因?yàn)橛突邢饕簩?duì)刀具磨損較小。

2.2 理化性能比較

水基切削液只有冷卻性能和清洗性能兩項(xiàng)較好，其余各項(xiàng)性能都是油基切削液較好。這是因?yàn)樗谋葻崛莺蜔釋?dǎo)率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油;水基切削液一般含有較多的表面活性劑，洗滌能力強(qiáng)，易將切屑和污物帶走。但是在有氧和水（或水蒸氣）同時(shí)存在的環(huán)境中，水基切削液可能會(huì)使工件表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。另外，水基切削液一般為多相體系，穩(wěn)定性能較差，易產(chǎn)生相分離而腐敗變質(zhì);其pH值一般為8～10，堿性大者有時(shí)會(huì)損傷機(jī)床油漆;其廢液可處理性也較差等;而油基切削液在工件表面上的殘留吸附層較厚而致密，防銹能力較好;其成分主要為碳?xì)浠衔?，可回收再利用的比例也較大。

2.3 環(huán)衛(wèi)性能比較

內(nèi)容包括對(duì)皮膚與呼吸道的刺激、煙霧與起火危險(xiǎn)性以及對(duì)作業(yè)環(huán)境的污染等方面。一般而言，油基切削液對(duì)皮膚與呼吸道的刺激性較強(qiáng)，在切削溫度較高時(shí)易產(chǎn)生煙霧，甚至有起火危險(xiǎn)，如濺落到機(jī)床周圍地面則不易清潔等;但是含表面活性劑較多的微乳化切削液、堿性過強(qiáng)或者亞硝酸鹽含量多的水基切削液也可能引起皮膚與呼吸道疾患。

2.4 經(jīng)濟(jì)性比較

一般而言，油基切削液與質(zhì)量好的乳化油價(jià)格接近，但是油基切削液直接使用原液，而乳化油以及其它類型水基切削液原液要用水稀釋15～20倍左右后再使用，因此油基切削液的一次性購(gòu)入成本高，而購(gòu)入后的管理費(fèi)用和廢液處理費(fèi)用則較水基切削液低。

3 ?各種切削方式下切削液的選用

3.1 車削加工

①半精車尤其是粗車時(shí)，加工余量大，切削力大，切削溫度高，容易加速刀具磨損。為了提高刀具壽命，應(yīng)選用以冷卻作用為主，并具有一定清洗、潤(rùn)滑和防銹作用的水基切削液，如L-MAB減摩乳化切削液、L-MAE微乳化切削液;精車時(shí)，切削力較小，切削溫度也不高，其主要矛盾是保證工件的精度和加工表面質(zhì)量，宜選用潤(rùn)滑性能較好的油基切削液，如L-MHE、L-MHC非活性極壓切削油。②單刃車削、切槽（或切斷）和成形車削時(shí)，其散熱和排屑空間將依次減小，切削液進(jìn)入切削區(qū)域?qū)⒂梢鬃兊美щy，而且成形車削對(duì)加工精度和表面粗糙度的要求也較為嚴(yán)格。因此，選用切削液時(shí)，從單刃車削→切槽（或切斷）→成形車削，切削液的潤(rùn)滑性能所占有的權(quán)重應(yīng)該要依次增大。③從刀具材料來看，硬質(zhì)合金刀具車削相對(duì)加工性較好的材料（如灰鑄鐵、碳鋼、黃銅等）時(shí)，可以進(jìn)行干切削。一般而言，濕切削的效果會(huì)更好，但必須連續(xù)充分地供給切削液，如一般加工中可選用油基切削液;重切削時(shí)，以3-5%的乳化液為宜。高速鋼刀具耐高溫性能遠(yuǎn)不如硬質(zhì)合金，通常切削速度較低，這時(shí)宜選用以潤(rùn)滑作用為主的油基切削液。

3.2 銑削（鋸切）加工

①粗銑、半精銑及精銑時(shí)，切削液的選用與粗車、半精車及精車的選用相仿。②高速銑削時(shí)，宜選用冷卻性好并有一定潤(rùn)滑性能的切削液，如極壓乳化液;低速銑削時(shí)，宜選用潤(rùn)滑性能好的切削液，如減摩切削油、極壓切削油。③端銑屬于多刃切削、開放式排屑，粗銑和半精銑時(shí)發(fā)熱量較大，宜選用L-MAB減摩乳化切削液、L-MAE微乳化切削液;精銑時(shí)為獲得較好的已加工表面質(zhì)量，宜選用潤(rùn)滑性能好的油基切削液，如減摩切削油、L-MHE非活性極壓切削油。④盤狀銑刀一般是兩面或三面同時(shí)切削，多屬于半封閉式或全封閉式容屑，排屑不暢，摩擦較為嚴(yán)重，而且加工余量一般較大，對(duì)切削液的冷卻、潤(rùn)滑和清洗性能都有較高的要求。⑤立銑屬于半封閉式容屑，立銑刀螺旋角較大，容易在熱沖擊下發(fā)生破損;另一方面，立銑刀銑削速度較低，所以選用低黏度的減摩切削油或極壓切削油的效果會(huì)較好。⑥鋸切屬于封閉式容屑加工方式，刀具與工件表面摩擦劇烈，同時(shí)又屬于粗加工，追求加工效率，發(fā)熱量大，因此對(duì)切削液的潤(rùn)滑、冷卻性能要求較高，故多選用乳化型或微乳化型的水基切削液。但高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料仍需選用減摩切削油或L-MHD活性極壓切削油等。

3.3 孔的鉆、鉸、锪、鏜削加工

①高速鋼鉆頭低速鉆孔時(shí)，選用油基切削液的鉆頭壽命較長(zhǎng);高速鉆孔時(shí)，油基切削液中，選用活性硫化油的鉆頭壽命長(zhǎng)，而水基切削液中，選用極壓微乳化切削液的效果較好。②無論是低速、中速還是高速鉆孔，選用油基切削液的硬質(zhì)合金鉆頭的使用壽命都優(yōu)于選用水基切削液，并且黏度越低的油基切削液如活性硫化油的效果會(huì)更好。這主要是因?yàn)榈宛ざ惹邢饔蜐B透性更好、沖洗排屑能力更強(qiáng)的緣故。③硬質(zhì)合金槍鉆鉆削碳鋼、合金鋼、不銹鋼、高溫合金等深孔時(shí)，選用L-MHD、L-MHF活性極壓切削油的效果明顯優(yōu)于選用乳化切削液;而鉆削灰鑄鐵等深孔時(shí)，選用乳化切削液的效果略優(yōu)于選用活性極壓切削油。這是因?yàn)椋环矫骅T鐵的細(xì)末切屑易使切削油變黏，冷卻與清洗能力變差;另一方面，鑄鐵本身含有的石墨能起固體潤(rùn)滑劑的作用，油基切削液潤(rùn)滑性能好的優(yōu)勢(shì)難以突出表現(xiàn)而水基切削液冷卻與清洗性能好的優(yōu)勢(shì)能得以充分發(fā)揮的緣故。④綜合鉸孔擴(kuò)大量、表面粗糙度、鉸削扭矩等因素，鉸削碳鋼、合金鋼、不銹鋼、高溫合金等孔時(shí)，宜優(yōu)先選用L-MHE非活性極壓切削油;粗鉸或半精鉸灰鑄鐵、鋁及其合金等孔時(shí)，宜選用乳化型或微乳化型的水基切削液;而精鉸灰鑄鐵、鋁及其合金等孔時(shí)，則宜選用減摩切削油。⑤鏜孔時(shí)，切削液的選用與車削相仿，但使用時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加其流量和壓力;锪孔時(shí)，黑色金屬適合于選用潤(rùn)滑性能好的L-MHF活性極壓切削油，有色金屬則可選用減摩切削油。

3.4 拉削加工

由于拉削是低速、薄切屑、重負(fù)荷、封閉式容屑加工，切削條件差，容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，工件表面易被刮傷，所以對(duì)切削液的減摩性能和極壓潤(rùn)滑性能有較高的要求。在切削液中增加硫特別是氯的成分可減低切削阻抗。具體選用如下：①?gòu)谋患庸げ牧蟻砜?，?duì)碳鋼、不銹鋼及合金鋼拉削時(shí)，為防止產(chǎn)生積屑瘤及刮傷工件表面等，以選用含有活性硫化氯化切削油的油基切削液為宜。拉削鋁及其合金類工件時(shí)，可選用L-MHC非活性極壓切削油，也可選用乳化型或微乳化型的水基切削液。拉削鑄鐵類工件時(shí)，一般選用L-MHD活性極壓切削油。②當(dāng)工件加工精度要求較高時(shí)，盡量選用含氯、硫成分較多的油基切削液。③臥式拉削時(shí)，不易附著切削油，因此應(yīng)選用較高黏度的油基切削液。

3.5 齒輪的切削加工

①中、低速切削齒輪時(shí)，從減小刀具磨損考慮可選用油基切削液，如選用含鉬系極壓添加劑的切削油或氯化脂肪油;從降低已加工表面粗糙度考慮，可選用含硫系極壓添加劑的油基切削液，如非活性硫化脂肪油。②高速切削齒輪時(shí)，切削溫度較高，油基切削液的冷卻性能不足，容易產(chǎn)生煙霧，應(yīng)選用原液中含有較多動(dòng)植物油脂或硫化脂肪油的水基切削液，亦可選用閃點(diǎn)高和抑制煙霧能力強(qiáng)的切削油。③加工低硬度（250HBS左右）齒輪時(shí)，可選用非活性極壓切削油等油基切削液，如非活性氯化脂肪油;高速加工低硬度齒輪時(shí)，可選用乳化型或微乳化型的水基切削液;加工中硬度（370HBS左右）齒輪時(shí)，除可選用非活性氯化脂肪油外，也可選用非活性硫氯化脂肪油;加工高硬度（500HBS左右）齒輪時(shí)，選用非活性硫氯化脂肪油的效果較好。④從被加工材料來看，用高速鋼刀具粗滾、粗插及粗銑碳鋼、低合金鋼時(shí)，可選用L-MAC極壓乳化切削液或L-MAF極壓微乳化切削液;而精滾、精插及精銑時(shí)，宜優(yōu)先選用L-MHE非活性極壓切削油。用高速鋼刀具滾、插及銑削鑄鐵件時(shí)，可選用L-MHC非活性極壓切削油。用高速鋼刀具滾、插及銑削合金鋼時(shí)，可選用L-MHE非活性極壓切削油。⑤剃齒加工應(yīng)選用含有活性極壓添加劑的、低黏度的油基切削液，如L-MHF活性極壓切削油。這是因?yàn)樵擃惽邢饕涸谔挲X加工時(shí)可防止粘刀、順暢分離切屑、容易沖走切屑，能夠保證高的已加工表面質(zhì)量。⑥齒輪加工機(jī)床如果沒有嚴(yán)密的防漏措施、切削液容易進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選用與潤(rùn)滑油或液壓油相容性好的油基切削液，如L-MHA純礦物油（或合成油）。⑦使用油基切削液加工齒輪時(shí)，要嚴(yán)格防止水分的混入。在切削油中加入適量低級(jí)醇類物質(zhì)對(duì)抑制水分的不利影響有效。

3.6 螺紋加工

①攻螺紋時(shí)，切削力和摩擦力引起的扭矩較大，并且切削速度低，發(fā)熱量不大。因此，選擇攻螺紋切削液時(shí)，潤(rùn)滑性能是第一位的考慮因素。同時(shí)，切削液還要有較好的滲透性和附著能力，以便能夠深入到刀具—工件界面真正起到潤(rùn)滑作用，以降低摩擦和切削扭矩，改善已加工表面粗糙度，保持螺紋牙形完好。例如：高速鋼絲錐攻碳鋼、合金鋼類工件螺紋時(shí)宜選用L-MHF活性極壓切削油;攻鑄鐵類工件螺紋時(shí)宜選用L-MHD活性極壓切削油;攻鋁及其合金和銅類工件螺紋時(shí)宜選用L-MHE非活性極壓切削油。

②螺紋車削是一種成形車削，一般采用中、低速切削（長(zhǎng)絲桿除外），積屑瘤尤其是鱗刺是影響已加工表面質(zhì)量的主要問題。因此，加工各種鋼類工件時(shí)，應(yīng)選用對(duì)積屑瘤和鱗刺抑制能力強(qiáng)的含活性硫和氯系極壓添加劑的油基切削液。例如：高速鋼螺紋車刀車削碳鋼、合金鋼類工件螺紋時(shí)宜優(yōu)先選用L-MHF活性極壓切削油;車削鑄鐵類工件螺紋時(shí)宜選用L-MHD活性極壓切削油;車削鋁及其合金和銅類工件螺紋時(shí)宜選用L-MHC非活性極壓切削油。

③用板牙套螺紋的切削狀態(tài)與攻螺紋相似;用螺紋銑刀銑制螺紋的切削狀態(tài)與成形銑削相仿。因此，其切削液的選用原則亦基本類似。

3.7 組合機(jī)床、加工中心、自動(dòng)生產(chǎn)線

組合機(jī)床、加工中心、自動(dòng)生產(chǎn)線（包括柔性制造生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)）切削加工的主要特點(diǎn)是刀具和加工方式的種類多，工件材料也不固定，切削液的選用應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①選用通用性能較好的切削液，如非活性極壓切削油或減摩切削油等油基切削液以及乳化型或微乳化型的水基切削液。②盡量選用耐腐敗、使用壽命長(zhǎng)、防銹性能好的切削液，如油基切削液。③如果選用水基切削液，其使用液的稀釋濃度應(yīng)比在普通機(jī)床使用時(shí)提高2-3%。④對(duì)于間歇使用的組合機(jī)床或加工中心，應(yīng)選用油基切削液以有利于機(jī)床的維護(hù)和保養(yǎng)。⑤對(duì)于有特殊要求的加工工藝和難加工材料，可以配合使用特殊供液方法，例如：在使用乳化型或微乳化型的水基切削液的機(jī)床上鉸孔、攻螺紋時(shí)，供給高濃度的同種切削液;采用噴霧供液等。

4 ?結(jié)語

總之，作為多元化的終端切削液用戶，必須考慮其與具體的加工環(huán)境的適應(yīng)性問題，即考慮與加工方式、加工要求、工件材料、機(jī)床、刀具和工藝參數(shù)等間的相互適應(yīng)，“量體裁衣”而不是盲目選用或放任自流，以便獲得更好的加工效果或者更低的加工成本。

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