切削液资料.doc

在切削加工中，合理使用切削液，可以改善切屑、工件与刀具间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，延长刀具使用寿命，并能减小工件热变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，从而提高加工精度和减小已加工表面粗糙度。所以，对切削液的研究和应用应当予以重视。 l 切削液的分类 金属切削加工中常用的切削液可分为三大类：水溶液、乳化液、切削油。 1.水溶液 水溶液的主要成分是水，它的冷却性能好，若配成液呈透明状，则便于操作者观察。但是单纯的水容易使金属生锈，且润滑性能欠佳。因此，经常在水溶液中加入一定的添加剂，使其既能保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。 2.乳化液 乳化液是将乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成，用9598水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。它具有良好的冷却作用，但因为含水量大，所以润滑、防锈性能均较差。为了提高其润滑性能和防锈性能，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。 3.切削油 切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，润滑效果一般。在实际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高其润滑和防锈性能。 动植物油有良好的“油性”，适于低速精加工，但是它们容易变质，因此最好不用或少用，而应尽量采用其他代用品，如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。 、切削液的冷却作用 切削液能够降低切削温度，从而可以提高刀具使用寿命和加工质量。在刀具材料的耐热性较差、工件材料的热膨胀系数较大以及两者的导热性较差的情况下，切削液的冷却作用显得更为重要。 切削液冷却性能的好坏，取决于它的导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。一般地说，水溶液的冷却性能最好，油类最差(表81)，乳化液介于两者之间而接近于水。 二、切削液的润滑作用 金属切削时切屑、工件与刀具间的摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。真正的干摩擦只发生在绝对清洁的摩擦表面间，这时摩擦系数很大。如在真空中两金属表面间的摩擦系数可达10100，而摩擦力的大小取决于金属的抗剪强度。在大气中进行金属切削(即干切削)时，虽然刚刚产生的刀屑摩擦表面是十分清洁的，但是和空气接触后迅速氧化(时间约为百分之一秒到几千分之一秒)4，形成氧化膜而降低了磨擦系数(一般在l以下)。采用切削液以后，其润滑作用又有所提高，可进一步降低摩擦系数，使切削过程进行得更顺利。 切削液的润滑作用，只是在切屑、工件与刀具界面间存在油膜形成流体润滑摩擦时，才能得到比较好的效果。但在很多情况下；当切屑、工件与刀具界面间承受的载荷增加，温度升高，油膜的厚度便要减薄。如载荷与温度继续增加，则油膜厚度进一步减薄，一直到相当于金属表面的凹凸不平度时，流体油膜便部分地被破坏，而由凸起的金属峰尖直接接触(图81)，起不到良好的流体润滑作用。但是由于润滑液的渗透和吸附作用，部分接触面仍存在着润滑液的吸附膜，起到减小摩擦系数的作用，这种状态就称之为边界润滑摩擦。边界润滑时的摩擦系数值大于流体润滑，但小于干切削。 在金属切削加工中，大多属于边界润滑。边界润滑一般分为低温低压边界润滑、高温边界润滑、高压边界润滑和高温高压边界润滑四种。 一般的切削油在200左右即失去其润滑能力，因此只适用于低温低压边界润滑摩擦。而在某些切削条件下，切屑、刀具界面间可达到6001000左右的高温和1.52.0gpa(150200kgfmm2)的高压11，这就形成了高温高压边界润滑，或称极压润滑。 边界润滑的摩擦力ff可用下式表示： ffarm1十(1m)2 (81) 式中 ar真正的接触面积； m发生金属接触的面积在真正接触面积中所占的比例； l较软一方金属的抗剪强度； 2润滑膜的抗剪强度。 如果切削液的极压性能良好，润滑膜布满金属表面，金属接触的面积很小或接近于零(即m0)；则润滑情况接近于流体润滑，其摩擦力为 ff=ar2 (82) 如果不用切削液，也不考虑产生氧化膜等因素，则形成干摩擦，此时m1，摩擦力为 ffarl (83) 在流体润滑中，润滑液的承载能力，随润滑液的粘度增加而增加。而在边界润滑中，由于不存在完全的油膜，其承载能力已与油的粘度无关，而取决于润滑液中的“油性”。所谓“油性”，是指在动植物油脂中，包含着对金属有强烈吸附性的原子团，能在切屑、工件与刀具界面间形成物理吸附膜，即润滑膜。在一般金属的低速精加工切削时，主要是添加动植物油脂的油性添加剂(或直接采用动植物油)。但是，大多数难切削金属的加工，属于极压润滑状态，此时油性添加剂在金属摩擦表面所形成的润滑膜，也将被高温高压所破坏，这就必须依靠极压添加剂(详见下节)形成另一种性质的润滑膜。这层润滑膜是极压添加剂在高温高压下，进入切屑、工件与刀具界面间，和金属发生化学反应所生成的氯化铁、硫化铁等化学吸附膜，使边界润滑层具有较好的润滑性。 由上述分析可知：大多数的金属切削过程是在边界润滑摩擦条件下进行的，采用恰当的能适应这样摩擦状态的切削液，就有可能改善切削过程的摩擦条件，达到提高切削效果的目的。 三、切削液的清洗作用 当金属切削中产生碎屑(如切铸铁)或粉屑(如磨削)时，要求切削液具有良好的清洗作用。清洗性能的好坏，与切削浓的渗透性、流动性和使用的压力有关。为了增强切削液的渗透性、流动性，往往加入剂量较大的表面活性剂和少量矿物油，用大的稀释比(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。为了提高其冲刷能力，及时冲走碎屑及粉屑，在使用中往往给予一定的压力，并保持足够的流量。 四、切削液的防锈作用 为了减小工件、机床、刀具受周围介质(空气、水分等)的腐蚀，要求切削液具有一定的防锈作用。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的作用。在气候潮湿地区，对防锈作用的要求显得更为突出。 除以上四个方面以外，对切削液还有价廉、配制方便、性能稳定、不污染环境和对人体无害等要求。任何一种切削液，都难以全面满足各项要求，只能根据具体条件适当选定品种，发挥其某些主要方面的作用。为了改善切削液的性能所加入的化学物质，称为添加剂。常见的有油性和极压添加剂、防锈添加剂、防霉添加剂、抗泡沫添加剂以及乳化剂等(详见表82)。 一、油性添加剂和极压添加剂 油性添加剂主要应用于低压低温边界润滑状态，它在金属切削过程中主要起渗透和润滑作用，降低油与金属的界面张力，使切削油很快渗透到切削区，在一定的切削温度作用下进一步形成物理吸附膜，减小前刀面与切屑、后刀面与工件之间的摩擦。 在极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜强度。常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物，这些化合物在高温下与金属表面起化学反应，生成化学吸附膜，它比物理吸附膜的熔点高得多，可防止极压润滑状态下金属摩擦界面直接接触，减小摩擦，保持润滑作用。常用极压添加剂如下： (1)含硫的极压添加剂：在切削液中引入硫元素有两种方式，一是用元素硫直接硫化的矿物油，叫硫化切削油；二是在矿物油中加入含硫的添加剂，如硫化动植物油、硫化烯烃和硫、氯化动植物油等，制成极压切削油。硫化切削油对铜及铜合金有腐蚀作用，加工时气味大，已逐渐被极压切削油所代替。含硫的极压切削油在金属切削过程中和金属起化学反应，生成硫化铁。硫化铁没有像氯化铁那样的层状结构，比氯化铁摩擦系数大，但熔点高(硫化铁熔点1193，二硫化铁熔点117l)，硫化膜在高温下不易破坏，故切削钢件时，能在1000左右的高温下，仍保持其润滑性能。 (2)含氯的极压添加剂：常用的含氯极压添加剂有氯化石蜡(氯含量为4050)、氯化脂肪酸或酯类等。氯的化学性能活泼，在200300时即能与金属表面起化学反应。氯化物的摩擦系数低于硫化物，故含氯极压添加剂具有优良的润滑性能，含氯极压添加剂的切削液约可耐600的高温，特别适合于切削合金钢、高强度钢、钼以及其他难切削材料。氯化石蜡等有腐蚀性，必须与油溶性防锈添加剂一起使用。有的资料30认为含氯添加剂的重点应放在四氯化碳这一类高挥发性的添加剂，因为它能渗入切屑、工件与刀具界面间的微裂缝中，同时又能防止冷焊磨损的发生。但因四氯化碳会挥发出有害气体，所以国内很少采用。 (3)含磷的极压添加剂：在切削液中，常用的含磷添加剂是有机磷酸酯或硫代磷酸锌。这类添加剂有中等的极压性能，与钢铁接触即被吸附，并起化学反应，生成磷酸铁化学润滑膜，降低摩擦、减小磨损的效果比含硫、含氯的极压添加剂更为良好。 为了得到效果较好的切削液，往往在一种切削液中加入上述的两种或三种添加剂，复合使用，以便切削液迅速进入高温切削区，形成牢固的化学润滑膜。 二、防锈添加剂 为了使机床、刀具、工件不受腐蚀，要在切削液中加入防锈添加剂。它是一种极性很强的化合物，与金属表面有很强的附着力，在金属表面上优先吸附形成保护膜，或与金属表面化合形成钝化膜，保护金属表面不与腐蚀介质接触，因而起到防锈作用。常用的防锈添加剂，可分为水溶性和油溶性两大类： (1)水溶性防锈添加剂：水溶性防锈添加剂的品种很多，其中以亚硝酸钠在乳化液和水溶液中的应用较为广泛。亚硝酸钠基本上没有润滑性能，在碱性介质中对钢铁有防锈作用，用量一般控制在0.25左右，浓度再高则对操作者皮肤有害。亚硝酸钠的防锈作用，对有色金属(如铜、铝及其合金等)无效，甚至起腐蚀作用。加工铜的乳化液或水溶液，宜用苯骈三氮唑为防锈添加剂，加入0.010.1即见效果。应当注意，水溶性防锈添加剂用于乳化液时，用量不宜过大，因为它们大多是电解质，用量过大会破坏乳化液，致使油水分离。 (2)油溶性防锈添加剂：油溶性防锈添加剂主要应用于防锈乳化液，也有用于切削油的。在使用过程中，常常将各种具有不同特点的防锈剂复合使用，以达到综合防锈的良好效果。如添加氧化石油酯及其皂类，能提高耐大气腐蚀性能；添加胺类，能提高油脂的抗氧化性，中和酸性物质，添加羊毛脂及其皂类，能提高吸附性。 三、防霉添加剂 乳化液长期使用以后，容易变质发臭，这是由于细菌繁殖的结果。只要加入万分之几的防霉添加剂，即可起到杀菌和抑制细菌繁殖的效果。但防霉添加剂会引起操作者皮肤起红斑、发痒等，所以一般不用。 四、抗泡沫添加剂 切削液中一般都加入防锈添加剂、乳化剂等表面活性剂，这些物质增加了混入空气而形成泡沫的可能性。如果泡沫过多，会降低切削液的效果。若加入百万分之几的抗泡沫添加剂(如二甲基硅油)，可以有效地防止形成泡沫。在高速强力磨削时，由于会产生比较多的泡沫，所以必须在磨削液中添加适量的抗泡沫剂，并作消泡试验。 五、乳 化 剂 乳化液是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的关键性物质。它能吸附在油水界面上形成坚固的吸附膜，使油很均匀地分散在水中，形成稳定的乳化液。 (1)乳化液形成的机理(表面活性剂的作用)：油水本来是互不相溶的，经过高速搅拌也能形成分散体，但静置后不久还会分离。若加入表面活性剂后，再加搅拌混合，油就会以微小的颗粒分散在水中，形成稳定的乳化液，即使静置也难分离。这是因为表面活性剂是一种有机化合物，它的分子是由极性基团和非极性基团两个部分组成助。极性基因是亲水的，叫做亲水基团，可溶于水；非极性基团是亲油的，叫做亲油基团或憎水出由，可溶于油。 加入油和水中的表面活性剂能定向地排列吸附在油水两相界面上，极性端朝水，非极性端朝油，把油和水连接起来，降低油水的界面张力，使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成稳定的水包油(0w)乳化液，如图82所示。这时水为连续相，称为分散介质或外相；油为不连续相，称为分散相或内相。反之就是油包水(wo)的乳化液，如图83所示。在金属切削加工中应用的是水包油(ow)的乳化液。 表面活性剂在乳化液中，除了起乳化作用外，还能吸附在金属表面上形成润滑膜，起油性添加剂的润滑作用。 (2)表面活性剂的种类：表面活性剂的种类和牌号很多，但按其性质和分子结构，大体可分为四类：阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型。在配制乳化液时，应用最广泛的是阴离子型和非离子型的表面活性剂(详见表82)。 阴离子型表面活性剂的特点是乳化性能好，并有一定的清洗和润滑性能，有的还有定的防锈性能，但抗硬水能力差，易起泡沫。 非离子型表面活性剂在乳化液和水溶液中不产生离子，所以不怕硬水，也不受ph值(酸碱值的大小)的限制，而且分子中的亲水、亲油基可根据需要加以调节。 (3)乳化稳定剂：乳化液中加入稳定剂的作用有两个方面：一是使乳化油中的皂类借稳定剂的加溶作用与其他添加剂充分互溶，以改善乳化油及乳化液的稳定性；二是扩大表面活性剂的乳化范围，提高稳定性。但是，在使用乳化稳定剂低分子醇时，应特别注意，因它同时又是破乳剂，如用量过大会造成油水分层。应当根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求，选用不同的切削液。如选择不当，就得不到应有效果。常用切削液的配方及其选用可参考附录8。 高速钢刀具粗加工时，应选用以冷却作用为主的切削液，主要目的是降低切削温度；硬质合金刀具粗加工时可以不用切削液，必要时也可以来用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注。精加工切削时（包括铰削、拉削、螺纹加工、剃齿等），应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。硬质合金刀具精加工时采用的切削液与粗加工时基本相同，但应适当注意提高其润滑性能。切削高强度钢和高温合金等难加工材料，对切削液的冷却、润滑作用都有较高的要求，此时应尽可能采用极压切削