1 切削液在機械加工中作用與歷史

切削液作為機械加工重要的配套材料,主要起冷卻、潤滑、清洗和防銹作用,又稱磨削液,切削液的使用在金屬切削加工中占有重要的地位。但它的使用也帶來了許多負面影響,研發和推廣使用新型冷卻技術日趨重要。

 切削液在金屬切削過程中可以帶走大量切削熱,降低切削區的溫度,起到冷卻作用;并滲透到刀具與工件、切屑的接觸表面,形成潤滑膜,減少摩擦,降低動力消耗,起到潤滑作用;還能清除粘附在機床、刀具、夾具上細小切屑或磨粒,避免劃傷工件已加工表面和機床導軌,起到清洗作用;切削液中加入防銹劑,防止機床、刀具和工件受周圍介質影響發生腐蝕,起到防銹作用。

 人類使用切削液的歷史可以追溯到遠古時代。人們在磨制石器、鐵銅器時,知道澆水可以提高效率和質量。19世紀80年代,美國科學家闡述了使用碳酸鈉水溶液機理,使切削速度提高30%～40%。后來人們嘗試用動植物油來作為切削液,能獲得良好的加工表面,但是,動植物油易變質,使用周期短。20世紀初,人們開始研究和使用礦物油和動植物油合成的復合油,并應用于重切削、拉削、螺紋和齒輪加工中,取得了良好的效果。刀具材料(高速鋼、硬質合金)的發展又推動了切削液的發展。隨著切削速度和切削溫度的不斷提高,油基切削液的冷卻性能已不能完全滿足切削要求,人們又開始重視水冷卻的優 點,把油的潤滑性能與水的冷卻性能結合起來,促使了乳化液的應用,發展了合成和半合成切削液(即乳化液),并分別形成了系列產品。近年來,隨著先進制造技術發展和人們環保意識的加強,對切削液提出了新的技術要求,人們又致力于研制開發低污染切削液,以減少切削廢液對環境的危害。

 2 切削液的選擇和使用

目前,切削液仍是金屬切削加工主要的冷卻方法,合理使用金屬切削液是提高加工質量、刀具耐用度和生產效率的有效途徑之一。

2.1 切削液的種類

2.1.1 水基切削液

 (1)水溶液 主要成分是水,為防止機床和工件生銹,常加入防銹劑,主要起冷卻作用,用于粗加工和普通磨削加工,常用的有肥皂水和蘇打水。

 (2)乳化液 乳化油加95%～98%水稀釋而成的一種乳白色切削液,主要起潤滑作用。

 (3)合成切削液 主要成分是水,含有少量的防銹劑、表面活性劑等組成,具有良好的冷卻、潤滑、清洗和防銹作用,熱穩定性好,而且不含對人體有害物質。是目前推廣使用的高性能環保型切削液。

2.1.2 油基切削液

 (1)切削油以礦物油(機械油、輕柴油、煤油)為主要成分并加入一定添加劑而構成的切削液。加入添加劑可提高潤滑效果,切削油的潤滑、防銹性能好, 但流動性、冷卻、清洗作用比較差。

 (2)極壓切削油 極壓切削液分為極壓乳化液和極壓切削油兩類。極壓添加劑能形成牢固的化學膜,在高溫時可顯著提高冷卻和潤滑效果。

2.2 切削液的合理選擇

切削液種類選擇是否合理,是影響機械加工質量主要因素,因此,要合理選擇切削液,根據刀具材料、工件材料、加工方法和技術要求等確定。

 高速鋼刀具耐熱性差,需采用切削液。由于粗、精加工鋼料的技術要求不同,選擇乳化液濃度也不同。硬質合金耐熱性高,具有良好的耐磨性,加工一般材料采用干切削。但干切削時,工件溫升高,切削阻力大,機床功率消耗增大,刀具的磨損也加快。另外,硬質合金刀具價格較貴,從經濟方面考慮,干切削也是不合算的。所以,在選用切削液時,還要考慮硬質合金對驟熱的敏感性。

陶瓷刀具和金剛石刀具具有極高的硬度,一般采用干切削。為避免溫度過高也常使用水基切削液。加工鑄鐵、鑄造黃銅等脆性材料,一般不用切削液。磨削時,切削溫度高,碎屑、磨粒多,常用冷卻、清洗性能好的乳化液或水溶液。

2.3 切削液的使用方法

使用切削液時,還要注意使用方法,切削液應澆注在切削變形區,不應澆注在刀具和工具上。為了提高使用效果,常采用前刀面澆注法、后刀面澆注法、刀具加壓內冷卻方法、周環澆注法等。

 3 切削液使用存在的問題

雖然切削液有利于降低切削區溫度、延長刀具壽命、防止工件熱變形、改善已加工表面質量,若將未經處理的切削液直接排入江河湖海,就會破壞生態環境。另外,由于切削液的潤滑劑中含有大量亞硝胺、多環芳香烴和細菌分解產物,人直接接觸將導致多種皮膚病、眼疾、呼吸系統疾病,直接影響操作者的身體健康。

 3.1 制造成本加大

 使用切削液會耗費大量的切削液和電能。日本一年耗費的切削液就達8億升,使用切削液所耗費的能量大約占整個機械制造廠能量的1/10,切削液的費用已占零件加工成本14%～17%。美國Baylers刀具涂層公司也作了這方面的統計,結果是切削液的消耗是刀具費用的3～4倍。

3.2 環境污染

切削液受熱揮發易形成煙霧并產生異味,特別是極壓添加劑所含硫、磷、氯等化學元素在切削過程中形成的物質會導致多種疾病。切削液是機械加工中造成環境污染的主要根源:未處理的乳化液含油量高達20000mg/L,化學耗氧量(COD)高達9300mg/L,生物耗氧量(BOD)達9300mg/L。在我國僅機械工業廢乳化液的日排放量據不完全統計已達億噸,可見其問題的嚴重性。

3.3 對人體皮膚的刺激

在金屬切削過程中,切削液與人體直接接觸,對人體皮膚的刺激非常嚴重,造成手部皮膚發紅、瘙癢、接觸性皮炎和蛻皮。長期接觸含有毒性成分的切削液,有毒物質被人體皮膚所吸收,會誘發多種皮膚病,甚至癌癥,威脅著工人的身心健康。

 因此,企業應盡可能選用安全環保、無毒和高性能的切削液,同時,配備相應的勞保用品,以維護職工的身體健康。

4 綠色加工冷卻技術應運而生

4.1 干切削(DryMachining)加工技術

環境和資源問題是當今和未來人類社會實現可持續發展需要解決的問題。近年來,為了貫徹環保政策、降低加工成本,世界各國試圖不用或少用切削液,大力研發及推廣應用干切削加工技術。切削力大、切削溫度高是干切削的特點,刀具能否克服這些不利影響,是干切削順利實施的關鍵所在,選擇適合干切削加工的新型刀具材料。常用的有硬質合金和涂層硬質合金、陶瓷及金屬陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)等。在干切削過程中,還會出現許多濕切削中沒有出現過的問題,機床設計也要充分考慮。用于干切削的機床主要考慮切削熱的散發及熱切屑和灰塵的排除,一般應盡可能采用超高速機床,如德國HuelerHille公司生產的500/630T高速加工中心,工件基本保持在室溫狀態下進行切削滿足加工要求。

4.2 準干切削技術

 目前干切削的應用范圍比較有限,而完全的濕切削又有諸多不足,若兩者結合,既可滿足加工要求,又可使與切削液有關的費用降低,介于干切削與濕切削之間的這就是準干切削技術。由于它使用的切削液用量為最少,因而切削液供給系統簡單、體積小、容易布局。 除上所述的幾種環保加工技術外,還有MQL潤滑的準干切削技術、在氮氣氛圍中進行干切削(即吹氮加工)、干式靜電冷卻技術、冷風干切削技術等。

5 結 語

切削液的使用與我國制訂的環境保護政策之間的矛盾日益突出,使用干切削加工技術和準干切削技術雖然存在著一定局限,面臨著許多技術難題,仍然是一種極具發展潛力的加工方法。所以,探索和研制新型高效且對環境無污染的加工冷卻方法勢在必行。