切(磨)削液的作用与性能
<P> 在金属切削过程中，为提高切削效率，提高工件的精度和降低工件表面粗糙度，延长刀具使用寿命，达到最佳的经济效果，就必须减少刀具与工件、刀具与切屑之间磨擦，及时带走切削区内因材料变形而产生的热量。要达到这些目的，一方面是通过开发高硬度耐高温的刀具材料和改进刀具的几何形状,如随着碳素钢、高速钢硬质合金及陶瓷等刀具材料的相继问世以及使用转位刀具等，使金属切削的加工率得到迅速提高；另一方面采用性能优良的切(磨)削液往往可以明显提高切削效率，降低工件表面粗糙度，延长刀具使用寿命，取得良好和经济效益。切削液作用有如下几方面：<BR></P><H1><FONT size=4>1.冷却作用</FONT></H1><P><BR></P><P> 冷却作用是依靠切削液的对流换热和汽化把切削热从固体(刀具、工件和切屑)带走，降低切削区的温度，减少工件变形，保持刀具硬度和尺寸。<BR></P><P> 切削液的冷却作用取决于它的热参数值，特别是比热容和热导率。此外，液体的流动条件和热交换系数也起重要作用，热交换系数可以通过改变表面活性材料和汽化热大小来提高。水具有较高的比热容和大的导热率，所以水基的切削性能要比油基切削液好。表1-1为水和油的执参数值。<BR></P><P><TABLE align=right><TBODY><TR align=middle><TD><TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=center bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1><CAPTION>表1-1 水油的热参数值</CAPTION><BR><TBODY><TR align=middle bgColor=#c5cb9a><TD>类别 <TD>热导率<BR>W/(m.k) <TD>比热容<BR>J/kg.K <TD>汽化热<BR>j/g <TR align=middle><TD>水 <TD>0.63 <TD>4.18×10<SUP>3</SUP><TD>2260 <BR><TR align=middle><TD>油 <TD>0.125~0.21 <TD>1.67~2.09×10<SUP>3</SUP><TD>167~314</TD></TR></TBODY></TABLE><TR align=middle><TD><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_wnykkl20051212151657552.gif"><BR>图1-1 不同的冷却润滑材料的冷却效果</TD></TR></TBODY></TABLE></P><P> 改变液体的流动条件，如提高流速和加大流量可以有效地提高切削液的冷却效果，特别对于对于冷却效果差的油基切削液，加大切削液的供液压力和加大流量，可有较提高冷却性能。在枪钻深孔和高速滚齿加工中就采用这个办法。采用喷雾冷却，使液体易于汽化，也可明显提高冷却效果。在切削加工中，不同的冷却润滑材料的冷却效果见图1-1。<BR></P><P> 切削液的冷却效果受切削液的渗透性能所影响，渗透性能好的切削液，对刀刃的冷却速度快，切削液的渗透性能与切削液的粘度和浸润性有关。低粘度液体比高粘度液体渗透性能要好，油基切削液的渗透性能比水基切削液渗透性能要强，含有表面活性剂的水基切削液其渗透性能则大大有所提高。切削液的浸润性能与切削液的表面张力有关，当液体表面张力大时，液体在固体的表面向周围扩张聚集成液滴，这种液体的渗透性能就差；当液体表面张力小时，液体在固体表面向周围扩展，固体－液体－气体的接触角很小，甚至为零，此时液体的渗透性能就好，液体能迅速扩展到刀具与工件，刀具与切屑接触的缝隙中，便可加强冷却效果。<BR></P><P> 冷却作用的好坏还与泡沫有关，由于泡沫内部是空气，空气的导热性差，泡沫多的切削液冷却效果会降低，所以一般含表面活性剂的合成切削液都加入了少量的乳化硅油，起到消泡作用。近年的研究表明，离子型水基切削液能通过离子的反应，迅速消除切削和磨削时由于强烈磨擦所产生的静电荷，合工件不产生高热，起到良好的冷却效果，这类离子型切削液已广泛用作高速磨削和强力磨削的冷却润滑液。<BR></P><H1><FONT size=4>2.润滑作用</FONT></H1><P><BR></P><P> 在切削加工中，刀具与切削、刀具与工件表面之间产生磨擦，切削液就是减轻这种磨擦的润滑剂。<BR></P><P> 刀具方面，由于刀具在切削过程中带有后角，它与被加工材料接触部分比前刀面少接触压力也低，因此，后刀面的摩擦润滑状态接近于边界润滑状态，一般使用吸附性强的物质，如油性剂和抗剪强度降低的极压剂，能有效地减少摩擦。前刀面的状况与后刀面不同，剪切区经变形的切削在受到刀具推挤的情况下被迫挤出，其接触压力大，切削也因塑性变形而达到高温，在供给切削液后，切削也因受到骤冷而收缩，使前刀面上的刀与切屑接触长度及切屑与刀具间的金属接触面积减少，同时还使平均剪切应力降低，这样就导致了剪切角的增大和切削力的减少，从而使工件材料的切削加工性能得到改善。<BR></P><P> 在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入磨粒与工件及磨粒与磨屑之间形成润滑膜，由于这层润滑膜使得这些界面的摩擦减轻，防止磨粒切削刃的摩擦磨损，工件表面粗糙度降低。<BR></P><P> 切削液的润滑作用，一般油基切削液比水基切削液优越，含油性、极压添加剂的油基切削液效果更好。油性添加剂一般是带有极压性基(<IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_xj2o6k20051212151657589.gif"> )等的长连有机化合物，如高级脂肪酸、高级醇、动植物油脂等。油基添加剂是通过极性基吸附在金属的表面上形成一层润滑膜，减少刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，从而达到减少切削阻力，延长刀具寿命，降低工件表面粗糙度的目的。油性添加剂的作用只限于温度较低的状况，当温度超过200℃，油性剂的吸附层受到破坏而失去润滑作用，所以一般低速、精密切削使用含有油性添加剂的切削液，而在高速、重切削的场合，应使用含有极压添加剂的切削液。<BR></P><P><TABLE align=right><TBODY><TR align=middle><TD><TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=center bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1><CAPTION>表1-2 为硫、氯极压添加剂生成的固体润滑膜的性质</CAPTION><BR><TBODY><TR align=middle bgColor=#c5cb9a><TD>固体润滑膜 <TD>熔点(℃) <TD>剪切强度(%) <TD>结晶结构 <TR align=middle><TD>Fe <TD>1525 <TD>100 <TD> <TR align=middle><TD>FeS <TD>1193 <TD>50 <TD> <TR align=middle><TD>Fe(15)+FeS(85)合金 <TD>985 <TD> <TD> <TR align=middle><TD>FeCI2 <TD>672 <TD>20 <TD>层状格子 <TR align=middle><TD>FeCI3 <TD>302 <TD> <TD>层状格子 </TD></TR></TBODY></TABLE><TR align=middle><TD><IMG src="http://www.chmcw.com/upload_files/article/20/1_qyhfhi20051212151657957.gif"><BR>图1-2切削液添加剂有效作用的温度范围</TD></TR></TBODY></TABLE></P><P><BR></P><P> 所谓极压添加剂是一些含有硫、磷、氯元素的化合物，这些化合物在高温下与金属起化反应，生成硫化铁、磷化铁、氯化铁等，具有低剪切强度的物质，从而降低了切削阻力，减少了刀具与工件、刀具与切屑的摩擦，使切削过程易于进行。含有极压添加剂的切削液还可以抑制积屑瘤的生成，改善工件表面粗糙度。表1-2为硫、氯极压添加剂生成的固体润滑膜的性质。 </P><P> 从表1-2可见，氯化铁的结晶呈层状结构，所以剪切强度最低。氯化铁与硫化铁相比，其熔点低，在高温下(约400℃)会失去润滑作用。磷酸铁介于氯化铁和硫化铁之间，硫化铁耐高温性能(700℃)最好，在重负荷切削及难切削材料的加工中一般都使用含有硫极压剂的切削液。切削液添加剂有效作用的温度范围见图1-2。<BR></P><P> 极压添加剂除了和钢、铁等黑色金属起化学反应生成具有低剪切强度的润滑膜外，对铜、铝等有色金属同样有这个作用。不过有色金属的切削一般不宜用活性极压添加剂，以免对工件造成腐蚀。表1-3为含有极压添加剂的切削液与不同金属作用生成的反应物的特性。<BR></P><P> 切削液的润滑作用同样与切削液的渗透性有关，渗透性能好的切削液，润滑剂能及时渗入到切屑与刀具界面和刀具与工件界面，在切屑、工件和刀具表面形成润滑膜，降低摩擦系数，减少切削阻力。<BR></P><P><TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=center bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1><CAPTION>表1-3为含有极压添加剂的切削液与不同金属作用生成的反应物的特性</CAPTION><BR><TBODY><TR align=middle bgColor=#c5cb9a><TD colSpan=7>二维切削，t=0.05mm，υ=5.5m/min，高速钢，<FONT face=symbol>a</FONT>=15° <TR align=middle bgColor=#c5cb9a><TD>加工材料 <TD>金属的剪切强度<BR>Mpa <TD>切削液 <TD>反应生成物 <TD>反应生成物的剪切强度ζ1<BR>Mpa <TD>摩擦减少率<BR>% <TD>试验得出的摩擦减少率<BR>% <TR align=middle><TD rowSpan=4>铁 <TD rowSpan=4>1305 <TD rowSpan=2>四氯化碳<BR>烷基硫 <TD>FeCl<SUB>2</SUB><TD>372 <TD>71 <TD>80 <TR align=middle><TD>FeCl<SUB>3</SUB><TD>152 <TD>88 <TD> <BR><TR align=middle><TD rowSpan=2> <TD>FeS <TD>608 <TD>53 <TD>60 <BR><TR align=middle><TD>FeS<SUB>2</SUB><TD> <TD> <TD> <BR><TR align=middle><TD>铜 <TD>941 <TD>四氯化碳<BR>烷基硫 <TD>CuCl<BR>Cu<SUB>2</SUB>S <TD>102<BR>41 <TD>89<BR>57 <TD>65<BR>55 <TR align=middle><TD>铝 <TD>402 <TD>四氯化碳 <TD>AlCl<SUB>3</SUB><TD>90 <TD>78 <TD>65</TD></TR></TBODY></TABLE></P><P><BR></P><P> 切削液除上述的润滑效果外，最近研究认为，切削可以直接渗入到金属表面的微小裂纹中，改变了被加工材料的物理性质，从而降低切削阻力，使切削过程容易进行。 <BR></P><H1><FONT size=4>3.清洗作用</FONT></H1><P><BR></P><P> 在金属切削过程中，切削、铁粉、磨屑、油污等物易粘附在工件表面和刀具、砂轮上，影响切削效果，同时使工件和机床变脏，不易清洗所以切削液必须有良好的清洗作用，对于油基切削液，粘度越低，清洗能力越强，特别是含有柴油、煤油等轻组份的切削液，渗透和清洗性能就更好。含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥，并在工件表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、刀具和砂轮上，另一方面能渗入到粒子和油污粘附的界面上把粒子和油污从界面上分离，随切削液带走，从而起到清洗作用。切削液的清洗作用还应表现在对切屑、磨悄、铁粉、油污等有良好的分离和沉降作用。循环使用的切削液在回流到冷却槽后能迅速使切屑、铁粉、磨屑、微粒等沉降于容器的底部油污等物悬浮于液面上，这样便可保证切削液反复使用后仍能保持清洁，保证加工质量和延长使用周期。<BR></P><H1><FONT size=4>4.防锈作用</FONT></H1><P><BR></P><P> 在切削加工过程中，工件如果与水和切削液分解或氧化变质所产生的腐蚀介质接触，如与硫、二氧化硫、氯离子、酸、硫化氢、碱等接触就会受到腐蚀，机床与切削液接触的部位也会因此而产生腐蚀，在工件加工后或工序间存放期间，如果切削液没有一定的防锈能力，工件会受到空气中的水分及腐蚀介质的侵蚀而产生化学腐蚀和电化学腐蚀，造成工件生锈，因此，要求切削液必须具有较好的防锈性能，这是切削液最基本的性能之一。切削油一般都具备一定有防锈能力，如果工序间存放周期不长，可以不加防锈添加剂，因为在切削油中加入石油磺酸钡等防锈添加剂会使切削油的抗磨性能下降。如要求防锈性能好的切削油，可加入0.1%~0.3%的十二烯基丁二酸。要求对铜无腐蚀的切削油，可添加0.2%~0.3%苯并三氮唑，能有效的防止铜的变色和腐蚀。乳化油中一般加入石油磺酸钡和石油磺酸钠及三乙醇胺作防锈添加剂，石油磺酸钠和脂肪酸三乙醇胺同时也是一种良好的乳化剂。这些防锈添加剂能定向吸附在金属表面上，形成一层吸附膜，使金属表面与水、氧等介质隔离，直到防锈作用。水基合成切削液要加入水溶性的防锈添加剂，如单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙醇胺硼酸盐、脂肪酸皂等。亚硝酸钠、硼酸盐也是良好的水溶性防锈剂，对于水基切削液，要求Ph=9.5，有利于提高切削液对黑色金属的防锈作用护延长切削液的使用周期。<BR></P><H1><FONT size=4>5.切削液的性能</FONT></H1><OL><BR><LI>储存稳定性好，在机床和冷却系统使用和在仓库贮存期内，切削液不应产生沉淀或分层，<BR><LI>对于乳化液和合成型水基切削液，应具备良好的稳定性，不会析油、析皂，对细菌和霉菌有一定的抵抗能力，不易发臭变质，使用周期较长。<BR><LI>对人体无害，无剌激性气味，便于回收，不会污染环境。废液经处理后能达到国家规定的工业污水排放标准。</LI></OL>
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