正确合理地使用冷却液

研磨者

正确合理地使用冷却液

在订购金属加工消耗品和评价分析抹布周围存留的冷却液和润滑油的时候，时间也随之流逝了。许多公司都已经深刻认识到，以不同的方式生产高质量的产品是企业生存之本。

选择正确的冷却液并不是达到良好冷却效果的唯一考虑。如果冷却液没有有效地按照合适的温度和压力传送，所使用的冷却液没有采用定位正确和形状合适的喷嘴，所使用的过滤系统与所加工的工作不相匹配，那么在这些情况下所提供的冷却液可能根本起不到什么作用，或者会产生更糟的结果。

技术并不是冷却液和润滑剂供货商所面临的唯一挑战。美国润滑油巨头ITW RocolNorth America公司以及大多数其它供货商都面临着基本库存费用不断上涨的压力。这是一个双重性的挑战，即石油缺乏和价格上涨。为确保向客户提供满足其需要的最佳解决方案，ITW Rocol North America公司不断加强与客户的密切合作。他们制定了双重路线，既提供传统的喷溅式冷却液，又提供带有微润滑(MQL)系统的冷却液。

ITW Rocol North America公司针对MQL市场开发了一种Accu-Lube系列有机冷却液/植物油，用于准干式切削。由于这种植物油具有很多优点，能够解决水基冷却液存在的水箱需要维修和冷却液需要处理等固有问题，因此MQL市场前景非常看好。对于传统的喷溅式冷却而言，该公司最近倾向于采用生物稳定型半合成冷却液，例如Rustlick Ultracut 370R冷却液。

究竟选用喷溅式冷却方式还是MQL方式取决于特定的加工零件。关键的问题在于是否能够将液体输送到零件加工区域，以及将工作环境中产生的油雾限制到了何种严格的程度。如果油雾污染情况十分严重，那么对于使用金属加工冷却液的客户和供货商来说，都将需要作出很多的改变。

冷却液的基础研究

基础研究一直是奔驰石油公司的一个研究重点，特别是高压条件下的润滑剂表面化学特性问题。例如，当刀具与工件接触时会发生什么样的情况？如何有效地使用冷却液中的氯、磷和硫来控制工件的表面光洁度。而且还需要量化薄膜是如何形成的，以及是什么使它们形成的。接下来，也许也是最重要的问题，就是了解这些化学元素如何以一种复杂的过程，打破工件材料表面原子间的结合，例如铁原子间的结合，以及采取控制分裂法来打开表面，达到推进材料从工件上脱落的目的。这些化学物质起着一种高速氢脆剂的作用，通过在滑动接触区表面上形成的薄膜来控制摩擦力。

基础研究与冷却液的生产工艺紧密相关，在这一过程中，其接触压力达到千兆Pa(GPa)以上，或者与某一点有关，在这一点上可以发生任何水平的塑性形变。

植物油的使用

石油价格的不断上涨成为磨削操作的一个不可忽视的问题。趋向于使用溶剂精炼油的原因之一是它对热冲击不那么灵敏。对任何精密磨削操作而言，热稳定性是非常重要的。研究人员发现，在严酷的磨削条件下，水基冷却液由于热稳定性问题会给工件造成损伤。水分会在切削表面上沸腾蒸发，从而造成整个系统处于干磨的状态之下。但倾向于使用油基冷却液的客户也必须了解产生油雾的原因，还需要采用较高压力流量系统来清除油雾。

瑞士巴索公司(Blaser)认为植物油是一个巨大的市场。植物油不仅环保安全，而且还可以使生产效率得以提高。在某一应用案例中，巴索公司的工程师们在改用植物油以后，使生产周期节约了30%。他们发现，在更为困难的加工环境中应用植物油可以获得最高的生产效益。例如，在钛合金加工中采用植物润滑剂可以比加工铝材获得更高的效益。植物油带有极性，这一特性使植物油添加剂可以有效地形成细密均匀分布的表层。巴索公司的客户在开始使用植物油基的产品以后，已经多次称赞它们在提高生产效率方面的能力和好处，而且使用更加频繁，加工速度更快。

此外，植物油可以与切屑一起从机床上排出，所加工生产的零件质量更好，还可节约使用20%～30%。这也一定程度弥补了使用矿物油和植物油之间的成本差距。因为如果仅从价格方面来看，初期使用的植物油基的切削冷却液，其每加仑的价格可以跃升5～9美元，这对生产企业来讲是一笔不小的开支。植物油的另一优点是，大多数植物油的闪点都要比矿物油高，这对于一直使用油产品的那些客户来说，使用植物油显然具有更高的安全性。

巴索公司在高压冷却液和切削油装置研究方面也取得了显著成果。他们开发出了能够控制泡沫和气化的冷却液，这可以使客户充分享受高压带来的提高生产率的优势。在为高压应用领域选用合适的金属加工冷却液时，水质、水箱的大小、周期时间、水泵的配置、压力和通过刀具冷却液的输送都是需要考虑的重要因素。

冷却液过滤器的选择

冷却液过滤器对冷却液的性能发挥起着十分重要的作用。美国马斯达化工公司的产品应用经理Andy Nelson先生认为，过滤器应该使过滤后的冷却液中循环微粒不大于公差范围的10%。例如，公差范围是±0.13 mm，那么就选用能够可靠地去除大于0.0025 mm微粒的过滤器，以确保切屑遗留下来的擦痕或累积误差不影响公差要求。如果要求较高的表面光洁度，那么即使是很小的一点擦痕也会影响表面质量和测量值。而且时间一长，过滤器上也会发生微粒累积现象。因此，定期清除冷却液中累积的微粒是非常必要的，因为它们会使冷却液产生不必要的化学反应，进而影响表面光洁度。

在磨削加工中，冷却液能很快地使砂轮湿润，砂轮变成了一个迅速移动的海绵体，将冷却液带到接触弧面处进行冷却和润滑。砂轮能够吸收的冷却液越多，那么冷却液降低寄生阻力的能力越强。沉积在砂轮上的残留物对砂轮的影响也很大，因此必须注意保持砂轮的标准尺寸，对砂轮进行正常的修整、清洁，清除沉积在砂轮上的微小颗粒。这些残留物一部分是混合硬水中所含的矿物质，另一部分则来自于残油。

残留物中的阳离子，特别是镁离子和钙离子会与冷却液中的湿润剂起化学反应，产生一种柔软的油污残留物而粘附在砂轮表面上，降低了砂轮吸附冷却液的能力。此外，这一化学反应也会降低湿润剂在冷却液中的含量，从而影响其有效地湿润砂轮的能力。如果在冷却液中，加入“过量”的普通“主题”防泡沫剂，其中主要活性成分是不溶于水的“油状”物质(一般是一种或多种硅氧烷复合物乳剂)，那么也会发生类似的情况。在“使用很小粒度的硬质封闭式砂轮”时，往往在任何时候都可以发生这些问题。

油雾的控制

在金属加工厂油雾中允许的矿物油数量也许是可以改变的。美国政府工业卫生学者委员会(ACGIH)建议油雾极限是0.2 mg/m3。尽管ACGIH并不是一个管理机构，但美国职业安全和健康署(OSHA)还是接受了他们的建议。

一旦这一新的限制生效以后，它必将会影响到设备制造商和最终用户，并需要对设备作大量的改进。这意味着可更多地使用合成液体，要求系统对油雾具有更好的控制功能。从理论上说，植物油将不包括在内，因此其使用量可能会有所增长。

倾向于使用植物油加工的原因是因为石油的价格不断上涨，以及更大量地使用高压润滑油和通过刀具的润滑油。植物油具有更强的抗泡沫形成特性，还具有更强的抗微生物特性和更强的生物稳定性。

高镁合金和低镁合金的使用量在不断增加，特别是在汽车工业，因为这种材料具有优良的强度与重量比。由于这一发展趋势而引进了其它相关的金属加工冷却液。镁是一种活性金属，与水接触能释放出氢气，这样就容易引起火灾或爆炸。因此，在镁合金加工中采用的冷却液要禁止发生这类反应，这应引起足够的重视。

冷却液和磨削加工

汽车制造商舍得花费上百万美元购置磨床，但是却舍不得在输送管和切削液上投资，这种现在磨削加工行业并不少见。

在磨削加工中，冷却液起着一个特殊的作用，不但对产品的质量起着决定性作用，而且对加工费用也会有很大的影响。砂轮主轴电机所消耗的功率主要分布在砂轮驱动、磨削加工和冷却液传送等方面。磨削中工件所产生的热量必须立即冷却，防止局部温度过高和因进一步升温而造成的材料相位转变。相位转变往往会造成残余应力和白层的形成，降低材料的疲劳寿命，造成材料表面和次表面的裂纹。

采用冷却和润滑液以及选用适当的工艺参数，可以使磨削表面产生的热量降低到最低程度，将所产生的大部分热量由砂轮、切屑和冷却液带走，从而达到生产工艺的冷却目的。

冷却液的输送压力、流量、温度和流向等都对生产工艺的质量和经济性有很大影响。压力控制液体的流速，流量和温度控制液体的导热速度，流向可以使液体清除在砂轮周围运动的空气障碍。喷射的液体必须对准砂轮前的磨削区，为空气的流通打开一条通道。

冷却液流量的大小取决于所使用的砂轮，而在磨削过程中消耗的主轴功率所产生的热量需要冷却。在许多情况下，花费在冷却液喷嘴和液泵/过滤设计上的时间往往接近于机床的运行时间。在其它情况下，机床制造商将可弯曲的塑料喷嘴或小直径弯曲金属管为基础，提供一种简单的喷嘴系统，尤其是对工具磨床和宇航产品的磨床而言。冷却液的喷射压力应与砂轮的转速相匹配，一般在0.4～0.2 kPa之间。而塑料喷嘴只能以低得多的压力运动或分流，开放式的小直径管子甚至会因喷射力的反作用力而向后退缩，因此不适于应用。与喷嘴有关的其它问题还包括高压射流裂散问题、出口前管内高压喘流问题、与砂轮的极度接近问题和以试凑法接近目标问题。

对于连贯喷射的圆形喷嘴与高度可配置性相结合方式已经过广泛的试验。在最近进行的一项案例研究中，客户以矿物油作为冷却液对透平叶片的叶根形状进行磨削加工，结果发现具有如下优点：

砂轮使用寿命提高一倍，砂轮在每次修整后，玻璃状CBN含量增加了25%；

降低了推断力，加工精度进一步提高；

消除了研磨烧伤和磨削裂纹；

采用激光瞄准以后，设定速度加快；

降低了液泵和冷却装置的能耗；

喷嘴对不同加工零件的可调性程度提高。

对于冷却液的应用应采取战略性措施，也就是说，只将冷却液用于需要的地方，应能有效地节约能源且经济实用。一种优秀的工程产品应具有各种程度的可调性，可降低设置时间。

而且所选用的冷却液应能满足加工需要和成本及生产利益。直接的油类产品，如矿物油、合成油等一般具有较高的润滑性能，而水溶性乳剂型冷却液，如合成水溶性乳剂、半合成水溶性乳剂和油/水混合乳剂是最好的冷却液