1 切削液在机械加工中作用与历史

切削液作为机械加工重要的配套材料,主要起冷却、润滑、清洗和防锈作用,又称磨削液,切削液的使用在金属切削加工中占有重要的地位。但它的使用也带来了许多负面影响,研发和推广使用新型冷却技术日趋重要。

 切削液在金属切削过程中可以带走大量切削热,降低切削区的温度,起到冷却作用;并渗透到刀具与工件、切屑的接触表面,形成润滑膜,减少摩擦,降低动力消耗,起到润滑作用;还能清除粘附在机床、刀具、夹具上细小切屑或磨粒,避免划伤工件已加工表面和机床导轨,起到清洗作用;切削液中加入防锈剂,防止机床、刀具和工件受周围介质影响发生腐蚀,起到防锈作用。

 人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。人们在磨制石器、铁铜器时,知道浇水可以提高效率和质量。19世纪80年代,美国科学家阐述了使用碳酸钠水溶液机理,使切削速度提高30%～40%。后来人们尝试用动植物油来作为切削液,能获得良好的加工表面,但是,动植物油易变质,使用周期短。20世纪初,人们开始研究和使用矿物油和动植物油合成的复合油,并应用于重切削、拉削、螺纹和齿轮加工中,取得了良好的效果。刀具材料(高速钢、硬质合金)的发展又推动了切削液的发展。随着切削速度和切削温度的不断提高,油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求,人们又开始重视水冷却的优 点,把油的润滑性能与水的冷却性能结合起来,促使了乳化液的应用,发展了合成和半合成切削液(即乳化液),并分别形成了系列产品。近年来,随着先进制造技术发展和人们环保意识的加强,对切削液提出了新的技术要求,人们又致力于研制开发低污染切削液,以减少切削废液对环境的危害。

 2 切削液的选择和使用

目前,切削液仍是金属切削加工主要的冷却方法,合理使用金属切削液是提高加工质量、刀具耐用度和生产效率的有效途径之一。

2.1 切削液的种类

2.1.1 水基切削液

 (1)水溶液 主要成分是水,为防止机床和工件生锈,常加入防锈剂,主要起冷却作用,用于粗加工和普通磨削加工,常用的有肥皂水和苏打水。

 (2)乳化液 乳化油加95%～98%水稀释而成的一种乳白色切削液,主要起润滑作用。

 (3)合成切削液 主要成分是水,含有少量的防锈剂、表面活性剂等组成,具有良好的冷却、润滑、清洗和防锈作用,热稳定性好,而且不含对人体有害物质。是目前推广使用的高性能环保型切削液。

2.1.2 油基切削液

 (1)切削油以矿物油(机械油、轻柴油、煤油)为主要成分并加入一定添加剂而构成的切削液。加入添加剂可提高润滑效果,切削油的润滑、防锈性能好, 但流动性、冷却、清洗作用比较差。

 (2)极压切削油 极压切削液分为极压乳化液和极压切削油两类。极压添加剂能形成牢固的化学膜,在高温时可显著提高冷却和润滑效果。

2.2 切削液的合理选择

切削液种类选择是否合理,是影响机械加工质量主要因素,因此,要合理选择切削液,根据刀具材料、工件材料、加工方法和技术要求等确定。

 高速钢刀具耐热性差,需采用切削液。由于粗、精加工钢料的技术要求不同,选择乳化液浓度也不同。硬质合金耐热性高,具有良好的耐磨性,加工一般材料采用干切削。但干切削时,工件温升高,切削阻力大,机床功率消耗增大,刀具的磨损也加快。另外,硬质合金刀具价格较贵,从经济方面考虑,干切削也是不合算的。所以,在选用切削液时,还要考虑硬质合金对骤热的敏感性。

陶瓷刀具和金刚石刀具具有极高的硬度,一般采用干切削。为避免温度过高也常使用水基切削液。加工铸铁、铸造黄铜等脆性材料,一般不用切削液。磨削时,切削温度高,碎屑、磨粒多,常用冷却、清洗性能好的乳化液或水溶液。

2.3 切削液的使用方法

使用切削液时,还要注意使用方法,切削液应浇注在切削变形区,不应浇注在刀具和工具上。为了提高使用效果,常采用前刀面浇注法、后刀面浇注法、刀具加压内冷却方法、周环浇注法等。

 3 切削液使用存在的问题

虽然切削液有利于降低切削区温度、延长刀具寿命、防止工件热变形、改善已加工表面质量,若将未经处理的切削液直接排入江河湖海,就会破坏生态环境。另外,由于切削液的润滑剂中含有大量亚硝胺、多环芳香烃和细菌分解产物,人直接接触将导致多种皮肤病、眼疾、呼吸系统疾病,直接影响操作者的身体健康。

 3.1 制造成本加大

 使用切削液会耗费大量的切削液和电能。日本一年耗费的切削液就达8亿升,使用切削液所耗费的能量大约占整个机械制造厂能量的1/10,切削液的费用已占零件加工成本14%～17%。美国Baylers刀具涂层公司也作了这方面的统计,结果是切削液的消耗是刀具费用的3～4倍。

3.2 环境污染

切削液受热挥发易形成烟雾并产生异味,特别是极压添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中形成的物质会导致多种疾病。切削液是机械加工中造成环境污染的主要根源:未处理的乳化液含油量高达20000mg/L,化学耗氧量(COD)高达9300mg/L,生物耗氧量(BOD)达9300mg/L。在我国仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已达亿吨,可见其问题的严重性。

3.3 对人体皮肤的刺激

在金属切削过程中,切削液与人体直接接触,对人体皮肤的刺激非常严重,造成手部皮肤发红、瘙痒、接触性皮炎和蜕皮。长期接触含有毒性成分的切削液,有毒物质被人体皮肤所吸收,会诱发多种皮肤病,甚至癌症,威胁着工人的身心健康。

 因此,企业应尽可能选用安全环保、无毒和高性能的切削液,同时,配备相应的劳保用品,以维护职工的身体健康。

4 绿色加工冷却技术应运而生

4.1 干切削(DryMachining)加工技术

环境和资源问题是当今和未来人类社会实现可持续发展需要解决的问题。近年来,为了贯彻环保政策、降低加工成本,世界各国试图不用或少用切削液,大力研发及推广应用干切削加工技术。切削力大、切削温度高是干切削的特点,刀具能否克服这些不利影响,是干切削顺利实施的关键所在,选择适合干切削加工的新型刀具材料。常用的有硬质合金和涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)等。在干切削过程中,还会出现许多湿切削中没有出现过的问题,机床设计也要充分考虑。用于干切削的机床主要考虑切削热的散发及热切屑和灰尘的排除,一般应尽可能采用超高速机床,如德国HuelerHille公司生产的500/630T高速加工中心,工件基本保持在室温状态下进行切削满足加工要求。

4.2 准干切削技术

 目前干切削的应用范围比较有限,而完全的湿切削又有诸多不足,若两者结合,既可满足加工要求,又可使与切削液有关的费用降低,介于干切削与湿切削之间的这就是准干切削技术。由于它使用的切削液用量为最少,因而切削液供给系统简单、体积小、容易布局。 除上所述的几种环保加工技术外,还有MQL润滑的准干切削技术、在氮气氛围中进行干切削(即吹氮加工)、干式静电冷却技术、冷风干切削技术等。

5 结 语

切削液的使用与我国制订的环境保护政策之间的矛盾日益突出,使用干切削加工技术和准干切削技术虽然存在着一定局限,面临着许多技术难题,仍然是一种极具发展潜力的加工方法。所以,探索和研制新型高效且对环境无污染的加工冷却方法势在必行。