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              金屬加工工藝的潤滑特點(1)

    概述:在國外金屬加工液中,切削液一直占有較大比例,一般為50%左右。金屬加工液分類常按金屬加工方法分為切削液和成型液兩大類,或按油品化學組成分為非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液兩大類。我國目前亦大多沿用此分類。ISO于1986年通過IS06743/7,按油基、水基將加工液分為MH和MA兩大類,又根據每類的化學組成、應用各分為8類和9類,共17類,該標準將目前眾多的金屬加工液的品種均可包含進去,我國已等效采用了該標準,制定了 GB7631.5。
   金屬的機械加工通常包括兩種類型:金屬的去除和金屬的變形。前者作業是靠刃具把金屬從被加工件上除掉;后者則是用模具使金屬在應力下塑性變形,如軋、拉拔、沖壓、擠壓等。一般習慣地把金屬去除作業所用的潤滑劑稱為切削液,而把金屬變形用的潤滑劑稱為金屬加工工藝用液體。金屬加工液則是泛指上述兩類加工、作業用潤滑劑。
   (一)、金屬切削液的選用
   大部分金屬切削需要使用切削液,甚至在可以正常進行干切削的作業,如果選用適當的冷卻潤滑劑也可增加工效。早在1883年,F.W.泰勒(Taylor)曾證明用沖洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%。
   金屬切削液的品種繁多。ASTM D2881把金屬加工用的液體劃為三類:(1)油和油基液體;(2)水基乳液及分散體;(3)化學溶液(真溶液及膠體溶液)。2類與3類之間的基本區別在于分散相的粒度和粒度分布。溶解油乳化液的平均粒度大于1 μm,真 溶液及膠體溶液的粒度范圍為20~40 nm。膠體乳液(Ⅱ-C)代表了一種介于化學溶液 與溶解油的乳液之間的中間狀態,其粒度分布介于上述兩等級之間。這種劃分原則基本上是一個理論性的區分,因為從典型的礦物油到不含油的化學溶液之間,可能存在著無限度的等級。
   近年來,金屬切削液的發展和變化主要是在水溶性液體領域(2、3類)。由于這 類液體以水為基質,其傳熱速度高(水的傳熱速度為油的2.5倍)。等量的水吸收一定熱量后,比油的溫升要慢得多,從而提高了冷卻效果,且可減少油霧,因此水基切 削液的用量增大。以英國為例,水基切削液在整個切削液市場中約占60%。但是水基 切削液與油相比存在著潤滑性差,其次是銹蝕、膠體穩定性、化學穩定性、生物穩定性、可濾性、泡沫性等問題。這些問題對切削液在機床應用時的“油池壽命(Sum p Life)”至關重要。合理選擇、應用、監控和維護,對使用水基切削液特別重要。
    1、金屬切削液的成分與選擇
   根據我國目前市場情況,切削液的主要成分如下。
   (1) 油或油基液體:屬于ASTM D 2881分類中的Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅰ-C,習慣稱為切削油(也稱凈切削油),主體為礦物油,含或不含添加劑。
   (2) 乳液:屬于ASTM D 2881分類中的Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C,有時稱為溶解油。根 據礦物油含量和油滴粒度可分為3種: 粗乳液:含油65%~80%,油滴粒度 2~10 μm; 微乳液:含油40%~50%,油滴粒度<1 μm; 半合成乳液:含油5%~40%,油滴粒度約0.1 μm;
   (3) 合成液體:含油或不含油,以溶于水的高分子有機物為主要潤滑劑。
   (4) 化學溶液:不含油,屬ASTM D 2881分類中的Ⅲ。從以上成分來看,以切削油的潤滑性最好。乳化液中的粗乳、微乳和半合成型 乳液,如配制得當也有相當好的潤滑性能。目前粗乳液和微乳液的使用范圍最廣泛 。用于重負荷切削的乳化液要含極壓添加劑。合成液是乳化液的補充產品。這種液體常用在特定的用途上。某些合成液體在 使用中由于濃度增大,清洗性增強而導致損傷操作人員的皮膚和機床涂層。化學溶液是不含礦物油的水溶液。使用前用水稀釋,有良好的沖洗、冷卻效果 ,并應能防止接觸區域的銹蝕。這類液體主要用于研磨,功能在于清洗和冷卻,沒有潤滑性。切削液的選擇,首先要避免使用那些對機床、刃具和加工材料有害的液體。通常,不含游離硫的硫化油適用于加工鋼材和銅材。而有些銅合金和高鎳合金,在硫 劑(特別是含游離硫)作用下會產生暗色斑痕。水基切削液的成分比較復雜,這是因為要顧及乳化系統的穩定,既要考慮諸成分的HLB值,又要達到各項性能的平衡。由于切削液以水為基質,還應考慮諸成分的水溶性或在水中分散的性質。
   選擇切削液前應充分了解下列情況。
 1.1 加工材料的性質
   被加工的材料物理化學性質各異,反映在切削操作上就會有切削的難易和與切削液相容性等新問題。對較難加工的材料及其與切削液的相容性分別簡略介紹如下 。
   鋁:質軟,切割易粘切具。乳化液如堿性強,與鋁產生化學反應,造成乳液分層。應選用專用乳化液或石蠟基礦物油作冷卻潤滑劑。
   黃銅:切削時產生大量細屑,易使乳化油變綠。含活性硫的油劑可使加工材料變色,如選油劑要有過濾設備。
   青銅:剪切前產生顯著的塑性變形,可使乳化液變成綠色。如選油劑要有過濾設備。
   銅:粘韌,切削時產生微細卷曲的屑,可使乳化液變成綠色,影響乳化液的穩定,在活性硫作用下生污斑。如選用油劑要配備過濾設備
   可鍛鑄鐵:切削時產生大量微細的具有化學活性的磨蝕性屑。這些活性細屑好似過濾介質,削弱了乳化液的活性,而且可生成鐵皂,使乳化液變為紅褐色,乳化 液的穩定性變劣。如使用油劑,必須用離心機或過濾器把鐵屑除去
   鉛及其合金:易切削,可生成鉛皂,破壞乳化液的穩定。如使用油劑,對油劑有稠化傾向,要防止使用含大量脂肪的油劑。
   鎂:切削時產生細屑,可燃。一般不使用水基切削液,可采用低粘度油作為切削液。
   鎳及高鎳合金:切削時局部產生高熱,切屑可能燒結。可選用重負荷乳化液或非活性硫化油。
   鈦:產生磨蝕性、可燃的切削,易發生加工硬化現象,應用重負荷乳化油或極壓油劑。
   鋅:切削面不規整,難以取得良好的光潔度,與乳化液生成鋅皂,使乳化液分離,應選專用乳化液。
  1.2 加工工況
   刀具的作用是在主剪切區域把加工材料用強剪切力切除剝落。刀具的推進面和暴露的新鮮金屬面之間,由于強烈的附著作用使推進面受到高的應力。因切割剝落的屑要移過刀具推進面,從而形成了第二剪切區域。在第二剪切區域產生的剪切作用使刀具受到最大摩擦力。潤滑和冷卻作用在此時同樣重要。但屬于金屬去除的機 械加工種類很多,又各有其獨特的工況。一般認為,在低速加工(螺紋切削、擴孔和齒面切削)時,切削潤滑劑的主要任務是縮小推進面與屑的粘結,作為邊界潤滑劑。在高速切削加工時,切削液的主要作用是降低摩擦熱,帶走熱量。
<P>那些切削液難以到達剪切區域的加工作業,給潤滑、冷卻造成很大的困難。通常對擴孔、齒輪切削(特別是滾齒)、深孔鉆和鏜孔、攻絲(特別是盲孔)、深套孔、車螺紋加工要精心選擇適用的切削液。
  1.3 油基和水基的特點
   油基切削液指含添加劑的礦物油。水基切削液指乳液、合成液及化學溶液。籠統地說,低速重負荷切削需要充分的潤滑,通常選用極壓切削油劑。高速淺層切削 ,冷卻是首要的,一般選用水基切削液。有些極壓乳化液具有很好的潤滑和冷卻性 ,可以用于重負荷切削。一般的研磨加工,有時潤滑反而有害,故可使用合成液或 化學溶液。加工材料、刀具材質、機床構造也是確定選用油基液或水基液的重要依據。

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