機械加工生產中金屬切削液的應用與管理方法探討

摘要：金屬切削液是機械加工中重要的輔助材料，具有減摩、冷卻、沖洗及防銹等四個主要作用。可分為水基切削液和油基切削液兩大類，各有特點和適用工況。在選型時需要從工藝適用性、運行成本及安全性三個方面綜合考慮。金屬切削液處理設備可以分成單機供回系統和集中凈化系統兩類，選型時應綜合考慮本廠內的機床狀況、工廠產量及設備特點等條件。金屬切削液需要進行理化檢測，水基切削液需檢測pH值、折光濃度及含菌量；油基型切削液需檢測粘度、油中顆粒物的含量和顆粒度，必要時需做Karl-Fischer實驗。金屬切削液處理設備的管理包括日常管理和定期維護兩方面內容。

關鍵詞：金屬切削液 工藝作用 選用原則 處理設備 水基切削液 油基切削液 設備維護

1 概述

在機械加工生產中，金屬切削液是一種重要的工藝輔助材料。正確使用金屬切削液可以減少刀具消耗、降低零件報廢率、降低企業成本。金屬切削液的應用和管理是機械加工中的一個重要課題，在精密加工中尤其具有重要的意義。

本文結合生產實踐，對金屬切削液的特點及適用性進行了闡述，提出了選用金屬切削液及設備的方法，并介紹了金屬切削液及其設備的管理方法。

2 金屬切削液的應用

金屬切削液是隨著工業發展而產生的，歷史非常悠久。人類注意到切削加工中刀具對材料的直接切削要耗費大量能量且產生大量的熱，導致了工藝的不穩定，而各類形式的切削液明顯改善了加工性能和質量，于是金屬切削液逐漸發展起來。

2.1 金屬切削液的工藝作用

2.1.1 減摩作用

減摩作用也可稱之為潤滑作用，指切削液在工件、切屑、刀具之間界面上的降摩擦能力[1]，切削液必須能滲透到各個界面上，并在其中能形成強度較高的吸附性潤滑膜，從而降低工件、切屑及刀具間的摩擦，減少加工阻力。

2.1.2 冷卻作用

金屬加工過程中，所消耗的功95-97%都轉變成了切削熱。其中，2/3轉化成變形熱，1/3轉化成摩擦熱。

冷卻作用就是在加工過程中切削液將工件和刀具的熱量吸收轉移的作用。

2.1.3 沖洗作用

金屬切削過程中，刀具碎末及金屬碎屑隨著加工的進行而不斷產生，沖洗作用就是切削液凈化加工界面的能力。意義在于延長刀具壽命并保證了加工質量。

2.1.4 防銹作用

指切削液對完成加工的工件具有短期工序間防銹的作用。

2.2 金屬切削液的分類和性能

金屬切削液按其性質可分為水基切削液和油基切削液。其中水基切削液又分成全合成型和半合成型切削液。

表1 金屬切削液分類和性能比較

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2.3 金屬切削液的構成

全合成型切削液一般是以純凈水為基礎液，還含有穩定劑、乳化劑、抗硬水劑、抗菌劑、防銹劑、潤滑劑、抗極壓劑、消泡劑和香料等。

穩定劑、抗氧化劑、抗硬水劑是作為體系穩定劑而存在的，保證了切削液可存貯性和各類工況下的使用壽命；抗菌劑的作用是防止體系內的有機物因微生物的繁殖而變質腐敗；防銹劑的作用是短期防銹；潤滑劑的作用是減摩潤滑；抗極壓劑的作用是維持、加強界面間潤滑膜的強度。消泡劑的作用在于減少體系中各類添加劑（一般為各類表面活性劑）的發泡作用的消極影響；添加香料的目的是改善工作現場的氣氛。

半合成型切削液與全合成型的差別在于其中的潤滑劑以某些油類為主。

表2 添加劑舉例

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油基型切削液與水基切削液的構成差別較大。其成分主要是基礎油，其次是防銹劑、抗油霧劑、抗極壓劑、抗氧化劑等。

油基型切削液的使用效果很大程度上取決于基礎油的類別和等級。

一般來說，該類產品所使用基礎油可分為三類。

第一類為溶劑精制油；第二類為加氫精制油；第三類為加氫異構化油[2]。其中第二類油工藝性能較好。

2.4 金屬切削液的選用原則

金屬切削液的選用應從下面三個方面綜合考慮：

2.4.1 工藝適用性

如上所述，切削液有減摩、冷卻、沖洗、防銹四個功能，但在某一特定的工藝中，很難保證任何一方面都達到使用者的期望。在選用時應有所側重。

一般來說，可以參照下表來對切削液的選用進行考量：

表3 切削液工藝適用性

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√-適用 ×-不適用

實際工作中應結合具體工藝需求來分析比較，常常要通過對比實驗和數理統計的方法來確定。

2.4.2 運行成本

這是所有企業用戶都比較重視的問題。

水基切削液的運行成本一般為油基型切削液的20%-30%，但水基切削液不能通用于所有工況；同時，機床、刀具和工裝成本往往在機械加工型生產企業中占有很大一部分，而切削液選型的正確與否關系到機床維護成本和刀具成本，因此，在選擇切削液時，各企業需要根據自身實際情況綜合考慮何種切削液最適合本企業的需要。

2.4.3 安全性

市場上銷售的切削液中有些成分對操作人員是有人身危害的，如可導致呼吸器官受損或各類皮炎等。在選用之前，應要求供方提供產品MSDS（產品安全數據單），其中說明了產品中的有害成分和可能的不良反應，對于產品的存貯要求及是否有燃爆危險都作出了說明。

為了降低風險，企業應考慮采用低毒、環保型產品。

2.5 金屬切削液處理設備

金屬切削液處理設備在國內一般歸口于機床輔機類產品，但該類產品的性能往往對于產品加工質量有時具有決定性的影響，特別是在精加工和超精加工方面。

一般來說，該類設備可分成單機供回系統和集中凈化系統兩類。

單機供回系統一般表現為機床回液槽箱的形式，一般由磁性分離器、粗過濾網、供液泵和槽箱等構成，復雜些的還帶有自動紙帶過濾裝置。容積一般不大于1m3。

集中凈化系統一般由磁性分離器、過濾裝置、高/低壓供液泵及切削液溫度控制裝置構成，容積可從幾立方米至數百立方米。

2.6 金屬切削液處理設備的選用

如何選用金屬切削液處理設備，需要從兩方面考慮：

①切屑類型相近的機床數量。

②切削液處理設備的特點和工廠的產量。

2.6.1 切屑類型相近的機床數量

同一車間切屑類型相近的機床數量超過5臺時，可以考慮采用集中凈化系統，如銑床、車床的加工都產生較大的片狀切屑，可以歸為一類；精磨床產生細小粉末狀碎屑，可以歸為另一類。切屑類型不同的機床不建議共用同一集中凈化系統。

2.6.2 切削液處理設備的特點和工廠的產量

表4 切削液處理設備特點對比

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工廠的產量直接影響到切削液處理系統的維護頻率和切削液的使用壽命。加工中產生切削熱及大量的碎屑。切削液受熱后有效成分發生分解或氧化，單機供回系統上一般沒有冷卻設施而且容積小，這種變化尤其明顯；碎屑進入切削液導致切削液的乳化狀態被破壞，清洗質量下降，槽箱內的沉積物逐漸增加，在加工負荷大時切削液的這種變化可以逐漸從色澤或氣味上反映出來，如從清澈變渾濁或從單一的顏色變成混濁態。產量越大，切削液受到的影響越顯著。

如果工廠中80%的機床在滿負荷運轉的情況下都已經達到16小時/日或以上，就應考慮采用集中凈化系統。一般來說，這時單機供回系統的不足已經抵銷了設備投資低的優勢。

3 金屬切削液及處理設備的管理

3.1 金屬切削液的管理

3.1.1 水基切削液的管理

水基切削液需要檢測pH值、折光濃度及含菌量。

無論是全合成還是半合成型水基切削液的正常pH值一般在8.5以上，為了準確的控制切削液的狀態，需要使用電子pH計來檢測切削液的pH，應每日進行一次。

折光濃度可以采用折光儀來得出，每日檢測一次。

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圖1 折光儀

折光儀是基于折射定律設計的。在實際工作中有一個需關注的問題。

切削液在使用超過兩個星期后，內部往往混入了大量金屬碎屑（對于精磨工藝尤甚），其中較輕的一部分懸浮在體系中，從宏觀上看，切削液變“濃”了，其折光率因而也發生了變化，這就導致折光儀的讀數無法反映有效成分的真實濃度。

這時，僅通過折光儀來判定切削液的狀態就不夠可靠了，同時應注意切削液的pH及加工后工件的工序間防銹性能，如果二者出現明顯下降，則要相應提高切削液的濃度。

一般來說，單機供回系統中切削液的使用周期不應超過兩個星期，集中凈化系統中切削液的使用周期不應超過4個月。切削液壽命臨近末期的特征是pH逐漸下降，以致無法控制，加工后的工件常在數小時內生銹。

為了準確掌握切削液的狀態，還應定期檢測切削液中的微生物含量，微生物的繁殖是導致切削液失效的重要原因之一。實際工作中可以采用德國舒美公司的微生物檢測片，能在48小時內檢出液體中的微生物含量。當微生物含量較高時，必須廢棄切削液。如繼續使用，微生物和菌類的迅速繁殖會導致加工質量劣化和零件生銹。

3.1.2 油基切削液的管理

油基切削液一般需要檢測粘度、油中顆粒物的含量和顆粒度，在加工流程中同時使用水基切削液和油基切削液時，一般還要通過Karl-Fischer實驗檢測油基切削液中的含水量。

粘度檢測是通過粘度儀實驗來完成的，檢測粘度的目的是為了判定油基切削液是否發生了氧化分解或其他方面的變化。該檢測至少每兩星期進行一次。

油中顆粒物含量和顆粒度是通過真空抽濾法實現的，通過真空抽濾設備和高精度濾片可以將油液和一定尺寸的顆粒物實現分離，通過分析天平稱重后可以得出單位油液中顆粒物的含量，如果再配合顆粒度分析儀，則可檢出各種尺寸顆粒的相對比例。該檢測對于精密加工尤其具有重要意義。

Karl-Fischer水分測定實驗是通過Karl-Fischer水分測定儀完成的，該實驗的方法詳見ASTM D1744。由于Karl-Fischer 測定儀比較昂貴，該實驗可以委托切削液供應商來進行，BP、殼牌等公司一般都備有這類設備代為客戶進行檢測。

油基切削液只能通過管理良好的凈化再生過程保持其品質，需要避免水、灰塵、雜質混入，對于灑落的油液，不可以回收再用，以免污染切削液處理設備中的油液。如果油液發生了明顯的劣化，就只能淘汰換新。一般來說，在有效的管控下，集中凈化設備中的油基切削液往往可以運行兩年甚至更長時間而不發生變質劣化。

3.2 金屬切削液處理設備的管理

金屬切削液處理設備的管理包括日常管理和定期維護兩方面內容。

3.2.1 金屬切削液處理設備的日常管理

日常管理工作一般有：

①監控磁性分離裝置的功能是否正常。

②監控濾材狀態并及時更新。

③及時清空接渣、接布容器。

④監控冷卻裝置的運行狀態。

3.2.2 金屬切削液處理設備的維護

該表所列內容只適用于水基切削液處理設備，油基切削液處理設備只需進行換液和清理工作，而且在管理狀態良好的情況下，維護周期可以根據實際延長，在實踐中，曾有油基切削液集中凈化設備在良好管控下運行2年未清理換油而狀態依然良好的事例。

下面就維護的一些事項進行說明。

殺滅微生物需要使用專用微生物消除劑。目前，市場上比較好的產品有BP公司的Techniclean MTC 43，德國舒美公司的grotan■WS等。具體的施用方法需與供貨方進行技術方案設計后確定。

選用集中凈化系統的企業在將系統和機床相連接時，有通過地溝和架設懸吊式管路兩種方式，前者影響車間環境衛生且易污染切削液，已經不再流行；目前的主流方式都是采用懸吊式管路連接凈化系統和各個機床的。

由于切削液中混雜了大量細小的碎屑，當液體在管路中流速下降或遇到彎頭及閥門時，部分碎末會沉降在管路中，日積月累會導致管徑變窄甚至被封閉住。

為了避免徹底堵死的情況發生，應制定一個符合工廠實際的維護周期對管路進行疏通、清理。實際操作時，需要將管路連接分離后從懸吊架上卸下，在指定的場地上用專用設備或特制工具以機械力進行疏通、清理。工作完畢后再起吊至懸吊架上完成裝配復原。

4 結論

金屬切削液具有減摩、冷卻、清洗、防銹四大功能，在實踐中需要從工藝適用性、運行成本和安全性等三個方面進行綜合考慮，選擇合適的品種。水基切削液和油基切削液各有優缺點，適用工況也不全相同，在選擇時一般應側重于工藝最需要的性能。選擇切削液處理設備需要綜合考慮本廠的機床狀況、工廠產量和切削液處理設備的特點。水基切削液需要檢測pH值、折光濃度及含菌量；油基切削液一般需要檢測粘度、油中顆粒物的含量和顆粒度，必要時還需要做Karl-Fische實驗。金屬切削液處理設備的管理包含日常管理和設備定期維護兩方面。只有兩個方面的工作內容都按照規范要求完成，才能保證設備處于良好的狀態，從而延長切削液的使用壽命。對于機械加工生產來說，金屬切削液及其設備的正確使用、良好管理對于保證加工質量、降低工廠運行成本具有重要的意義。

參考文獻:

[1]周雍鑫，周俊.《金屬切削液使用指南》[M].1版.北京：中國石化出版社.機械工業出版社.2000:10.

[2]關子杰.《金屬切削液基礎和應用》[M].1版.北京：中國石化出版社.2006:51.