金屬切削液的應用現狀及發展趨勢

戴永紅

（成都飛機工業（集團）有限責任公司 成都）

一、切削液種類及作用

1.切削液的種類

金屬切削與磨削過程中常見的冷卻介質有冷卻氣、冷卻霧、冷卻（油）液，其中最常用的是冷卻液。由于水的比熱大、黏度小、散熱快、成本低、對環境影響小等，很早就被用作切削磨削的基礎冷卻介質，通過加入添加劑而組成各類潤滑冷卻液，這類冷卻液稱為水基切削液。水基切削液分為乳化液、半合成切削液和全合成切削液。水基切削液組成及使用特性見表1。

表1 水基切削液類別

油基切削液又稱切削油，其基本成分是基礎油(礦物油或合成油)，使用時無需稀釋。油基切削液按照基礎油和添加劑的不同，大致可分為純礦物油、純合成油、活性極壓切削油、非活性極壓切削油和減摩切削油等。其中用礦物油作基礎油的切削油具有潤滑性能優良防銹性能好等特點，故使用最多。

2.切削液的作用

（1）潤滑作用。可減小前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦，形成部分潤滑膜，減小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具與工件坯料摩擦部位的表面溫度和刀具磨損，改善工件材料的切削加工性能。

（2）冷卻作用。切削液通過和因切削而發熱的刀具、切屑和工件間的對流和汽化作用把切削熱從刀具和工件處帶走，從而有效降低切削溫度，減少工件和刀具熱變形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。

（3）清洗作用。在切削過程中，可除去生成的金屬屑、粉、油污等，防止機床和工件、刀具沾污，使刀具保持鋒利。油基切削油粘度越低，清洗能力越強，滲透性和清洗性能就越好。含有表面活性劑的水基切削液能在材料表面形成吸附膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件及刀具表面，清潔效果較好。

（4）防銹作用。在金屬切削過程中，工件要與環境介質及切削液成分分解或氧化變質而產生的油泥等腐蝕性介質接觸，工件和機床部件都會因此而腐蝕，故要求切削液有一定的防腐蝕能力。

二、切削液應用現狀及存在的問題

1.切削液的選用

針對不同的加工對象、材質、環境、加工參數等，選用適當的金屬切削液，能降低切削溫度60～150℃，降低表面粗糙度1～2級，減少切削阻力15～30%，成倍提高刀具和砂輪的使用壽命。但實際應用中，切削液的潤滑、冷卻、清洗、防銹等幾個作用往往是相互制約的。油基切削液的潤滑性能較好，冷卻效果較差。水基切削液與油基切削液相比潤滑性能相對較差，冷卻效果較好。

高速切削時，由于發熱量大，油基切削液的傳熱效果差，會使切削區的溫度過高，導致切削油產生煙霧、起火等現象，還由于工件溫度過高產生熱變形，影響工件加工精度，故多選用水基切削液。

乳化液把油的潤滑性、防銹性與水的冷卻性結合起來，同時具備較好的潤滑冷卻性，因而多用于有大量熱生成的高速低壓力金屬切削加工。與油基切削液相比，乳化液的優點在于它的散熱性，清洗性，經濟性以及有對于操作者而言的安全性。除特別難加工的材料外，乳化液幾乎可以適用于所有的輕、中等負荷的切削加工及大部分重負荷加工。

化學合成切削液的優點是經濟、散熱快、清洗性強和極好的加工中工件可見性，易于控制加工尺寸，其穩定性和抗腐蝕能力比乳化液強。但它潤滑性欠佳，易引起機床活動部件的粘著和磨損，且化學合成留下的粘稠狀殘留物會影響機器零件的運動，還會使零件的重疊面產生銹蝕。

油基切削液一般應用于以下加工：當刀具的耐用度對切削的經濟性占有較大比重時(如刀具價格昂貴，刃磨刀具困難，裝卸輔助時間長等)；機床精密度高，加工過程不允許有水混入(以免造成腐蝕)；機床的潤滑系統和冷卻系統容易串通以及不具備廢液處理設備和條件的場合。

2.不同材質刀具的切削液選用

（1）工具鋼。耐熱溫度200～300℃，在高溫下硬度降低，因此只適用于一般材料的切削。由于這種刀具耐熱性能差，要求冷卻液的冷卻效果要好，一般采用乳化液冷卻。

（2）高速鋼。以鉻、鎳、鎢、鉬、釩為基礎的高級合金鋼，耐熱性比工具鋼高，最高加工溫度600℃。有較高的堅韌，適用于幾何形狀復雜的工件和連續的切削加工，具有良好的可加工性。進行低速和中速切削時，可采用油基切削液或乳化液冷卻。在高速切削時，由于發熱量大，采用水基切削液冷卻。

（3）硬質合金。硬度大大超過高速鋼，最高允許工作溫度1000℃，具有優良的耐磨性能，加工鋼鐵材料時可減少切屑間的粘結現象。選用切削液時，考慮到硬質合金對驟熱的敏感性，盡可能使刀具均勻受熱，否則會導致崩刃。故一般選用含有抗磨添加劑的油基切削液冷卻，高速切削時也能減少由于溫度過高產生蒸發而形成的油煙污染。

（4）金剛石。具有極高的硬度，一般應用于切削。為避免溫度過高，多采用水基切削液冷卻。

3.問題和防范措施

切削液在當前應用中常見的問題是液體變質。另外還有產生氣泡、腐蝕材料等問題。

變質的切削液會有發臭、發黑、皂化等現象，導致變質的因素較多，主要有：①空氣和水中細菌侵入。此類問題屬于正常使用中自然產生的，很難避免?？赏ㄟ^定期徹底更換和清洗循環管路的方法解決。如不考慮生產成本，可采用純水作為稀釋劑。②工件工序流轉過程的污染。污染切削液的物質主要是金屬粉末和砂礫細粉，加工運轉過程中經過冷卻液沖刷循環流入。流入切削液中的金屬粉末具有很高的化學活性，可使切削液中的某些成分失效。這類問題解決需要在完成每道工序后，都對零件進行認真清潔，用吸水性強的棉布或棉紙認真擦拭零件。零件移動搬運時，不同的材質要進行物理隔離。③機床潤滑油滲入。開放型的設備導軌潤滑、主軸油氣潤滑或機床液壓管路出現滲漏等，潤滑油都有可能進入到冷卻液循環中，在切屑液表面形成一層飄浮油。飄浮油的危害是使切削液系統的某些材料膨脹變形，干擾乳化液的乳化平衡，使乳化液失去穩定性。而且飄浮油常浮于乳化液表層，阻擋了乳化液和空氣的接觸，導致乳化液缺氧，使厭氧菌快速繁殖，加速乳化液的腐敗變質。這種問題的解決一是使用廢油接受器皿，引流廢油排放。另一種方式是增加除油器，及時將液體表面浮油清除。④強去污清潔用品的混入。清潔時不慎混入的強堿性化學物品與切削液產生化學反應。潔具和容器混用造成的交叉污染，現場不同設備如使用不同切削液，使用同一容器或同一潔具時造成不同成分的液體混和。⑤產生泡沫。生產加工中切削液液面太低、切削液流速太快、水箱直角太多或切削液噴嘴角度太直等都能造成起泡現象。⑥產品腐蝕問題。不同金屬之間接觸發生電解作用、材料本身防腐性能差、環境濕度大、長期浸泡在液體中、異類金屬堆放時無隔離等都是產品腐蝕的因素。切削液質量問題也是導致零件腐蝕的原因之一。切削液濃度過低，pH值不當，都有可能會對金屬材料，尤其是對鋁制材料造成腐蝕。因此，水基切削液需要定期檢測pH值、折光濃度及含菌量，同時加強工序間的防腐蝕措施。

三、金屬切削液的發展趨勢

（1）將納米材料加入油中，或對切削加工的金屬納米化處理、微金屬滲透技術處理等手段，來提高金屬切削液的性能。

（2）金屬切削液逐步向水基方向發展。隨著潤滑劑、防銹劑、抗銹劑和抗菌劑等研究的深入和排放后處理工藝技術的完善，水基切削液在越來越多的場合取代了油基切削液，尤其是化學全合成型的水基切削液。

（3）化學合成型水基切削液中不含礦物油類物質，具有使用壽命長，冷卻性、清洗性、穩定性好等諸多優點，且環保指標比較容易達到要求，不存在油水分離問題，化學耗氧量較小，可以降低生物耗氧量，減少污染，從發展前景看有取代乳化液的趨勢。

（4）綠色切削技術的研發。環保意識的普及提高，使得市場對于切削液綠色環保性能的要求越來越高。用生物可降解的植物油類物質替代礦物油作為切削液的基礎油，用鎢酸鹽、鉬酸鹽等替代水基切削液中有毒有害添加劑已成為行業發展趨勢。另外，干切削、準干式切削工藝在某些領域的應用都取得了成功。其中油氣潤滑技術以其高效、節能、環保、自動化程度高、運行可靠等特點已成為最為先進的潤滑方法，并逐步應用于眾多的工業領域。