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切削液资料
在切削加工中,合理使用切削液,可以改善切屑、工件与刀具间的摩擦状况,降低切削力和切削温度,延长刀具使用寿命,并能减小工件热变形,抑制积屑瘤和鳞刺的生长,从而提高加工精度和减小已加工表面粗糙度。
所以,对切削液的研究和应用应当予以重视。
l切削液的分类
金属切削加工中常用的切削液可分为三大类:
水溶液、乳化液、切削油。
1.水溶液
水溶液的主要成分是水,它的冷却性能好,若配成液呈透明状,则便于操作者观察。
但是单纯的水容易使金属生锈,且润滑性能欠佳。
因此,经常在水溶液中加入一定的添加剂,使其既能保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。
2.乳化液
乳化液是将乳化油用水稀释而成。
乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成,用95—98%水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。
它具有良好的冷却作用,但因为含水量大,所以润滑、防锈性能均较差。
为了提高其润滑性能和防锈性能,可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂,配制成极压乳化液或防锈乳化液。
3.切削油
切削油的主要成分是矿物油,少数采用动植物油或复合油。
纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜,润滑效果一般。
在实际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高其润滑和防锈性能。
动植物油有良好的“油性”,适于低速精加工,但是它们容易变质,因此最好不用或少用,而应尽量采用其他代用品,如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。
、切削液的冷却作用
切削液能够降低切削温度,从而可以提高刀具使用寿命和加工质量。
在刀具材料的耐热性较差、工件材料的热膨胀系数较大以及两者的导热性较差的情况下,切削液的冷却作用显得更为重要。
切削液冷却性能的好坏,取决于它的导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。
一般地说,水溶液的冷却性能最好,油类最差(表8—1),乳化液介于两者之间而接近于水。
二、切削液的润滑作用
金属切削时切屑、工件与刀具间的摩擦可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。
真正的干摩擦只发生在绝对清洁的摩擦表面间,这时摩擦系数很大。
如在真空中两金属表面间的摩擦系数可达10—100,而摩擦力的大小取决于金属的抗剪强度。
在大气中进行金属切削(即干切削)时,虽然刚刚产生的刀—屑摩擦表面是十分清洁的,但是和空气接触后迅速氧化(时间约为百分之一秒到几千分之一秒)[4],形成氧化膜而降低了磨擦系数(一般在l以下)。
采用切削液以后,其润滑作用又有所提高,可进一步降低摩擦系数,使切削过程进行得更顺利。
切削液的润滑作用,只是在切屑、工件与刀具界面间存在油膜形成流体润滑摩擦时,才能得到比较好的效果。
但在很多情况下;当切屑、工件与刀具界面间承受的载荷增加,温度升高,油膜的厚度便要减薄。
如载荷与温度继续增加,则油膜厚度进一步减薄,一直到相当于金属表面的凹凸不平度时,流体油膜便部分地被破坏,而由凸起的金属峰尖直接接触(图8—1),起不到良好的流体润滑作用。
但是由于润滑液的渗透和吸附作用,部分接触面仍存在着润滑液的吸附膜,起到减小摩擦系数的作用,这种状态就称之为边界润滑摩擦。
边界润滑时的摩擦系数值大于流体润滑,但小于干切削。
在金属切削加工中,大多属于边界润滑。
边界润滑一般分为低温低压边界润滑、高温边界润滑、高压边界润滑和高温高压边界润滑四种。
一般的切削油在200℃左右即失去其润滑能力,因此只适用于低温低压边界润滑摩擦。
而在某些切削条件下,切屑、刀具界面间可达到600—1000℃左右的高温和1.5—2.0GPa(150—200kgf/mm2)的高压[11],这就形成了高温高压边界润滑,或称极压润滑。
边界润滑的摩擦力Ff可用下式表示:
Ff=Ar[mτ1十(1—m)τ2](8—1)
式中Ar——真正的接触面积;
m——发生金属接触的面积在真正接触面积中所占的比例;
τl—较软一方金属的抗剪强度;
τ2—润滑膜的抗剪强度。
如果切削液的极压性能良好,润滑膜布满金属表面,金属接触的面积很小或接近于零(即m≈0);则润滑情况接近于流体润滑,其摩擦力为
Ff=Arτ2(8—2)
如果不用切削液,也不考虑产生氧化膜等因素,则形成干摩擦,此时m≈1,摩擦力为
Ff=Arτl(8—3)
在流体润滑中,润滑液的承载能力,随润滑液的粘度增加而增加。
而在边界润滑中,由于不存在完全的油膜,其承载能力已与油的粘度无关,而取决于润滑液中的“油性”。
所谓“油性”,是指在动植物油脂中,包含着对金属有强烈吸附性的原子团,能在切屑、工件与刀具界面间形成物理吸附膜,即润滑膜。
在一般金属的低速精加工切削时,主要是添加动植物油脂的油性添加剂(或直接采用动植物油)。
但是,大多数难切削金属的加工,属于极压润滑状态,此时油性添加剂在金属摩擦表面所形成的润滑膜,也将被高温高压所破坏,这就必须依靠极压添加剂(详见下节)形成另一种性质的润滑膜。
这层润滑膜是极压添加剂在高温高压下,进入切屑、工件与刀具界面间,和金属发生化学反应所生成的氯化铁、硫化铁等化学吸附膜,使边界润滑层具有较好的润滑性。
由上述分析可知:
大多数的金属切削过程是在边界润滑摩擦条件下进行的,采用恰当的能适应这样摩擦状态的切削液,就有可能改善切削过程的摩擦条件,达到提高切削效果的目的。
三、切削液的清洗作用
当金属切削中产生碎屑(如切铸铁)或粉屑(如磨削)时,要求切削液具有良好的清洗作用。
清洗性能的好坏,与切削浓的渗透性、流动性和使用的压力有关。
为了增强切削液的渗透性、流动性,往往加入剂量较大的表面活性剂和少量矿物油,用大的稀释比(水占95%—98%左右)制成乳化液或水溶液;可以大大提高其清洗效果。
为了提高其冲刷能力,及时冲走碎屑及粉屑,在使用中往往给予一定的压力,并保持足够的流量。
四、切削液的防锈作用
为了减小工件、机床、刀具受周围介质(空气、水分等)的腐蚀,要求切削液具有一定的防锈作用。
防锈作用的好坏,取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的作用。
在气候潮湿地区,对防锈作用的要求显得更为突出。
除以上四个方面以外,对切削液还有价廉、配制方便、性能稳定、不污染环境和对人体无害等要求。
任何一种切削液,都难以全面满足各项要求,只能根据具体条件适当选定品种,发挥其某些主要方面的作用。
为了改善切削液的性能所加入的化学物质,称为添加剂。
常见的有油性和极压添加剂、防锈添加剂、防霉添加剂、抗泡沫添加剂以及乳化剂等(详见表8—2)。
一、油性添加剂和极压添加剂
油性添加剂主要应用于低压低温边界润滑状态,它在金属切削过程中主要起渗透和润滑作用,降低油与金属的界面张力,使切削油很快渗透到切削区,在一定的切削温度作用下进一步形成物理吸附膜,减小前刀面与切屑、后刀面与工件之间的摩擦。
在极压润滑状态下,切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜强度。
常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物,这些化合物在高温下与金属表面起化学反应,生成化学吸附膜,它比物理吸附膜的熔点高得多,可防止极压润滑状态下金属摩擦界面直接接触,减小摩擦,保持润滑作用。
常用极压添加剂如下:
(1)含硫的极压添加剂:
在切削液中引入硫元素有两种方式,一是用元素硫直接硫化的矿物油,叫硫化切削油;二是在矿物油中加入含硫的添加剂,如硫化动植物油、硫化烯烃和硫、氯化动植物油等,制成极压切削油。
硫化切削油对铜及铜合金有腐蚀作用,加工时气味大,已逐渐被极压切削油所代替。
含硫的极压切削油在金属切削过程中和金属起化学反应,生成硫化铁。
硫化铁没有像氯化铁那样的层状结构,比氯化铁摩擦系数大,但熔点高(硫化铁熔点1193℃,二硫化铁熔点117l℃),硫化膜在高温下不易破坏,故切削钢件时,能在1000℃左右的高温下,仍保持其润滑性能。
(2)含氯的极压添加剂:
常用的含氯极压添加剂有氯化石蜡(氯含量为40%—50%)、氯化脂肪酸或酯类等。
氯的化学性能活泼,在200—300℃时即能与金属表面起化学反应。
氯化物的摩擦系数低于硫化物,故含氯极压添加剂具有优良的润滑性能,含氯极压添加剂的切削液约可耐600℃的高温,特别适合于切削合金钢、高强度钢、钼以及其他难切削材料。
氯化石蜡等有腐蚀性,必须与油溶性防锈添加剂一起使用。
有的资料[30]认为含氯添加剂的重点应放在四氯化碳这一类高挥发性的添加剂,因为它能渗入切屑、工件与刀具界面间的微裂缝中,同时又能防止冷焊磨损的发生。
但因四氯化碳会挥发出有害气体,所以国内很少采用。
(3)含磷的极压添加剂:
在切削液中,常用的含磷添加剂是有机磷酸酯或硫代磷酸锌。
这类添加剂有中等的极压性能,与钢铁接触即被吸附,并起化学反应,生成磷酸铁化学润滑膜,降低摩擦、减小磨损的效果比含硫、含氯的极压添加剂更为良好。
为了得到效果较好的切削液,往往在一种切削液中加入上述的两种或三种添加剂,复合使用,以便切削液迅速进入高温切削区,形成牢固的化学润滑膜。
二、防锈添加剂
为了使机床、刀具、工件不受腐蚀,要在切削液中加入防锈添加剂。
它是一种极性很强的化合物,与金属表面有很强的附着力,在金属表面上优先吸附形成保护膜,或与金属表面化合形成钝化膜,保护金属表面不与腐蚀介质接触,因而起到防锈作用。
常用的防锈添加剂,可分为水溶性和油溶性两大类:
(1)水溶性防锈添加剂:
水溶性防锈添加剂的品种很多,其中以亚硝酸钠在乳化液和水溶液中的应用较为广泛。
亚硝酸钠基本上没有润滑性能,在碱性介质中对钢铁有防锈作用,用量一般控制在0.25%左右,浓度再高则对操作者皮肤有害。
亚硝酸钠的防锈作用,对有色金属(如铜、铝及其合金等)无效,甚至起腐蚀作用。
加工铜的乳化液或水溶液,宜用苯骈三氮唑为防锈添加剂,加入0.01%—0.1%即见效果。
应当注意,水溶性防锈添加剂用于乳化液时,用量不宜过大,因为它们大多是电解质,用量过大会破坏乳化液,致使油水分离。
(2)油溶性防锈添加剂:
油溶性防锈添加剂主要应用于防锈乳化液,也有用于切削油的。
在使用过程中,常常将各种具有不同特点的防锈剂复合使用,以达到综合防锈的良好效果。
如添加氧化石油酯及其皂类,能提高耐大气腐蚀性能;添加胺类,能提高油脂的抗氧化性,中和酸性物质,添加羊毛脂及其皂类,能提高吸附性。
三、防霉添加剂
乳化液长期使用以后,容易变质发臭,这是由于细菌繁殖的结果。
只要加入万分之几的防霉添加剂,即可起到杀菌和抑制细菌繁殖的效果。
但防霉添加剂会引起操作者皮肤起红斑、发痒等,所以一般不用。
四、抗泡沫添加剂
切削液中一般都加入防锈添加剂、乳化剂等表面活性剂,这些物质增加了混入空气而形成泡沫的可能性。
如果泡沫过多,会降低切削液的效果。
若加入百万分之几的抗泡沫添加剂(如二甲基硅油),可以有效地防止形成泡沫。
在高速强力磨削时,由于会产生比较多的泡沫,所以必须在磨削液中添加适量的抗泡沫剂,并作消泡试验。
五、乳化剂
乳化液是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的关键性物质。
它能吸附在油水界面上形成坚固的吸附膜,使油很均匀地分散在水中,形成稳定的乳化液。
(1)乳化液形成的机理(表面活性剂的作用):
油水本来是互不相溶的,经过高速搅拌也能形成分散体,但静置后不久还会分离。
若加入表面活性剂后,再加搅拌混合,油就会以微小的颗粒分散在水中,形成稳定的乳化液,即使静置也难分离。
这是因为表面活性剂是一种有机化合物,它的分子是由极性基团和非极性基团两个部分组成助。
极性基因是亲水的,叫做亲水基团,可溶于水;非极性基团是亲油的,叫做亲油基团或憎水出由,可溶于油。
加入油和水中的表面活性剂能定向地排列吸附在油水两相界面上,极性端朝水,非极性端朝油,把油和水连接起来,降低油—水的界面张力,使油以微小的颗粒稳定地分散在水中,形
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