分享：機(jī)床切削液的理化性能與評(píng)價(jià)方法概述

為了恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)切削液的理化性能，結(jié)合實(shí)際的機(jī)加工切削液使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)切削液的理化性能和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。文章從切削液的作用機(jī)理出發(fā)，介紹了切削液的主要作用與分類(lèi)，分析了油基切削液和水基切削液的理化性能及評(píng)價(jià)方法，對(duì)實(shí)際機(jī)加工中切削液的選擇、使用維護(hù)以及切削液的研究、生產(chǎn)制造有重要指導(dǎo)意義。

切削加工的種類(lèi)很多，加工對(duì)象和加工工具的材質(zhì)、性質(zhì)、形狀等也各不相同，與之相適應(yīng)的切削液也種類(lèi)繁多，各具特色。如何科學(xué)地、恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)切削液是一個(gè)不可回避的重要問(wèn)題。另外從切削液的研究、生產(chǎn)制造角度來(lái)看，也需要對(duì)切削液進(jìn)行不斷的改進(jìn)、創(chuàng)新。從這兩個(gè)方面來(lái)看，都需要解決好切削液的性能評(píng)價(jià)的問(wèn)題。而切削液的理化性能是與切削工藝有關(guān)的主要性能，對(duì)切削液的使用和維護(hù)有著重要的意義。

切削液概述

機(jī)床切削液歷史悠久，是伴隨著工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生的。人們注意到金屬切削加工中刀具對(duì)金屬材料的直接切削要耗費(fèi)大量能量且產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致加工不穩(wěn)定，而各類(lèi)形式的切削液明顯改善了金屬加工性能和質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，金屬的機(jī)械加工分為去除和成形加工兩種。去除加工是從毛坯上去除多余材料得到所需尺寸和形狀的工藝方法，同時(shí)去除加工會(huì)產(chǎn)生切屑；而成形加工是通過(guò)使工件產(chǎn)生塑性變形得到所需尺寸和形狀的工藝方法，如鍛壓、軋制等，此過(guò)程中一般不產(chǎn)生切削。在這兩類(lèi)加工中，所使用的工藝油(液)，統(tǒng)稱(chēng)為金屬加工油(液)，也習(xí)慣性地根據(jù)用途簡(jiǎn)稱(chēng)為切削液。本文主要論述去除加工中使用的切削液。

切削液的作用機(jī)理

在金屬加工過(guò)程中使用切削液主要目的有：(1)延長(zhǎng)刀具(或砂輪)的使用壽命；(2)降低工件表面粗糙度和提高工件精度；(3)把切屑和灰末從切削區(qū)域沖走；(4)降低切削力和提高切削效率。因此，性能良好的切削液必須具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗和防銹等作用。

(1)潤(rùn)滑：通過(guò)加入切削液，工件與刀具的表面接觸以后，切削液黏附在金屬表面上形成潤(rùn)滑膜，這種潤(rùn)滑膜可以減小刀具-切屑、刀具-工件界面的摩擦，減輕黏結(jié)和抑制切屑瘤，從而降低工件表面粗糙度，提高刀具耐用度，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，減少機(jī)床換刀時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。所以潤(rùn)滑作用的好壞直接關(guān)系到刀具的使用壽命和工件的表面粗糙度及加工精度。

(2)冷卻：切削加工過(guò)程中所消耗的功95%~97%都轉(zhuǎn)變成切削熱。切削液通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流、蒸發(fā)將已產(chǎn)生的切削熱從切削區(qū)帶走并降低其溫度，從而減少工件的熱變形，提高刀具的耐用度和產(chǎn)品的加工精度。

(3)清洗：毛坯表面黏附的鐵粉、油污等，以及切削過(guò)程中產(chǎn)生的各種形狀的切屑，會(huì)嚴(yán)重的影響加工效果，因此切削液應(yīng)對(duì)切屑、鐵粉、油污等有良好的分離和沉降作用。切削液循環(huán)系統(tǒng)中，在切削液回流到冷卻槽后能迅速使切屑等沉降于容器的底部，油污等物懸浮于液面上，以保證切削液反復(fù)使用后仍能保持清潔，保證加工質(zhì)量和延長(zhǎng)使用周期。

(4)防銹：切削液防銹性能的好壞對(duì)于很多行業(yè)特別是一些沿海潮濕地區(qū)來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。

切削液的作用機(jī)理比較復(fù)雜，潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹4個(gè)作用不是孤立的，它們既對(duì)立又統(tǒng)一，而且各類(lèi)切削液的作用，均有它的側(cè)重性和針對(duì)性，所以對(duì)切削液的評(píng)定要根據(jù)實(shí)際使用需求進(jìn)行。

切削液的分類(lèi)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7631.5—1989“潤(rùn)滑劑和有關(guān)產(chǎn)品的分類(lèi)：M組(金屬加工)”，切削液分為油基切削液和水基切削液。油基切削液基本成分是基礎(chǔ)油(礦物油或合成油)，主要用于首先要求潤(rùn)滑性的加工工藝，基本可歸納為4類(lèi)：純礦物油、減摩、非活性極壓、活性極壓切削油。水基切削液是將原液用水稀釋后使用的切削液，適用于首先要求冷卻性的加工工藝，主要分為乳化、微乳化、合成切削液。

切削液的理化性能與評(píng)價(jià)

油基切削液

(1)外觀

切削油的外觀包括色度、透明度、均勻性等。油品的顏色，可以反映其精制程度和穩(wěn)定性。但不同油源和類(lèi)屬的原油所生產(chǎn)的基礎(chǔ)油其顏色和透明度可能不相同，而在基礎(chǔ)油中使用添加劑后，顏色也會(huì)發(fā)生變化，顏色作為判斷油品精制程度高低的指標(biāo)已失去意義。因此，大多數(shù)的潤(rùn)滑油已無(wú)顏色(或色度)的指標(biāo)。

對(duì)于使用中或儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的油品，通過(guò)比較其外觀的變化，可大致地估量其氧化、變質(zhì)和受污染的情況。如顏色變深，則表明油品已受污染或者氧化變質(zhì)，如顏色變成乳濁，則油品中有水或氣泡的存在。

外觀顏色的測(cè)定：潤(rùn)滑油的顏色，除直接觀察(即目測(cè))外，在實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)定方法我國(guó)采用GB/T 6540—86石油產(chǎn)品顏色測(cè)定法(與ASTM D1500—1982石油產(chǎn)品顏色的測(cè)定法等效)和SH/T 1068—92石油產(chǎn)品色度測(cè)定法。

(2)黏度

黏度是潤(rùn)滑油的重要技術(shù)指標(biāo)，也是絕大數(shù)潤(rùn)滑油劃分牌號(hào)的依據(jù)，黏度是選擇基礎(chǔ)油的首要標(biāo)準(zhǔn)。黏度的度量方法分為絕對(duì)黏度和相對(duì)黏度兩大類(lèi)。絕對(duì)黏度分為動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度兩種；相對(duì)黏度有恩氏黏度、賽氏黏度和雷氏黏度等幾種表示方法。切削油的運(yùn)動(dòng)黏度一般為3×10–6~60×10–6m2/s(40℃)，比一般齒輪油、液壓油之類(lèi)的潤(rùn)滑油的黏度低，潤(rùn)滑油的黏度為22×10–6~680×10–6m2/s (40℃)。

黏度是影響油基切削液的潤(rùn)滑性和滲透性的重要因素。在流體潤(rùn)滑的情況下，黏度越高在摩擦面形成的膜越厚，減小摩擦的效果越顯著，潤(rùn)滑性越好。相反，黏度越低，滲入刀具-切屑、刀具-工件之間越容易，尤其磨削時(shí)容易洗凈砂輪氣孔內(nèi)的切屑、磨粒，防止砂輪堵塞，其滲透性、清潔性越好。

(3)腐蝕性實(shí)驗(yàn)

銅板腐蝕是判定切削油中有沒(méi)有含硫極壓劑和添加劑的活性大小的方法。此項(xiàng)目也是劃分切削油類(lèi)別的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)的方法一般按照GB/T5096—1985“石油產(chǎn)品銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)法”，腐蝕活性的大小用級(jí)數(shù)表示，1~2級(jí)為低活性或非活性，3~4級(jí)為高活性。級(jí)數(shù)越大，腐蝕活性越強(qiáng)。

(4)氧化安定性

切削油在一定的外界條件下抵抗氧化作用的能力主要取決于化學(xué)組成，也與使用條件如溫度、氧壓、接觸金屬、接觸面積大小、氧化時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。氧化速度受溫度的影響最大，溫度每升高約8~10℃，氧化速度提高一倍。為提高油品的氧化安定性，調(diào)制時(shí)可加入抗氧化添加劑。

評(píng)價(jià)各類(lèi)油基切削液氧化安定性的實(shí)驗(yàn)各有不同，通常是在一定溫度并有金屬催化劑存在的條件下，向其中通入氧，經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈氧化后，測(cè)定油品的質(zhì)量變化，包括氧化后的酸值、黏度、沉淀物等。氧化后酸值大、黏度增長(zhǎng)率大、沉淀物多，則表明切削油的氧化安定性差，使用壽命不長(zhǎng)。

水基切削液

(1) pH值

pH值是表示水基切削液酸堿度的指標(biāo)，是防銹性、腐蝕性等使用管理方面的重要檢查項(xiàng)目，一般為8~10。若pH值過(guò)低，對(duì)鋼、鑄鐵和銅的防銹性能會(huì)下降；pH值過(guò)高，對(duì)鋁件易產(chǎn)生腐蝕，pH值達(dá)到10.5以上，對(duì)操作者皮膚會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的刺激性。

(2)抗泡性

水基切削液的泡沫問(wèn)題經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生麻煩。例如，泡沫多占據(jù)大量的空間，使切削液溢出；泡沫中存在著大量的空氣使切削液導(dǎo)熱能力下降，使抽液泵產(chǎn)生“空吸”等。因此，抗泡性是使用管理上的重要檢查項(xiàng)目。

評(píng)價(jià)的方法是：將樣本溶液倒入100 mL的量筒中，使液面在70 mL處，蓋好塞子，上下?lián)u動(dòng)1 min(以1/3 m為搖動(dòng)的距離，100~120次/min的搖動(dòng)頻率)然后靜置10 min，觀察液面殘留泡沫體積，應(yīng)小于或等于2 mL。

(3)乳化安定性

由于乳化切削液原液中的表面活性劑含量有一定限度，當(dāng)加水稀釋時(shí)，會(huì)因?yàn)樗|(zhì)，使乳化狀態(tài)不安定，產(chǎn)生分離現(xiàn)象。乳化液在使用的過(guò)程中，會(huì)受到切屑、水分、雜質(zhì)等的污染，也可能引起分層、析皂、析油。如果切削液更換周期延長(zhǎng)，隨著水分的蒸發(fā)與補(bǔ)給，加入的水中微量無(wú)機(jī)物會(huì)積聚下來(lái)，進(jìn)一步使乳化安定性、防銹性等狀態(tài)惡化，以致引起乳化液腐敗。

乳化安定性實(shí)驗(yàn)主要用來(lái)判定乳化型切削液的乳化安定程度。評(píng)價(jià)的基本方法是：將乳化液配成濃度(體積分?jǐn)?shù))5%，取50 mL乳化液于滴定管中，15~33℃下放置24 h，觀察皂或油層析出的體積，其中液面上層黃白色脂狀物為析皂，棕黃色透明油狀物為析油。析皂或析油的體積分?jǐn)?shù)X用公式(1)表示：

式中，V為析皂或油層的體積，mL。

析皂體積分?jǐn)?shù)X<0.5%判斷為合格；X≥0.5%或析油，均判為不合格。

(4)腐蝕性

腐蝕性是判斷水基切削液對(duì)工件、機(jī)床、夾具、切削液箱、切削液循環(huán)系統(tǒng)等金屬材料腐蝕程度的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)方法是：使用材料鑄鐵、紫銅、鋁板為樣片，打磨洗凈后，放入實(shí)驗(yàn)液中浸泡，加玻璃罩，(55±2)℃恒溫箱中，鑄鐵24 h，紫銅與鋁板8 h，取出樣片做評(píng)級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)如表1。鑄鐵A級(jí)合格，紫銅與鋁板A、B級(jí)均合格。

(5)防銹性

通常情況下，機(jī)加工結(jié)束后工件不做其他處理直接暴露在空氣中，在有氧環(huán)境及溫濕度較大時(shí)，容易生銹，因此水基切削液的腐蝕實(shí)驗(yàn)不能取代防銹實(shí)驗(yàn)，尤其是鑄鐵、銅類(lèi)必須進(jìn)行防銹實(shí)驗(yàn)。

評(píng)價(jià)防銹性能的方法有單片防銹實(shí)驗(yàn)、疊片防銹實(shí)驗(yàn)和鐵屑濾紙法。鐵屑濾紙法較前兩種更適應(yīng)于固定材料的實(shí)態(tài)檢測(cè)，主要的方法為：取6 g無(wú)銹鑄鐵屑(經(jīng)干切削加工的灰口鑄鐵屑，5~18目)用120#溶劑汽油洗2次，并用熱風(fēng)吹干均勻鋪在有35 mm×35 mm方格濾紙上的表面皿上，取2 mL實(shí)驗(yàn)液灑在鐵屑上，室溫2 h后，用自來(lái)水沖掉濾紙上的鐵屑，用熱風(fēng)吹干，檢測(cè)濾紙上的銹斑，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表2。

(6)油水可分離性

實(shí)際機(jī)加工生產(chǎn)中，切削液中混入潤(rùn)滑油或液壓油是經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，如果這些油品混入易使切削液變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起凝固化傾向，生成膠狀物使過(guò)濾器堵塞。因此，希望切削液油水分離性較好，使混入的油品迅速分離，通過(guò)撇油裝置除去，以維持切削液的良好狀態(tài)。

油基和水基切削液的共同點(diǎn)

對(duì)于各種類(lèi)型的切削液都需關(guān)注的性能，比熱容、熱導(dǎo)率、表面張力、滲透性、對(duì)材料的接觸適應(yīng)性以及廢液的可處理性等，這些性能的評(píng)價(jià)方法，大部分尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)的評(píng)價(jià)方法需參考國(guó)外相近實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

切削液本身的物理化學(xué)性質(zhì)，一般情況下在實(shí)驗(yàn)室可以充分評(píng)價(jià)，但由于切削液的劣化和腐敗等問(wèn)題對(duì)水基和油基切削液來(lái)說(shuō)，很大程度上受現(xiàn)場(chǎng)使用條件的影響，通常需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工的實(shí)際情況來(lái)確定實(shí)驗(yàn)方法。

美國(guó)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)一般推薦的檢測(cè)項(xiàng)目是密度、黏度、閃點(diǎn)和燃點(diǎn)、酸堿度、潤(rùn)滑添加劑含量、穩(wěn)定性(原液和稀釋液)、泡沫實(shí)驗(yàn)、潤(rùn)滑性實(shí)驗(yàn)(針-V行塊實(shí)驗(yàn)、四球?qū)嶒?yàn)、環(huán)-塊實(shí)驗(yàn)、鐘擺式實(shí)驗(yàn))等。日本對(duì)切削液的理化性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照JISK2241“切削液性狀實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行，對(duì)水基切削液有表面張力、乳化安定性、不揮發(fā)成分、pH值、含氯量、總硫含量、起泡實(shí)驗(yàn)、耐腐蝕性等8項(xiàng)；對(duì)油基切削液有閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、脂肪油含量、氯含量、總硫含量、銅板腐蝕、耐負(fù)荷能力等8項(xiàng)。

我國(guó)的切削液標(biāo)準(zhǔn)還在完善中。現(xiàn)有的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是JB/T7453—1994“微乳化切削液”、SH/T0365—1992“乳化油”、SH/T0364—1992“硫化切削油”、GB/T6144—1985“合成切削油”，其中“硫化切削油”和“乳化油”已經(jīng)廢止。目前主要應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是JB/T7453—1994。

機(jī)床切削液的選用基本規(guī)則

切削液的理化性能決定切削液在機(jī)床上的使用效果，不同的切削液使用效果存在差異，對(duì)工件的影響也不相同。機(jī)床切削液的選用主要從工藝要求、成本、安全性能方面綜合評(píng)價(jià)。

◆工藝要求

如上所述，切削液起潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹等作用，但在某項(xiàng)具體的工藝要求中，要同時(shí)保證各方面的性能，卻很難實(shí)現(xiàn)。所以在選用時(shí)要有所側(cè)重。一般來(lái)說(shuō)，可以參照表3來(lái)對(duì)切削液的選用進(jìn)行基本的選擇，在實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合具體工藝需求來(lái)分析比較，常常要通過(guò)對(duì)比某幾種切削液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)確定。

◆成本壓力

成本是所有生產(chǎn)性企業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。水基切削液的價(jià)格及維護(hù)成本一般為油基型切削液的20%~30%，但需要說(shuō)明的是，并不是所有的工藝都能使用水基切削液；在機(jī)械加工型生產(chǎn)企業(yè)里，機(jī)床維護(hù)、刀具和工藝器具成本往往占有很大一部分，而切削液的類(lèi)型會(huì)直接影響到機(jī)床維護(hù)成本和刀具成本。因此在選擇切削液時(shí)，各企業(yè)需要根據(jù)自身實(shí)際情況綜合考慮。如果切削液的選擇不合適，會(huì)使后期的刀具成本大大增加，以及對(duì)加工工件的尺寸精度、表面要求造成不可預(yù)測(cè)的影響。

◆安全性能

為了降低使用風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用環(huán)保、低毒型產(chǎn)品?，F(xiàn)在市面上的切削液，其中有些成分對(duì)長(zhǎng)時(shí)間直接接觸人員的身體和器官是有危害的，例如可導(dǎo)致各類(lèi)皮炎以及呼吸器官受損等。所以，在正式投產(chǎn)使用前，應(yīng)要求供貨方提供認(rèn)證的產(chǎn)品SDS(產(chǎn)品安全數(shù)據(jù)單)，按照其說(shuō)明的有害成分及預(yù)防措施，制定崗位操作指導(dǎo)，有效避免可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)及人員傷害。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了切削液的簡(jiǎn)單分類(lèi)與作用機(jī)理，詳細(xì)說(shuō)明了油基切削液與水基切削液的理化性能與評(píng)價(jià)的方法。針對(duì)切削液在理化性能方面的特點(diǎn)，結(jié)合日常的機(jī)加工生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，給出了切削液理化性能方面的實(shí)際判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)加工用切削液的開(kāi)發(fā)與使用維護(hù)有重要意義。

文章來(lái)源——金屬世界