1 切削液在機(jī)械加工中作用與歷史

切削液作為機(jī)械加工重要的配套材料,主要起冷卻、潤滑、清洗和防銹作用,又稱磨削液,切削液的使用在金屬切削加工中占有重要的地位。但它的使用也帶來了許多負(fù)面影響,研發(fā)和推廣使用新型冷卻技術(shù)日趨重要。

 切削液在金屬切削過程中可以帶走大量切削熱,降低切削區(qū)的溫度,起到冷卻作用;并滲透到刀具與工件、切屑的接觸表面,形成潤滑膜,減少摩擦,降低動力消耗,起到潤滑作用;還能清除粘附在機(jī)床、刀具、夾具上細(xì)小切屑或磨粒,避免劃傷工件已加工表面和機(jī)床導(dǎo)軌,起到清洗作用;切削液中加入防銹劑,防止機(jī)床、刀具和工件受周圍介質(zhì)影響發(fā)生腐蝕,起到防銹作用。

 人類使用切削液的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時代。人們在磨制石器、鐵銅器時,知道澆水可以提高效率和質(zhì)量。19世紀(jì)80年代,美國科學(xué)家闡述了使用碳酸鈉水溶液機(jī)理,使切削速度提高30%～40%。后來人們嘗試用動植物油來作為切削液,能獲得良好的加工表面,但是,動植物油易變質(zhì),使用周期短。20世紀(jì)初,人們開始研究和使用礦物油和動植物油合成的復(fù)合油,并應(yīng)用于重切削、拉削、螺紋和齒輪加工中,取得了良好的效果。刀具材料(高速鋼、硬質(zhì)合金)的發(fā)展又推動了切削液的發(fā)展。隨著切削速度和切削溫度的不斷提高,油基切削液的冷卻性能已不能完全滿足切削要求,人們又開始重視水冷卻的優(yōu) 點(diǎn),把油的潤滑性能與水的冷卻性能結(jié)合起來,促使了乳化液的應(yīng)用,發(fā)展了合成和半合成切削液(即乳化液),并分別形成了系列產(chǎn)品。近年來,隨著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和人們環(huán)保意識的加強(qiáng),對切削液提出了新的技術(shù)要求,人們又致力于研制開發(fā)低污染切削液,以減少切削廢液對環(huán)境的危害。

 2 切削液的選擇和使用

目前,切削液仍是金屬切削加工主要的冷卻方法,合理使用金屬切削液是提高加工質(zhì)量、刀具耐用度和生產(chǎn)效率的有效途徑之一。

2.1 切削液的種類

2.1.1 水基切削液

 (1)水溶液 主要成分是水,為防止機(jī)床和工件生銹,常加入防銹劑,主要起冷卻作用,用于粗加工和普通磨削加工,常用的有肥皂水和蘇打水。

 (2)乳化液 乳化油加95%～98%水稀釋而成的一種乳白色切削液,主要起潤滑作用。

 (3)合成切削液 主要成分是水,含有少量的防銹劑、表面活性劑等組成,具有良好的冷卻、潤滑、清洗和防銹作用,熱穩(wěn)定性好,而且不含對人體有害物質(zhì)。是目前推廣使用的高性能環(huán)保型切削液。

2.1.2 油基切削液

 (1)切削油以礦物油(機(jī)械油、輕柴油、煤油)為主要成分并加入一定添加劑而構(gòu)成的切削液。加入添加劑可提高潤滑效果,切削油的潤滑、防銹性能好, 但流動性、冷卻、清洗作用比較差。

 (2)極壓切削油 極壓切削液分為極壓乳化液和極壓切削油兩類。極壓添加劑能形成牢固的化學(xué)膜,在高溫時可顯著提高冷卻和潤滑效果。

2.2 切削液的合理選擇

切削液種類選擇是否合理,是影響機(jī)械加工質(zhì)量主要因素,因此,要合理選擇切削液,根據(jù)刀具材料、工件材料、加工方法和技術(shù)要求等確定。

 高速鋼刀具耐熱性差,需采用切削液。由于粗、精加工鋼料的技術(shù)要求不同,選擇乳化液濃度也不同。硬質(zhì)合金耐熱性高,具有良好的耐磨性,加工一般材料采用干切削。但干切削時,工件溫升高,切削阻力大,機(jī)床功率消耗增大,刀具的磨損也加快。另外,硬質(zhì)合金刀具價格較貴,從經(jīng)濟(jì)方面考慮,干切削也是不合算的。所以,在選用切削液時,還要考慮硬質(zhì)合金對驟熱的敏感性。

陶瓷刀具和金剛石刀具具有極高的硬度,一般采用干切削。為避免溫度過高也常使用水基切削液。加工鑄鐵、鑄造黃銅等脆性材料,一般不用切削液。磨削時,切削溫度高,碎屑、磨粒多,常用冷卻、清洗性能好的乳化液或水溶液。

2.3 切削液的使用方法

使用切削液時,還要注意使用方法,切削液應(yīng)澆注在切削變形區(qū),不應(yīng)澆注在刀具和工具上。為了提高使用效果,常采用前刀面澆注法、后刀面澆注法、刀具加壓內(nèi)冷卻方法、周環(huán)澆注法等。

 3 切削液使用存在的問題

雖然切削液有利于降低切削區(qū)溫度、延長刀具壽命、防止工件熱變形、改善已加工表面質(zhì)量,若將未經(jīng)處理的切削液直接排入江河湖海,就會破壞生態(tài)環(huán)境。另外,由于切削液的潤滑劑中含有大量亞硝胺、多環(huán)芳香烴和細(xì)菌分解產(chǎn)物,人直接接觸將導(dǎo)致多種皮膚病、眼疾、呼吸系統(tǒng)疾病,直接影響操作者的身體健康。

 3.1 制造成本加大

 使用切削液會耗費(fèi)大量的切削液和電能。日本一年耗費(fèi)的切削液就達(dá)8億升,使用切削液所耗費(fèi)的能量大約占整個機(jī)械制造廠能量的1/10,切削液的費(fèi)用已占零件加工成本14%～17%。美國Baylers刀具涂層公司也作了這方面的統(tǒng)計,結(jié)果是切削液的消耗是刀具費(fèi)用的3～4倍。

3.2 環(huán)境污染

切削液受熱揮發(fā)易形成煙霧并產(chǎn)生異味,特別是極壓添加劑所含硫、磷、氯等化學(xué)元素在切削過程中形成的物質(zhì)會導(dǎo)致多種疾病。切削液是機(jī)械加工中造成環(huán)境污染的主要根源:未處理的乳化液含油量高達(dá)20000mg/L,化學(xué)耗氧量(COD)高達(dá)9300mg/L,生物耗氧量(BOD)達(dá)9300mg/L。在我國僅機(jī)械工業(yè)廢乳化液的日排放量據(jù)不完全統(tǒng)計已達(dá)億噸,可見其問題的嚴(yán)重性。

3.3 對人體皮膚的刺激

在金屬切削過程中,切削液與人體直接接觸,對人體皮膚的刺激非常嚴(yán)重,造成手部皮膚發(fā)紅、瘙癢、接觸性皮炎和蛻皮。長期接觸含有毒性成分的切削液,有毒物質(zhì)被人體皮膚所吸收,會誘發(fā)多種皮膚病,甚至癌癥,威脅著工人的身心健康。

 因此,企業(yè)應(yīng)盡可能選用安全環(huán)保、無毒和高性能的切削液,同時,配備相應(yīng)的勞保用品,以維護(hù)職工的身體健康。

4 綠色加工冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

4.1 干切削(DryMachining)加工技術(shù)

環(huán)境和資源問題是當(dāng)今和未來人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要解決的問題。近年來,為了貫徹環(huán)保政策、降低加工成本,世界各國試圖不用或少用切削液,大力研發(fā)及推廣應(yīng)用干切削加工技術(shù)。切削力大、切削溫度高是干切削的特點(diǎn),刀具能否克服這些不利影響,是干切削順利實施的關(guān)鍵所在,選擇適合干切削加工的新型刀具材料。常用的有硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金、陶瓷及金屬陶瓷、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)等。在干切削過程中,還會出現(xiàn)許多濕切削中沒有出現(xiàn)過的問題,機(jī)床設(shè)計也要充分考慮。用于干切削的機(jī)床主要考慮切削熱的散發(fā)及熱切屑和灰塵的排除,一般應(yīng)盡可能采用超高速機(jī)床,如德國HuelerHille公司生產(chǎn)的500/630T高速加工中心,工件基本保持在室溫狀態(tài)下進(jìn)行切削滿足加工要求。

4.2 準(zhǔn)干切削技術(shù)

 目前干切削的應(yīng)用范圍比較有限,而完全的濕切削又有諸多不足,若兩者結(jié)合,既可滿足加工要求,又可使與切削液有關(guān)的費(fèi)用降低,介于干切削與濕切削之間的這就是準(zhǔn)干切削技術(shù)。由于它使用的切削液用量為最少,因而切削液供給系統(tǒng)簡單、體積小、容易布局。 除上所述的幾種環(huán)保加工技術(shù)外,還有MQL潤滑的準(zhǔn)干切削技術(shù)、在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行干切削(即吹氮加工)、干式靜電冷卻技術(shù)、冷風(fēng)干切削技術(shù)等。

5 結(jié) 語

切削液的使用與我國制訂的環(huán)境保護(hù)政策之間的矛盾日益突出,使用干切削加工技術(shù)和準(zhǔn)干切削技術(shù)雖然存在著一定局限,面臨著許多技術(shù)難題,仍然是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募庸し椒āＫ?探索和研制新型高效且對環(huán)境無污染的加工冷卻方法勢在必行。