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金属切削工艺的润滑

时间: 2011-07-25 20:05 来源: 作者: 点击:
概述:世界金属加工油液占世界总量5%以上,而且从以油基为主,逐步向水基发展。由于铝加工业的比例增加,铝加工油品种和产量呈上升趋势。在国外金属加工液中,一直占有较大比例,一般为50%左右。金属加工液分类常按金属加工方法分为切削液和成型液两大类,或按油品化学组成分为非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液两大类。我国目前亦大多沿用此分类。ISO于1986年通过IS06743/7,按油基、水基将加工液分为MH和MA两大类,又根据每类的化学组成、应用各分为8类和9类,共17类,该标准将目前众多的金属加工液的品种均可包含进去,我国已等效采用了该标准,制定了 GB7631.5。

金属的机械加工通常包括两种类型:金属的去除和金属的变形。前者作业是靠刃具把金属从被加工件上除掉;后者则是用模具使金属在应力下塑性变形,如轧、拉拔、冲压、挤压等。一般习惯地把金属去除作业所用的润滑剂称为切削液,而把金属变形用的润滑剂称为金属加工工艺用液体。金属加工液则是泛指上述两类加工、作业用润滑剂。

(一)金属切削液的选用(技术切削设备的润滑见机床的润滑特点)

大部分金属切削需要使用切削液,甚至在可以正常进行干切削的作业,如果选用适当的冷却润滑剂也可增加工效。早在1883年,F.W.泰勒(Taylor)曾证明用冲洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%。金属切削液的品种繁多。

ASTM D2881把金属加工用的液体划为三类:
(1)油和油 基液体;
(2)水基乳液及分散体;
(3)化学溶液(真溶液及胶体溶液)。

2类与3类之间的基本区别在于分散相的粒度和粒度分布。溶解油乳化液的平均粒度大于1 μm,真溶液及胶体溶液的粒度范围为20~40 nm。胶体乳液(Ⅱ-C)代表了一种介于化学溶液与溶解油的乳液之间的中间状态,其粒度分布介于上述两等级之间。这种划分原则基本上是一个理论性的区分,因为从典型的矿物油到不含油的化学溶液之间,可能存在着无限度的等级。

近年来,金属切削液的发展和变化主要是在水溶性液体领域(2、3类)。由于这 类液体以水为基质,其传热速度高(水的传热速度为油的2.5倍)。等量的水吸收一定 热量后,比油的温升要慢得多,从而提高了冷却效果,且可减少油雾,因此水基切削液的用量增大。以英国为例,水基切削液在整个切削液市场中约占60%。但是水基 切削液与油相比存在着润滑性差,其次是锈蚀、胶体稳定性、化学稳定性、生物稳定性、可滤性、泡沫性等问题。这些问题对切削液在机床应用时的“油池寿命(Sum p Life)”至关重要。合理选择、应用、监控和维护,对使用水基切削液特别重要。

1、金属切削液的成分与选择

根据我国目前市场情况,切削液的主要成分如下。

(1) 油或油基液体:属于ASTM D2881分类中的Ⅰ-A、Ⅰ-B、Ⅰ-C,习惯称为切削油(也称净切削油),主体为矿物油,含或不含添加剂。

(2) 乳液:属于ASTM D2881分类中的Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C,有时称为溶解油。根据矿物油含量和油滴粒度可分为3种:粗乳液:含油65%~80%,油滴粒度2~10 μm;微乳液:含油40%~50%,油滴粒度<1 μm;半合成乳液:含油5%~40%,油滴粒度约0.1 μm;

(3) 合成液体:含油或不含油,以溶于水的高分子有机物为主要润滑剂。

(4) 化学溶液:不含油,属ASTM D2881分类中的Ⅲ。从以上成分来看,以切削油的润滑性最好。乳化液中的粗乳、微乳和半合成型乳液,如配制得当也有相当好的润滑性能。目前粗乳液和微乳液的使用范围最广泛。用于重负荷切削的乳化液要含极压添加剂。合成液是乳化液的补充产品。这种液体常用在特定的用途上。某些合成液体在使用中由于浓度增大,清洗性增强而导致损伤操作人员的皮肤和机床涂层。化学溶液是不含矿物油的水溶液。使用前用水稀释,有良好的冲洗、冷却效果 ,并应能防止接触区域的锈蚀。这类液体主要用于研磨,功能在于清洗和冷却,没有润滑性。切削液的选择,首先要避免使用那些对机床、刃具和加工材料有害的液体。通常,不含游离硫的硫化油适用于加工钢材和铜材。而有些铜合金和高镍合金,在硫 剂(特别是含游离硫)作用下会产生暗色斑痕。水基切削液的成分比较复杂,这是因为要顾及乳化系统的稳定,既要考虑诸成分的HLB值,又要达到各项性能的平衡。由于切削液以水为基质,还应考虑诸成分的 水溶性或在水中分散的性质。

选择切削液前应充分了解下列情况。

1.1 加工材料的性质

被加工的材料物理化学性质各异,反映在切削操作上就会有切削的难易和与切削液相容性等新问题。对较难加工的材料及其与切削液的相容性分别简略介绍如下 。
铝:质软,切割易粘切具。乳化液如碱性强,与铝产生化学反应,造成乳液分层。应选用专用乳化液或石蜡基矿物油作冷却润滑剂。
黄铜:切削时产生大量细屑,易使乳化油变绿。含活性硫的油剂可使加工材料变色,如选油剂要有过滤设备。
青铜:剪切前产生显著的塑性变形,可使乳化液变成绿色。如选油剂要有过滤设备。
铜:粘韧,切削时产生微细卷曲的屑,可使乳化液变成绿色,影响乳化液的稳定,在活性硫作用下生污斑。如选用油剂要配备过滤设备。
可锻铸铁:切削时产生大量微细的具有化学活性的磨蚀性屑。这些活性细屑好似过滤介质,削弱了乳化液的活性,而且可生成铁皂,使乳化液变为红褐色,乳化液的稳定性变劣。如使用油剂,必须用离心机或过滤器把铁屑除去
铅及其合金:易切削,可生成铅皂,破坏乳化液的稳定。如使用油剂,对油剂有稠化倾向,要防止使用含大量脂肪的油剂。
镁:切削时产生细屑,可燃。一般不使用水基切削液,可采用低粘度油作为切削液。
镍及高镍合金:切削时局部产生高热,切屑可能烧结。可选用重负荷乳化液或非活性硫化油。
钛:产生磨蚀性、可燃的切削,易发生加工硬化现象,应用重负荷乳化油或极压油剂。
锌:切削面不规整,难以取得良好的光洁度,与乳化液生成锌皂,使乳化液分离,应选专用乳化液。

1.2 加工工况

刀具的作用是在主剪切区域把加工材料用强剪切力切除剥落。刀具的推进面和暴露的新鲜金属面之间,由于强烈的附着作用使推进面受到高的应力。因切割剥落的屑要移过刀具推进面,从而形成了第二剪切区域。在第二剪切区域产生的剪切作用使刀具受到最大摩擦力。润滑和冷却作用在此时同样重要。但属于金属去除的机械加工种类很多,又各有其独特的工况。一般认为,在低速加工(螺纹切削、扩孔和 齿面切削)时,切削润滑剂的主要任务是缩小推进面与屑的粘结,作为边界润滑剂。在高速切削加工时,切削液的主要作用是降低摩擦热,带走热量。

那些切削液难以到达剪切区域的加工作业,给润滑、冷却造成很大的困难。通常对扩孔、齿轮切削(特别是滚齿)、深孔钻和镗孔、攻丝(特别是盲孔)、深套孔、车螺纹加工要精心选择适用的切削液。

1.3 油基和水基的特点

油基切削液指含添加剂的矿物油。水基切削液指乳液、合成液及化学溶液。笼统地说,低速重负荷切削需要充分的润滑,通常选用极压切削油剂。高速浅层切削,冷却是首要的,一般选用水基切削液。有些极压乳化液具有很好的润滑和冷却性,可以用于重负荷切削。一般的研磨加工,有时润滑反而有害,故可使用合成液或化学溶液。加工材料、刀具材质、机床构造也是确定选用油基液或水基液的重要依据。

2 使用和维护

2.1 配制(稀释)只有水基切削液需要配制,即按一定比例加水稀释。水基切削液特别是乳化型的,在用水稀释时要注意以下几个方面。

2.1.1 水质 一般情况下不宜使用硬度超过400的水,因高硬度的水中所含的钙、镁离子会使 阴离子表面活性剂失效,乳液分解,出现不溶于水的金属皂。即使乳化液是用非离子表面活性剂制成,大量的金属离子也可使胶束聚集,从而影响乳液的稳定性。太软的水也不宜使用。用太软的水配制的乳化液在使用过程中易产生大量泡沫。

配制乳化液的水的适宜硬度应为50~200。可用去离子水和未经处理的工业水混配使用。我国幅员辽阔,切削液品种极多,因此在选购水基切削液之前,最好用当地的水作调配试验。一般禁止使用处理后的污水、含化学物质的水和二次水来配制乳化液。锅炉用的软化水也要慎用。硬水地区的用户可采用碳酸钠法把水软化后使用。软化剂用量最好经试验确定 。要防止软水后水的pH值过高。软水剂使用过度会破坏乳化液的稳定。

2.1.2 稀释

切削液的稀释关系到乳化液的稳定。切削液在使用前,要先确定稀释的比例和所需乳化液的体积。然后算出所用切削液(原液)量和水量。

选取洁净的容器,将所需的全部水倒入容器内,然后在低速搅拌下加入切削液原液。配制乳化液时,原液的加入速度以不出现未乳化原液为准。切削液原液和水的加入程序不能颠倒。不要在机床的油池(槽)内直接调配乳液。

2.2 切削液的使用

切削液的使用效果,首先取决于正确选用适合加工工况的切削品种,以及合理地调配稀释。但以下诸因素亦值得重视。

(1)循环液体总量

机加工过程中循环使用的切削液因飞溅、雾化、蒸发以及加工材料和切屑携带 ,不断地消耗。这种消耗以a(携带值)表示。其定义是:为了维持机床油槽原有切削 液的体积,每月需补加切削液量,以原有体积倍数表示。例如,一个切削液循环系统的a=1,是指一个V为20 m↑3液体循环系统,每月需补充稀释后的切削液(或 油)20 m↑3。欧洲汽车工业机加工的a值为1~1.5。个别切削液循环系统可低至0.25 ,即原来投入的切削液,假设不进行补充,4个月就会被携带完,也有高达a=4的。

携带值a与加工材料的形状关系很大。携带值a无疑与机加工费用相关。但携带值太小会增大切削液的维护费用。每立方米冷却剂一年的总费用K为:

K=k1+k2+k3(元/m3·年)

式中,k1为变换冷却剂的费用(原液+水)、废冷却液排放费用(劳力、清洗、充入水以及停工时间);k2为携带值费用(液体因工件、切屑携出的损失及液 体雾化、蒸发的损失);k3为冷却剂的维护费用。从上式可知,携带值过大或过小都会增大费用。

冷却液的逐渐消耗,使循环系统的液体减少,液体温度上升甚至过热,冷却效力下降。冷却效力下降会影响加工件的精度,并使刀具硬度下降。切削液温度升高会加剧液体的雾化和蒸发,污染车间环境,进而增大液体消耗,形成恶性循环。通 常机床的液槽(油槽)如处于半满状态就不能发挥液体的应有功效,而且液体易变质 。

当使用油剂切削液(净切削油)的温度过高,危害更为严重。净切削油的冷却能力较低,且多用在那些难加工、发热量大的切削中。油槽内净切削油超温不但具有 前述危害,还可能导致添加剂分解(分解可能产生有害物质),损坏机床、加工材料和刀具,恶化环境。特别是含大量氯化物添加剂的净切削油,大多用于苛刻的机加工,产生的热量大。这时油槽应增多充油量,以增加热容量。

(2)切削液的流量
一般的机加工应保证压力、大流量。镗深孔和空心杆刀具可采用高压喷射冷却液,以利于把切屑冲刷出来。有些中低碳钢和钛材的钻孔加工采用脉冲式注射冷却液更有利,但要注意适合油的性能。苛刻的加工所使用的含氯净切削油,要加大流量。
流量的大小可用循环系数f表示。定义是每小时循环量为总容量的倍数。切削液循环系统的温度、泡沫、污染物含量对f都有影响。

(3)油嘴形状
油嘴的形状应适合被加工件的形状和大小,以及刀具种类和操作程序。良好的油嘴应使切削液一直保持液流平坦,使加工件各部分充分浴于液体内。油嘴形状要按实际效果来调整,基本要求是使最需要冷却和润滑之处得到足够的冷却液。

(4)泡沫
水基切削液和净切削油在使用中会发生泡沫过多的问题。泵速过大会造成液体湍流,或者油管阻力形成喷射会增大液体的泡沫。特别是水基切削液的泡沫性是其主要性能指标之一。不同性质的切削液相混(如净切削油与乳化液相混)也会使泡沫增多。机床变更切削液前要洗净油槽和循环路线。此外配制乳化液时要避免激烈搅拌和空气搅拌。过度软化的水和含碱的水会增加乳化液的泡沫。流体循环泵密封不严也会增大液体的泡沫。泡沫的危害使冷却润滑液失效和油槽容积的浪费。泡沫严重的冷却液会造成机床、刀具和工件损坏。

(5)机床的密封
经常检查机床的轴封(特别是用乳化液作为冷却剂时),防止切削液串入机床齿轮箱、床头箱或其它密封的传动机构内。乳化液如果进入矿物油润滑系统将使机床磨损。含极压剂的净切削油串入机床传动或液压系统,危害较小。

2.3 切削液的维护

大型机械加工车间常采用集中冷却润滑系统。这类循环系统的冷却液不停地循环使用,油池寿命十分重要。延长油池寿命除了冷却液的质量和合理使用外,冷却液的维护也是重要的因素。冷却液、切削液的维护工作主要包括以下几项。

(1)确保液体循环路线的畅通
及时排除循环路线的金属屑、金属粉末、霉菌粘液、切削液本身的分解物、砂轮屑,以免造成堵塞。

(2)抑菌
削液(特别是乳液)抑菌生长的重要性是人所共知的。可采用定期投入杀菌剂和用超微过滤等手段抑制细菌的繁殖。

(3)切削液的净化

污染切削液的物质主要是金属粉末和砂砾细粉、飘浮油和游离水、微生物和繁殖物,特别是毛霉目真菌。

切削液内所含的固体粉末来源于加工件和刀具。这类固体不但易堵塞管路并有以下危害:(1)悬浮于冷却液内的粒子损坏泵的密封,增大刀具磨损,损害人的皮肤,影响加工质量;(2)固体沉淀在油池底部,与有机物聚结,形成一层有大量气孔的 沉淀层,为微生物繁殖提供了有利条件,而霉菌的细丝更稳定了沉淀的固体;(3)切 削液中的金属粉末具有很高的化学活性,可使切削液中的某些成分失效。菌污染使切削液酸败分解,霉菌的繁殖产生粘稠物,导致管路和喷嘴堵塞。

飘浮油是指机床传动和液压系统用油因机床密封不严漏入切削液系统的油。飘 浮油的危害是使切削液系统的某些材料膨胀变形,干扰了乳化液的乳化平衡,使乳化液失去稳定性。而且飘浮油常浮于乳液油表层,阻挡了乳化液和空气的接触,导致乳化液缺氧,使厌氧菌快速繁殖,加速乳化液的腐败变质。

切削液被上述三类物质污染后,如采取分别去除污染的方法,手续十分繁琐。 近年来开发了超细过滤方法,可除去固、液和大部分菌类污染物。但被超细过滤的切削液只限于含油少的微乳液或合成液,其成分在低浓度时不会构成胶束或其它凝 聚物。

有一种循环再生系统可把上述三类污染物在一个整体系统内清除。这种系统包括多种设备,分别用来除去不同的污物。例如用撇油轮除去表面飘浮油;用高速离心机或纸质过滤器除去金属粉末和泥砂;用高压巴氏杀菌器灭菌。这类整体的冷却 剂再生系统如图所示。整体的冷却剂再生系统

在循环再生过程中要向系统内补充10%~15%的新鲜冷却液,以弥补蒸发、漏损和加工件携带走的损失和添加剂的消耗。采用分批再生方式定期从切削液循环系统中抽出一定体积的液体,进行上述处理后再返回循环系统。

这种再生系统的特征是:配套完整,效率高,可从切削液中除去1 μm以上的固体颗粒和大部分飘浮油。主要优点是采用高压巴氏灭菌,省去了定期投放杀菌剂的麻烦,减少了杀菌剂对人身和环境的危害。

3、 劳动卫生与环境

影响人身健康和环境的主要原因是切削液所含的基础油和各种添加剂。这些物质对健康的危害主要有以下几方面。
(1)致癌 切削液所含的高密度矿物油(相对密度大于0.9)属高芳烃含量的矿物油,易被乳化。但其中的多环芳烃(PCAH)是致癌成分。亚硝酸钠和三乙醇胺曾被广泛用于乳化液中,是有效的防锈剂。由于亚硝基二乙醇胺被证实为致癌物质,70 年代有些国家已禁止使用。
(2)油疹 由于皮肤接触切削液中的油、菌类和金属屑而产生的油疹,是最常见的皮肤病。
(3)毛囊炎 由于皮肤汗毛囊管受到油及外来物剌激所致,主要发生在手臂。

(二)切削液使用中的问题及其对策。

1、切削波变质发臭的问题

切削液变质发臭的主要原因是:切削液中含有大量细菌,切削液中的细菌主要有耗氧菌和厌氧菌。耗氧菌生活在有矿物质的环境中,如水、切削液的浓缩液和机床漏出的油中,在有氧条件下,每 20~30min分裂为二。而厌氧菌生存在没有氧气的环境中,每小时分裂为二,代谢释放出SO2,有臭鸡蛋味,切削液变黑。当切削液中的细菌大于106时,切削液就会变臭。

(1) 细菌主要通过以下渠道进入到切削液中: 
1)配制过程中有细菌侵入,如配制切削液的水中有细菌。
2)空气中的细菌进入切削液。
3)工件工序间的转运造成切削液的感染。
4)操作者的不良习惯,如乱丢脏东西。
5)机床及车间的清洁度差。

(2)控制细菌生长的方法
1)使用高质量、稳定性好的切削液。
2)用纯水配制浓缩液,不但配制容易,而且可改善切削液的润滑性,且减少被切屑带走的量,并能防止细菌侵蚀。
3)使用时,要控制切削液中浓缩液的比率不能过低,否则易使细菌生长。
4)由于机床所用油中含有细菌,所以要尽可能减少机床漏出的油混入切削液。
5)切削液的pH值在8.3~9.2时,细菌难以生存,所以应及时加入新的切削液,提高pH值。
6)保持切削液的清洁,不要使切削液与污油、食物、烟草等污物接触。
7)经常使用杀菌剂。
8)保持车间和机床的清洁。
9)设备如果没有过滤装置,应定期撇除浮油,清除污物。

2、切削液的腐蚀问题

(1)产生腐蚀的原因
1)切削液中浓缩液所占的比例偏低。
2)切削液的pH值过高或过低。例如PH>9.2时,对铝有腐蚀作用。所以应根据金属材料选择合适的pH值。
3)不相似的金属材料接触。
4)用纸或木头垫放工件。
5)零部件叠放。
6)切削液中细菌的数量超标。
7)工作环境的湿度太高。

(2)防治腐蚀的方法
1)用纯水配制切削液,并且切削液的比例应按所用切削液说明书中的推荐值使用。
2)在需要的情况下,要使用防锈液。
3)控制细菌的数量,避免细菌的产生。
4)检查湿度,注意控制工作环境的湿度在合适的范围内。
5)要避免切削液受到污染。
6)要避免不相似的材料接触,如铝和钢、铸铁(含镁)和铜等。

3、产生泡沫的问题

在使用切削液时,有时切削液表面会产生大量泡沫。
(1)产生泡沫的主要原因
1)切削液的液面太低。
2)切削液的流速太快,气泡没有时间溢出,越积越多,导致大量泡沫产生。
3)水槽设计中直角太多,或切削液的喷嘴角度太直。

(2)避免产生泡沫的方法
1)在集中冷却系统中,管路分级串联,离冷却箱近的管路压力应低一些。
2)保证切削液的液面不要太低,及时检查液面高度,及时添加切削液。
3)控制切削液流速不要太快。
4)在设计水槽时,应注意水槽直角不要太多。
5)在使用切削液时应注意切削液喷嘴角度不要太直。

4、操作者皮肤过敏的问题

(1)产生操作者皮肤过敏的主要原因
1)pH值太高。
2)切削液的成分。
3)不溶的金属及机床使用的油料。
4)浓缩液使用配比过高。
5)切削液表面的保护性悬浮层,如气味封闭层、防泡沫层。杀菌剂及不干净的切削液。

(2)在工作中,为了避免操作者皮肤过敏,应该注意以下几点
1)操作者应涂保护油,穿工作服,带手套,应注意避免皮肤与切削液直接接触。
2)切削液中浓缩液比例一定要按照切削液的推荐值使用。
3)使用杀菌剂要按说明书中的剂量使用。

还有,氟、脂橡胶受切削液影响变形较小,在用作机床密封件时,可优先考虑。为了防止变形,机床密封件所用橡胶含脂量一般应大于35%。另外,为了有效防止切削液引起机床油漆脱落,可选择环氧树脂漆或聚腔酯漆。

总之,在正常生产中使用切削液,如果能注意以上问题,可以避免不必要的经济损失,有效地提高生产效率。

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