金属切削液的作用及原理

2019-12-23发布者:科润工业


一、润滑作用

        在切削加工中,刀具—切屑,刀具—工件表面之间产生摩擦,切削液就是减轻这种摩擦的润滑剂。在后刀面,由于刀具带有后角,它与加工材料接触部分比前刀面少,接触压力也低,因此后刀具的摩擦润滑状态接近边界润滑状态,一般使用吸附性强的物质(如油性剂)和使金属接触部分的抗剪强度降低的物质(极压剂)能有效地减少摩擦。      

        前刀面的状况与后刀面不同,剪切区经变形的切屑在受到刀具进给力的推挤下被挤出,其接触压力大,切屑也因塑性变形而达到高温。在供给切削液后,切屑由于受到骤冷而收缩,使前刀面上的刀具与切屑接触长度及切屑与刀具间的金属接触面积减少,同时还使平均切应力降低,这样就导致了剪切角的增大和切削力的减少,从而使工件材料的切削加工性能得到改善。

         在磨削过程中,加入磨削液后,磨削液渗入磨粒—工件,磨料—磨屑之间形成润滑膜,使这些界面的摩擦减轻,防止磨粒切削刃的摩擦磨损和粘附磨屑,从而减少磨削力、摩擦热和砂轮磨损,降低工件表面粗糙度。

        切削液的润滑作用,一般油基切削液比水基切削液优越,含油性、极压添加剂的切削效果更好。

        油性添加剂一般是带有极性基(—COOH、—OH、—CO—NH2等)的长链有机化合物,如高级脂肪酸、高级醇、动植物油脂等。油性剂是通过极性基团吸附在金属表面上形成一层润滑膜,这层润滑膜有较低的摩擦系数,可以减少刀具—工件,刀具—切屑之间的摩擦,达到减少切削阻力、延长刀具寿命、降低工件表面粗糙度的目的。油性添加剂的作用只限于切削温度较低的状况,当温度超过200℃,油性剂的吸附层受到破坏而失去润滑作用,所以一般低速、精密切削使用含有油性剂的切削液。而在高速、重切削的场合,应使用含有极压添加剂的切削液。

        所谓极压添加剂是一些含有硫、磷、氯元素的化合物,这些化合物在高温下与金属起化学反应,生成硫化铁、磷酸铁、氯化铁等具有低抗剪强度的物质,从而降低了切削阻力,减少了刀具—工件,刀具—切屑的摩擦,使切削过程易于进行。含有极压添加剂的切削液还可以抑制刀具积屑瘤的生成,改善工件表面粗糙度。
表-1.硫、氯极压剂生成的固体润滑膜的性质
        从表1.可见,氯化铁的结晶呈层状结构,所以剪切强度最低,氯化铁与硫化铁相比,其熔点低,在高温下(400℃)会失去润滑作用。硫化铁耐高温性能(700℃以上)最好。在重负荷切削及难加工材料的切削中一般都使用含有硫极压剂的切削液。

        切削液添加剂有效作用的温度范围见图1。极压添加剂除了和钢、铁等黑色金属起化学反应生成具有低抗剪切强度的润滑膜外,对铜、铝等有色金属同样有这个作用,不过有色金属的切削不适宜用活性极压添加剂以免对金属造成腐蚀。

        切削液的润滑性与渗透性有关,渗透性好的切削液,润滑剂能及时渗透到切屑—刀具界面和刀具— 工件界面,在切屑、刀具、工件表面形成润滑膜,降低摩擦因数,减少切削力。切削液直接渗透到金属表面的微小裂纹中,改变了被加工材料的物理性质,从而降低切削阻力,使切削过程易于进行。  

 

     切削液的润滑作用与切削液的渗透性有关,渗透性能好的切削液,润滑剂能迅速渗入到刀刃——工件与刀具——切屑界面,在刀具、工具和切屑表面形成润滑膜、降低摩擦系数,减少切削阻力。

 

 二、冷却作用


 冷却作用是依靠切(磨)削液的对流换热和汽化把切削热从刀具、工件和切屑中带走,降低切削区的的温度,减少工件变形,保持刀具硬度和尺寸。

         切削液的冷却作用取决于它的热参数值,特别是比热容和热导率。此处,液体的流动条件和热交换系数也起重要作用。热交换系数可以通过改变表面活性材料和汽化热来提高。水具有较高的比热容和大的热导率,所以水基切削液比油基切削液的冷却性能好。 
表-3.水油的热参数值

        改变液体的流动条件,高流速和加大流量可以有效地提高切削液的冷却效果,特别对冷却效果较差的油基切削液,效果更明显。在枪钻、深孔钻和高速滚齿加工中就采用大流量高压力供油。采用喷雾冷却,使液体易于汽化,也可明显提高冷却速度。对切削量大的加工,切削液的温升较快,要求切削液的储存槽的容积也要大些,切削液循环周期延长,避免切削液温度过高。

        切削液的冷却效果受切削液渗透性的影响。渗透性好的切削液,对刀刃的冷却速度快。切削液的渗透性能与切削液的黏度和润湿性有关。低粘度油的渗透性比高粘度油好,油基切削液的渗透性比水剂切削液好,而含有表活剂的水基切削液其渗透性能则大大提高。切削液的润湿性与切削液的表面张力有关,当液体的表面张力大时,液体在固体的表面收缩而形成液滴,这种液体渗透性差;当液体的表面张力小时,液体在固体表面向周围扩展,固-液-气的接触角很小,甚至为零,此时液体的渗透性就好,液体能迅速扩展大刀具与工件、刀具与切削面接触的缝隙中,便可加强冷却效果。

  三、清洗作用


         在金属切削过程中,切屑、铁粉、磨屑、油污等易粘附在工件表面和刀具上,影响切削效果,同时使机床和工件变脏,不易清洗。所以切削液必须具备清洗性能。

        对于油基切削液,粘度越低,清洗能力越强,特别含有煤油、柴油等轻组份的切削油,清洗、渗透性能就更好。含有表面活性剂的水基切削液,清洗效果较好。表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥,并在工件表面上形成一层吸附膜,阻止粒子和油泥吸附在工件、刀具和砂轮上;另一方面能渗入到粒子和油污粘附的界面上,把粒子和油污从界面上分离,被切削液带走。切削液的清洗作用还应表现在对切屑、磨屑、铁粉、油污等有良好的分离和沉降作用。循环使用的切削液在回流到冷却液槽后,能迅速使切屑、磨屑、铁粉、微粒等沉降在底部,油污等物悬浮在液面上,这样便可保证切削液反复使用后,仍能保持清洁、保证加工质量和延长使用寿命。全合成水基切削液和半合成微乳液的排油性十分重要。合成切削液和半合成微乳液如果排油性差,很快就会与机床漏下的油或工件带进的油混合变成乳化液,失去了原切削液的特性,并且变成乳化液之后,容易被微生物侵蚀,腐败变质,影响加工效果和使用寿命。

  四、防锈作用

        在切削加工过程中,如果切削液没有一定的防锈能力,工件在加工后或工序间 存放期间会受到空气中的水分及腐蚀介质的侵蚀而产生化学腐蚀或电化学腐蚀,引起生锈,机床也同样会生锈。因此切削液必须具备较好的防锈性能。油基 切削液一般都具备一定的防锈能力,如果工序间存放期不长,可以不加防锈剂 ,因为在切削油中加入石油磺酸钡等添加剂会使切削液的抗磨性能下降。要求防锈性好的切削油,可加0.1~0.2%的T746防锈剂,因添加量少对切削液润滑性影响不大。铜、铝等有色金属可加入少量的金属减活剂就能起到很好的防腐 作用。对于水基切削液,PH值的控制对其防锈性能影响很大。对钢、铁等黑色金属PH值在9~9.5的范围防锈效果最好,而对铜、铝等有色金属PH值在7~8的 范围较为合适。用水基切削液加工的工件在包装封存前的清洗防锈工艺十分重要,一般都要经过脱水防锈清洗后再涂防锈油。如工件的水及杂质微粒没清洗干净,即使用最好的防锈油也会很快生锈。由于清洗防锈工艺不当造成零件制 品生锈的事故经常会发生。

  五、碎屑沉降性与过滤性 

        金属切削液沉降金属颗粒或碎屑的能力是切削液的一项重要性能,对保持切 削液优良的加工性能是必不可少的。金属切削液从加工区携带碎屑到液槽或中心系统槽区,碎屑在此沉降并除去。如果金属切削液使碎屑悬浮,碎屑就会循 环,擦伤金属表面进而影响粗糙度。还有一种可能,就是金属加工液使金属粉 末沉降过快金属粉末在机床内沉积,或在回流管道内沉积,填满回液沟槽或管道。

         碎屑沉降性的测定,一般是将一定重量的金属粉末加入到测量泡沫并装一 半切削液的摇瓶中,摇动瓶子,然后记录金属粉末从金属切削液中分离出来的时间。同时也要观察碎屑是沉降还是漂浮到液体上面。

        过滤实验是通过选择的过滤介质,真空过滤液体/金属碎屑的混合物,通过过滤介质的时间,流动是连续的还是因过滤器堵塞而停滞的,可以用来评价金属加工液产品。金属加工液除了上述基本功能外,还必须具备以下性能:抗腐蚀、抑制腐败、水质适应性、油漆适应性、稳定性、消泡性、安全无毒、低气味无刺激性、容易后处理。




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