金属切削液的应用现状及发展趋势

戴永红

（成都飞机工业（集团）有限责任公司 成都）

一、切削液种类及作用

1.切削液的种类

金属切削与磨削过程中常见的冷却介质有冷却气、冷却雾、冷却（油）液，其中最常用的是冷却液。由于水的比热大、黏度小、散热快、成本低、对环境影响小等，很早就被用作切削磨削的基础冷却介质，通过加入添加剂而组成各类润滑冷却液，这类冷却液称为水基切削液。水基切削液分为乳化液、半合成切削液和全合成切削液。水基切削液组成及使用特性见表1。

表1 水基切削液类别

油基切削液又称切削油，其基本成分是基础油(矿物油或合成油)，使用时无需稀释。油基切削液按照基础油和添加剂的不同，大致可分为纯矿物油、纯合成油、活性极压切削油、非活性极压切削油和减摩切削油等。其中用矿物油作基础油的切削油具有润滑性能优良防锈性能好等特点，故使用最多。

2.切削液的作用

（1）润滑作用。可减小前刀面与切屑、后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。

（2）冷却作用。切削液通过和因切削而发热的刀具、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走，从而有效降低切削温度，减少工件和刀具热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。

（3）清洗作用。在切削过程中，可除去生成的金属屑、粉、油污等，防止机床和工件、刀具沾污，使刀具保持锋利。油基切削油粘度越低，清洗能力越强，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液能在材料表面形成吸附膜，阻止粒子和油泥等粘附在工件及刀具表面，清洁效果较好。

（4）防锈作用。在金属切削过程中，工件要与环境介质及切削液成分分解或氧化变质而产生的油泥等腐蚀性介质接触，工件和机床部件都会因此而腐蚀，故要求切削液有一定的防腐蚀能力。

二、切削液应用现状及存在的问题

1.切削液的选用

针对不同的加工对象、材质、环境、加工参数等，选用适当的金属切削液，能降低切削温度60～150℃，降低表面粗糙度1～2级，减少切削阻力15～30%，成倍提高刀具和砂轮的使用寿命。但实际应用中，切削液的润滑、冷却、清洗、防锈等几个作用往往是相互制约的。油基切削液的润滑性能较好，冷却效果较差。水基切削液与油基切削液相比润滑性能相对较差，冷却效果较好。

高速切削时，由于发热量大，油基切削液的传热效果差，会使切削区的温度过高，导致切削油产生烟雾、起火等现象，还由于工件温度过高产生热变形，影响工件加工精度，故多选用水基切削液。

乳化液把油的润滑性、防锈性与水的冷却性结合起来，同时具备较好的润滑冷却性，因而多用于有大量热生成的高速低压力金属切削加工。与油基切削液相比，乳化液的优点在于它的散热性，清洗性，经济性以及有对于操作者而言的安全性。除特别难加工的材料外，乳化液几乎可以适用于所有的轻、中等负荷的切削加工及大部分重负荷加工。

化学合成切削液的优点是经济、散热快、清洗性强和极好的加工中工件可见性，易于控制加工尺寸，其稳定性和抗腐蚀能力比乳化液强。但它润滑性欠佳，易引起机床活动部件的粘着和磨损，且化学合成留下的粘稠状残留物会影响机器零件的运动，还会使零件的重叠面产生锈蚀。

油基切削液一般应用于以下加工：当刀具的耐用度对切削的经济性占有较大比重时(如刀具价格昂贵，刃磨刀具困难，装卸辅助时间长等)；机床精密度高，加工过程不允许有水混入(以免造成腐蚀)；机床的润滑系统和冷却系统容易串通以及不具备废液处理设备和条件的场合。

2.不同材质刀具的切削液选用

（1）工具钢。耐热温度200～300℃，在高温下硬度降低，因此只适用于一般材料的切削。由于这种刀具耐热性能差，要求冷却液的冷却效果要好，一般采用乳化液冷却。

（2）高速钢。以铬、镍、钨、钼、钒为基础的高级合金钢，耐热性比工具钢高，最高加工温度600℃。有较高的坚韧，适用于几何形状复杂的工件和连续的切削加工，具有良好的可加工性。进行低速和中速切削时，可采用油基切削液或乳化液冷却。在高速切削时，由于发热量大，采用水基切削液冷却。

（3）硬质合金。硬度大大超过高速钢，最高允许工作温度1000℃，具有优良的耐磨性能，加工钢铁材料时可减少切屑间的粘结现象。选用切削液时，考虑到硬质合金对骤热的敏感性，尽可能使刀具均匀受热，否则会导致崩刃。故一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液冷却，高速切削时也能减少由于温度过高产生蒸发而形成的油烟污染。

（4）金刚石。具有极高的硬度，一般应用于切削。为避免温度过高，多采用水基切削液冷却。

3.问题和防范措施

切削液在当前应用中常见的问题是液体变质。另外还有产生气泡、腐蚀材料等问题。

变质的切削液会有发臭、发黑、皂化等现象，导致变质的因素较多，主要有：①空气和水中细菌侵入。此类问题属于正常使用中自然产生的，很难避免。可通过定期彻底更换和清洗循环管路的方法解决。如不考虑生产成本，可采用纯水作为稀释剂。②工件工序流转过程的污染。污染切削液的物质主要是金属粉末和砂砾细粉，加工运转过程中经过冷却液冲刷循环流入。流入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。这类问题解决需要在完成每道工序后，都对零件进行认真清洁，用吸水性强的棉布或棉纸认真擦拭零件。零件移动搬运时，不同的材质要进行物理隔离。③机床润滑油渗入。开放型的设备导轨润滑、主轴油气润滑或机床液压管路出现渗漏等，润滑油都有可能进入到冷却液循环中，在切屑液表面形成一层飘浮油。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化液表层，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。这种问题的解决一是使用废油接受器皿，引流废油排放。另一种方式是增加除油器，及时将液体表面浮油清除。④强去污清洁用品的混入。清洁时不慎混入的强碱性化学物品与切削液产生化学反应。洁具和容器混用造成的交叉污染，现场不同设备如使用不同切削液，使用同一容器或同一洁具时造成不同成分的液体混和。⑤产生泡沫。生产加工中切削液液面太低、切削液流速太快、水箱直角太多或切削液喷嘴角度太直等都能造成起泡现象。⑥产品腐蚀问题。不同金属之间接触发生电解作用、材料本身防腐性能差、环境湿度大、长期浸泡在液体中、异类金属堆放时无隔离等都是产品腐蚀的因素。切削液质量问题也是导致零件腐蚀的原因之一。切削液浓度过低，pH值不当，都有可能会对金属材料，尤其是对铝制材料造成腐蚀。因此，水基切削液需要定期检测pH值、折光浓度及含菌量，同时加强工序间的防腐蚀措施。

三、金属切削液的发展趋势

（1）将纳米材料加入油中，或对切削加工的金属纳米化处理、微金属渗透技术处理等手段，来提高金属切削液的性能。

（2）金属切削液逐步向水基方向发展。随着润滑剂、防锈剂、抗锈剂和抗菌剂等研究的深入和排放后处理工艺技术的完善，水基切削液在越来越多的场合取代了油基切削液，尤其是化学全合成型的水基切削液。

（3）化学合成型水基切削液中不含矿物油类物质，具有使用寿命长，冷却性、清洗性、稳定性好等诸多优点，且环保指标比较容易达到要求，不存在油水分离问题，化学耗氧量较小，可以降低生物耗氧量，减少污染，从发展前景看有取代乳化液的趋势。

（4）绿色切削技术的研发。环保意识的普及提高，使得市场对于切削液绿色环保性能的要求越来越高。用生物可降解的植物油类物质替代矿物油作为切削液的基础油，用钨酸盐、钼酸盐等替代水基切削液中有毒有害添加剂已成为行业发展趋势。另外，干切削、准干式切削工艺在某些领域的应用都取得了成功。其中油气润滑技术以其高效、节能、环保、自动化程度高、运行可靠等特点已成为最为先进的润滑方法，并逐步应用于众多的工业领域。