金屬切削液的作用及原理

2019-12-23發布者:科潤工業


一、潤滑作用

        在切削加工中,刀具—切屑,刀具—工件表面之間產生摩擦,切削液就是減輕這種摩擦的潤滑劑。在后刀面,由于刀具帶有后角,它與加工材料接觸部分比前刀面少,接觸壓力也低,因此后刀具的摩擦潤滑狀態接近邊界潤滑狀態,一般使用吸附性強的物質(如油性劑)和使金屬接觸部分的抗剪強度降低的物質(極壓劑)能有效地減少摩擦。      

        前刀面的狀況與后刀面不同,剪切區經變形的切屑在受到刀具進給力的推擠下被擠出,其接觸壓力大,切屑也因塑性變形而達到高溫。在供給切削液后,切屑由于受到驟冷而收縮,使前刀面上的刀具與切屑接觸長度及切屑與刀具間的金屬接觸面積減少,同時還使平均切應力降低,這樣就導致了剪切角的增大和切削力的減少,從而使工件材料的切削加工性能得到改善。

         在磨削過程中,加入磨削液后,磨削液滲入磨?!ぜ?,磨料—磨屑之間形成潤滑膜,使這些界面的摩擦減輕,防止磨粒切削刃的摩擦磨損和粘附磨屑,從而減少磨削力、摩擦熱和砂輪磨損,降低工件表面粗糙度。

        切削液的潤滑作用,一般油基切削液比水基切削液優越,含油性、極壓添加劑的切削效果更好。

        油性添加劑一般是帶有極性基(—COOH、—OH、—CO—NH2等)的長鏈有機化合物,如高級脂肪酸、高級醇、動植物油脂等。油性劑是通過極性基團吸附在金屬表面上形成一層潤滑膜,這層潤滑膜有較低的摩擦系數,可以減少刀具—工件,刀具—切屑之間的摩擦,達到減少切削阻力、延長刀具壽命、降低工件表面粗糙度的目的。油性添加劑的作用只限于切削溫度較低的狀況,當溫度超過200℃,油性劑的吸附層受到破壞而失去潤滑作用,所以一般低速、精密切削使用含有油性劑的切削液。而在高速、重切削的場合,應使用含有極壓添加劑的切削液。

        所謂極壓添加劑是一些含有硫、磷、氯元素的化合物,這些化合物在高溫下與金屬起化學反應,生成硫化鐵、磷酸鐵、氯化鐵等具有低抗剪強度的物質,從而降低了切削阻力,減少了刀具—工件,刀具—切屑的摩擦,使切削過程易于進行。含有極壓添加劑的切削液還可以抑制刀具積屑瘤的生成,改善工件表面粗糙度。
表-1.硫、氯極壓劑生成的固體潤滑膜的性質
        從表1.可見,氯化鐵的結晶呈層狀結構,所以剪切強度最低,氯化鐵與硫化鐵相比,其熔點低,在高溫下(400℃)會失去潤滑作用。硫化鐵耐高溫性能(700℃以上)最好。在重負荷切削及難加工材料的切削中一般都使用含有硫極壓劑的切削液。

        切削液添加劑有效作用的溫度范圍見圖1。極壓添加劑除了和鋼、鐵等黑色金屬起化學反應生成具有低抗剪切強度的潤滑膜外,對銅、鋁等有色金屬同樣有這個作用,不過有色金屬的切削不適宜用活性極壓添加劑以免對金屬造成腐蝕。

        切削液的潤滑性與滲透性有關,滲透性好的切削液,潤滑劑能及時滲透到切屑—刀具界面和刀具— 工件界面,在切屑、刀具、工件表面形成潤滑膜,降低摩擦因數,減少切削力。切削液直接滲透到金屬表面的微小裂紋中,改變了被加工材料的物理性質,從而降低切削阻力,使切削過程易于進行。  

 

     切削液的潤滑作用與切削液的滲透性有關,滲透性能好的切削液,潤滑劑能迅速滲入到刀刃——工件與刀具——切屑界面,在刀具、工具和切屑表面形成潤滑膜、降低摩擦系數,減少切削阻力。

 

 二、冷卻作用


 冷卻作用是依靠切(磨)削液的對流換熱和汽化把切削熱從刀具、工件和切屑中帶走,降低切削區的的溫度,減少工件變形,保持刀具硬度和尺寸。

         切削液的冷卻作用取決于它的熱參數值,特別是比熱容和熱導率。此處,液體的流動條件和熱交換系數也起重要作用。熱交換系數可以通過改變表面活性材料和汽化熱來提高。水具有較高的比熱容和大的熱導率,所以水基切削液比油基切削液的冷卻性能好。 
表-3.水油的熱參數值

        改變液體的流動條件,高流速和加大流量可以有效地提高切削液的冷卻效果,特別對冷卻效果較差的油基切削液,效果更明顯。在槍鉆、深孔鉆和高速滾齒加工中就采用大流量高壓力供油。采用噴霧冷卻,使液體易于汽化,也可明顯提高冷卻速度。對切削量大的加工,切削液的溫升較快,要求切削液的儲存槽的容積也要大些,切削液循環周期延長,避免切削液溫度過高。

        切削液的冷卻效果受切削液滲透性的影響。滲透性好的切削液,對刀刃的冷卻速度快。切削液的滲透性能與切削液的黏度和潤濕性有關。低粘度油的滲透性比高粘度油好,油基切削液的滲透性比水劑切削液好,而含有表活劑的水基切削液其滲透性能則大大提高。切削液的潤濕性與切削液的表面張力有關,當液體的表面張力大時,液體在固體的表面收縮而形成液滴,這種液體滲透性差;當液體的表面張力小時,液體在固體表面向周圍擴展,固-液-氣的接觸角很小,甚至為零,此時液體的滲透性就好,液體能迅速擴展大刀具與工件、刀具與切削面接觸的縫隙中,便可加強冷卻效果。

  三、清洗作用


         在金屬切削過程中,切屑、鐵粉、磨屑、油污等易粘附在工件表面和刀具上,影響切削效果,同時使機床和工件變臟,不易清洗。所以切削液必須具備清洗性能。

        對于油基切削液,粘度越低,清洗能力越強,特別含有煤油、柴油等輕組份的切削油,清洗、滲透性能就更好。含有表面活性劑的水基切削液,清洗效果較好。表面活性劑一方面能吸附各種粒子、油泥,并在工件表面上形成一層吸附膜,阻止粒子和油泥吸附在工件、刀具和砂輪上;另一方面能滲入到粒子和油污粘附的界面上,把粒子和油污從界面上分離,被切削液帶走。切削液的清洗作用還應表現在對切屑、磨屑、鐵粉、油污等有良好的分離和沉降作用。循環使用的切削液在回流到冷卻液槽后,能迅速使切屑、磨屑、鐵粉、微粒等沉降在底部,油污等物懸浮在液面上,這樣便可保證切削液反復使用后,仍能保持清潔、保證加工質量和延長使用壽命。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,很快就會與機床漏下的油或工件帶進的油混合變成乳化液,失去了原切削液的特性,并且變成乳化液之后,容易被微生物侵蝕,腐敗變質,影響加工效果和使用壽命。

  四、防銹作用

        在切削加工過程中,如果切削液沒有一定的防銹能力,工件在加工后或工序間 存放期間會受到空氣中的水分及腐蝕介質的侵蝕而產生化學腐蝕或電化學腐蝕,引起生銹,機床也同樣會生銹。因此切削液必須具備較好的防銹性能。油基 切削液一般都具備一定的防銹能力,如果工序間存放期不長,可以不加防銹劑 ,因為在切削油中加入石油磺酸鋇等添加劑會使切削液的抗磨性能下降。要求防銹性好的切削油,可加0.1~0.2%的T746防銹劑,因添加量少對切削液潤滑性影響不大。銅、鋁等有色金屬可加入少量的金屬減活劑就能起到很好的防腐 作用。對于水基切削液,PH值的控制對其防銹性能影響很大。對鋼、鐵等黑色金屬PH值在9~9.5的范圍防銹效果最好,而對銅、鋁等有色金屬PH值在7~8的 范圍較為合適。用水基切削液加工的工件在包裝封存前的清洗防銹工藝十分重要,一般都要經過脫水防銹清洗后再涂防銹油。如工件的水及雜質微粒沒清洗干凈,即使用最好的防銹油也會很快生銹。由于清洗防銹工藝不當造成零件制 品生銹的事故經常會發生。

  五、碎屑沉降性與過濾性 

        金屬切削液沉降金屬顆?;蛩樾嫉哪芰κ乔邢饕旱囊豁椫匾阅?,對保持切 削液優良的加工性能是必不可少的。金屬切削液從加工區攜帶碎屑到液槽或中心系統槽區,碎屑在此沉降并除去。如果金屬切削液使碎屑懸浮,碎屑就會循 環,擦傷金屬表面進而影響粗糙度。還有一種可能,就是金屬加工液使金屬粉 末沉降過快金屬粉末在機床內沉積,或在回流管道內沉積,填滿回液溝槽或管道。

         碎屑沉降性的測定,一般是將一定重量的金屬粉末加入到測量泡沫并裝一 半切削液的搖瓶中,搖動瓶子,然后記錄金屬粉末從金屬切削液中分離出來的時間。同時也要觀察碎屑是沉降還是漂浮到液體上面。

        過濾實驗是通過選擇的過濾介質,真空過濾液體/金屬碎屑的混合物,通過過濾介質的時間,流動是連續的還是因過濾器堵塞而停滯的,可以用來評價金屬加工液產品。金屬加工液除了上述基本功能外,還必須具備以下性能:抗腐蝕、抑制腐敗、水質適應性、油漆適應性、穩定性、消泡性、安全無毒、低氣味無刺激性、容易后處理。




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