数控机床

   　人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。人们在磨制石器、铜器和铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量 。在古罗马时代，车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油，16世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从1775年英国的约翰·威尔金森（J．wilkinson）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。到1860年经历了漫长发展后，车、铣、刨、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的应用。

　　19世纪80年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。 F·W·Taylor发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高对30%～40%的现象和机理。针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂”一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。

　　随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动植物油易变质，使用周期短。20世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和动植物油合成的复合油。1924年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于重切削、拉削、螺纹和齿轮加工。

　　刀具材料的发展推动了切削液的发展，1898年发明了高速钢，切削速度较前提高2～4倍。1927年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高2～5倍。随着切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能完全满足切削要求，这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。1915年生产出水包油型乳化液，并于1920年成为优先选用的切削 液用于重切削。1948年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在20世纪70年代由于油价冲击而使应用提高。

　　近十几年来,，由于切削技术的不断提高，先进切削机床的不断涌现，刀具和工件材料的发展，推动了切削液技术的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它必将推动切削液技术向更高领域发展。

      一、 切削液的作用

　　在切削过程中，合理地使用切削液，可以减小刀具与切屑、刀具与加工表面的摩擦，降低切削力和切削温度、减小刀具磨损、提高已加工表面质量。

　　切削液进入切削区，可改善切削条件，提高工件加工质量和切削效率。与切削液有相似功效的还有某些气体和固体，如压缩空气、二硫化铝和石墨等。切削液的主要作用如下：

　　 1、冷却作用

　　切削液能从切削区域带走大量切削热，从而降低切削温度。冷却性能取决于其导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能最好，切削油较差，

  　　
      2、润滑作用

　　切削液的润滑性是指它减小前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间摩擦的能力。切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后，在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜实现的。切削液润滑的效果主要取决于切削液的渗透能力、吸附成膜的能力和润滑膜的强度等。

　　两金属表面之间的摩擦通常有三种状态：一种为干摩擦，它只发生在绝对清洁的两种表面间；第二种是流体润滑摩擦，它由油膜把两个摩擦表面完全分隔开来；第三种是介于前两种之间的边界摩擦，即两摩擦表面没有完全被油膜分开，而在部分凸出点处直接摩擦。在金属切削过程中，刀具前刀面与切屑、后刀面与加工表面间的摩擦大多属于边界润滑摩擦。

　　
     3、洗涤作用

　　切削加工中产生细碎切屑或磨料微粉时，要求切削液具有良好的清洗性能，来清除粘附的碎屑和磨粉，减少刀具和砂轮的磨损，防止划伤工件的已加工表面和机床导轨面。切削液大量的流动，可以冲走切削区域和机床上的细碎切屑和脱落的磨粒。

　　清洗性能的好坏，主要取决于切削液的流动性、渗透性、使用压力和切削液的油性。加入剂量大的表面活性剂和少量矿物油，且采用大稀释比（水占95%~98%），可增强切削液的渗透性和流动性。

      4、防锈作用

　　
　　切削液应具有一定的防锈性，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，对工件、机床、刀具和夹具等都能起到防锈作用。

　　
     5、其他作用

　　除了以上作用外，切削液还应具备良好的稳定性，对细菌和霉菌有一定抵抗能力，不损坏涂漆零件，对人体无危害，无刺激性气味，使用过程中无烟雾或少烟雾，便于回收，低污染，经处理后可达国家规定的工业污水排放标准等。

      二、 选择切削液的流程

　  选择切削液的首要目的是满足切削加工过程的要求。需要根据具体的加工环境从切削加工工艺要求的角度去考虑问题。选择切削液时一般需要经过以下步骤（见下图）：

　　1.选择切削液的种别

　　即选择油基切削液还是水基切削液。考虑因素主要是工件材料、加工质量要求（加工精度和表面完整性）、刀具材料、机床状况、加工方法、切削用量等。

　　2.选择切削液的类型

　　要综合考虑切削液的加工性能、理化性能、环卫性能，决定选用哪类产品。这一过程主要依据决策人员对加工环境的理解和有关切削液的基础知识。当然，切削液生产企业的信誉度、供货能力、技术服务等商业因素也需要考虑。

　　3.环卫性能和理化性能检测

　　对预选出来的切削液产品进行环卫性能和理化性能检测。

　　4.评价效能

　　对环卫性能和理化性能都合格的切削液进行实际切削实验，评价其加工效能。

　　5.试用及经济性评估

　　对已经通过上述检测和试验的品种进行试用，在试用的基础上做出经济性评估。一般来说，需要经过较长时间（至少一个更液周期）的试用才能得出结论。

       三、切削液的添加剂

　  切削液在机械加工领域扮演重要角色，应用非常广泛。由于切削加工工况日益复杂，加之环保组织不断提升环保规范，给机加工企业提出了许多新的课题。

　　为改善切削液的各种性能常在其中加入添加剂。常用的添加剂有以下几种。

　　1.油性添加剂

　　它含有极性分子，能在金属表面形成牢固的吸附膜，在较低的切削速度下起到较好的润滑作用。常用的油性添加剂有动物油、植物油、脂肪酸、胶类、醇类和脂类等。

　　2.极压添加剂

　　它是含有硫、磷、氯、腆等元素的有机化合物，在高温下与金属表面起化学反应，形成耐较高温度和压力的化学吸附膜，能防止金属界面直接接触，从而减小摩擦。

　　3.表面活性剂

　　它是使矿物油和水乳化，形成稳定乳化液的添加剂。表面活性剂是一种有机化合物，由可溶于水的极性基团和可溶于油的非极性基团组成，可定向地排列并吸附在油水两相界面上，极性端向水，非极性端向油，将水和油连接起来，使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成乳化液。表面活性剂还能吸附在金属表面上，形成润滑膜，起油性添加剂的润滑作用。常用的表面活性剂有石油磺酸钠、油酸钠皂等。

  　　4.防锈添加剂

 
　　它是一种极性很强的化合物，与金属表面有很强的附着力，吸附在金属表面上形成保护膜，或与金属表面化合形成钝化膜，起到防锈作用。常用的防锈添加剂有碳酸钠、三乙醇胺、石油磺酸钡等，如下表所示。

       四、切削液用添加剂的分类

　　为了改善切削液的性能所加入的化学物质，称为添加剂。常见的有油性和极压添加剂、防锈添加剂、防霉添加剂、抗泡沫添加剂以及乳化剂等。

　  1、油性添加剂和极压添加剂

　　油性添加剂主要应用于低压低温边界润滑状态，它在金属切削过程中主要起渗透和润滑作用，降低油与金属的界面张力，使切削油很快渗透到切削区，在一定的切削温度作用下进一步形成物理吸附膜，减小前刀面与切屑、后刀面与工件之间的摩擦。

　　在极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜强度。常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物，这些化合物在高温下与金属表面起化学反应，生成化学吸附膜，它比物理吸附膜的熔点高得多，可防止极压润滑状态下金属摩擦界面直接接触，减小摩擦，保持润滑作用。常用极压添加剂如下：

　　(1)含硫的极压添加剂：在切削液中引入硫元素有两种方式，一是用元素硫直接硫化的矿物油，叫硫化切削油；二是在矿物油中加入含硫的添加剂，如硫化动植物油、硫化烯烃和硫、氯化动植物油等，制成极压切削油。硫化切削油对铜及铜合金有腐蚀作用，加工时气味大，已逐渐被极压切削油所代替。含硫的极压切削油在金属切削过程中和金属起化学反应，生成硫化铁。硫化铁没有像氯化铁那样的层状结构，比氯化铁摩擦系数大，但熔点高(硫化铁熔点1193℃，二硫化铁熔点117l℃)，硫化膜在高温下不易破坏，故切削钢件时，能在1000℃左右的高温下，仍保持其润滑性能。

  　　(2)含氯的极压添加剂：常用的含氯极压添加剂有氯化石蜡(氯含量为40％—50％)、氯化脂肪酸或酯类等。氯的化学性能活泼，在200—300℃时即能与金属表面起化学反应。氯化物的摩擦系数低于硫化物，故含氯极压添加剂具有优良的润滑性能，含氯极压添加剂的切削液约可耐600℃的高温，特别适合于切削合金钢、高强度钢、钼以及其他难切削材料。氯化石蜡等有腐蚀性，必须与油溶性防锈添加剂一起使用。有的资料[30]认为含氯添加剂的重点应放在四氯化碳这一类高挥发性的添加剂，因为它能渗入切屑、工件与刀具界面间的微裂缝中，同时又能防止冷焊磨损的发生。但因四氯化碳会挥发出有害气体，所以国内很少采用。

　　(3)含磷的极压添加剂：在切削液中，常用的含磷添加剂是有机磷酸酯或硫代磷酸锌。这类添加剂有中等的极压性能，与钢铁接触即被吸附，并起化学反应，生成磷酸铁化学润滑膜，降低摩擦、减小磨损的效果比含硫、含氯的极压添加剂更为良好。

　　为了得到效果较好的切削液，往往在一种切削液中加入上述的两种或三种添加剂，复合使用，以便切削液迅速进入高温切削区，形成牢固的化学润滑膜。

　　2、防锈添加剂

　　为了使机床、刀具、工件不受腐蚀，要在切削液中加入防锈添加剂。它是一种极性很强的化合物，与金属表面有很强的附着力，在金属表面上优先吸附形成保护膜，或与金属表面化合形成钝化膜，保护金属表面不与腐蚀介质接触，因而起到防锈作用。常用的防锈添加剂，可分为水溶性和油溶性两大类：

　　(1)水溶性防锈添加剂：水溶性防锈添加剂的品种很多，其中以亚硝酸钠在乳化液和水溶液中的应用较为广泛。亚硝酸钠基本上没有润滑性能，在碱性介质中对钢铁有防锈作用，用量一般控制在0.25％左右，浓度再高则对操作者皮肤有害。亚硝酸钠的防锈作用，对有色金属(如铜、铝及其合金等)无效，甚至起腐蚀作用。加工铜的乳化液或水溶液，宜用苯骈三氮唑为防锈添加剂，加入0.01％—0.1％即见效果。应当注意，水溶性防锈添加剂用于乳化液时，用量不宜过大，因为它们大多是电解质，用量过大会破坏乳化液，致使油水分离。

　　(2)油溶性防锈添加剂：油溶性防锈添加剂主要应用于防锈乳化液，也有用于切削油的。在使用过程中，常常将各种具有不同特点的防锈剂复合使用，以达到综合防锈的良好效果。如添加氧化石油酯及其皂类，能提高耐大气腐蚀性能；添加胺类，能提高油脂的抗氧化性，中和酸性物质，添加羊毛脂及其皂类，能提高吸附性。

　　3、防霉添加剂

　　乳化液长期使用以后，容易变质发臭，这是由于细菌繁殖的结果。只要加入万分之几的防霉添加剂，即可起到杀菌和抑制细菌繁殖的效果。但防霉添加剂会引起操作者皮肤起红斑、发痒等，所以一般不用。

　　4、抗泡沫添加剂

　　切削液中一般都加入防锈添加剂、乳化剂等表面活性剂，这些物质增加了混入空气而形成泡沫的可能性。如果泡沫过多，会降低切削液的效果。若加入百万分之几的抗泡沫添加剂(如二甲基硅油)，可以有效地防止形成泡沫。在高速强力磨削时，由于会产生比较多的泡沫，所以必须在磨削液中添加适量的抗泡沫剂，并作消泡试验。

　　5、乳化剂

　　乳化液是使矿物油和水乳化形成稳定乳化液的关键性物质。它能吸附在油水界面上形成坚固的吸附膜，使油很均匀地分散在水中，形成稳定的乳化液。

　　(1)乳化液形成的机理(表面活性剂的作用)：油水本来是互不相溶的，经过高速搅拌也能形成分散体，但静置后不久还会分离。若加入表面活性剂后，再加搅拌混合，油就会以微小的颗粒分散在水中，形成稳定的乳化液，即使静置也难分离。这是因为表面活性剂是一种有机化合物，它的分子是由极性基团和非极性基团两个部分组成助。极性基因是亲水的，叫做亲水基团，可溶于水；非极性基团是亲油的，叫做亲油基团或憎水出由，可溶于油。

　　加入油和水中的表面活性剂能定向地排列吸附在油水两相界面上，极性端朝水，非极性端朝油，把油和水连接起来，降低油—水的界面张力，使油以微小的颗粒稳定地分散在水中，形成稳定的水包油(0／W)乳化液。这时水为连续相，称为分散介质或外相；油为不连续相，称为分散相或内相。反之就是油包水(W／O)的乳化液。在金属切削加工中应用的是水包油(O／W)的乳化液。

　　表面活性剂在乳化液中，除了起乳化作用外，还能吸附在金属表面上形成润滑膜，起油性添加剂的润滑作用。
 

 　　(2)表面活性剂的种类：表面活性剂的种类和牌号很多，但按其性质和分子结构，大体可分为四类：阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型。在配制乳化液时，应用最广泛的是阴离子型和非离子型的表面活性剂。

　　阴离子型表面活性剂的特点是乳化性能好，并有一定的清洗和润滑性能，有的还有—定的防锈性能，但抗硬水能力差，易起泡沫。

　　非离子型表面活性剂在乳化液和水溶液中不产生离子，所以不怕硬水，也不受PH值(酸碱值的大小)的限制，而且分子中的亲水、亲油基可根据需要加以调节。

　　(3)乳化稳定剂：乳化液中加入稳定剂的作用有两个方面：一是使乳化油中的皂类借稳定剂的加溶作用与其他添加剂充分互溶，以改善乳化油及乳化液的稳定性；二是扩大表面活性剂的乳化范围，提高稳定性。但是，在使用乳化稳定剂低分子醇时，应特别注意，因它同时又是破乳剂，如用量过大会造成油水分层。