【数控刀具选用指南13】切削液的管理及其相关技术
编者按
《【数控刀具选用指南11】切削液的作用与选择》和《【数控刀具选用指南12】施加切削液的方法与注意事项》已经介绍了很多有关切削液的知识，今天我们来学习第三部分——关于切削液的管理及其相关技术。
（本篇选自《数控刀具选用指南》第一章第二节（四）切削液）
（九）切削液的管理
在购入切削液时，应做好使用计划，一般储备量不应超过3个月。切削液要按购入顺序使用。油基切削液可以存放数年，但水基切削液通常只能存放6~12个月。储存保管切削液应尽量在室内，存放在气温5~40℃处。若在室外存放，要防止阳光直射和曝晒。夏季，有些地区室外温度较高，这对切削液是有害的，易引起变质，水基切削液更要注意。此外，还必须防止雨水混入。雨水混入油基切削液中，会导致润滑性、防锈性下降；雨水混入水基切削液中，可能引起添加剂分离或凝结胶化。油基切削液的倾点通常不高于-5℃，而水基切削液在-5℃时通常也能保证其安全性。一般来说，在南方地区不会有冻结问题，但在北方地区要注意防冻。特别是乳化型切削液的原液一旦冻结，升温使其融化后也会产生分离，大多不能使用。如果切削液冻结，解冻后应进行充分搅拌，或在地上滚动容器，使其混合均匀，然后取样检查，以判断是否能继续使用。
盛装切削液的容器要清洁、密封性好。不能使用内面镀锌的铁桶，因为镀锌层可能会和切削液组分发生反应，生成锌皂。在室外直立存放时，开口方向应向上，其上必须加盖密封。横放时应保持开口部分在上方，避免被雨水浸入。
油基切削液是可燃物，一定数量以上的处理和存放受到消防法和关于危险品的法律限制。根据GB50156-1992《小型石油库及汽车加油站设计规范》及其条文说明，易燃物、可燃物根据其闭杯闪点分为甲、乙、丙三类，其中丙类是闭杯闪点高于60℃的油品。一般来说，切削油和乳化油的闭杯闪点远高于60℃，故属于丙类可燃液体。虽然防火安全性较高，但还必须严格管理。对以矿物油为主成分的乳化切削油，也要按照油基切削液进行处理。
（十）其他切削液相关技术
1. 气雾和微量润滑 微量润滑，英文为Minimal Quantity Lubrication（MQL）是一种金属加工的润滑方式，即半干式切削，指将压缩气体（空气、氮气、二氧化碳等）与极微量的润滑油混合汽化后，形成微米级的液滴，喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法（见图1-56）。
图1-56 气雾和微量润滑系统
微量润滑MQL技术融合了干式切削与传统湿式切削两者的优点：一方面，MQL将切削液的用量降低到极微量的程度，不仅显著降低切削液的使用成本，而且通过使用自然降解性高的合成酯类作为润滑剂，最大限度地降低了切削液对环境和人体的危害；另一方面，与干式切削相比，MQL由于引入了冷却润滑介质，使得切削过程的冷却润滑条件大大改善，刀具、工件和切屑之间的磨损显著减小，有助于降低切削力、切削温度和刀具的磨损。这种切削技术也称为半干式切削，在21世纪以绿色环保为主题的影响下有着很大前景。
为了尽量减小对环境和人体的影响，MQL中使用的润滑油，不能再采用那些含有大量有毒添加剂成分的传统切削液，作为MQL切削加工用切削液，其绿色润滑剂的基础油主要是植物性切削油如瑞安勃的植物油基切削油。微量润滑油需要生物降解性高而且对人体也不能造成伤害，要求润滑剂有很好的渗透性和表面附着系数，具有超级的润滑性，需要优良的极压性能。
此外，润滑油雾中油滴颗粒的大小和聚集度对加工区刀具和工件接触表面的润滑效果有影响。油滴大小的影响因素一般包括压缩空气的压力、润滑油用量和喷嘴距离。在同等气压下，随着润滑油用量和喷嘴距离的增加，油滴变大，速度减小。在润滑油用量相等时，随着气压的增大，液滴变小，速度增大。因此，颗粒较大的油滴速度低，在传输中由于自身重力更容易发生偏离，导致加工区不能充分供油，影响润滑效果。
通常油滴的粒径一般控制在2μm以下。油滴颗粒的聚集度主要依赖于润滑油的用量和性质、压缩空气的用量、以及喷嘴的结构。
2. 高压冷却技术 所谓高压冷却技术（HPC）是指把切削液压力升至特定压力后，通过内部切削液通道，经过喷嘴精准地喷到所需冷却区域，从而达到快速冷却的目的（见图1-57）。
图1-57 高压冷却
高压冷却技术的最初目的是为了应对难加工材料的加工，如钛合金、铬镍铁合金以及其他耐热合金的加工。在实践中人们发现，运用高压冷却技术的刀具在加工不锈钢及合金钢时，刀具寿命、生产率以及对切屑的控制都得到很大的改善。
（1）从冷却效果来看，高压冷却技术是采用高压切削液精准而足量地直喷至刀片前刀面与切屑之间的切削区域（热影响区），从而可以最高限度地带走切削区域的热量，令冷却剂发挥出其最佳性能，达到快速冷却的目的。
（2）从切屑控制来看，采用高压冷却加工方式后，除了有效降低切削区域的切削热，还使得切屑脆性增加易于折断从而获取短小切屑，使得切屑不再缠绕在工件周围，加工过程无需再因人工去除长的缠绕屑而频繁停机。切削液压力的分布以及喷嘴的尺寸会对切屑产生很大的影响。通过调整射流参数，可获得不同的卷屑效果，并使带状屑导向所需的方向成为可能，甚至做到改善切屑的长度。同时由于在切削区域形成一个高压水楔，因此还有可能将切屑强行打断，进而降低切屑对加工效果的影响。
目前高压冷却技术应用比较成熟先进的有山特维克可乐满公司。
（3）从刀具寿命来看，采用高压冷却方式后，切削液喷口与刀片切削刃距离更近，切削液能精准直达刀片前刀面与切屑之间的切削区，实现了更佳的切屑控制和对切削刃的冷却更加有效，从而减少了刀具的磨损，延长了刀具寿命。一般情况下，加快切削速度会导致刀具寿命急剧缩短，但是采用高压冷却方式后增加进给量，刀具寿命的缩短就没有那么明显。实验证明于难加工材料的粗加工，与常规切削液供应的刀具相比其切削速度可提高20%~50%。
3. 水蒸气冷却 水蒸气作冷却润滑剂的切削方法是20世纪80年代末由前苏联波德戈尔夫首先提出，即在密闭容器中将水加热到沸点以上，使其具有一定的压力，然后通过喷嘴以一定的初速度喷射到切削区域进行冷却润滑的一种切削方式（见图1-58）。其原理是冷却润滑介质必须进入工件-刀-屑接触区才能发挥其作用，因此就要求冷却润滑介质具有较好的渗透和扩散能力，过热水蒸气颗粒直径较小、黏性阻力比传统液态切削液小，更易渗透到切削区域；水蒸气温度越高，分子热运动越剧烈，扩散能力也就越强，越有利于冷却润滑介质的渗透。另一方面，虽然过热蒸气的热容比低于液态切削液，但过热蒸气由于具有一定的压力及速度，属于强制换热方式，单位时间内进入切削区域的量大于液态切削液，可在一定程度上弥补过热蒸气热容比较低这一缺点。
图1-58 水蒸气冷却系统
4. 干切削 干切削技术是对传统生产方式一个重大创新，是一种崭新清洁制造技术。世界各国日益严厉的环保法规，有利于加速干切削技术推广与应用；各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术发展，为干切削技术创造了极为有利条件；微量润滑装置的有效应用，使准干切削在铝合金和各种难加工材料孔加工中获得了越来越多的应用。
另外，某些特殊加工应用，例如医学植入领域为髋部植入一个球形关节，切削液可能弄脏零件或产生污染，因此，切削液在特殊加工领域绝对不允许使用。
干切削加工技术是一种加工过程不用或微量使用切削液的加工技术，一种对环境污染源头进行控制，清洁环保的制造工艺。它作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关的装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，同时形成的切屑干净清洁，便于回收处理。干切削已成为目前绿色制造工艺研究的一个热点，并已经在实际加工得到了成功应用。干切削对刀具必须要有严格性能要求：
（1）具有优良热硬性耐磨性。干切削切削温度通常比湿切削时高得多，热硬性高刀具材料才能有效地承受切削过程高温，保持良好耐磨性。
（2）较低摩擦因数。降低刀具与切屑、刀具与工件表面之间摩擦系数，一定程度上可替代切削液润滑作用，抑制切削温度上升。
（3）较高的高温韧性。干切削时切削力比湿切削要大，且切削条件差，因此刀具应具有较高的高温韧性。
（4）较高的热化学稳定性。干切削高温下，刀具仍然保持较高化学稳定性，减小高温对化学反应催化作用，从而延长刀具寿命。
（5）具有合理刀具结构几何角度。合理刀具结构几何角度，不但可以降低切削力，抑制积屑瘤产生，降低切削温度，而且还有断屑、控制切屑流向功能。刀具形状保证了排屑顺畅，易于散热。
（十一）目前市场有代表性的切削液品牌及特点
由于目前切削液方面没有专门的国家标准，也没有严格的准入门槛，致使目前市场上切削液品牌繁多，良莠不齐，很多厂家为了追求价格优势，选用一些不合格的化学剂制造切削液，对操作者造成很大的伤害，对环境造成影响。目前市场上有代表性的切削液制造品牌有：
（1）长城润滑油（中国）。可生产内燃机润滑油、工业齿轮油、液压油、润滑脂、金属加工液、船用油及润滑油添加剂等20大类润滑产品的700多个品种。产品广泛应用于航空航天、汽车、机械、冶金、矿采、石油化工、电子等领域。产品质量不仅满足国家标准，还达到国际标准组织（ISO）、美国石油学会（API）、欧洲汽车制造商协会（ACEA）等特殊规格标准的要求。
（2）嘉实多工业润滑油（英国）。其产品特点为使用全合成切削液，可延长产品使用寿命，减少废液处理量并降低成本。全合成切削液不含任何矿物油。
（3） 奎克化学（美国）。其产品的主要技术为双组分技术，即油相+水相，能够根据加工的难易程度来灵活选择，适用于各种加工，只需种类很少的化学品，使采购、仓储的工作达到最优化，同时减少了废液的排放量，减少了能源的使用，从而降低了维护及废液处理的费用，为用户节约成本。
（4）福斯油品（德国）。其产品的特点是绿色切削油趋势及技术，使用无害或低害添加剂，使用可再生原料，使用可生物降解原料，降低单位工件切削液消耗，并掌握后期废液处理技术。
（5）泰伦特化学有限公司。其切削液的研究方向：一是从一般型到生物稳定型；二是无公害环保产品；三是合成油替代矿物油；四是从低温冷却向超低温冷却；五是以植物油为油基的和以合成油为油基的产品并行发展的研发和应用方向。
数控刀具选用指南
《数控刀具选用指南》由金属加工杂志社、哈尔滨理工大学编著，机械工业出版社出版，定位于指导制造企业一线技术员工如何合理选择和使用数控刀具，是目前市场上最实用的一本刀具选用工具书。
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