现代切削液特点及发展趋势

魔神

        随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新对切削液的性能提出了更高要求。尤其是近年来环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点，而切削液会对环境和人体造成污染和损害，因此切削液的使用和废液处理已受到环保法规日益严格的制约。在工业发达国家，使用切削液加工时产生的烟雾量也要受到严格限制，对某些切削液废液及带有切削液的切屑要求必须作为有毒材料加以处理，其处理成本不断提高。为了适应社会发展的要求，现代切削液技术的发展出现了一些新的特点。  
    1 高性能、长寿命、低污染切削液的开发及废液处理技术研究 
    近年来，我国进口数控机床、加工中心等先进制造设备越来越多，所需切削液若长期依赖进口，因价格昂贵，将使生产成本大幅度上升。因此，研制高性能切削液以替代进口产品已成当务之急。目前，我国水基切削液的使用范围越来越广，且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家，微乳化液已普遍使用，并正在大力研究环保型切削液。  
目前，国内外切削液研究的重点内容包括：研制高性能切削液，研究延长切削液使用寿命的供液方法以减少废液排放量；研究更有效和更经济的废液处理方法，除使其达到排放标准之外，还应尽可能减少有害污染物在环境中的积累。  
    2 切削液的适当用量 
    传统的切削液供液方法常采用浇注法，尤其对于水基切削液，通常是将一定压力、较大流量的切削液喷射覆盖到切削区，以起到润滑、冷却等作用。在加工条件发生变化时，如在更换工件材料或更换刀具类型及几何参数的情况下，通常也不会(或很少)调整切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少，与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特公司所做的试验中，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究，并对工件表面粗糙度、积屑瘤和切削力等作了分析，通过试验得出了最适当的切削液用量。美国 Thyssen制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术，使切削液液流或气雾通过刀具作用于加工区域，切削液的流量由CNC程序控制，效果十分理想。  
    3 开发传统切削液的替代品 
    在这方面研究最多的是液氮冷却。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品，资源十分丰富。以液氮作为切削液，使用后直接挥发成气体返回大气中，不会产生任何污染物，从环保角度看，是一种极有前途的切削液替代品。液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。美国怀特州立大学的S.Y.Hong和印度工学院的S.Paul分别在车削和磨削加工中对液氮冷却进行了理论和试验研究，结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，可提高切削效率和加工质量；同时液氮可显著降低磨削区温度， 减少磨削烧伤。液氮冷却的另一种利用方法是间接利用，即不将液氮直接喷射到切削区。美国林肯大学的Z.Y.Wang在多晶体CBN刀具上部的方盒内储存液氮，由进口输入，从出口流出，用这种方式车削烧结氮化硅时，刀具寿命延长了10倍，磨损降低1/4。美国标准和技术国际研究所的Evans用金刚石刀具切削不锈钢时，利用液氮冷却刀杆或夹具，减少了刀具磨损，加工表面粗糙度低于Ra0.025μm。  
    喷气冷却也是液氮的利用方式之一，直接用于切削冷却的不是氮气本身，而是被液氮冷却过的气体。日本学者研制的喷气冷却磨削系统就是利用经液氮冷却过的超低温(-50°以下)气体直接喷吹于磨削部位，砂轮为经固体润滑剂处理或添加了极少量超精植物油的CBN砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大，且残余应力的分布区域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。  
    4 干切削  
    目前，国外已有严格的法规限制某些切削液的使用，且废液处理费用极高，如德国每年废液处理约耗资10亿马克。因此，在美国、德国等工业发达国家均大力倡导采用干式切削工艺。目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题，如美国LeBlong Makino公司提出的“红月牙”铸铁加工法，采用陶瓷和CBN刀具，在高速和大进给量加工时，使热量很快聚集到刀具前端，使其呈红热状态，当工件被加热到371°时，其屈服强度减小，可获得较高的金属切除率。铝材在发动机及动力系统中应用量很大，因此铝材的干式切削也受到重视。据报道，BigThree公司的高速金刚石干式加工系统(转速1,500r/min，用于变速箱上铝质通道板的加工，加工精度达0.05mm，每小时可加工 600件，与磨削加工相比，每年可节约300多万美元。另外，对钢和镁等材料的干式切削工艺也在研究之中。   
    在某些应用场合，可利用激冷气体及旋风喷雾器来降低切削温度，如喷气冷却。有人预测，将来如采用高性能刀具材料和排屑性能极好的刀片断屑槽型，结合使用冷却气体，可实现不再使用切削液的目标。   
    5 现代切削液发展趋势  
    目前，国内外学者正在努力探索减少或消除环境污染的切削加工方法，但研究目标大多集中在不使用传统切削液的加工上。从目前的发展情况看，无论液氮冷却、喷气冷却或干切削，虽然各有特点和优势，但也有其局限性，如上述三种方法都存在切屑形成过程中润滑性差的问题，因而不得不使用一些润滑剂；另外，目前的机床主体多为铸铁材料，而工件切削后新生的金属表面具有极强的化学活性，暴露在空气中均会很快生锈。如用液氮、喷气冷却或干式切削，则后续工序中必须增加机床和工件的防锈处理，而防锈液、清洗液等同样会污染环境。由此可见，在切削加工领域，离全面取代采用传统切削液的湿式加工还相当遥远，而现代切削液的研究开发就显得更为迫切。目前研究开发的重点是：  
    大力开发对生态环境和人类健康负作用小、加工性能优越的切削液， 朝着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展；同时，努力改进供液方法，优化供液参数和加强使用管理，以延长切削液的使用寿命，减少废液排放量；此外，还应进一步研究废液的回收利用和无害化处理技术。   
    开发传统切削液的替代品，并加强实用化技术、经济性评价和适用范围等方面的研究。   
    研究干式切削方法，寻求干式切削刀具、工件和机床及其参数的最佳配合方式，大力推广干式切削应用技术。