切削液技术的发展现状和未来趋势

作者：重庆大学 魏欣阳    来源：中国机械与金属

欢迎访问e展厅 展厅 5 润滑油/脂/液展厅 润滑油, 润滑剂, 润滑脂, 导电膏, 清洗剂, ... 在机械行业中，切削液被广泛应用於各种切削加工过程，例如车削、铣削、磨削、钻孔等，以使加工参数得到优化。 在切削液技术的发展过程中，我们可以看到两个特点：第一，切削液的产品数量越来越多，种类越来越齐全，功能也越来越细化。针对不同的加工方式，都有相应的切削液与之对应。第二，切削液的技术越来越完善，因此加工效率得以不断提高。 除此之外，伴随着现代制造业的高速发展和人们对环保的日益重视，切削液技术也处於改良和更新的循环中，新型切削加工技术不断涌现。 切削液技术的发展现状 面对切削液市场发展日趋成熟、切削液产品呈现多样化的态势，国际标准化组织和一些工业发达国家都制定了相关的切削液分类标准。美国材料协会制定了金属加工液及相关材料分类标准ASTM D2881—03，日本标准协会在2000年也制定了新的切削液标准JIS K2241。 我国於1989年制定了国家标准GB/T7631.5—1989《润滑剂和有关产品（L类）的分类第5部分：M组（金属加工）》，将金属加工润滑剂分为两大类，即以强调润滑性为主的加工类型和以强调冷却性为主的加工类型。值得一提的是，与美国材料协会制定的标准相同，我国的这些分类标准囊括了金属成形加工，如锻压、冲压、拉拔、轧制中所用的润滑剂，而非本文所讨论的去除加工（即切削加工）类型的润滑剂，故不再冗述。 虽然各种分类标准各有不同，但根据切削液的组成和状态，都大致按照水基和油基两大类来进行划分。 水基切削液需要用水稀释後加以使用，根据稀释後的状态可分为乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。乳化切削液的原液一般不含水，加水配制後的切削液呈乳状；合成切削液原液一般不含油，因此可以与水互溶，配制後的切削液多为透明；微乳化切削液原液中含油量（即油性添加剂含量）较小，而表面活性剂、防 剂含量较大，加水配制後呈半透明微乳状，外观介於前两者之间。 油基切削液（亦称切削油）一般直接使用，基本成分是基础油。根据不同的加工需要，加以性质不同的各种添加剂，就形成了种类不同的切削油。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。 切削液工艺技术 如上所述，切削液一般以基础油或油性添加剂为载体，通过在基础油或油性添加剂中加入多种具有不同性质和功能的添加剂并进行混合，就形成了切削油或水性切削液的原液。因此，添加剂是金属切削液工艺技术中的核心要素，优良的添加剂配方成为企业提高自身品牌市场竞争力的必要条件。 金属切削液在机械去除加工中的主要作用是冷却、润滑、清洗和防 。由於液体的对流和气化可以降低刀具和工件表面的温度，从而防止了工件表面的灼伤和形变。 与此同时，切削液清洗并带走了切削中产生的碎屑，避免其夹杂在工件和刀具之间发生二次切削，以致影响工件的表面质量。除了水溶性合成切削液，其余切削液中的油性化合物（来自基础油或油性添加剂）通过其极性基团吸附在工件表面并形成了一层油膜，会减少切削过程中的摩擦。 在含有极压添加剂的切削液中，卤素、硫、磷等元素组成的化合物与工件表面的金属在高温高压下的瞬间发生反应，形成具有抗剪切力较小的物质层，在减小摩擦力的同时，还防止了金属表面的粘合。 此外，在切削液中还需加入抗氧化剂（防止切削油在高温高压下氧化）、抗气化剂（防止切削液挥发产生雾状液体）、消泡剂（防止切削液在喷淋时产生泡沫而导致干磨现象）。 在水基切削液中，还有一些特殊的添加剂，如防 剂（防止金属 蚀）、表面活性剂（降低油层的表面张力，改变体系的介面状态）、防腐杀菌剂（防止微生物的生长导致切削液变质）、稳定剂（保护乳化状态）等。 值得注意的是，当这些添加剂被混合到切削液中形成成品後，不仅要保证这些物质之间相互不发生化学反应，还要确保切削液在工件加工中性能持续 定且不与加工金属发生不必要的、不可逆转的化学变化。 切削液在金属加工中的应用 前面提到，不同的切削液应用於不同的切削方式。因此，在切削液的实际操作中需要根据自身情况选择适宜的切削液。 首先，需要考虑的是水基切削液和油基切削液的选择。一般来说，油基切削油价格更高，综合性能更为优越。对於较为昂贵的机床或者如果要求工件获得最佳的表面质量并最大限度地延长刀具的寿命，建议采用切削油；如果以加工效率和成本作为主要参考的因素，则可选用水基切削液。 其次，要参照机床本身的特性。通常，机床制造商往往会针对他们自己的设备推荐一些品牌的切削液，这是因为他们在设计机床时就考虑了切削液的使用情况。比如一些开放式的机床就不能用油性的切削液，以免切削油大量挥发而耗散。 第三，由於刀具和工件的材质不同，其耐高温性、可切削指数、硬度等也就各自相异，此时就要分别选用不同的切削液。例如金刚石刀具硬度非常高，为达到良好的冷却效果，一般采用水基切削液；对於硬度较低的工件进行加工，如齿轮，就需要采用粘度较高的切削液，以防止表面划伤。 第四，金属切削的具体加工方式也会要求相应的切削液与之配合。在当代机械加工中，切削方式多种多样，如车削、铣削、钻孔、拉削、磨削等。就精加工和重度切削而言，操作方式无疑对切削液提出了更高的要求。 最後，加上成本核算和环境评价，消费者就可以合理地选择出适合於自身加工特点的切削液了。 切削液市场调查分析 在汽车行业不断发展壮大、机加工产品出口日益规模化等因素的刺激下，我国机械加工业的总体水平也不断得到提升。据估算，我国目前金属加工润滑剂的市场总需求约为25万吨，按照加工和用途的不同类型进行划分，各自所占的比例如表1所示，其中切削加工（即去除加工）液占到加工润滑剂总消耗量的38%。 就切削液而言，从其分类来看，目前的用户大多偏好水基产品，即可溶性切削液和乳化液，这一比例大约占到市场份额的70%；从使用切削液的行业分布来看，各行业所占的比例大致如表2所示；从切削液的品牌来看，目前占据市场份额前列的大都是来自国外的切削液品牌。 造成这一现象的主要原因是一些国外品牌历史悠久，有的甚至拥有百年以上历史。这些公司的研发实力深厚，产品质量稳定并且与世界上先进的机床商保持着良好的合作关系，拥有研发和实践的优先平台，因此长期在添加剂技术专利领域遥遥领先。 另一方面，国产品牌往往依靠较低的价格来争取市场，成本的压缩又导致产品质量得不到提高，最终难以获得市场认可。因而这样的市场策略必须在创新型技术经济发展模式的宣导和推广下得到改变。大力提高企业自身的技术创新能力，不断推进企业自主知识产权的开发，才能全面提升企业自身品牌的市场竞争力。 切削液的未来趋势 纵观21世纪的切削液市场，一些新兴切削技术和相应的产品接连面世。面对人类环保意识的提高，市场对於切削油绿色环保性能的要求越来越高。例如用生物可降解的、不含芳香烃的聚烯烃合成类物质代替矿物油作为切削油的基础油，用钨酸盐、钼酸盐代替水基切削液中的具有毒性的防 添加剂的方法逐渐得到推广。 追求加工效率和生产质量是工业永恒的主题，性能卓越、稳定，使用周期长而持久的切削液产品也逐渐受到市场青睐。虽然这类产质量高价贵，但市场用户也慢慢习惯对生产成本进行综合核算，以此去衡量切削液产品的性价比。 随着加工分类越来越细，切削液也有非标准化的发展趋势。例如针对高速磨削，有的企业研发出了高性能磨削油，从而改变了以往用切削液代替磨削油的操作方式。 除此之外，还有将液态氮作为切削液、选择适当用量的切削液以达到最佳切削效果、干切削等新技术，这 不再一一详述。就整体趋势而言，新兴切削技术将以追求高效率、高性能、低污染和低能耗为目标，引领切削液工艺技术不断向前发展。(end)

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