金属切削液的选用分析与解决策略

董必辉

摘要：本文从各种常见的切削方式着手，比较全面地分析了如何在具体的切削加工环境下科学而合理地选用切削液，并提出一些解决策略，使多元化的终端切削液用户能够获得更好的加工效果或者更低的加工成本。

关键词：切削液;选用;分析;解决策略

中图分类号：F426.7                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0106-03

0  引言

在石油产品名词术语GB/T4016-83中，切削液（油）的中文说明是：在金属切削加工过程中用于润滑和冷却加工工具和加工部件的一种混合润滑剂。早在1868年英国的W.H.Northcott便确认了在车床上使用切削油的效果;1883年美国的F.W.Taylor用实验证明使用碳酸钠水溶液可以大大提高切削速度。自那时起，相继开始了切削液在车、铣、刨、磨、钻、齿轮加工和螺纹加工等各种金属切削加工领域的推广应用。经过一个多世纪的发展，如今切削液在制造业中的应用已经十分广泛。

但是，由于切削液技术涉及诸如切削加工学、油脂化学、摩擦磨损与润滑科学、表面活性剂科学以及劳动卫生与环境科学等多门学科，制造企业普遍缺乏熟悉上述各门学科的、懂得切削液的工艺技术人员，由机床操作者自行选择与应用切削液是多数企业的生产习惯。这种选择与应用的盲目性与放任自流，极易造成加工效果与加工成本等方面各种各样不应该发生的问题。因此，如何根据具体的切削加工环境科学而合理地选择与应用切削液就显得十分重要。

1  切削液分类及其种类

1.1 切削液类别

在等效采用ISO6743/7标准制定的国家标准GB/T7631.5-89中，将切削液（Cutting fluid）分为“用于首先要求润滑性的加工工艺”的金属加工润滑剂和“用于首先要求冷却性的加工工艺”的金属加工润滑剂两大类，即油基切削液（又称切削油Cutting oil）与水基切削液。

1.2 切削液种类

1.2.1 油基切削液种类

常用的油基切削液的种类有纯矿物油（或合成油）（L-MHA）、减摩切削油（L-MHB）、非活性极压切削油（L-MHC、L-MHE）、活性极压切削油（L-MHD、L-MHF）等。

①纯矿物油L-MHA：天然存在的，或者从处理其它礦物原料中得到的，主要由各种烃组成的混合物，如煤油、柴油等，常被用作各种商品油的基础油，稳定性较好，但润滑效果差。②减摩切削油L-MHB：由基础油与脂肪油（或其它油性添加剂）组成，减摩性能良好。③非活性极压切削油L-MHC：含有基础油和非活性极压添加剂（如氯化石蜡、硫化脂肪油、有机钼等）的切削油。其极压润滑性能良好，常用于各种中速、中负荷切削加工。④非活性极压切削油L-MHE：同时含有基础油、非活性极压添加剂（如氯化石蜡、硫化脂肪油、有机钼等）和油性添加剂（如脂肪油、高级脂肪酸）的切削油，其润滑性能优异。⑤活性极压切削油L-MHD：含有基础油和活性极压添加剂（主要指活性硫极压添加剂，如硫化矿物油）的切削油。其极压润滑性能良好，对积屑瘤有较强的抑制能力;但对铜、黄铜件易产生腐蚀，刀具磨损也相对较大。⑥活性极压切削油L-MHF：同时含有基础油、活性极压添加剂和油性添加剂的切削油。其润滑性能良好，适用范围广泛;但具有一定的腐蚀性。

1.2.2 水基切削液种类

常用的水基切削液的种类有乳化切削液（L-MAA、L-MAB、L-MAC、L-MAD）、微乳化切削液（L-MAE、L-MAF）、合成切削液（L-MAG、L-MAH）等。

①防锈乳化切削液L-MAA：由基础油、乳化剂、防锈剂、防腐杀菌剂、消泡剂等按一定比例配制而成。其冷却效果较好，使用安全，成本较低;但润滑与稳定性较差，使用寿命较短。②减摩乳化切削液L-MAB：在L-MAA防锈乳化切削液中加入动植物脂肪或长链脂肪酸。其润滑性能良好;但抗霉菌能力差，使用寿命短。③极压乳化切削液L-MAC：在L-MAA防锈乳化切削液原液中加入油溶性硫、磷、氯型极压添加剂。其润滑性能良好，常用于负荷与摩擦严酷的加工场合。④极压减摩乳化切削液L-MAD：在L-MAB减摩乳化切削液原液中加入油溶性硫、磷、氯型极压添加剂。其润滑性能良好，常用于负荷与摩擦严重的加工场合。⑤微乳化切削液L-MAE：调整乳化切削液配方，将其中的基础油含量减少，表面活性剂含量增加，其分散相的粒径在0.05-1μm，溶于水后形成半透明装的溶液，其稳定性较好。⑥极压微乳化切削液L-MAF：在L-MAE微乳化切削液中加入硫、磷、氯型极压添加剂和/或减摩添加剂。常用于重负荷及难切削材料的加工，但其防锈性能及耐腐蚀性能较差。⑦防锈合成切削液L-MAG：含有水溶性防锈添加剂的真溶液（如亚硝酸钠、碳酸钠水溶液之类）。其冷却、防锈、清洗性能较好，使用寿命较长;但润滑和浸润性能差。⑧极压合成切削液L-MAH：在L-MAG防锈合成切削液中加入水溶性的极压添加剂和/或减摩添加剂。其极压润滑性能好;但稳定性较差，对机床、工件特别是铜等易产生腐蚀。

2  油基切削液与水基切削液的性能比较

2.1 加工性能比较

总体而言：在加工质量（加工精度、表面完整性）方面，油基切削液较水基切削液好，这是因为油基切削液的润滑性能较好;在加工效率方面，油基切削液较水基切削液差，这是因为在高速切削、强力切削中，由于切削温度较高，油基切削液容易冒烟，甚至有着火的危险，而水基切削液不会发生类似问题;在刀具寿命方面，油基切削液较水基切削液好，这是因为油基切削液对刀具磨损较小。

2.2 理化性能比较

水基切削液只有冷却性能和清洗性能两项较好，其余各项性能都是油基切削液较好。这是因为水的比热容和热导率都远远高于油;水基切削液一般含有较多的表面活性剂，洗涤能力强，易将切屑和污物带走。但是在有氧和水（或水蒸气）同时存在的环境中，水基切削液可能会使工件表面产生电化学腐蚀。另外，水基切削液一般为多相体系，稳定性能较差，易产生相分离而腐败变质;其pH值一般为8～10，碱性大者有时会损伤机床油漆;其废液可处理性也较差等;而油基切削液在工件表面上的残留吸附层较厚而致密，防锈能力较好;其成分主要为碳氢化合物，可回收再利用的比例也较大。

2.3 环卫性能比较

内容包括对皮肤与呼吸道的刺激、烟雾与起火危险性以及对作业环境的污染等方面。一般而言，油基切削液对皮肤与呼吸道的刺激性较强，在切削温度较高时易产生烟雾，甚至有起火危险，如溅落到机床周围地面则不易清洁等;但是含表面活性剂较多的微乳化切削液、碱性过强或者亚硝酸盐含量多的水基切削液也可能引起皮肤与呼吸道疾患。

2.4 经济性比较

一般而言，油基切削液与质量好的乳化油价格接近，但是油基切削液直接使用原液，而乳化油以及其它类型水基切削液原液要用水稀释15～20倍左右后再使用，因此油基切削液的一次性购入成本高，而购入后的管理费用和废液处理费用则较水基切削液低。

3  各种切削方式下切削液的选用

3.1 车削加工

①半精车尤其是粗车时，加工余量大，切削力大，切削温度高，容易加速刀具磨损。为了提高刀具寿命，应选用以冷却作用为主，并具有一定清洗、润滑和防锈作用的水基切削液，如L-MAB减摩乳化切削液、L-MAE微乳化切削液;精车时，切削力较小，切削温度也不高，其主要矛盾是保证工件的精度和加工表面质量，宜选用润滑性能较好的油基切削液，如L-MHE、L-MHC非活性極压切削油。②单刃车削、切槽（或切断）和成形车削时，其散热和排屑空间将依次减小，切削液进入切削区域将由易变得困难，而且成形车削对加工精度和表面粗糙度的要求也较为严格。因此，选用切削液时，从单刃车削→切槽（或切断）→成形车削，切削液的润滑性能所占有的权重应该要依次增大。③从刀具材料来看，硬质合金刀具车削相对加工性较好的材料（如灰铸铁、碳钢、黄铜等）时，可以进行干切削。一般而言，湿切削的效果会更好，但必须连续充分地供给切削液，如一般加工中可选用油基切削液;重切削时，以3-5%的乳化液为宜。高速钢刀具耐高温性能远不如硬质合金，通常切削速度较低，这时宜选用以润滑作用为主的油基切削液。

3.2 铣削（锯切）加工

①粗铣、半精铣及精铣时，切削液的选用与粗车、半精车及精车的选用相仿。②高速铣削时，宜选用冷却性好并有一定润滑性能的切削液，如极压乳化液;低速铣削时，宜选用润滑性能好的切削液，如减摩切削油、极压切削油。③端铣属于多刃切削、开放式排屑，粗铣和半精铣时发热量较大，宜选用L-MAB减摩乳化切削液、L-MAE微乳化切削液;精铣时为获得较好的已加工表面质量，宜选用润滑性能好的油基切削液，如减摩切削油、L-MHE非活性极压切削油。④盘状铣刀一般是两面或三面同时切削，多属于半封闭式或全封闭式容屑，排屑不畅，摩擦较为严重，而且加工余量一般较大，对切削液的冷却、润滑和清洗性能都有较高的要求。⑤立铣属于半封闭式容屑，立铣刀螺旋角较大，容易在热冲击下发生破损;另一方面，立铣刀铣削速度较低，所以选用低黏度的减摩切削油或极压切削油的效果会较好。⑥锯切属于封闭式容屑加工方式，刀具与工件表面摩擦剧烈，同时又属于粗加工，追求加工效率，发热量大，因此对切削液的润滑、冷却性能要求较高，故多选用乳化型或微乳化型的水基切削液。但高合金钢、不锈钢、钛合金、高温合金等难加工材料仍需选用减摩切削油或L-MHD活性极压切削油等。

3.3 孔的钻、铰、锪、镗削加工

①高速钢钻头低速钻孔时，选用油基切削液的钻头寿命较长;高速钻孔时，油基切削液中，选用活性硫化油的钻头寿命长，而水基切削液中，选用极压微乳化切削液的效果较好。②无论是低速、中速还是高速钻孔，选用油基切削液的硬质合金钻头的使用寿命都优于选用水基切削液，并且黏度越低的油基切削液如活性硫化油的效果会更好。这主要是因为低黏度切削油渗透性更好、冲洗排屑能力更强的缘故。③硬质合金枪钻钻削碳钢、合金钢、不锈钢、高温合金等深孔时，选用L-MHD、L-MHF活性极压切削油的效果明显优于选用乳化切削液;而钻削灰铸铁等深孔时，选用乳化切削液的效果略优于选用活性极压切削油。这是因为，一方面铸铁的细末切屑易使切削油变黏，冷却与清洗能力变差;另一方面，铸铁本身含有的石墨能起固体润滑剂的作用，油基切削液润滑性能好的优势难以突出表现而水基切削液冷却与清洗性能好的优势能得以充分发挥的缘故。④综合铰孔扩大量、表面粗糙度、铰削扭矩等因素，铰削碳钢、合金钢、不锈钢、高温合金等孔时，宜优先选用L-MHE非活性极压切削油;粗铰或半精铰灰铸铁、铝及其合金等孔时，宜选用乳化型或微乳化型的水基切削液;而精铰灰铸铁、铝及其合金等孔时，则宜选用减摩切削油。⑤镗孔时，切削液的选用与车削相仿，但使用时应适当增加其流量和压力;锪孔时，黑色金属适合于选用润滑性能好的L-MHF活性极压切削油，有色金属则可选用减摩切削油。

3.4 拉削加工

由于拉削是低速、薄切屑、重负荷、封闭式容屑加工，切削条件差，容易产生积屑瘤和鳞刺，工件表面易被刮伤，所以对切削液的减摩性能和极压润滑性能有较高的要求。在切削液中增加硫特别是氯的成分可减低切削阻抗。具体选用如下：①从被加工材料来看，对碳钢、不锈钢及合金钢拉削时，为防止产生积屑瘤及刮伤工件表面等，以选用含有活性硫化氯化切削油的油基切削液为宜。拉削铝及其合金类工件时，可选用L-MHC非活性极压切削油，也可选用乳化型或微乳化型的水基切削液。拉削铸铁类工件时，一般选用L-MHD活性极压切削油。②当工件加工精度要求较高时，尽量选用含氯、硫成分较多的油基切削液。③卧式拉削时，不易附着切削油，因此应选用较高黏度的油基切削液。

3.5 齿轮的切削加工

①中、低速切削齿轮时，从减小刀具磨损考虑可选用油基切削液，如选用含钼系极压添加剂的切削油或氯化脂肪油;从降低已加工表面粗糙度考虑，可选用含硫系极压添加剂的油基切削液，如非活性硫化脂肪油。②高速切削齿轮时，切削温度较高，油基切削液的冷却性能不足，容易产生烟雾，应选用原液中含有较多动植物油脂或硫化脂肪油的水基切削液，亦可选用闪点高和抑制烟雾能力强的切削油。③加工低硬度（250HBS左右）齿轮时，可选用非活性极压切削油等油基切削液，如非活性氯化脂肪油;高速加工低硬度齿轮时，可选用乳化型或微乳化型的水基切削液;加工中硬度（370HBS左右）齿轮时，除可选用非活性氯化脂肪油外，也可选用非活性硫氯化脂肪油;加工高硬度（500HBS左右）齿轮时，选用非活性硫氯化脂肪油的效果较好。④从被加工材料来看，用高速钢刀具粗滚、粗插及粗铣碳钢、低合金钢时，可选用L-MAC极压乳化切削液或L-MAF极压微乳化切削液;而精滚、精插及精铣时，宜优先选用L-MHE非活性极压切削油。用高速钢刀具滚、插及铣削铸铁件时，可选用L-MHC非活性极压切削油。用高速钢刀具滚、插及铣削合金钢时，可选用L-MHE非活性极压切削油。⑤剃齿加工应选用含有活性极压添加剂的、低黏度的油基切削液，如L-MHF活性极压切削油。这是因为该类切削液在剃齿加工时可防止粘刀、顺畅分离切屑、容易冲走切屑，能够保证高的已加工表面质量。⑥齿轮加工機床如果没有严密的防漏措施、切削液容易进入润滑系统或液压系统时，应选用与润滑油或液压油相容性好的油基切削液，如L-MHA纯矿物油（或合成油）。⑦使用油基切削液加工齿轮时，要严格防止水分的混入。在切削油中加入适量低级醇类物质对抑制水分的不利影响有效。

3.6 螺纹加工

①攻螺纹时，切削力和摩擦力引起的扭矩较大，并且切削速度低，发热量不大。因此，选择攻螺纹切削液时，润滑性能是第一位的考虑因素。同时，切削液还要有较好的渗透性和附着能力，以便能够深入到刀具—工件界面真正起到润滑作用，以降低摩擦和切削扭矩，改善已加工表面粗糙度，保持螺纹牙形完好。例如：高速钢丝锥攻碳钢、合金钢类工件螺纹时宜选用L-MHF活性极压切削油;攻铸铁类工件螺纹时宜选用L-MHD活性极压切削油;攻铝及其合金和铜类工件螺纹时宜选用L-MHE非活性极压切削油。

②螺纹车削是一种成形车削，一般采用中、低速切削（长丝杆除外），积屑瘤尤其是鳞刺是影响已加工表面质量的主要问题。因此，加工各种钢类工件时，应选用对积屑瘤和鳞刺抑制能力强的含活性硫和氯系极压添加剂的油基切削液。例如：高速钢螺纹车刀车削碳钢、合金钢类工件螺纹时宜优先选用L-MHF活性极压切削油;车削铸铁类工件螺纹时宜选用L-MHD活性极压切削油;车削铝及其合金和铜类工件螺纹时宜选用L-MHC非活性极压切削油。

③用板牙套螺纹的切削状态与攻螺纹相似;用螺纹铣刀铣制螺纹的切削状态与成形铣削相仿。因此，其切削液的选用原则亦基本类似。

3.7 组合机床、加工中心、自动生产线

组合机床、加工中心、自动生产线（包括柔性制造生产线和柔性制造系统）切削加工的主要特点是刀具和加工方式的种类多，工件材料也不固定，切削液的选用应考虑以下几点：①选用通用性能较好的切削液，如非活性极压切削油或减摩切削油等油基切削液以及乳化型或微乳化型的水基切削液。②尽量选用耐腐败、使用寿命长、防锈性能好的切削液，如油基切削液。③如果选用水基切削液，其使用液的稀释浓度应比在普通机床使用时提高2-3%。④对于间歇使用的组合机床或加工中心，应选用油基切削液以有利于机床的维护和保养。⑤对于有特殊要求的加工工艺和难加工材料，可以配合使用特殊供液方法，例如：在使用乳化型或微乳化型的水基切削液的机床上铰孔、攻螺纹时，供给高浓度的同种切削液;采用喷雾供液等。

4  结语

总之，作为多元化的终端切削液用户，必须考虑其与具体的加工环境的适应性问题，即考虑与加工方式、加工要求、工件材料、机床、刀具和工艺参数等间的相互适应，“量体裁衣”而不是盲目选用或放任自流，以便获得更好的加工效果或者更低的加工成本。

参考文献：

[1]焦凤菊，等.金属切削液检测与质量控制技术及应用[J].洛阳：中国一拖集团有限公司，2017.

[2]吕俊凡，等.金属切削液再生处理剂的制备及应用[J].机械制造，2017（8）.

[3]张继雄，等.机械加工生产中金属切削液的应用与管理方法探讨[J].现代制造技术与装备，2016（6）.