第三章 切削加工润滑

3．混合油 混合油(又称复合油)，是以热安定性良好的矿 物油为基础油加入动物油和植物油、脂肪酸、合 成醋油等油性剂混合而成的，同时为防止氧化变 质，还加抗氧剂。
润滑性能远比单独的矿物油好，即接近或相当 于动、植物油。能有效地提高加工精度和延长刀 具寿命。可是在切削条件恶劣、摩擦温度高的加 工中，和脂肪油类一样会降低润滑效果。
冷却作用通常是指切削液将热量从它产生的地 方迅速带走的能力。在金属切削时，靠对流、汽化 吸收传出大量的热。切削液的冷却作用大小，取决 于热导率、比热容、汽化热、汽化速度、流量及流 速 ( 流速与粘度、压力有关 ) 等。通常水的热导率、 比热容，汽化热比油大，粘度比油小所以一般水的 溶液的冷却性能最好，油类较差，乳化液介于二者 之间，接近于水。
二、金属切削过程的润滑特点
金属切削的润滑与一般部件的润滑有许多不同的 地方，这是由于切削过程的特点决定的。 1、摩擦特点
切削过程的特点是被切削金属层在切削刃的切 割和前刀面的推挤作用下进行的。切屑以很大的压 力 ( 最高可达 2000-3000Mpa) 作用在前刀面上，并以 较高速度沿前刀面流出。
1．矿物油
矿物油是从天然原油中提炼出来的，它来源丰 富，价格便宜，透明性和稳定性好。常用的矿物 油有煤油、轻柴油及 N7 、 N10 、 N15 、 N22 、 N32 等 机械油，机械油的号数是指它在 40℃时的粘度。 矿物油一般不含脂肪酸，而含有未饱和的碳氢化 合物。这些化合物也能吸附在金属表面上。但是 其吸附力没有有机酸分子吸附牢固。
由此可见，在切削过程中使用油性、极压添 加剂改善切削液的性能必须考虑其反应速度，也 就是说反应速度越快越好。而反应速度又与切削 液的渗透能力和其中添加剂的活性以及被切削金 属的化学活泼性有着密切关系。
第二节 金属切削过程的冷却润滑机理 （切削液的作用）
一、使用切削液的目的
①延长刀具寿命；②保证和提高加工尺寸精度；
在高速磨削和强力磨削时，为了提高切削液的 冲刷能力，及时冲走碎屑和磨粉，用高压冲洗法 并保特切削液的足够流量，是提高切削液清洗能 力的有效途经。此外，在某些半封闭切削加工中 ( 例如深孔加工 )，也常常采用高压注入法，增强 切削液的清洗、排屑性能。
五、防锈作用
切削液防锈作用的好坏，取决于切削液的配方 和其中防锈添加剂的性能。对于切削液防锈性能的 选择，应根据机床的精密程度、行业特点 ( 如轴承、 仪表行业 ) 、工艺条件、工件材质和其他要求综合 考虑。
因此，切削过程中三个变形区所产生的热量 除分别由切屑、工件、刀具和周围介质如空气传 出外，还应采用切削液将切削区的热量迅速带走。 切削液的冷却效果有两个方面：即通过润滑对切 削机理的影响所体现的冷却及直接冷却。 由于切削液的自身冷却能力，其直接冷却作 用不但可以降低切削温度，减少刀具磨损，延长 刀具寿命，而且还可以防止工件热膨胀，翘曲对 加工精度的影响，以及冷却已加工表面抑制热变 质层的产生。
④控制积屑瘤的形成。
一种性能优良的切削液需同时含有油性剂和极 压剂。而常用的油性剂有脂肪酸、醇类、酯类等。 极压剂是有机的氯、硫、磷等化合物，为取得较 好的效果，一般选择两种以上的添加剂复合使用， 以满足金属切削的边界润滑。
四、清洗作用
切削液清洗性能的好坏除与使用压力有关外， 还与切削液的流动性件（粘度）、流量和渗透性有 关。而渗透性和流动性的好坏又与切削液的成分有 关。所以，常常在切削液中加入一定油溶性或水溶 性表面活性剂，以增强润湿渗透性、降低表面张力、 提刀面与切屑、后刀面与工 件表面之间的摩擦，磨损及熔着、粘附的能力。在一定条件 下，使用良好的切削液，可以减少刀具前、后面的摩擦，因 而能降低功率，增加刀具寿命，并获得较好的表面质。而更 重要的是减少产生积屑瘤(即刀瘤)的机会。金属切削中的润 滑最终表现的是边界润滑。
切削液的作用机理是切削液必须浸透到切削刃 部位，其浸透途径通常由刀背部浸入，流到刀具 的两侧，进而从测面扩散，渗透到刀尖区。润滑 作用是:
①刀具前刀面常常依靠氯化物、硫化物等极 压剂形成的固体润滑膜来起作用； ②减少切屑接触长度，改善刀具前刀面的润 滑状态，使剪切角增大和切削力减小。
③在切削加工中，金属表面因受应力作用而 产生许多细微裂缝，这时切削液的极性物质能迅 速被吸附和渗入到这些微小的裂缝中，使其表面 能降低，这就是所谓“硬度降低”的作用。
2、润滑特点
在切削加工中，切屑以很高的速度沿前刀
面流出，与前刀面的接触时间极短(磨削时，接 触弧的时间约 0.04μs)，并且与刀具只接触一 次，因此要求切削液中的极压抗磨剂与金属表 面的化学反应能瞬时完成。
切屑离开刀具表面后继续进行的化学反应， 对于改善切削过程润滑实际上不起作用。这种 情况与一般部件的润滑也是不同的。
冷却性能的好坏，还与切削液泡沫性有关， 因为泡沫为空气的导热性比水差，所以多泡沫的 切削液，其冷却作用会降低，必须设法除去泡沫。 除去方法:如加甲基硅油消泡剂，降低液体的循环 使用速度，增加贮油池的容积等。其次，冷却效 果也与冷却方式有关，有些切削加工方法，如果 采用喷雾冷却、内冷却，则冷却作用更为显著。
矿物油在流体润滑状态下，有良好的润滑性 能，但不适用边界润滑。通常矿物油只作为切削 油的基础油，加入一定量的油性剂或极压剂，以 保证切削过程中边界润滑时有较低的摩擦系数和 磨损。 渗透性好的低粘度矿物油，除了用于黄铜、 易切削钢等的轻切削加工外，还可以用于轻合金 的研磨(抛光)、珩磨、和精加工。
2．脂肪油 脂肪油一般是指动、植物油，它包括猪油、牛 油、羊油、鲸鱼油、菜籽油、豆抽、棉籽油、妥 儿油、椰子油、棕榈油、蓖麻油等。动、植物油 的油性比矿物油好，而动物油的油性又比植物油 好。 这些油中都含有极性分子，能吸附在金属表面 上形成比较牢固的吸附膜，故在边界润滑条件下 能降低摩擦系数，提高切削性能，从而获得良好 的加工精度和工件表面质量。适用于低速轻切削， 如铰孔和螺纹切削以及铜、铝等有色金属的加工。
由于切削刃区域极小，热量高度集中，故有时 切屑与刀具界面温度很高，切削时可达800℃，磨 削时可达1200℃。刀具在高温下其硬度、强度大 幅度下降，使用寿命急剧缩短，有人认为刀具寿 命与切削时刀具温度的20次方成反比。
例如用高速钢刀具在特定条件下切削，当刀 具与切屑界面平均温度由650℃下降到600℃时， 刀具的寿命可以由57min增加到150min。
由 于 被 切 削 金 属 的 塑 性 变 形 区 （ 图 3-1 A 区），切屑底面与刀具前刀面接触摩擦区（图31 B 区），以及刀具后刀面与已加工表面接触摩 擦区(图3-1 C区)。
切削过程的摩擦是由内摩擦和外摩擦组成。
切削塑性金属时，第一变形区和第二变形区 是切削热的主要来源；切削脆性金属时，第三变 形区是切削热的主要来源。
因此，对于高温下的切削，冷却和润滑显得 十分重要，而一般部件润滑几乎不存在冷却问题。
一般被润滑的部件，绝大部分能量用以作功， 只有较少部分能量转化为热能。而切削过程所消 耗的能量，除创生面的表面能、加工面和切屑中 的残留应变能等占l%一 3%外， 97%的工作能量都 转化为热能。其中2/3的能消耗于塑性变形，1/3 的能消耗于刀具与切屑、刀具与工件的摩擦。
一般部件的润滑是金属表面上有一层氧化薄 膜，或者附着一层有机物，在不变的摩擦面上通 过反复移动或旋转动作完成。例如齿轮啮合时间 极短，但因其不断周而复始地循环，油性剂、极 压剂的作用可以在数个循环周期逐步完成。
切削加工过程的润滑属于边界润滑状态，其 润滑性能不但与切削液的渗透性有关，而且还与 润滑薄膜的性质有关。 切削液进入切削区主要靠渗透，切削液的表 面张力、粘度大，渗透性，润滑性能差；生成的 润滑薄膜的强度高，润滑性能好。
第三节 切削液的分类和组成
图3-3 切削液的种类
一、油基切削液
油基切削液又叫切削油，一般润滑性良好，但 冷却性能比水基切削液稍差。在用高速钢刀具切削 而且切削速度较慢的时候采用油基切削液，能延长 刀具寿命，降低工件表面粗糙度值。 但是，如果用在高速和重切削等加工过程中， 因剧烈地冒烟而恶化环境卫生，甚至有引起火灾的 危险。由于油的飞溅和散落也加剧了对环境的污染 等。以往切削油多以菜籽油、豆油、猪油等作原料， 因为这些油安定性差而且价格贵，所以现在都是以 矿物油作原料。这一类油可分为矿物油、脂肪油、 混合油和极压油。
图3-1 切削过程示意图



[A]为第一变形区，又称剪切区，在该区发生金属的剪切 变形。此区域存在切削变形的问题。 [B]为第二变形区，即是切屑和刀具前刀面发生摩擦的区 域，在此区域存在着摩擦、润滑和磨损的问题。 [C]为第三变形区，即是刀具后刀面与已加工表面发生摩 擦的区域，在这里存在着工件的尺寸精度，加工表面粗 糙度及变质层的问题。
③改善加工面，降低工件表面粗糙度值；④随时 排除碎切屑，洗净加工面;⑤迅速均匀地冷却加工 的刀具、工件和机床有关部件；⑥防止工件和机 床腐蚀或生锈；⑦提高切削加工效率；⑧降低能 耗和生产成本。 切削液的基本功能：冷却、润滑、清洗、防锈。
二、冷却作用
切削热是由切削过程中金属变形和摩擦所消耗 的功转变而来。图3-1所示的三个变形区就是产生 切削热的热源：即被加工材料的弹、塑性变形所 消耗的功转变的热和刀具前刀面与切屑底层摩擦 所产生的热以及刀具后刀面与加工表面摩擦所产 生的热。 产生这些热量除去以辐射的形式散出去的部 分外，均用于加热刀具、切屑及加工表面，使之 温度升高：加剧了刀具的磨损、缩短了刀具寿命、 在已加工表面生成热变形。
切削液的清洗作用对磨削加工非常重要。在磨 削加工中，所产生的磨屑及磨粒多呈粉尘状，极 易堵塞砂轮磨粒间的间隙而降低了砂轮的锋利程 度 ( 即降低了切削能力 ) ，并使磨削区的温变升高 而“烧坏”工件，在高速、强力磨削时更为突出。
此时若切削液的清洗性能较强，就能迅速渗透 到极微小的缝隙中，而在碎屑和砂轮的磨粒间保特 一定的液体膜，从而减小摩擦，有利于碎屑的脱除。 在磨削较硬金属而采用.乳化油时，也常出现堵塞砂 轮现象，这是因为乳化型切削液的乳化稳定性较差 的缘故。众所周知，油类对砂轮和金属表面的润湿 能力要比水更强些，这可由水和油在金属和砂轮表 面上的铺展情况（或接触角大小)得到证实。