金屬切削液的選擇策略與使用原則

郎需進,周亞斌,金陽,蔡瑩瑩,魏朝良,汪霞,張峻凡

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心,甘肅 蘭州 730060; 2.平頂山泰克斯特高級潤滑油有限公司,河南 平頂山 467000;3.中國石油大連潤滑油分公司,遼寧 大連 116032;4.中國石油蘭州潤滑油銷售分公司,甘肅 蘭州 730000;5.中國石油蘭州潤滑油廠,甘肅 蘭州 730060)

0 引言

金屬加工是將金屬部件由原始形態(卷、板、坯)加工轉化成所需的功能形態。加工工藝包括冷軋、熱軋、切削、脫模、拉絲、沖壓等。其中,金屬切削液占加工液總用量的40%～50%,是最為典型的一類加工液。金屬切削液在金屬切削加工過程中發揮潤滑、散熱、防腐防銹、清洗除屑等作用。金屬加工過程中會產生少量的金屬粉塵,這些細微顆粒會進入操作人員的呼吸系統,損害健康甚至危及生命。所以,金屬切削液必須具有吸收細微顆粒的功能,以保護操作人員身體不受傷害。另外,完成切削加工的部件需要存放一定的周期,這也需要金屬切削液對加工表面起到防腐和防護作用[1-2]。研究表明金屬切削液的投入占金屬切削加工總成本的10%～20%,因此對金屬切削液的選擇和成本要素必須給予足夠的重視。

1 金屬切削液的分類與組成

1.1 金屬切削液的分類

根據ASTM D2881《金屬加工液和相關材料的分類》標準,金屬切削液有三種基本類型:第一類是純礦物油或含礦物油型,全部由深度精制的礦物或由部分礦物油和添加劑調合而成[3];第二類是合成型,即只有水和水溶性添加劑構成或者只有合成油脂構成,不含礦物油[4];第三類是固體或半流體型,如粉末、脂膏等。三種類型金屬加工液的優缺點如表1所示。

表1 三種類型金屬加工液的優缺點

表1(續)

1.2 金屬切削液的組成

金屬切削液是金屬加工液中用量較大的一類,占比40%以上。金屬切削液是由礦物油、合成油或水組成的基礎液與各種添加劑調合而成的液體。添加劑包括防腐劑、抗菌劑、極壓抗磨劑、抗泡劑、乳化劑、分散劑、防霧劑、香味劑和染色劑等類型。對于輕負荷或中負荷的金屬切削加工工藝,加入一些改善潤滑的化合物,如油脂、脂肪酯、脂肪酸、脂肪醇、植物油、皂和其他聚合物[5]。對于重負荷的金屬切削加工工藝,則要加入一些含硫、磷、氯的化合物作為極壓抗磨劑[6]。

2 金屬切削液的使用原則

2.1 金屬切削液的選擇

金屬切削液主要用于金屬切削加工過程,因此,選擇金屬切削液時要將切削加工過程所涉及的因素全部考慮在內[7-8]。相關因素包括應用過程、水質、切削對象、工藝特點、設備類型以及客戶習慣等。金屬切削加工過程的潤滑狀態主要有邊界潤滑、流體動力潤滑和混合潤滑,這意味著金屬切削液需復配脂肪油和酯類潤滑性添加劑以及極壓抗磨劑。金屬切削液中所含的礦物油在輕負荷工況下提供的潤滑膜稱為流體動力潤滑。金屬切削液中如果只含有礦物油等油性潤滑劑,則適合于輕負荷和中負荷工況,如果含有極壓劑,則適合于重負荷工況。金屬切削加工工況分類如表2所示,適合工況的金屬切削液類型如表3所示。

表2 金屬加工工況分類

表3 適合工況的金屬切削液類型

加工工況確定后,金屬切削液的選擇還需要考慮以下因素:加工的金屬對象、加工設備使用單獨的油箱還是共用油箱,金屬切削液中除去金屬屑的方式,加工設備的密封狀態,用水質量,金屬切削液處理方式,操作者接觸切削液的時間,操作現場對特定的化學品(如硅類化合物、酚類化合物、含氯化合物、胺類化合物等)的限制,操作現場對金屬切削液有無監測和控制,操作現場有無切削液的循環系統,切削液是預先稀釋還是操作現場直接稀釋,操作現場有無污染源等[9]。

由于金屬切削液與操作人員密切接觸,而絕大部分金屬切削液的濃縮液都對眼睛和皮膚有不同程度的刺激性。因此,在選擇金屬切削液時除了考慮其性能外,還要考慮其使用安全性,即切削液產品的化學品安全技術說明書(MSDS),用戶需要根據MSDS制定相應的應急預案。

2.2 金屬切削液的監測

(1)金屬切削液的取樣。與其他在用潤滑油的監測相同,金屬切削液樣品的獲取對監測結果的影響十分顯著,首先要合理選擇采樣部位。根據采樣方法和監測目的,應考慮以下因素:①浸入式采樣還是排放式采樣。如果是浸入式采樣,應在液面下5 cm處采集樣品,如果是排放式采樣,應先將排放口擦洗干凈,然后放出兩倍于采樣體積的油液后再收集所需的樣品;②如果監測目的是用于故障診斷,則應在油液比較臟的一端采集樣品;③對于已經確定的加工系統,每次采樣應保持在同一位置。

(2)金屬切削液的監測。金屬切削液的監測主要有濃度、狀態和生物監測[10-12]?？蛻舾鶕枰獙⒐烫峁┑慕饘偾邢饕涸合♂尩揭欢ǖ谋壤?。為了使切削液充分發揮作用,保持濃度穩定是關鍵。濃度監測是金屬切削液監測的重要環節,檢測方法主要有折光讀數法、堿度滴定法、酸(或鹽)分解法、陽離子滴定法、耗解分析法或者單個化學組分含量分析法。用于監測折光指數的儀器分為模擬折光指數儀和數字折光指數儀,其中數字折光儀比模擬折光儀有更好的準確性和重復性。堿度滴定法、酸(或鹽)分解法、陽離子滴定法和耗解分析法主要通過測定陰離子表面活性劑含量的方法監測金屬切削液的濃度?；瘜W組分含量主要是用紅外光譜、X-射線熒光光譜、等離子體發射光譜、氣相色譜、液相色譜等進行監測。測定金屬切削液中的主要化學組分的含量,可用來監測金屬加工液的濃度及其耗解情況。這些儀器分析方法主要用于實驗室監測,設備投入高,操作復雜,對監測人員有較高的技術要求。

狀態監測主要是監測金屬切削液的性能變化和污染狀況。狀態監測要根據現場所使用的金屬切削液的類型分別確定監測內容,純油基的金屬切削液的監測內容和在用潤滑油的監測內容相同。對于純水基和乳化液型的金屬切削液,主要監測pH值、導電率、鐵片腐蝕、浮油、懸浮物和極壓抗磨性等。絕大部分金屬切削液的pH值為9,如果偏離此值,則說明金屬切削液被污染或有效組分已經開始耗解。pH值的監測簡單、快速、易行,適合于現場監測。導電率反映金屬切削液離子濃度的變化趨勢,離子濃度的變化反映金屬切削液的穩定性。鐵片腐蝕(ASTM D4627)反映了乳化液型和純水基金屬切削液對加工部件和加工工具的腐蝕程度。浮油是指油溶性的污染物進入金屬切削液中,這種污染物會破壞切削液的體系,一般采用離心法進行監測。金屬切削液中的懸浮物會對加工過程產生不良影響,一般采用過濾法進行監測。極壓抗磨性是金屬切削液很重要的性能之一,一般采用四球法進行監測。生物監測主要是對純水基和乳化型金屬切削液在使用過程中產生的微生物進行監測,因為微生物不僅會導致切削液降解變質,使其失效,還會對現場操作人員的健康安全產生不良影響[13]。

生物監測主要方法有浸漬滑動試驗法、三磷酸腺苷(ATP)法和觸酶試驗法(也稱過氧化氫酶試驗法)。其中ATP法(ASTM E2694)具有快速、準確的特點,并且能夠有效反映微生物新陳代謝的活性。

2.3 金屬切削液的維護

切削液失效和報廢的原因有很多,最常見原因有:油基和水基的基本配伍性,乳化液對微生物生長的感受性,水的揮發性和硬水離子對乳化液的破壞性等?，F場可以通過實施各種維護措施以保持切削液處于良好的狀態,定期監測并控制金屬切削液可以產生更佳的使用效果。維護的方式多種多樣,基本操作示例如下。

(1)純水基和乳化型金屬切削液的濃度可以通過加入蒸餾水(或去離子水)和母液進行調節和控制[14],因為隨著水分的蒸發會使金屬切削液的濃度增加,污染和添加劑的耗解會使切削液的濃度減小。

(2)浮油可以使用脫油器進行去除,懸浮物可以使用磁力分離器、離心分離器、過濾分離器等加以去除。

(3)當發現微生物菌群數量已經很高,加入抗菌劑對金屬切削液進行處理看似合理,但不如在微生物菌群數量較少的情況下就加入抗菌劑更加有效。大量累積以及死亡的微生物漂浮在切削液中,其釋放出的有害物質可能損壞操作人員的健康。

正確維護金屬切削液有以下好處。

(1)提升良品率。正確維護切削液可以提高金屬切削液的使用效果,保證工件加工質量,從而減少不良品的產生。

(2)延長刀具的使用壽命。正確維護切削液可以有效降低切削力,降低切削溫度,減少加工系統的熱變形,從而延長刀具的使用壽命。

(3)延長加工液的使用壽命。在生產過程中,如果金屬碎屑、灰塵、模具、黏液、切削液本身分解物、砂輪灰等雜物進入切削液中,會導致切削液變質發臭。要經常清理這些雜物,避免污染金屬切削液,影響工作環境,影響車間工人身心健康。

3 金屬切削液常見問題成因及處理

金屬切削液在使用過程中,經常會因為各種原因而出現問題,從而影響加工部件的質量、操作人員的身體健康、加工工具以及切削液自身的使用壽命。

(1)加工部件的表面光潔度問題。金屬切削液的配方不合理可導致潤滑效果不良、產生腐蝕、發生沉積;金屬切削液在使用過程中生成的細菌、真菌等微生物降低了金屬切削液的化學活性;現場稀釋金屬切削液母液的用水質量以及在使用過程中水份的揮發導致切削液的質量和濃度發生變化。預防這些問題的主要措施就是加強日常油液狀態監測工作,如果監測數據異常,就應立即采取措施,調整切削液或者更換切削液。

(2)水基金屬切削液表面油液聚集問題。水基金屬切削液表面出現油液聚集的成因是乳化液的穩定性變差,主要是由稀釋切削液油液用水的質量出現問題或微生物污染導致的。水基金屬切削液在使用過程中出現表面油液聚集時應及時更換切削液。

(3)金屬切削液的性能隨著加工設備的不同而發生變化的問題。同一種金屬切削液在不同的加工設備上其性能大相徑庭,說明金屬切削液選擇不當。應當聯系設備供應商、設備制造商和金屬切削液供應商,明確設備各自的特點和需求,從而選擇正確的金屬切削液。

(4)金屬切削液的起霧問題。金屬切削液起霧的主要原因是流體壓力過大、循環速度過快、乳化液穩定性變差、浮油污染等。糾正預防措施為適當降低循環速度、使用大口徑的噴嘴、增強乳化液的穩定性、防止浮油污染。

(5)金屬切削液的起泡問題。主要原因是切削液濃度過高、循環速度過快、油箱駐留時間太短。糾正預防措施為適當降低切削液的濃度、加大油箱體積,或者更換合成型的切削液。

(6)金屬切削液pH值變化異常的問題。導致pH值降低的主要原因是切削液的濃度偏低、微生物降解以及污染等。一旦pH值出現異常,應及時解決,如及時補加母液、添加抗菌劑并解決外界污染問題。

(7)金屬切削液的異味問題。如果切削液出現強烈的異味,其主要原因是切削液濃度太高,浮油污染和微生物污染。此時,應當適當降低切削液濃度并解決浮油污染和微生物污染問題。另外,有些金屬切削液本身由于含有硫磷型的添加劑而有異味,如果是此原因,則應要求金屬切削液的供應商改變配方體系,從而消除異味。

(8)操作人員皮膚過敏問題。操作人員長期接觸金屬切削液,如果個人防護設施不到位、金屬切削液配方體系不合理、現場微生物污染等都可能導致皮膚出現過敏或發生病變。針對操作人員的身體健康和安全問題,設備管理相關方要高度重視。首先要求供應商提供對人體無害的金屬切削液,并要求操作現場必須配備個人安全防護設施,同時做好微生物污染防治工作。

4 結論

金屬切削液作為一種體系龐大、組成復雜的潤滑油液,如果選擇或使用不當,會給金屬加工造成嚴重的后果。因此,客戶在選擇金屬切削液時,必須根據切削工藝和切削工況作出合理的選擇。在使用過程中,必須監測金屬切削液的污染狀況,尤其是微生物污染,因為它不但影響金屬加工的質量,還會影響加工人員的身體健康。