切削液如何作用于金属切削过程?

2016-05-08

    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。那么,切削液如何作用于金属切削过程?
    
   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。由于往被加工件上施加的压力远远超过其弹性极限,而造成被加工件的塑性变形或称永久性变形。所以工具与被加工件之间的单位面积上的压力,比一般被润滑部件的弹性极限以内的表面压力大的多。被切削金属层经过塑性变形转变为切屑。切屑以很大的压力(最高可达2000~3000Mpa[2])作用在前刀面上,并以较高速度沿前刀面流出。
    由于被切削金属的塑性变形区,切削底面与刀具前刀面接触摩擦区以及刀具后刀面与以加工表面的摩擦区在切削过程中都要产生热量,所以切削区温度很高。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。由此可知,金属切削过程中的热主要是由于塑性变形和接触摩擦产生的。而金属塑性变形属于金属的内摩擦,所以严格地说,切削过程中的热是金属的外摩擦和内摩擦造成的。其内摩擦热比外摩擦的一般部件润滑时大的多,可以达到摄氏数百度以上的温度。
   因此,对于高温下的切削,冷却和润滑显的十分重要,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,除创伤面的表面能、加工面和切削中的残留应变能等占1%~3%,外97%的工作能量都转化为热能。其中2/3的能量消耗于塑性变形,1/3的能消耗于刀具与切屑和刀具、刀具与工件的摩擦。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摄氏度,磨削时可达1200摄氏度。刀具在高温下其硬度、强度大幅度下降,使用寿命急剧缩短,有人认为刀具寿命和切削时刀具温度的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,刀具的使用寿命可以由57min增加到150min。
  切削的内表面和已加工表面都是在切削过程中形成的。这种因切削不断暴露出来的新生表面(一般被润滑的部件无初生面可言)往往在尚未来得及在周围介质中吸附氧、水及其他极性物质时,就立即与刀具表面接触,并在高温高压下不断擦拭刀具表面,将刀具表面原有润滑作用的吸附膜逐渐擦净,而造成两相摩擦表面间的熔点粘附,故要求优良的极压剂能以足够的速度和摩擦表面反应形成极压润滑膜,迅速的覆盖瞬间出现的新生金属表面,这就要求反应相当强的化合物作极压剂。通常在切削液中加入可溶性氯、硫、磷等极压抗磨剂,这些添加剂在高温高压下与金属表面起化学反应形成固体化学膜,起到边界极压润滑作用,在很大程度上防止了切屑与刀具间的金属紧密接触,从而避免了金属熔着粘结。现已证明这种固体润滑膜的化学反应一般是在金属表面吸附的氧和水等参与下进行的,对于新生的金属表面这类反应的进行则困难的多,造成了油性极压剂在切削过程中起良好润滑作用的一个不利因素。
   对于一般的被润滑部件来说(如轴承、齿轮、轧钢等),润滑剂是随着摩擦表面运动被携带到接触区的,摩擦表面的运动方向有利于形成具有静压力的油楔。例如轴与轴承的摩擦部分在表面压力下,由于曲率效果,润滑油很容易流入摩擦部位。但切削过程的润滑则不同,切削液若要进入切削刃尖部位起润滑冷却作用,首先要经过切屑与前刀面,已加工表面与后刀面的楔形空间。
   但由于切削和工件相对于刀具的运动方向与切削液进入切削区的方向刚好相反,所以构成了防碍油楔形成和切削液不易进入切屑区的不利条件。因此,人们一方面考虑切削液的加入方式和流量,另一方面考虑切削液从两侧面浸入。其切削液浸入的困难程度也是一般部件的润滑油所不能比拟的。特别是钻孔作业,一般在高速条件下,切削液很难在切削区停留,切削液的渗透性对其性能好坏具有极大的影响。
   另外,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很短,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化学反应,对于改善切削过程润滑实际上是不起作用。这种情况与一般部件的润滑也是不同的。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,油性极压剂可以在数个循环周期逐步完成。由此可见,在切削过程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。