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在金属加工作业中,切削油基本上可区分为油性切削油、水溶性切削油、合成切削油三大类。今天和大家说一说油性切削油的重要特征及润滑过程原理。
油性切削油一般多以低粘度矿物油为基质,再与其它添加剂混合制成,使用时不需要再稀释。 矿物油有许多不同的种类,而其特性也有所不同。有些适合做切削油,有些则不适合,中东的油和委内瑞拉的油不相同,即使同一区域不同油井所生产的油也不尽相同。通过种种炼制过程,在一定程度内,可以改变油品的特性。但油的某些特性是难以改变的,也就是说在添加剂加入前,选择合适的基础油。
矿物油是多种碳氢化合物的混合物,因为碳链接构的不同,而有石蜡基、环烷基及芳香烃基等几类不同的成份类别。其中以石蜡基油比例较高,含芳香烃较少的基础油用来制造切削油较佳。这种成份的油品,可以用特殊溶剂炼制技术得到,同时也具有高黏度指数的特性。这种油品在高温下,黏度较稳定。高黏度指数油品因为具有以下特性:
1.不易氧化,使用寿命较长;
2.对温度变化影响较小,在高温下(如刀具前端)薄膜强度较佳;
3.对皮肤较无害(在高黏度指数油品炼制过程中,可将一些有致癌因子的芳香烃结构除去);
4.机械的橡胶部分较不易损害。
油性切削油的重要特性如下:
1.黏度
黏度是油品维持本身稠度的能力,在油性切削油中扮演重要角色。低黏度油较稀薄,有较好的渗透力及湿润力,如果选择适当的添加剂,可使油更快速的到达切削区。并且因为稀薄,其冷却、清洗能力均较佳。高黏度油较稠密,分子较大,有较佳的润滑性及较大的金属表面隔离能力,但是流动性及冷却性不如低黏度油。
2.润滑
金属在切削时,随着工件材料的不同和切削速度的不同,会产生不同的热量和压力,润滑作用主要是牵涉到刀具面在滑动区间的润滑,润滑过程包含三种基本机械理论:
a.液动润滑
(物理上分离)液动润滑是润滑油介于刀具面和工作面之间作物理分离,并无化学反应发生。黏度较高或较稠的油具有较大的分子,因此有较佳的分离效果。在刀具滑动区间有较大负荷及压力时,矿物油的黏度会升高,因此改进了它的润滑性,这种特性称为弹性液动润滑。但是在滑动区间内,刀具与工作件在加工时所产生的压力过高时仍会将油挤出,因此以具有物理上分离特性的纯矿物油作为润滑油使用,并非是十分有效的方法。单靠矿物油润滑只能从事一般金属的轻负荷加工,如果要用于硬性金属(不锈钢、合金钢等)加工,则需另外加添加剂。
b.边际润滑
在边际润滑中,将极性物质加入矿物油中,会在工件面和刀具面形成有化学键结合的有机薄膜。这种薄膜会黏附在金属表面,因此耐磨性比单纯以油分子隔离工件及刀具的效果更好。脂类物质早已用为矿物油添加剂,用来制成可产生合适有机薄膜的润滑油,脂类对改进切削有极显著的效果,这有助于刀具寿命的延长。常用的脂类添加剂有油酸脂、硬脂酸脂、菜籽油和它们的衍生物,目前亦有为数众多的合成脂类被使用。天然脂类、脂酸类和它们的衍生物能与金属表面形成单一分子薄膜,这种碳氢键薄膜会形成金属外表皮,这种膜是由金属与脂类反应所产生,称为肥皂金属。脂类添加剂会产生有机膜,它可以避免金属的直接接触,直到温度升高至薄膜的熔点之前都有保护效果。其温度约在100℃~200℃,例如在易削钢和铜合金等原料的低负荷加工时就会达到此温度。使用在更高压、高温度的加工时,则需加入极压添加剂。
c.极压润滑
在大多数的切削加工中,刀具前端温度高于边际润滑温度的范围,因此需要使用能产生较高熔点薄膜的添加剂。这种添加剂为无机物,氯及硫是两种较常用的元素。当使用氯、硫添加剂时,添加剂与金属表面产生化学反应,形成一层低摩擦力的金属衍生物薄膜。它具有类似干式润滑的效果,可以防止金属表面的磨损及熔合,氯膜可耐600℃,而硫膜可耐1000℃。氯、硫为极压添加剂,氯以氯化矿物油型态加入。硫可以许多型态加入切削油中,一般以硫化脂最普遍。
硫化脂如讨论它与铜反应情形,可区分为活性硫和非活性硫两种,活性硫会造成铜锈,非活性硫因为硫与脂结合物化学安定性高,所以和铜不反应。硫也可以用溶解方式来加入矿物油或脂肪中,在这种情形下,活性极大,此种混合物一般称为硫化油。
经过实地观察得知,如果将硫和氯二者加入切削油中,比个别只加入一种的效果好。确切的原因并不十分了解,可能的解释是硫可将加工温度降低至某个程度,在那温度下氯的效果极显著;亦可能是混合型态的硫/氯所形成的薄膜较强,故而有较佳的润滑性。
切削油中的硫及氯在切削区之前,亦可能以渗透方式进入金属结构中,因此降低了金属强度,使切削加工易于进行。