第四章 切削加工用油概論
切削油的製作和分類金屬與切削工具切削油如何配合工作如何處理切削油切削油的使用安全
油性切削油    水溶性切削油    合成切削液    調水濃度使用原則


一、切削油的製造與分類

在金屬加工作業中,切削油基本上可區分為油性切削油、水溶性切削油、合成切削液三大類。

(一)油性切削油

油性切削油一般多以低粘度礦物油為基質,再與其它添加劑混合製成,使用時不需要再稀釋。

礦物油有許多不同的種類,而其特性也有所不同。有些適合做切削油,有些則不適合,中東的油和委內瑞拉的油不相同,即使同一區域不同油井所生產的油也不盡相同。

透過種種煉製過程,在一定程度內,可以改變油品的特性。但基本上,油的某些特性是難以改變的,也就是說在添加劑加入前,我們要在不同的基礎油中,做一個正確的選擇。

如第二章所述礦物油是由多種碳氫化合物的混合,因為碳鏈結構的不同,而有石蠟基、環烷基及芳香烴基等幾類不同的成份類別。其中以石蠟基油比例較高,含芳香烴較少的基礎油用來製造切削油較佳。這種成份的油品,可以用特殊溶劑煉製技術得到,同時也具有高黏度指數的特性,如圖表46所示。這種油品在高溫下,黏度較穩定。

 

高黏度指數油品因為具有下列特性,所以較佳。

  • 不易氧化,使用壽命較長。對溫度變化影響較小,在高溫下(如刀具前端)薄膜強度較佳。

  • 對皮膚較無害(在高黏度指數油品煉製過程中,可將一些有致癌因子的芳香烴結構除去)。

  • 機械的橡膠部分較不易損害。

油性切削油的重要特性如下:

  1. 黏度
    黏度是油品維持本身稠度的能力,在油性切削油中扮演重要角色。低黏度油較稀薄,有較好的滲透力及濕潤力,如果選擇適當的添加劑,可使油更快速的到達切削區。並且因為稀薄,其冷卻、清洗能力均較佳。高黏度油較稠密,分子較大,有較佳的潤滑性及較大的金屬表面隔離能力,但是流動性及冷卻性不如低黏度油。
  2. 潤滑
    金屬在切削時,隨著工件材料的不同和切削速度的不同,會產生不同的熱量和壓力,潤滑作用主要是牽涉到刀具面在滑動區間的潤滑(如圖表47、48所示)

潤滑過程包含三種基本機械理論:

  1. 液動潤滑

    (物理上分離)液動潤滑是潤滑油介於刀具面和工作面之間作物理分離,並無化學反應發生。黏度較高或較稠的油具有較大的分子,因此有較佳的分離效果。在刀具滑動區間有較大負荷及壓力時,礦物油的黏度會升高,因此改進了它的潤滑性,這種特性稱為「彈性液動潤滑」。

    但是在滑動區間內,刀具與工作件在加工時所產生的壓力過高時仍會將油擠出,因此以具有物理上分離特性的純礦物油作為潤滑油使用,並非十分有效的方法。單靠礦物油潤滑只能從事一般金屬之輕負荷加工,如果要用於硬性金屬(不袗、合金鋼等)加工,則需另外加添加劑。
  2. 邊際潤滑

    在邊際潤滑中,將極性物質加入礦物油中,會在工件面和刀具面形成有化學鍵結的有機薄膜。這種薄膜會黏附在金屬表面,因此耐磨性比單純以油分子隔離工件及刀具的效果更好。

    脂類物質早已用為礦物油添加劑,用來製成可產生合適有機薄膜的潤滑油,脂類對改進切削有極顯著的效果,這有助於刀具壽命的延長。常用的脂類添加劑有油酸脂、硬脂酸脂、菜籽油和它們的衍生物,目前亦有為數眾多的合成脂類被使用。天然脂類、脂酸類和它們的衍生物能與金屬表面形成單一分子薄膜,這種碳氫鍵薄膜會形成金屬外表皮(如圖表49所示),這種膜是由金屬與脂類反應所產生,稱為「肥皂金屬」。


    脂類添加劑會產生有機膜,它可以避免金屬的直接接觸,直到溫度升高至薄膜的熔點之前都有保護效果。其溫度約在100℃∼200℃,例如在易削鋼和銅合金等原料的低負荷加工時就會達到此溫度。使用在更高壓、高溫度的加工時,則需加入極壓添加劑。
  3. 極壓潤滑

    在大多數的切削加工中,刀具前端溫度高於邊際潤滑溫度的範圍,因此需要使用能產生較高熔點薄膜的添加劑。這種添加劑為無機物,氯及硫是二種較常用的元素。

    當使用氯、硫添加劑時,添加劑與金屬表面產生化學反應,形成一層低摩擦力的金屬衍生物薄膜。它具有類似乾式潤滑的效果,可以防止金屬表面的磨損及熔合,氯膜可耐600℃,而硫膜可耐1000℃。

    氯、硫為極壓添加劑,氯以氯化礦物油型態加入。硫可以許多型態加入切削油中,一般以硫化脂最普遍。

    硫化脂如討論它與銅反應情形,可區分為「活性硫」和「非活性硫」二種,活性硫會造成銅蛂A非活性硫因為硫與脂結合物化學安定性高,所以和銅不反應。

    硫也可以用溶解方式來加入礦物油或脂肪中,在這種情形下,活性極大,此種混合物一般稱為「硫化油」。

    經過實地觀察得知,如果將硫和氯二者加入切削油中,比個別只加入一種的效果好。確實的原因並不十分了解,可能的解釋是硫可將加工溫度降低至某個程度,在那溫度下氯的效果極顯著;亦可能是混合型態的硫/氯所形成的薄膜較強,故而有較佳的潤滑性。

    切削油中的硫及氯在切削區之前,亦可能以滲透方式進入金屬結構中,因此降低了金屬強度,使切削加工易於進行。

    大部分有關邊際潤滑和極壓潤滑的數據及理論都是對鐵材和鐵合金而言。對大部分其它易加工的金屬,平常是不需要使用極壓添加劑的。
(二).水溶性切削油(又稱乳化油)

一般水溶性切削油為濃縮液,使用時再依需要比例加水稀釋。稀釋後的水溶性切削油稱之「乳化液」。水溶性切削油的組成為礦物油、乳化劑、防袉K加劑與其他添加劑。

礦物油和乳化劑混合,加入水中會發生乳化作用,形成油存於水中的懸浮液,這種溶液稱為「乳化液」,礦物油的選用和油性切削油相同,需要含有較少的芳香烴基。

一般使用的乳化劑是脂肪酸皂混合磺化油或非離子性乳化劑,這種組成有較大的污染包容力和極佳的乳化安定性。早期以肥皂當乳化劑,但是它對金屬屑和鹽類的安定性極差。

許多肥皂與礦物油並不相溶,因此要加入一些共溶的溶劑使二者可以互相溶解,這種有溶合二種物質特性的添加劑稱為「偶合劑」。傳統的偶合劑含有酚基如甲酚、二甲苯酚,但是酚基會產生異味;不當的使用,容易造成皮膚病,所以目前已改用不含酚基的偶合劑,如合成醇等。除此之外水溶性切削油還添加防袛砥B防腐劑和消泡劑。

在顯微鏡下會發現乳化液並不是溶解液,而是油滴懸浮或分散在水中。每一個油分子表面有一層負電荷(如圖表50),可以防止油滴合併,這種功效維持了水性切削油的安定性。負電荷的形成,以肥皂水為例(如圖表51),肥皂分子是由斥水性碳氫化合物,鍵結一個親水性負極,使肥皂分子外形像蝌蚪(如圖表52)。

斥水性正極(尾部)深入油滴中,親水性負極(頭部)存在於油/水交界面,因為同性電荷相斥,油滴雖然在溶液中游走,但不會接觸,因此形成乳化液的安定性(如圖表52)。

乳化液依懸浮油滴大小來加以區分,如果油少、乳化劑多,則油滴較小;如果油多、乳化劑少,則油滴較大。

乳狀乳化液油滴較大約2--4u,因為反光較佳,所以呈現白色。澄清乳化液油滴較小約0.5--1.5u,因為光線較易通過,所以呈澄清狀。

乳化液安定性的維持是依靠油滴外層負電荷互相排斥而產生安定性,因此任何電荷中性劑的介入,都會破壞它的安定性。

乳化液的最大敵人是酸和鹽類,當這些具有雙電荷的物質介入時,會分解為正離子和負離子,這些為數眾多的離子,會破壞油滴負電荷層的平衡,使油滴合併,產生沉澱。

酸鹼值(PH value)是量度液體酸性和鹼性的指數,純水為中性,PH等於7;酸的PH小於7,鹼的PH大於7。大部分可溶性切削油是由肥皂硫化物和非離子性乳化劑混合而成,一般為弱鹼性,PH值介於8.5∼10間。PH值較高時,容易使皮膚脫脂造成傷害;PH值較低時,會使乳化液失去安定性。

極壓水溶性切削油:在水溶性切削油中加入硫及氯的添加劑,它的成分和油性切削油類似,這種油品稱為極壓水溶性切削油。這種油結合冷卻性和極壓潤滑性,可以使用於重負荷加工;在某些情況下,可以代替油性切削油。因為具有廣泛的切削能力,極壓水溶性切削油非常普遍地用於多種切削加工中。

(三)合成切削液

這一類的切削液完全沒有油的成分,如早期以蘇打灰和其它無機物與水混合的肥皂泡沫水,一般也稱為「化學溶液」。因為沒有真正的潤滑能力,一般只用於僅需要基本冷卻性能的研磨加工中。

最近已開發出含有水溶性合成潤滑劑的新型合成冷卻液,這種產品仍然屬於全合成切削液型態,雖然不含礦物油,但兼具有水溶性切削油和油性切削油的優點和缺點。如果妥當的調配,在某些情形下有極高的使用價值。

全合成切削液是由聚合物和其它有機物和無機物與水混合而成的。經過證實,它們具有極佳的冷卻性和潤滑性,尤其使用在極高速度切削加工時,效果更佳;合成切削液在高速數控工具機和表面切削速度超過每分鐘200米的鐵材加工上特別適用。

因為是水溶性而不是乳化液,合成切削液並不像水溶性切削油一樣會產生敗壞現象。也因為不含有礦物油成分,所以在使用時不會產生氣體,不發煙,也不會有分離現象。

(四)調水濃度使用原則

水溶性切削油經加水後,成乳化液油,可兼顧冷卻性和潤滑性,用於一般加工最適合,使用濃度5∼10﹪,一般以5﹪使用最普遍。

澄清水溶性切削油、合成切削液,使用在研磨加工或需要良好冷卻性和濕潤性,但並不十分要求潤滑性的加工上,使用濃度約1∼2﹪。在高速切削加工時,全合成切削液使用濃度約2∼3﹪。使用在較高負荷加工時,一般使用濃度為10﹪,這樣才能提供足夠量的極壓添加劑供切削區使用。

一般來說,使用時請依照製造廠使用說明書,因為那是經過周詳的考慮和試驗的結果。

使用適當粘度油性切削油和適當濃度的水溶性切削油、合成切削液來加工,才是明智之舉。


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