北京星航机电装备有限公司 杨军

1.概述

切削液作为金属切削加工中的重要辅料，具有冷却、润滑、排屑及防锈等功能，起着延长刀具使用寿命、改善零件加工质量、提高切削加工效率等作用。对于航空航天产品，实现产品高质量、高效率、低成本的过程需要关注每一个细节，切削液的选用与工件表面质量和加工精度有关，与被加工材料、加工工艺过程以及刀具材料密切相关。

随着结构件越来越多采用薄壁结构特征，越来越多采用难加工材料，给航空航天制造精度带来了挑战。切削加工中由于工件材料、刀具材料、加工性质、加工内容和工艺要求等不同，对切削液的冷却、润滑、清洗、防锈性能的要求也各有不同。要保证产品最终的高质量，需要关注产品加工过程中的每一个细节。本文就航空航天产品在切削加工中如何正确选择切削液进行了浅要探讨。旨在有助于工程技术人员当下正确使用和选择切削液。

2.切削液种类

为满足各种加工工艺和产品要求，切削加工中使用的切削液品种繁多。按化学成份和状态可分为水基和油基切削液两大类。通常用水稀释而成的切削液称为水基切削液，不用水稀释的切削液称为油基切削液。水基切削液以冷却为主，滑性能较差，常用的水基切削液有：防锈润滑剂乳化液、防锈乳化液、极压乳化液、微乳液等;油基切削液以润滑作用为主，冷却作用和清洗作用较差，常用的油基切削液有：纯矿物油、脂肪油(或油性添加剂)+矿物油、非活性极压切削油、活性极压切削油等。

3.切削液的选用

目前航空航天产品加工中常用的刀具有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷及金刚石等。各种刀具材料不同针对的加工对象材料也各不同，针对各种加工环境选用的切削液也有不同。

3.1刀具材料与切削液

碳素工具钢与合金工具钢刀具由于耐热性能差，适用于一般材料的切削，像铝合金、各种钢等。加工中一般需要切削液的冷却效果要充分，通常应采用水基乳化液。

高速钢刀具是以铬、镍、钨、钼、钒、铝等为基础的高级合金钢，其耐热性比工具钢高，容允的最高温度可达600℃。与其他耐高温的金属和陶瓷材料相比，高速钢有较高的韧性，适于各种形状复杂的工件和连续的切削加工，且高速钢具有良好的可加工性。由于高速钢刀具红硬性差，切削环境中需采用切削液。低速和中速切削时，建议采用油基切削液或乳化液。在高速切削时，由于热量大，采用水基切削液为宜;使用油基切削液会产生较多油雾，污染环境，容易造成工件烧伤，产品表面质量下降，刀具磨损增大。粗加工时采用极压水溶液或极压乳化液;精加工时采用极压乳化液或极压切削油，减小摩擦，提高表面质量和精度。

硬质合金由碳化钨(wc)、碳化钛(Tic)、碳化钽(TaC)和5%～10%钴构成，允许最高工作温度可达l 000℃，硬度大大超过高速钢，具有优良的耐磨性能，在加工钢铁材料时，可减少切屑间的粘结现象。鉴于硬质合金刀具红硬性好，在加工一般的材料时，一般不加切削液而采用干切削，但在干切削时，工件温升较高，使工件易产生热变形，影响工件加工精度，而且在没有润滑剂的条件下进行切削，由于切削阻力大，功率消耗增大，刀具的磨损也加快。硬质合金刀具价格较贵，从经济角度考虑，干切削不经济。考虑硬质合金对骤热的敏感性，选择切削液时尽可能使合金刀具受热均匀，避免崩刃。一般油基切削液的热传导性能较差，使刀具产生骤冷的危险性要比水基切削液小，所以硬质合金刀具一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液为宜。在使用切削液进行切削时，要注意均匀地冷却刀具，最好在开始切削之前预先冷却刀具。对于高速切削，要用大流量切削液喷淋切削区，以免造成刀具受热不均匀而产生崩刃，亦可减少由于温度过高产生蒸发而形成的油烟污染。

陶瓷刀具采用氧化铝、金属和碳化物在高温下烧结而成，高温耐磨性比硬质合金还要好，一般采用干切削。考虑到均匀的冷却和避免温度过高，也常使用水基切削液，但最好连续、充分的浇注，不能间断，任何可能的间断都会导致刀具的崩齿和损坏。

金刚石刀具具有极高的硬度，一般使用干切削。为避免温度过高，可以像陶瓷材料一样，选用水基切削液冷却，以获取最佳的切削环境。

3.2加工工艺与切削液

在铝合金产品制造过程中，航空航天企业大部分采用乳化液。一般工厂使用的切削液，是由切削液浓缩物加水稀释而成的工作乳化液。乳化液在铝合金产品加工中主要起冷却、润滑和冲屑等作用。乳化液的浓度、压力、流量的选择，对零部件的加工质量影响很大。车削、铣削此类开放式切削方式，排屑通畅，切削液主要起冷却和冲屑作用，对切削液浓度要求不高，一般选用浓度为3%～5%左右的切削液;钻孔、攻丝等封闭场合切削，加工环境恶劣，排屑不畅，刀具和工件相互挤压，这时切削液除对刀具冷却和润滑外，还要冲屑，这种DNT-方式对切削液的润滑性能要求较高，一般钻孔选用浓度为5%～8%的切削液;攻丝加工时，工件受刀具严重挤压，应选用含极压添加剂、浓度为8%～10%的切削液较为合适。在进行面铣削加工时，切削速度快，刀具切削量大，切屑多，及时的将切屑冲走以免刮花已加工表面，这是铣削加工面临的最大问题，应选用大流量切削液冲洗。在进行孔加工时，排屑困难，刀具、工件和切屑三者之间的摩擦会产生大量的热，这些热量又不能及时传递出去，造成刀具烧伤，严重破坏工件表面粗糙度。为解决这此问题，除了合理选用刀具的几何角度，保证分屑、断屑、排屑外，选择切削液是关键，这时应选用冷却、润滑、清洗性能较好的切削液，如极压乳化液。巴索的BlasicutBC20通用型金属切削液，适合于对清洗性要求高的铸铁、钢铝合金、合金钢的切削加工，通用性高。嘉实多Alusol B是一种专为铝和铝合金的机加工而研制出来的优质溶剂切削液，适用于汽车制造业以及一般工程上广泛使用的铝和铝合金产品的加工。

在钛合金材料的攻丝中，丝锥在半封闭空间中运动，切削条件恶劣，攻丝转矩大，极易出现被“咬死”、崩刃和折断等问题。北京航空航天大学李光军教授关于《低频扭转振动攻丝降低切削扭矩的研究》中明确指出提高切削液的润滑性和切削液的渗透性可以辅助改善攻丝切削环境，有助于降低丝锥攻丝扭矩的效果。在航空工业中，钛及钛合金经常被用作制造各种关键的结构件，此类结构件的加工对工艺、机床、刀具以及切削液提出了非常高的要求。为满足这些要求，瑞士金属切削液专家——巴索润滑公司研制出了一种被称为“革命性的”水溶性切削液——Vasco 5000。与传统产品相比，该切削液可提供更好和更快的加工效果，以及更长的刀具寿命，从而提高可靠怿和生产率。其中直接影响加工质量的关键网素之一就是对切削液的正确选择。当然，冷却液的使用还要有相应的创新技术支持，山特维克可乐满在钛合金深孔钻加工中，发明了喷吸钻，采用两根相同的管道提供冷却液和排屑，形成文丘里效应。后将HPC(高压冷却)与Capto(山特维克接口快换系统)融合，发展出完备的钛合金铣削系列HP刀具高压冷却系统解决方案。HP刀具采用固定喷嘴技术，喷出高速的平行层射流，可准确的对准刀片需要冷却的位置，所产生的射流精度和特性使得这种技术与众不同。德国福斯的RENODRILL 2190适用于高硬度材质和高难度加工工艺，如深孔钻，枪钻，拉削和攻螺纹等。

国内硬脆性材料尤其是太阳能Si片的线切割近五年来发展迅速，随着晶片向大直径、薄片方向发展，对切削液也提出了诸多的要求。首先切削液本身要具备无污染、低黏度、高带砂量、低杂质含量、对Si片的下游无不良影响等特点;其次切削液的应用具有切割后硅片无线痕、易于清洗、切割出片率高、成品合格率高的特点;再其次切削液的专一化问题，现阶段国内Si片切割用切削液品种单一，无论对于什么设备、多粗的钢线、多大粒径的砂、何种切割工艺基本就是同样的切削液，故产品针对性不强，造成切割过程的诸多问题，所以研究开发适应不同切割工艺的切削液是当下急待解决的问题;对于如Ge、GaAa等的线切割国内还大多采用油基切削液，研究适于硬脆性材料的切削液是今后研究的重点方向。

4.MQL冷却——绿色环保节约的冷却方法

随着切削技术日益广泛的应用，切削液的用量也随之大幅度增加，造成对环境的严重污染，同时也增加了产品的制造成本.为减少切削液的这些负面影响，最佳方法就是采用绿色加工技术.最小量润滑(Minimal quantity lubrication，简称MQL)技术作为一种节省成本和保护环境的加工方法正逐渐被采用和研究。MQL切削技术的实现原理是将压缩空气和微量的环保型切削液混合雾化后喷射到切削区，对切削区提供精确量(一般为2～30 ml/h)的悬浮微粒，即悬浮微粒的直径在精确公差范围内以保持最佳润湿和润滑属性，对刀具和工件进行润滑冷却，减小刀具和工件之间的摩擦，抑制温升，提高切削性能。MQL切削技术作为一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，所使用的切削液除了应具备传统切削液的冷却、润滑、清洗、防锈等功能外，还应具备无毒、不伤害操作者、不污染环境及不容易腐败变质等性能，具体体现在生物降解性、氧化安定性、储存稳定性、切削润滑性等方面。目前，北京航空航天大学袁梅教授对低温微量润滑技术进行了研究;美国怀特州立大学的S.Y.Hong和印度工学院的S.Paul对液氮冷却切削进行了理论和试验研究;日本学者横川和彦教授对低温冷风切削技术做了较为全面的实验研究;美国ThyssenKrupp金属切削集团Cross-Hüller公司将润滑系统集成在主轴中，其流量由CNC程序控制，该单元在6.5秒内可钻削10个直径8mm、中心距为20mm的孔，每小时使用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中冷却液含量大大减少，因此处理费用大幅降低。德国unicut微量切削液是可自行生物降解的微量切削液，同样目前市面上也存在很多打着可生物降解的旗号，大家一定要注意，如果选用的油不能自行降解，不仅会对操作工人的健康受到伤害。也会对生产的环境遭到破坏，无形当中就增加了成本;同时unicut也作为世界顶尖的飞机制造商空客、汽车制造商奔驰、宝马、奥迪等企业在切削方面的合作商、同样也证明了unicut在mql技术稳定性及应用方面在世界处于领先地位。德国福斯提供的PLANTO MIKRO 和 ECOCUT MIKRO 系列 – 快速生物降解高科技产品和注重职业安全的最少量润滑油产品。

5.小结

随着现代加工技术的快速发展，传统的集群、专机化生产已不适应现代加工需求，很多企业工厂的柔性生产和敏捷制造陆续成为当下被广泛采纳的现代制造技术，技术发展成熟，对设备选型、切削液管理带来新的挑战。在多任务环境下要求机床一次装夹，完成面铣、型腔铣、特征排量、钻孔、铰孔、镗孔和攻丝等复合操作，要求切削液不仅要具有良好的冷却润滑性，还要有抗极压性等。有时部分铝合金零件上镶嵌着钢铁制品，要求切削液还要具有一定的防锈功能。发动机壳体类铝合金产品加工专用切削液宜选用德国品牌系列。随着绿色制造的发展，MQL技术在少、无切削液冷却加工技术中,具有21世纪绿色制造发展所需要的绿色机械加工工艺的特点。