切削油的使用、制造与分类
一、切削油的制造与分类 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、合成切削液三大类。（一）油性切削油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。透过种种炼制过程，在一定程度内，可以改变油品的特性。但基本上，油的某些特性是难以改变的，也就是说在添加剂加入前，我们要在不同的基础油中，做一个正确的选择。如第二章所述矿物油是由多种碳氢化合物的混合，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，如图表４６所示。这种油品在高温下，黏度较稳定。高黏度指数油品因为具有下列特性，所以较佳。 不易氧化，使用寿命较长。对温度变化影响较小，在高温下（如刀具前端）薄膜强度较佳。 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）。 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（如图表４７、４８所示） 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，并非十分有效的方法。单靠矿物油润滑只能从事一般金属之轻负荷加工，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（如图表４９所示），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，氯及硫是二种较常用的元素。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」二种，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。确实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。大部分有关边际润滑和极压润滑的数据及理论都是对铁材和铁合金而言。对大部分其它易加工的金属，平常是不需要使用极压添加剂的。 （二）.水溶性切削油（又称乳化油） 一般水溶性切削油为浓缩液，使用时再依需要比例加水稀释。稀释后的水溶性切削油称之「乳化液」。水溶性切削油的组成为矿物油、乳化剂、防锈添加剂与其它添加剂。矿物油和乳化剂混合，加入水中会发生乳化作用，形成油存于水中的悬浮液，这种溶液称为「乳化液」，矿物油的选用和油性切削油相同，需要含有较少的芳香烃基。一般使用的乳化剂是脂肪酸皂混合磺化油或非离子性乳化剂，这种组成有较大的污染包容力和极佳的乳化安定性。早期以肥皂当乳化剂，但是它对金属屑和盐类的安定性极差。许多肥皂与矿物油并不相溶，因此要加入一些共溶的溶剂使二者可以互相溶解，这种有溶合二种物质特性的添加剂称为「偶合剂」。传统的偶合剂含有酚基如甲酚、二甲苯酚，但是酚基会产生异味；不当的使用，容易造成皮肤病，所以目前已改用不含酚基的偶合剂，如合成醇等。除此之外水溶性切削油还添加防锈剂、防腐剂和消泡剂。在显微镜下会发现乳化液并不是溶解液，而是油滴悬浮或分散在水中。每一个油分子表面有一层负电荷（如图表５０），可以防止油滴合并，这种功效维持了水性切削油的安定性。负电荷的形成，以肥皂水为例（如图表５１），肥皂分子是由斥水性碳氢化合物，键结一个亲水性负极，使肥皂分子外形像蝌蚪（如图表５２）。斥水性正极（尾部）深入油滴中，亲水性负极（头部）存在于油／水交界面，因为同性电荷相斥，油滴虽然在溶液中游走，但不会接触，因此形成乳化液的安定性（如图表５２）。乳化液依悬浮油滴大小来加以区分，如果油少、乳化剂多，则油滴较小；如果油多、乳化剂少，则油滴较大。乳状乳化液油滴较大约2--4u，因为反光较佳，所以呈现白色。澄清乳化液油滴较小约0.5--1.5u，因为光线较易通过，所以呈澄清状。乳化液安定性的维持是依靠油滴外层负电荷互相排斥而产生安定性，因此任何电荷中性剂的介入，都会破坏它的安定性。乳化液的最大敌人是酸和盐类，当这些具有双电荷的物质介入时，会分解为正离子和负离子，这些为数众多的离子，会破坏油滴负电荷层的平衡，使油滴合并，产生沉淀。酸碱值（PH value）是量度液体酸性和碱性的指数，纯水为中性，PH等于7；酸的PH小于７，碱的PH大于7。大部分可溶性切削油是由肥皂硫化物和非离子性乳化剂混合而成，一般为弱碱性，PH值介于8.5～10间。PH值较高时，容易使皮肤脱脂造成伤害；PH值较低时，会使乳化液失去安定性。极压水溶性切削油：在水溶性切削油中加入硫及氯的添加剂，它的成分和油性切削油类似，这种油品称为极压水溶性切削油。这种油结合冷却性和极压润滑性，可以使用于重负荷加工；在某些情况下，可以代替油性切削油。因为具有广泛的切削能力，极压水溶性切削油非常普遍地用于多种切削加工中。（三）合成切削液 这一类的切削液完全没有油的成分，如早期以苏打灰和其它无机物与水混合的肥皂泡沫水，一般也称为「化学溶液」。因为没有真正的润滑能力，一般只用于仅需要基本冷却性能的研磨加工中。最近已开发出含有水溶性合成润滑剂的新型合成冷却液，这种产品仍然属于全合成切削液型态，虽然不含矿物油，但兼具有水溶性切削油和油性切削油的优点和缺点。如果妥当的调配，在某些情形下有极高的使用价值。全合成切削液是由聚合物和其它有机物和无机物与水混合而成的。经过证实，它们具有极佳的冷却性和润滑性，尤其使用在极高速度切削加工时，效果更佳；合成切削液在高速数控工具机和表面切削速度超过每分钟200米的铁材加工上特别适用。因为是水溶性而不是乳化液，合成切削液并不像水溶性切削油一样会产生败坏现象。也因为不含有矿物油成分，所以在使用时不会产生气体，不发烟，也不会有分离现象。（四）调水浓度使用原则 水溶性切削油经加水后，成乳化液油，可兼顾冷却性和润滑性，用于一般加工最适合，使用浓度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却性和湿润性，但并不十分要求润滑性的加工上，使用浓度约1～2﹪。在高速切削加工时，全合成切削液使用浓度约2～3﹪。使用在较高负荷加工时，一般使用浓度为10﹪，这样才能提供足够量的极压添加剂供切削区使用。一般来说，使用时请依照制造厂使用说明书，因为那是经过周详的考虑和试验的结果。使用适当粘度油性切削油和适当浓度的水溶性切削油、合成切削液来加工，才是明智之举。
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