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金属加工液在模具制造中的应用

罗百辉:金属加工液在模具制造中的应用

  文/罗百辉  深圳市模具技术学会专家委员

  编者按:金属加工液的使用是模具制造中至关重要的一环,对于提高机床性能、保证模具成品质量来说是一个关键步骤。不同的机械加工方式对金属加工液的功能需求不同。在模具企业纷纷进行产品升级、社会呼吁能源节约、绿色制造的今天,如何在金属加工液*基本的润滑、冷却、排屑、防锈等基础功能上更进一步,推动实现更加环保高效的模具制造方式,已经成了摆在众多专业润滑油厂商面前的重要课题。

  关键词:金属加工液 润滑油 切削液 模具制造 绿色制造

  一、金属加工液在模具制造领域的应用现状

  金属机械加工通常包括两种类型:金属的去除和金属的变形。前者作业是靠刃具把金属从被加工件上除掉;后者则是用模具使金属在应力下塑性变形,如轧、拉拔、冲压、挤压等。一般习惯地把金属去除作业所用的润滑剂称为切削液,而把金属变形用的润滑剂称为金属加工工艺用液体。金属加工液则是泛指上述两类加工、作业用润滑剂。

  据统计,中国金属加工油液占总润滑油量5%以上,而且从以油基为主,逐步向水基发展。由于航空铝材在模具加工业的应用推广,铝加工油品种和产量呈上升趋势。在金属切削加工中使用切削液冲洗刀具和加工件可使切削速度提高30%~40%,在国内金属加工液中,切削液一直占有较大比例,大约占50%左右。金属加工液分类常按金属加工方法分为切削液和成型液两大类,或按油品化学组成分为非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液两大类。ISO于1986年通过IS06743/7,按油基、水基将加工液分为 MH和 MA两大类,又根据每类的化学组成、应用各分为8类和9类,共17类,该标准将目前众多的金属加工液的品种均可包含进去,我国已等效采用了该标准,制定了 GB7631.5。

  近年来,金属切削液的发展和变化主要是在水溶性液体领域。由于这类液体以水为基质,其传热速度高(水的传热速度为油的2.5倍)。等量的水吸收一定热量后,比油的温升要慢得多,从而提高了冷却效果,且可减少油雾,因此水基切削液的用量增大。目前,水基切削液在整个中国切削液市场中约占60%,但是水基切削液与油相比存在着润滑性差,其次是锈蚀、胶体稳定性、化学稳定性、生物稳定性、可滤性、泡沫性等问题。这些问题对切削液在机床应用时的“油池寿命(Sum p Life)”至关重要,合理选择、应用、监控和维护,对使用水基切削液特别重要。根据我国目前市场情况,切削液的主要成分有切削油、溶解油、乳化液、合成液体、化学溶液,以切削油的润滑性*好。化学溶液是不含矿物油的水溶液,使用前用水稀释,有良好的冲洗、冷却效果,并应能防止接触区域的锈蚀,这类液体主要用于研磨加工,功能在于清洗和冷却,没有润滑性。模具加工过程中,刀具的作用是在主剪切区域把加工材料用强剪切力切除剥落。刀具的推进面和暴露的新鲜金属面之间,由于强烈的附着作用使推进面受到高的应力。因切割剥落的屑要移过刀具推进面,从而形成了第二剪切区域。在第二剪切区域产生的剪切作用使刀具受到*大摩擦力。润滑和冷却作用在此时同样重要。但属于金属去除的机械加工种类很多,又各有其独特的工况。随着模具工业技术的不断发展和进步,新材料、新工艺不断涌现,在模具加工过程中选择合适的切削液对于保证产品加工质量,提高加工效率,减少环境污染都是至关重要的。一般认为,在低速重负荷切削加工(螺纹切削、扩孔和齿面切削)时,需要充分的润滑,通常选用极压切削油剂,切削润滑剂的主要任务是缩小推进面与屑的粘结,作为边界润滑剂。在高速浅层切削加工时,冷却是首要的,一般选用水基切削液,水基切削液的主要作用是降低摩擦热,带走热量。那些切削液难以到达剪切区域的加工作业,给润滑、冷却造成很大的困难。通常对扩孔、齿轮切削(特别是滚齿)、深孔钻和镗孔、攻丝(特别是盲孔)、深套孔、车螺纹加工要精心选择适用的切削液。 

  二、金属加工液使用中的问题及其对策

  金属加工液在模具钢材切削、磨削加工过程中具有相当重要的作用。实践证明,选用合适的金属加工液,能降低切削温度60~150℃,降低表面粗糙度,1~2级,减少切削阻力15~30%,成倍地提高刀具和砂轮的使用寿命,并能把铁屑和灰末从切削区冲走,因而提高了生产效率和产品质量,故它在模具加工中应用极为广泛。

     a.冷却作用 在工件切削加工过程中,能及时而迅速的降低切削区的温度,即 降低通常因摩擦引起的温升、冷却也影响切削效率,切削质量及刀具寿命。

  b.润滑作用 能减少切削刀具与工件间摩擦。润滑液能浸润到刀具与工件及其切屑之间,减少摩擦和粘结,降低切削阻力,保证切削质量,延长刀具寿命。

  c.洗涤作用 使切屑或磨料粒子被冲洗而离开刀具和工件的加工区,以防它们相互粘结及粘附在工件、刀具和机床上妨碍

  d.防锈作用 应有一定的防锈性能,防止工件和机床生锈。如提高防锈性能,还可部分取代工序间防锈。

  上述的冷却、润滑、洗涤、防锈四个性能不是完全孤立的,它们有统一的方面,又有对立方面。如切削油的润滑、防锈性能较好,但冷却、清洗性能差;水溶液的冷却、洗涤性能较好,但润滑、和防锈性能差。因此,在选用切削液时要**权衡利弊。切削液性能要达到以下要求:热容量大,导热性好,具有较好的冷却作用。具有较高的油性或在金属表面的吸附作用。能使形成的吸附薄膜具有较高的强度,牢固的吸附在金属表面,起到良好的润滑作用。防锈性好,对金属不起腐蚀作用,不会因腐蚀而损坏机床和工件的精度及表面粗糙度。表面张力低,易于均匀扩散,有利于冷却和洗涤作用并具有较好的润滑性。使用方便,价格低廉,要求容易配置并*好适用于多种金属材料和多种加工方式(如车、磨、刨等),有一定的透明度,在提高切削速度时不冒烟。对人体无害,无毒、无异味。不会伤害皮肤及鼻腔粘膜,不刺激眼睛等。稳定性好,使用寿命长。在长期使用和贮存期间,不分层、不析出沉淀物,不发霉变质。切削废液量较大,考虑废液处理,避免造成环境污染。

  1.水质

  水基切削液需要按一定比例加水稀释,一般情况下不宜使用硬度超过400的水,因高硬度的水中所含的钙、镁离子会使阴离子表面活性剂失效,乳液分解,出现不溶于水的金属皂。即使乳化液是用非离子表面活性剂制成,大量的金属离子也可使胶束聚集,从而影响乳液的稳定性。太软的水也不宜使用。用太软的水配制的乳化液在使用过程中易产生大量泡沫。配制乳化液的水的适宜硬度应为50~200,可用去离子水和未经处理的工业水混配使用,一般禁止使用处理后的污水、含化学物质的水和二次水来配制乳化液。锅炉用的软化水也要慎用。硬水地区的用户可采用碳酸钠法把水软化后使用,要防止软水后水的pH值过高,软水剂使用过度会破坏乳化液的稳定。

  2.泡沫

  水基切削液和净切削油在使用中会发生泡沫过多的问题。泵速过大会造成液体湍流,或者油管阻力形成喷射会增大液体的泡沫。不同性质的切削液相混(如净切削油与乳化液相混)也会使泡沫增多。机床变更切削液前要洗净油槽和循环路线。此外配制乳化液时要避免激烈搅拌和空气搅拌。过度软化的水和含碱的水会增加乳化液的泡沫。流体循环泵密封不严也会增大液体的泡沫。泡沫的危害使冷却润滑液失效和油槽容积的浪费。泡沫严重的冷却液会造成机床、刀具和工件损坏。

  避免产生泡沫的方法有:在集中冷却系统中,管路分级串联,离冷却箱近的管路压力应低一些。保证切削液的液面不要太低,及时检查液面高度,及时添加切削液。控制切削液流速不要太快。在设计水槽时,应注意水槽直角不要太多。在使用切削液时应注意切削液喷嘴角度不要太直。

  3.机床的密封

  经常检查机床的轴封(特别是用乳化液作为冷却剂时),防止切削液串入机床齿轮箱、床头箱或其它密封的传动机构内。乳化液如果进入矿物油润滑系统将使机床磨损。大型模具加工车间常采用集中冷却润滑系统。这类循环系统的冷却液不停地循环使用,油池寿命十分重要。要注意确保液体循环路线的畅通,及时排除循环路线的金属屑、金属粉末、霉菌粘液、切削液本身的分解物、砂轮屑,以免造成堵塞。切削液的浓缩液和机床漏出的油中,在有氧条件下,每 20~30min分裂为二。而***生存在没有氧气的环境中,每小时分裂为二,代谢释放出SO2,有臭鸡蛋味,切削液变黑。当切削液中的**大于106时,切削液就会变臭。近年来深圳市岗松技术开发有限公司开发了精密超细过滤方法,可除去1μm的固、液和菌类污染物,省去了定期投放**剂的麻烦,减少了**剂对人身和环境的危害。

  控制**生长的方法有:使用高质量、稳定性好的切削液。用纯水配制浓缩液,不但配制容易,而且可改善切削液的润滑性,且减少被切屑带走的量,并能防止**侵蚀。使用时,要控制切削液中浓缩液的比率不能过低,否则易使**生长。

  由于机床所用油中含有**,所以要尽可能减少机床漏出的油混入切削液。切削液的pH值在8.3~9.2时,**难以生存,所以应及时加入新的切削液,提高pH值。保持切削液的清洁,不要使切削液与污油、食物、**等污物接触。经常使用**剂。保持车间和机床的清洁。设备如果没有过滤装置,应定期撇除浮油,**污物。

  4.劳动卫生与环境

    影响人身健康和环境的主要原因是切削液所含的基础油和各种添加剂。切削液所含的高密度矿物油(相对密度大于0.9)属高芳烃含量的矿物油,易被乳化,但其中的多环芳烃(PCAH)是致癌成分。亚硝酸钠和三乙醇胺曾被广泛用于乳化液中,是有效的防锈剂。由于亚硝基二乙醇胺被证实为致癌物质,70 年代有些国家已禁止使用。另外,为了避免模具操作工接触切削液中的油、菌类和金属屑而产生的油疹和***皮肤过敏,操作者应涂保护油、穿工作服、带手套,应注意避免皮肤与切削液直接接触。 

  三、金属加工液未来走势及应用案例

  中国政府“保增长、扩内需”的政策举措正在付诸实施,重点产业的振兴规划也相继出台,金属加工和数控机床被列入珠三角规划纲要,东莞市政府拨专款20亿用于东莞各中小企业进行扩展,我们可以看到东莞及华南地区的模具企业购买力在提升,转型所需要的产品将更加广泛和对新产品要求更多。随着金融风暴慢慢远去,中国模具及其加工市场将再次振兴!经历过经济危机的考验后,深圳市模具技术学会专家委员罗百辉指出,模具行业金属加工液用户的需求将向高效节能、健康环保、经济成本方向发生变化。

  1.高效节能的润滑技术

   模具制造行业一直坚持不懈地努力**,力求在保持加工质量的同时提高生产率。制造商和供应商都在不断寻找各种途径去实现这个目标。润滑与机械设备的运转息息相关,有人形象地把润滑油比喻为机械设备的血液,可以说失去了润滑,就没有机械设备的存在。高效合理的润滑技术是保证和改进机械设备节能、高效、长期正常运转的基本措施,是机械运转的命脉,是为国民经济发展和人民生活福利服务的应用科学。因而先进的润滑技术和高性能的润滑剂的开发和应用是保证人民生活和工作及各行各业机械的节能、高效正常运转的前提。没有高效合理的润滑技术就没有先进的机械运转,也就不可能有先进的生产和经济的繁荣,因此各工业国都十分重视先进合理的润滑技术的研究开发和推广应用。据日本有关摩擦经济文章指出,1970年日本因改善润滑技术而年增长经济效益2万亿日元,名古屋钢厂仅改善润滑技术一项,就实现年增长经济效益达20亿日元,同时机械设备事故减少了百分之九十。

  目前,全世界机械能源有效利用率平均只有30%左右,能源总耗量的50%~60%消耗到机械设备摩擦上。据德国沃格甫尔教授测算,全世界生产能源的1/3到1/2损失在摩擦损耗上,而英国焦斯特教授指出世界消耗能源的30%~40%消耗在摩擦损耗上。当然摩擦磨损一部分是不可避免的,但随着摩擦润滑科学技术的进步和润滑管理水平的提高,其中一部分是可以省下来的。日本通过规定节能润滑设计和操作,以及采用节能型润滑油脂等措施,使机械磨损大大降低,节省动力10%~20%,单是采用节能润滑油脂一项,内燃机能节省燃油可达5%~10%,节能型机械油、液压油可省电7%。

  2.健康环保的金属加工液

  金属加工液在模具制造中主要起润滑和冷却作用,兼有防锈清洗等作用。对于顽固油份的清洗到目前为目止仍以氯代溶剂*为经济有效,但基于环境保护与人体安全,大多数的氯代溶剂均巳被限制或禁止。澳拿石油(中国)有限公司AONA一直把全部力量集中于精密制造业,长期以来默默为众多模具工业生产商提供金属加工油及相辅清洗剂。DH200 系以烷基溴代物为原料的新型溶剂,在经剂与性能方面都接近氯代溶剂,而DH200不易燃/不含乙烯/不含氯分子/不破坏大气的物性与高洗净力类似三氯乙烷,三氯乙烯,且具有低臭氧破坏系数(Ozone Depletion Potential=ODP)、低暖化系数(Global Warming Potential=GWP), 而且没有闪火点,是目前氯代剂*佳的替代品之一。美国环保组织巳在数年前立法通过使用DH200替代氟氯烃,是目前*优良环保清洗剂。

  为了能够积极的保护环境,同时又能优化您的生产工艺,您能做些什么呢?事实上,您可以与化学品供货商合作,进一步优化您的化学品添加量。您可以根据特定的金属加工工艺,根据推荐的液位来管理好一个稳定的系统,这会达到*好的成本效益。另外,您还可以根据产量趋势,考虑*佳的液位和流量来管理您的系统。

  3.经济成本的金属切削液

  经济危机席卷全球,人们开始设法减少金属加工液的使用。目前在应用的主要的方法有:减少化学品的添加量、使用较小的过滤系统、微量润滑(MQL)的应用。只考虑减少化学品的添加量,可能会使你的整体生产成本提高。刀具由于缺少润滑或湿润,其加工性能就会逐渐下降(刀具使用寿命减少),经常需要清理系统从而产生很高的化学品和废液处理成本。如果只考虑采用较小的过滤系统,必须能够为刀具提供足够流量的冷却液,以达到*大程度的冷却和润滑,并使其能够进行有效地除去金属屑,也增加了相关的加工成本。采用微量润滑(MQL)在切削接触点上快速地喷射少量的冷却液进行切削,任何冷却液都不循环使用,而且许多工艺十分简单并不需要采用高液位来冲洗刀具。在这些应用领域中,深圳市建儒科技有限公司在研究瑞士巴索金属切削液的基础上,历时六年,成功研制出达国际先进水平的GF型模具及金属零件防锈剂系列产品、“建儒”牌合成型电火花加工液,以及JY超级金属切削液,在多家港资和台资企业的CNC车床、加工中心、CNC磨床上进行多种金属材料加工,一致认为性能媲美瑞士巴索金属切削液。

  JY超级金属切削液有“七大超级”特点:

  (1).超长使用寿命。正确使用情况不用更换,只需添加。

  (2).超强防锈功能。对加工工件和机床部件及油漆有超强的防锈和保护功能。

  (3).超低的使用成本。用普通自来水稀释成3%~15%(视材质和工艺定)浓度的工作液,使用成本超低。

  (4).超高的环保标准。不含亚硝酸盐、磷和其它有害物资,充分保障使用者的健康。

  (5).超群的综合性能。冷却、极压润滑、清洗、**、浮油、沉降等性能达国际先进水平。

  (6).超宽的应用范围。多种设备、多种材质、多种工艺,都可应付自如。

  (7).超简便使用。

  管理好你的系统除了要考虑冷却液的费用之外,还要**考虑到所有相关的其它各因素,例如泵、刀具、零件的光洁度、过滤器的介质,从而降低您的运营成本。这样您不但能够降低化学品的使用量从而减少对环境的影响,而且还可以将节约的资金投入到有效的空气处理系统之中,从而提高我们日常呼吸的空气质量。奎克化学作为行业内优越的厂商,致力于为客户提供*大化的价值。奎克的产品的技术是上等的,而且还通过应用专有技术、服务和先进产品的独特组合来改进客户的工艺流程,为客户创造价值,实现其总体成本*小化的目标。另外,作为全球化学品管理的领导者,奎克的化学品管理服务(QMS)不仅可以使制造企业将自己不擅长的化学品管理交给这方面的专家,而且还可以让其更好地控制化学品总体成本,不再为环保问题头疼,专注于自身的核心业务。

 

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