本刊編組| 在模具製造中,金屬加工液對提高機床性能、保證成品質量而言至關重要。文中從專家視角探討了金屬加工液在模具製造領域中應用現狀和發展趨勢，並傾聽到模具行業用戶對金屬加工液的使用感言。 |
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| 金屬加工液最基本的功能是潤滑、冷卻、排屑、防銹。這四個性能不是完全孤立的，既有統一面，又有對立面。 |
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隨著模具工業技術的不斷發展和進步，新材料、新工藝不斷湧現，在模具加工過程中選擇合適的切削液對於保證產品加工質量，提高加工效率，減少環境污染都是至關重要的。
金屬加工液最基本的功能是潤滑、冷卻、排屑、防銹。這四個性能不是完全孤立的，既有統一面，又有對立面。如切削油的潤滑、防銹性能較好，但冷卻、清洗性能差；水溶液的冷卻、洗滌性能較好，但潤滑和防銹性能差。
一般認為，在低速重負荷切削加工(螺紋切削、擴孔和齒面切削)時，需要充分的潤滑，通常選用極壓切削油劑，切削潤滑劑的主要任務是縮小推進面與屑的粘結，作為邊界潤滑劑。在高速淺層切削加工時，冷卻是首要的，一般選用水基切削液——它的主要作用是降低摩擦熱，帶走熱量。那些切削液難以到達剪切區域的加工作業，給潤滑、冷卻造成很大困難。通常對擴孔、齒輪切削(特別是滾齒)、深孔鑽和鏜孔、攻絲(特別是盲孔)、深套孔、車螺紋加工要精心選擇適用的切削液。
實踐證明，選用合適的金屬加工液，能降低切削溫度60~150℃，降低表面粗糙度1~2級，減少切削阻力15~30%，成倍地提高刀具和砂輪的使用壽命，並能把鐵屑和灰末從切削區沖走，因而提高了生產效率和產品質量。
圖1 金屬加工液在生產中的應用 |
在模具加工過程中，刀具的作用是在主剪切區域把加工材料用強剪切力切除剝落。刀具的推進面和暴露的新鮮金屬面之間，由於強烈的附著作用使推進面受到高的應力。因切割剝落的屑要移過刀具推進面，從而形成了第二剪切區域——該區域產生的剪切作用使刀具受到最大摩擦力。在此時，潤滑和冷卻作用的重要性同時凸顯出來。值得注意的是，金屬去除類的機械加工種類很多，又各有其獨特工況。
下文將聚焦金屬加工液在三种具體加工方式中的應用，並結合本刊對殼牌（Shell）和德国歐海（OEL-HELD）兩傢公司的用戶採訪報道，說明金屬加工液的具體應用和性能要求。
電火花加工
殼牌公司旗下的萬安EDM110和130是優質火花電蝕加工油(見表1，轉下頁)，採用高精度煉且芳香烴含量極低的石蠟基基礎油製成，絕緣性好，產品加工精度高，使用壽命長，對皮膚刺激小。其中，前者粘度中等，適合火花電蝕加工；後者粘度較高，適合火花電蝕較高精度加工。這兩種產品還可作為刀具研磨油使用。
表1 殼牌萬安EDM 110/130火花電蝕加工油當前產品典型值
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殼牌萬安EDM110和殼牌萬安EDM130具有一些相同的特點：①粘度低，對工件和火花塞有極好的清洗作用；②帶屑性好，延長電極使用壽命；③絕緣性好，高介電強度，④表面加工精度高，加工表面粗糙度可以低至3微米至更低；⑤高閃點，可減少機內發生火災的危險；⑥高沸點，最大限度減少揮發損失，防止因揮發損失導致油粘度升高和加工精度下降；⑦良好的熱穩定性和氧化穩定性，且使用壽命長，不易氧化變色；⑧無色無嗅，有助於用戶觀察火花塞加工過程的情況；⑨良好的過濾性，快速清除加工過程中產生的細屑；⑩芳烴含量極低，對皮膚刺激作用小，對人體無害。
用戶感言
殼牌金屬加工油/液性能優異，產品使用週期較長。對此，比亞迪精密製造有限公司設備部張啟波深有體會。
據張啟波介紹，比亞迪精密製造是華南地區前三大模具製造基地之一，其設備部擁有幾百台知名品牌機床。該公司目前所使用的殼牌火花電蝕加工油，週期已經超過3年半，並且無變色變味現象。如此長的使用壽命，使得比亞迪公司不僅降低了油品採購成本，且有效減少了因為換油而造成的設備停機時間，實現了生產效率的提升。
不僅如此，使用殼牌火花電蝕加工油，對比亞迪公司的生產安全也提供了有效保證。比亞迪的技術人員曾做過這樣一個試驗—用布條浸沾殼牌火花電蝕加工油，然後試圖點燃，但經過多次試驗，布條始終無法燃燒。由此可見，與其他煤油類火花電蝕加工油相比，殼牌火花電蝕加工油的性能穩定，是安全生產的可靠保障。
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磨削
磨削過程中磨粒與金屬表面的摩擦會產生大量熱量。當熱量聚集到一定程度時（磨削點的瞬間溫度可達1500℃，磨料與工件的磨削區域的平均溫度為500℃至800℃之間），工件表面就會出現灼傷甚至形變，因此成品的表面質量和精度將受到影響。如果改善磨削加工的操作條件，運用磨削油進行充分的冷卻和潤滑，加工過程中的一半熱能都會被冷卻劑吸收，而最終進入到工件的熱量只佔到整個加工過程產生熱能的15%。因此，磨削油有效降低了工件被灼傷的機率。
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圖2 使用OEL-HELD的Sintogrind磨削油的加工結果與其它產品的使用效果對比
a: 其它磨削油和常規砂輪的磨削效果 b: 其它磨削油和內冷式砂輪的磨削效果 c: Sintogrind和內冷式砂輪的磨削效果
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磨削油以基礎油為載體，通過在基礎油中添加多種具有不同性質和功能的添加劑混合而成。目前世界上性能最好的磨削油基礎油是以乙烯為原料直接合成的聚α-烯烴。由於產物的純淨和均一性，聚α-烯烴具有其他基礎油無可比擬的卓越性能，並在一級方程式賽車的嚴酷條件下用作基礎油。由於其組成結構為純烷烴，因此具有優異的抗剪切能力和抗老化穩定性，非常適用於高速磨削的加工。
OEL-HELD（中國）西南代表處的魏欣暘表示，其公司旗下的Sintogrind、Diagrind、Toolgrind系列高性能磨削油採用聚α-烯烴、氫化裂解油作為基礎油,具有蒸發率低、無腐蝕性（包括對密封件）、可過濾性好、沖洗性強、消泡性高、閃點高以及黏度指數較高等優點。在獨特的磨擦改良劑、抗磨添加劑、極壓添加劑和抗氧化劑等的協同作用下，上述系列磨削油在加工硬質合金時完全避免了金屬鈷的析出，並具有優異的抗剪切能力和抗老化穩定性，在減少能耗與砂輪磨損的同時，工具表面不會產生任何灼傷，從而達到高精度加工要求並獲得良好的表面光潔度，因此被絕大多數的知名磨床製造商所推薦，在歐美等國家市場佔據主要的份額。
應用案例
為了說明基於聚α-烯烴全合成產品的效果，OEL-HELD公司在Rappold Winterthur磨床公司進行了一系列試驗。磨削後的產品使用電子顯微鏡進行同等倍數的掃描。如圖2所示，使用Sintogrind全合成產品可以獲得極高表面質量。
德陽東汽工模具有限公司一直在使用OEL-HELD公司的磨削油產品，該公司技術開發部副部長胡劍華告訴本刊，OEL-HELD的磨削油現已使用3年而沒有更換，有效降低了生產成本及設備停機時間，全面改善生產效率。 |
切削
近年來金屬切削液的發展和變化主要是在水溶性液體領域。這類液體以水為基質，傳熱速度高(水的傳熱速度為油的2.5倍)。等量的水吸收一定熱量後，比油的溫升要慢得多，從而提高了冷卻效果，且可減少油霧。因此，水基切削液的用量增大。
目前，水基切削液在中國切削液市場總體中約佔60%，但水基切削液與油相比存在著一些問題，這包括潤滑性差，以及銹蝕、膠體穩定性、化學穩定性、生物穩定性、可濾性、泡沫性等方面的問題。這些因素對切削液在機床應用時的“油池壽命(Sump Life)”至關重要。
表2 殼牌斯特來Sitala CE 3402水溶性切削液當前產品典型值
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殼牌公司旗下的殼牌斯特來Sitala CE 3402高性能水溶性切削液（見表2），含有大量極壓添加劑，適用於鋼材和鋁合金材料的加工。可滿足要求高表面精度的苛刻加工，以及高壓、使用內冷刀具的工藝，如：深孔鑽、鑽孔、銑和MAPAL絞孔等。
殼牌斯特來Sitala CE 3402具有良好的抗泡沫性能、優異的生物穩定性和清洗性能，可保持機床和工件清潔。其良好的冷卻能力和潤滑性能，能確保加工工件的高精度。同時，Sitala CE 3402的生物穩定性優異，產品使用壽命長，可顯著降低維護成本。而高度抗腐蝕性能則有利於保護刀具、加工工件和導軌。
用戶感言
比亞迪精密製造有限公司在製造過程中，一直使用殼牌斯特來Sitala CE 3402高性能水溶性切削液。該公司設備部張啟波表示，這一產品相比同類產品，更換週期長，性價比高。且在保護刀具及保證加工工件精度方面性能出眾。
張先生深深體會到，生產的進一步發展對金屬加工液的性能提出了更高要求，比如增強可維護性以及延長更換週期，等等。而殼牌金屬加工液在滿足這方面要求方面的能力可謂獨樹一幟。 |
節能環保、降本增傚的發展趨勢不可阻擋
深圳市模具技術學會專家委員羅百輝指出，企業在選用金屬加工液時要全面權衡利弊，須達到以下要求：熱容量大，導熱性好，具有較好的冷卻作用。具有較高的油性或是較強的金屬表面吸附作用，能使形成的吸附薄膜具有較高強度，牢固吸附在金屬表面，起到良好的潤滑作用。而防銹性好的話，對金屬不起腐蝕作用，也不會因腐蝕而損壞機床和工件的精度及表面粗糙度。同時，表面張力低的產品，易於均勻擴散，利於冷卻和洗滌作用並具有較好潤滑性。
羅百輝同時表示，經濟成本方面的考慮也很重要。金屬加工液必須使用方便，價格低廉，要求容易配置並最好適用於多種金屬材料和多種加工方式（如車、磨、刨等），有一定的透明度，在提高切削速度時不冒煙。對人體無害，無毒、無異味。不會傷害皮膚及鼻腔粘膜，不刺激眼睛等。穩定性好，使用壽命長。在長期使用和貯存期間，不分層、不析出沉澱物，不發黴變質。切削廢液量較大，考慮廢液處理，避免造成環境污染。
中國“保增長、擴內需”的政策舉措正付諸實施，重點產業振興規劃也相繼出臺，模具企業購買力在不斷提升，企業轉型所需產品種類將更廣泛，並且對產品的品質要求必會飛速提高。在經濟危機的考驗之下，模具行業金屬加工液用戶的需求必然加速向高效節能、健康環保、低經濟成本的方向邁進。
特別鳴謝：本文主要專家觀點由深圳市模具技術學會專家委員羅百輝供稿
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