| 切削液被廣泛應用於車削、銑削、磨削、鑽孔等各種切削過程，新興切削技術更趨重視對高效率、高性能、低污染和低能耗的追求。本欄專家論壇中，重點闡述切削液的工藝技術及其發展趨勢，而在隨後的特色切削液工藝介紹中，好富頓、Quaker、Blaser Swisslube和積架石油化工的切削液產品工藝及其在加工應用中的特點，一一為您呈現。 |
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專家講壇
切削液技術的發展現狀和未來趨勢
魏欣暘 重慶大學化學化工學院
在機械行業中，切削液被廣泛應用於各種切削加工過程，例如車削、銑削、磨削、鑽孔等，以使加工參數得到優化。
在切削液技術的發展過程中，我們可以看到兩個特點：第一，切削液的產品數量越來越多，種類越來越齊全，功能也越來越細化。針對不同的加工方式，都有相應的切削液與之對應。第二，切削液的技術越來越完善，因此加工效率得以不斷提高。
除此之外，伴隨着現代製造業的高速發展和人們對環保的日益重視，切削液技術也處於改良和更新的循環中，新型切削加工技術不斷湧現。
切削液技術的發展現狀
面對切削液市場發展日趨成熟、切削液產品呈現多樣化的態勢，國際標準化組織和一些工業發達國家都制定了相關的切削液分類標準。美國材料協會制定了金屬加工液及相關材料分類標準ASTM D2881—03，日本標準協會在2000年也制定了新的切削液標準JIS K2241。
我國於1989年制定了國家標準GB/T7631.5—1989《潤滑劑和有關產品（L類）的分類第5部分：M組（金屬加工）》，將金屬加工潤滑劑分為兩大類，即以強調潤滑性為主的加工類型和以強調冷卻性為主的加工類型。值得一提的是，與美國材料協會制定的標準相同，我國的這些分類標準囊括了金屬成形加工，如鍛壓、衝壓、拉拔、軋製中所用的潤滑劑，而非本文所討論的去除加工（即切削加工）類型的潤滑劑，故不再冗述。
雖然各種分類標準各有不同，但根據切削液的組成和狀態，都大致按照水基和油基兩大類來進行劃分。
水基切削液需要用水稀釋後加以使用，根據稀釋後的狀態可分為乳化切削液、微乳化切削液、合成切削液。乳化切削液的原液一般不含水，加水配製後的切削液呈乳狀；合成切削液原液一般不含油，因此可以與水互溶，配製後的切削液多為透明；微乳化切削液原液中含油量（即油性添加劑含量）較小，而表面活性劑、防銹劑含量較大，加水配製後呈半透明微乳狀，外觀介於前兩者之間。
油基切削液（亦稱切削油）一般直接使用，基本成分是基礎油。根據不同的加工需要，加以性質不同的各種添加劑，就形成了種類不同的切削油。油基切削液按照基礎油和添加劑的不同，大致可分為純礦物油、純合成油、活性極壓切削油、非活性極壓切削油和減摩切削油。
切削液工藝技術
如上所述，切削液一般以基礎油或油性添加劑為載體，通過在基礎油或油性添加劑中加入多種具有不同性質和功能的添加劑並進行混合，就形成了切削油或水性切削液的原液。因此，添加劑是金屬切削液工藝技術中的核心要素，優良的添加劑配方成為企業提高自身品牌市場競爭力的必要條件。
金屬切削液在機械去除加工中的主要作用是冷卻、潤滑、清洗和防銹。由於液體的對流和氣化可以降低刀具和工件表面的溫度，從而防止了工件表面的灼傷和形變。
與此同時，切削液清洗並帶走了切削中產生的碎屑，避免其夾雜在工件和刀具之間發生二次切削，以致影響工件的表面質量。除了水溶性合成切削液，其餘切削液中的油性化合物（來自基礎油或油性添加劑）通過其極性基團吸附在工件表面並形成了一層油膜，會減少切削過程中的摩擦。
在含有極壓添加劑的切削液中，鹵素、硫、磷等元素組成的化合物與工件表面的金屬在高溫高壓下的瞬間發生反應，形成具有抗剪切力較小的物質層，在減小摩擦力的同時，還防止了金屬表面的粘合。
此外，在切削液中還需加入抗氧化劑（防止切削油在高溫高壓下氧化）、抗氣化劑（防止切削液揮發產生霧狀液體）、消泡劑（防止切削液在噴淋時產生泡沫而導致幹磨現象）。
在水基切削液中，還有一些特殊的添加劑，如防銹劑（防止金屬銹蝕）、表面活性劑（降低油層的表面張力，改變體系的介面狀態）、防腐殺菌劑（防止微生物的生長導致切削液變質）、穩定劑（保護乳化狀態）等。
值得注意的是，當這些添加劑被混合到切削液中形成成品後，不僅要保證這些物質之間相互不發生化學反應，還要確保切削液在工件加工中性能持續恒定且不與加工金屬發生不必要的、不可逆轉的化學變化。
切削液在金屬加工中的應用
前面提到，不同的切削液應用於不同的切削方式。因此，在切削液的實際操作中需要根據自身情況選擇適宜的切削液。
首先，需要考慮的是水基切削液和油基切削液的選擇。一般來說，油基切削油價格更高，綜合性能更為優越。對於較為昂貴的機床或者如果要求工件獲得最佳的表面質量並最大限度地延長刀具的壽命，建議採用切削油；如果以加工效率和成本作為主要參考的因素，則可選用水基切削液。
其次，要參照機床本身的特性。通常，機床製造商往往會針對他們自己的設備推薦一些品牌的切削液，這是因為他們在設計機床時就考慮了切削液的使用情況。比如一些開放式的機床就不能用油性的切削液，以免切削油大量揮發而耗散。
第三，由於刀具和工件的材質不同，其耐高溫性、可切削指數、硬度等也就各自相異，此時就要分別選用不同的切削液。例如金剛石刀具硬度非常高，為達到良好的冷卻效果，一般採用水基切削液；對於硬度較低的工件進行加工，如齒輪，就需要採用粘度較高的切削液，以防止表面劃傷。
第四，金屬切削的具體加工方式也會要求相應的切削液與之配合。在當代機械加工中，切削方式多種多樣，如車削、銑削、鑽孔、拉削、磨削等。就精加工和重度切削而言，操作方式無疑對切削液提出了更高的要求。
最後，加上成本核算和環境評價，消費者就可以合理地選擇出適合於自身加工特點的切削液了。
切削液市場調查分析
在汽車行業不斷發展壯大、機加工產品出口日益規模化等因素的刺激下，我國機械加工業的總體水平也不斷得到提升。據估算，我國目前金屬加工潤滑劑的市場總需求約為25萬噸，按照加工和用途的不同類型進行劃分，各自所佔的比例如表1所示，其中切削加工（即去除加工）液佔到加工潤滑劑總消耗量的38%。
就切削液而言，從其分類來看，目前的用戶大多偏好水基產品，即可溶性切削液和乳化液，這一比例大約佔到市場份額的70%；從使用切削液的行業分佈來看，各行業所佔的比例大致如表2所示；從切削液的品牌來看，目前佔據市場份額前列的大都是來自國外的切削液品牌。
造成這一現象的主要原因是一些國外品牌歷史悠久，有的甚至擁有百年以上歷史。這些公司的研發實力深厚，產品質量穩定並且與世界上先進的機床商保持着良好的合作關係，擁有研發和實踐的優先平臺，因此長期在添加劑技術專利領域遙遙領先。
另一方面，國產品牌往往依靠較低的價格來爭取市場，成本的壓縮又導致產品質量得不到提高，最終難以獲得市場認可。因而這樣的市場策略必須在創新型技術經濟發展模式的宣導和推廣下得到改變。大力提高企業自身的技術創新能力，不斷推進企業自主知識產權的開發，才能全面提升企業自身品牌的市場競爭力。
切削液的未來趨勢
縱觀21世紀的切削液市場，一些新興切削技術和相應的產品接連面世。面對人類環保意識的提高，市場對於切削油綠色環保性能的要求越來越高。例如用生物可降解的、不含芳香烴的聚烯烴合成類物質代替礦物油作為切削油的基礎油，用鎢酸鹽、鉬酸鹽代替水基切削液中的具有毒性的防銹添加劑的方法逐漸得到推廣。
追求加工效率和生產質量是工業永恆的主題，性能卓越、穩定，使用週期長而持久的切削液產品也逐漸受到市場青睞。雖然這類產質量高價貴，但市場用戶也慢慢習慣對生產成本進行綜合核算，以此去衡量切削液產品的性價比。
隨着加工分類越來越細，切削液也有非標準化的發展趨勢。例如針對高速磨削，有的企業研發出了高性能磨削油，從而改變了以往用切削液代替磨削油的操作方式。
除此之外，還有將液態氮作為切削液、選擇適當用量的切削液以達到最佳切削效果、幹切削等新技術，這裏不再一一詳述。就整体趨勢而言，新興切削技術將以追求高效率、高性能、低污染和低能耗為目標，引領切削液工藝技術不斷向前發展。
特色切削液技術
好富頓公司 陳有頊
如果切削液產品抗菌能力差，剛開始潤滑性能可能不至於受到影响，但細菌滋生不僅使有些潤滑成分被消耗，更重要的是能够引發下列情况：切削液變得不穩定；潤滑成分析出，潤滑能力下降；防銹能力下降；刀具磨損增加等。
好富頓公司率先在全球推廣其特殊的無菌型切削液和非礦物油基的切削液產品，減少機床停機，從而使客戶真正實現高速、高效生產。
切削液中的抗菌性技術
好富頓公司特殊的抗生物技術（Bioresistant Tech）和生物穩定技術（Biostability Tech）是保證其Hocut 795系列切削液具有優異抗菌特性的兩項主要技術。兩種技術結合，相得益彰，確保了Hocut 795系列即使在惡劣的使用環境條件下，仍不會受到細菌侵蝕，保持穩定可靠的性能。
Hocut 795系列產品採用多功能添加劑組合，既起乳化、潤滑作用，又創造了一個抑制細菌滋生的環境。因此，其乳液能夠長期維持平衡且性能穩定。從而簡化了維護工作，減少了廢液的排放及停機時間，降低了用戶的綜合使用成本。該系列切削液具有下列特點。
1.最大程度杜絕細菌滋生，無需添加殺菌劑
Hocut795系列在配方中含有完全終絕菌繁衍生理過程的特殊組分，不用殺菌劑能從根本上杜絕了細菌的滋生，是防菌技術的重大突破。在國內有使用6年未換液的集中供液系統，充分驗證了Hocut 795系列產品的特殊性能。
2.潤滑性能出色，適應性廣
Hocut795系列不含任何Cl、S添加劑，採用特製的強化潤滑酯來進行潤滑，穩定可靠，而且其吸附作用因不同的加工壓力而變化，潤滑作用根據具體的操作過程而有相應的良好發揮，所以具有使用的通用性，能夠適應多種不同的加工過程。
3.低無泡沫，抗雜油能力強
表面活性劑成分的特性是產品出現泡沫或抗雜油能力高低的關鍵。Hocut795系列一方面在軟水中也低無泡沫，另一方面抗硬水能力又相當強，即使在1000ppm (mg/l)的硬水中，也不會出現油析。再者，Hocut795系列乳液本身乳化均勻良好，長期穩定，但對漏入的液壓油和潤滑油等卻不會乳化，抗雜油能力強。
4.性能穩定，不需任何添加劑，使用壽命長
Hocut795系列在配方設計上消除了細菌、金屬離子或泄油的影響，另外，它還採用了多功能原料，所以能夠長期維持平衡，性能穩定。在現場使用中不需要任何添加劑，使用壽命長。
5.生產效率高，綜合成本低
Hocut795系列潤滑性能優良，能提高加工效率；使用壽命長，可以消除停機時間，減少生產損失，減少廢液排放，降低生產成本。
相控制切削液技術
為了解決機床設備老化，嚴重漏油等問題。好富頓國際公司早在1989年就率先推出了相控制系列切削液產品。
好富頓相控制產品是通過兩相分別控制來達到最佳的使用效果的，它通過將大部分設備漏油吸收而化為己有，既解決了設備漏油的污染和浪費問題，又降低了切削液產品的消耗量。而通過對不同相的分開控制，又保持了切削液的整體平衡，從而確保了切削液產品的使用效果，能在很大程度上降低刀具使用成本及環境污染，延長使用壽命。
Hocut TR2000系列產品是採用易生物降解的植物油精製而成的兩相（油相和水相）控制型冷卻液，更加環保（如圖1所示）。該產品現已在全球各汽車及航空製造業廣泛應用。
供稿：奎克化學（中國）有限公司
什麼是合成酯
QUAKERCOOL 370是一種“酯基”微乳型切削液，其潤滑性來自於奎克化學在歐洲開發的專利技術“酯合成”潤滑技術。一個“合成酯”就是由脂肪酸和醇類反應生成的化合物。天然酯類包括脂肪、甘油三酸酯或同類化合物如油脂等。合成酯類比天然酯類更昂貴，其優點是複配者能準確地控制酯類的性質，以便減少其缺點，並加強其優良特性。
雖然有成千上萬種酯，但是能用於QUAKERCOOL 370 KLG中的酯類須使金屬加工切削液具備更完美的性能。在QUAKERCOOL 370 KLG中的合成（人造）酯能提供極好的潤滑性，與水混合後可形成“微乳液”，並且在金屬加工環境中較難降解。
合成酯的潤滑作用
1. 潤滑的類型
要清楚合成酯的潤滑作用，必須明白潤滑的類型。潤滑類型通常有三種：液體潤滑、邊界潤滑和極壓潤滑。儘管這些潤滑類型通常是明晰的，但事實上它們形成了一個連續的統一體。
① 液體潤滑
當物理液體膜隔離開摩擦面時液體潤滑就會發生，如在路面和橡膠輪胎之間的水。由於在金屬切削加工中存在着較高的壓力，這種類型的潤滑存在一定的缺陷。
② 邊界潤滑
當液體和摩擦表面之間存在着化學粘着力時就會發生。化學粘著力能使物理液體膜很好地與摩擦表面“粘”在一起，因此不能很容易地被擠出來。豬的脂肪和其他動物脂肪經常被加入到金屬切削液當中，以增強邊界潤滑性。不幸地是，這些天然脂肪很容易變臭。
③ 極壓(EP)潤滑
潤滑劑和摩擦表面之間需要存在化學反應，這種潤滑方式才會發生。在化學反應中，摩擦表面上會形成一種化合物。在金屬切削加工中，過去的切削液使用硫和氯來提高EP性能。高切割力磨損由硫或氯與金屬表面反應所形成的化學層，通過犧牲自己，EP層來保護刀具和工件表面免受磨損。非常不幸的是，硫為細菌提供了食物，這就大大縮短了切削液的儲存壽命。很多客戶因為環境、健康和安全原因都要求避免使用氯。
2. QUAKERCOOL 370 KLG中的合成酯的潤滑性
QUAKERCOOL 370 KLG中的合成酯能提供液體潤滑，而且能像EP潤滑液一樣提供優秀的邊界潤滑。QUAKERCOOL 370 KLG中的合成酯技術就像一種超級邊界潤滑液，將邊界潤滑擴展到以前使用硫和氯的EP潤滑領域中，無需使用硫磺和氯等EP添加劑就可在極壓狀態下使用。
QUAKERCOOL 370 KLG的應用
1.滿足不同的加工要求
QUAKERCOOL 370 KLG在大多數使用水稀釋切削液的金屬切削加工中應用良好。其獨特的酯潤滑技術使它能適用於難切削的加工過程。但是何謂“難切削”呢？不幸地是，在整個行業中沒有統一的定義。
然而，金屬的切削性等級可以表示金屬切削的相對難易性。我們在金屬切削加工中擁有各種類型的實際操作經驗，有些因素要比其他的更重要。許多其他變數，如所用刀具、液體過濾性、切削液的流動性、進料比和切削速度、加工要求的質量等都會影響切削液的選用。
在某些相對容易的操作如車銷切削性為1.0+的金屬時，對於QUAKERCOOL 370 KLG來說是 “不推薦”使用的。當然，QUAKERCOOL 370 KLG 能夠處理這些工作。但重要的是QUAKERCOOL 370 KLG是一種高潤滑性切削液。當用於簡單加工時，用戶不能享受到它的全部優點。如果客戶想整合切削液的種類，在困難加工和簡單操作中都使用相同的產品，QUAKERCOOL 370 KLG就是非常好的選擇，儘管每一個加工操作不會有相同的加工要求。
2.最大的獲益者
第一，從事鋁加工的企業。鋁材較難加工，某些等級的鋁材具有“粘性”和拖尾，而不能採用自由切削加工。有些鋁合金則很堅硬而且耐磨性高。QUAKERCOOL 370 KLG正是鋁材加工的正確選擇。
第二，從事稀有合金比如鈦合金或鉻鎳鐵合金的加工企業。QUAKERCOOL 370 KLG會延長刀具壽命，並提供較好的表面光潔度。
第二，任何企業，如果需要具有較高潤滑性的冷卻液產品，並且產品易於使用，較少維護，那麼他們都會在使用QUAKERCOOL 370 KLG後獲得最大的收益。
第三，需要使用切削液，並且使用傳統方法比如酸/明礬噴塗進行廢液處理的企業。QUAKERCOOL 370 KLG完全能滿足他們的需求。
巴索國際貿易（上海）有限公司 崔志良
“液體切削工具”戰略助用戶降低綜合成本
在製造企業的金屬加工總體成本中，最主要的成本來自人工成本、機床等加工設備成本和刀具費用，這三項相加大致佔到總體成本的95%左右。而金屬加工液僅佔總成本的1%左右。
當製造企業在機床和刀具上投入大量資金後，提高設備投資回報率是降低綜合成本額最根本的方法，其次是設法減少刀具的消耗，降低刀具成本。
倘若能把傳統觀點中被看作是單純的消耗材料的金屬加工切削液變成提高生產效率的投資，使之成為輔助實現提高生產效率、降低刀具損耗的有效途徑，那將對於製造企業的綜合生產成本產生以小搏大的積極效應，實現突破性的改變。瑞士巴索（Blaser Swisslube）的“液體切削工具”戰略對實現上述效應效果顯著。
有着70多年歷史的巴索公司提出的全新的“液體切削工具”戰略，這一戰略的內涵是：巴索公司不僅僅是切削液產品的製造者，更是綜合解決方案的提供者。通過提供綜合解決方案幫助客戶提高加工效率，提高生產設備的投資回報，降低綜合成本。
傳統Blasocut與新品Blasocut BC
在巴索的產品中，已經被金屬加工領域所廣泛選用的傳統的Blasocut 系列切削液，從設計理念、研究開發、原材料選配、自動化生產到質量性能均處於世界領先水平，並具有超強潤滑、超強穩定、通用性能、易於維護、超長壽命等優異特性。
在位於德國巴伐利亞州紐倫堡的MAN卡車股份公司的卡車生產基地內，一個220噸的水槽，應用Blasocut水溶性切削液，保持了10年以上無需傾倒更換的紀錄，且仍處於只需補足液位便可繼續使用的穩定狀態。其使用壽命之長由此可見一斑。
全新的Blasocut BC系列新產品採用了全新的乳化劑結構，在傳統的Blasocut的特性的基礎上，大大加強了排屑性能、消泡性能以及機床清潔性能。
切削液中的細菌
Blasocut水溶性切削液與水中原有的自然菌群和水中原有的硬度一起並肩工作，通過“佔絕對優勢數量的自然的無害菌群”來控制切削液保持自然的菌群平衡。
巴索產品自身不含細菌，在與水混配的過程中，將水中原來自然存在的微生物帶入，這就是被植入到切削液中的無害菌群。我們所做的是創造一個有利於這些無害菌群的生存環境，通過他們對生存空間的佔領來抑制有害菌群的生存。如果水硬過低，我們還可以在允許的範圍內對乳化液加硬。正確的使用濃度、正確的混配方法也是很重要的。
另外還有對切削液的正確維護，我們應該注意到，每一種外來物質，比如廢油、剩咖啡、剩飯、煙頭、或是清洗機床及地面的污水都會給對人體有害的細菌或黴菌提供生存環境。因此不僅那些良好的過濾系統要肩負重要任務，而且每一個操作者也應該清楚地認識到這一點，是他們在保持着切削液的清潔。
瑞士巴索對於優異的環保性的理解還體現在，通過產品的長期的穩定性能，來實現對原材料的最少消耗。在其原液以及切削液的全部運行週期中都不使用殺菌劑，以使良好的人體適應性必須得以保證。如果能夠正確地掌控，其實切削液中的細菌是可以被人們接受的。這其中有自然的“好”細菌，它們對人體不會造成傷害。
與刀企配合 尋求刀具及切削液新方案
在加工導管孔、挺柱孔等難加工工序時，要保證好的加工質量就要選擇好的刀具，同時也要選擇Blasocut這樣礦物油含量高、潤滑性能強、沖洗排屑性都好的高質量的切削液才能得以實現，更長的刀具壽命也要靠高質量的切削液作為保障。
Blaser公司正在與著名的刀具廠商如MAPAL等共同探索配合，尋求為最終客戶提供刀具及切削液整體管理解決方案的新途徑。
供稿： 積架石油化工有限公司
隨着世界各國加工製造行業中環保觀念的日益提高，對金屬加工液的性能也提出了更高的要求，除了要滿足加工效率、工件精度、工件機械性能及刀具使用壽命等常規性能外，還要求不能對工人的健康及環保帶來負面的影響。
因此，開發綠色金屬加工液勢在必行，一方面保證先進機床的高效運作，改善工作環境；另一方面從源頭上解決金屬加工液的污染問題，節約能源、時間、維修和廢液及含油加工碎屑的處理費用，保護環境。
綠色金屬加工液的試驗研究
開發綠色金屬加工液，其技術關鍵就在於篩選出符合環境法規和性能要求的基礎組分和各類添加劑，並進行合理配伍。
在基礎油的選擇方面，由於精製程度不深的礦物油基的潤滑劑生物降解能力差，長期滯留在水和土壤中，會對環境造成不良影響，不宜作為綠色金屬加工液的基礎油。因此，對基礎油的選擇，一方面可以考慮採用合成酯和植物油等具有很好生物降解能力的組分；另一方面，在不能完全用酯類或植物油替代礦物油的配方中，可以採用低芳烴含量、深度精製的礦物油，儘量降低芳烴含量過高造成接觸者皮膚癌的發生率。
添加劑的篩選必須綜合考慮世界各國的相關環保法規，選擇各種無毒、可降解添加劑進行替代，做到真正意義上的綠色環保。
相對於傳統的油基金屬加工液而言，水基金屬加工液更容易受到污染而滋生細菌，變質發臭，因此，配製綠色金屬加工液，殺菌劑是必不可少的成分。但殺菌劑又往往具有生理毒害性，因此，對其種類的選擇和使用量的控制顯得尤為重要。
所以，在配製綠色金屬加工液時，必須考慮殺菌劑的生理、生態毒性，不得對人體造成傷害，也不能殺滅廢水處理系統中的有效微生物。
適合難加工金屬的加工液選擇
1. SCF Universal
比爾SCF Universal是積架公司代理的綠色環保高性能切削及磨削液，以新一代可再生材料精製而成的微乳化液，不含DEA、亞硝酸鹽等有害物質，符合歐洲環保要求，詳細技術指標見表1。
由表1數據可見，比爾SCF Universal具有卓越的潤滑性能，可有效延長刀具壽命，特別適合用於加工鈦合金、鎳合金和不銹鋼等難加工金屬，同時還可用於加工鋁及鋁合金以提高表面光潔度。
2.應用實例
某大型汽車零配件生產公司，擁有一百多台CNC數控機床，主要進行各種鋁合金材料的加工。客戶使用比爾SCF Universal至今，在CNC機床中按5%濃度對4010、2024、6061等鋁合金進行車、銑、鏜、鑽孔、攻牙等加工，產品具低起泡性，提供卓越的工件可見度，潤滑性和防腐蝕性好，切削液的使用壽命長，而且對操作者友好，未曾發生過皮膚過敏等情況，車間生產環境得到明顯改善。
展望
在不久的將來，綠色金屬加工液一定會取代傳統金屬加工用油，成為金屬加工行業的主流產品，推動綠色製造業的發展。 ■
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