刀具制造与磨削油液的选择

1. 切削液与刀具的发展历程

切削液是金属切削加工过程中必不可少的重要配套材料。人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。最初人们发现，浇水可以提高石器、铜器和铁器的制造效率和质量。在古罗马的古典文化时期（约公元前600年~公元400年），工匠在车削活塞泵的铸件时使用了橄榄油。1775年，英国发明家约翰·威尔金森（John wilkinson）研制成功了一种具有较高精度的炮筒镗床，该设备次年用于加工瓦特蒸汽机的气缸。从此时起，水和油开始被作为切削介质在金属切削加工中应用。此后直至1860年，经历了漫长的发展，先后出现了用于车、铣、刨、磨、齿轮加工和螺纹加工等的各种机床；与此同时，切削液也得到了较大规模的应用。

19世纪80年代，美国开始了对切削液性能的评价工作。泰勒（F.W.Taylor）发现，用碳酸钠水溶液冲洗刀具和加工件可使切削速度提高30%～40%。由于当时使用的刀具材质是碳素工具钢，而切削液的主要作用是冷却，因此，切削液也被称为冷却剂。

随着对切削液认识水平的不断提高以及切削加工经验的不断丰富，人们逐渐发现在切削区浇注油性剂能获得良好的加工表面。早期人们采用动植物油作为切削液，能够获得较高的切削速度，并排出切屑。但动植物油有易变质、使用周期短等缺点。20世纪初，从原油中提炼的润滑油开始得到使用，同时出现了不同种类性能优异的润滑添加剂。1924年，含硫、氯的切削油获得了专利，并成功应用于重负荷切削、拉削、螺纹和齿轮加工。

同时，刀具材料的快速发展推动了切削液的发展。1898年，高速钢的出现使切削速度提高了2～4倍。1923年，德国的施勒特尔在碳化钨粉末中加入10%～20%（质量分数）的钴作为黏结剂，发明了一种含有碳化钨和钴的硬质合金。以这种硬质合金制成的刀具的切削速度比高速钢刀具提高了2～5倍。随着切削速度和切削温度的提高，油基切削液的冷却性能已无法完全满足切削要求，这时水基切削液因冷却性能优良又得到了重视。1915年出现了水包油型乳化液，并于1920年被推荐优先用于重负荷切削。1948年，美国Cimcool公司首先研制出一种不含油的水基合成切削液。此后，其他公司纷纷开展了相关产品的研制工作，推动了切削液技术的发展。

进入21世纪以来，全球制造业的竞争更加激烈，金属加工面临着巨大的挑战。为了适应加工的高精度化、高速化、自动化、多功能化和高生产率化，切削刀具要求有更高的强度和韧性，并具备长寿命、高可靠性、耐高温、耐磨损、抗氧化和抗冲击等特点。这对于切削刀具的设计和制造以及金属加工液产品的研发和应用提出了新的要求。

2. 刀具的分类

按运动切削方式、工件加工表面形式及材料不同，刀具可分为3类（见图1）。

图1  刀具的分类

3. 硬质合金刀具及其特点

目前各类刀具中应用最多的是硬质合金刀具。所谓硬质合金，即由碳化物（主要为碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC和碳化铌NbC）与金属黏接剂钴通过粉末冶金制成的合金。硬质合金的主要特点为：

（1）硬度高，HV硬度为1 300～1 800 kg/mm2。

（2）屈服强度较高，达到4 600～6 000 MPa，抗塑性变形能力好。

（3）导热系数较小，为0.07～0.19 W/（m·k），加工时如何减少热量的产生和带走热量是一大难点。

（4）热膨胀系数较低，为5×10-6～6.5×10-6 ℃，约为钢的1/3。

（5）脆性较大。

以硬质合金深孔钻头和整体硬质合金刀具为例，硬质合金刀具的典型制造工艺路线如附表所示。

附表  硬质合金刀具的典型制造工艺路线

项目

工艺路线

硬质合金

深孔钻头

钻头部分

下料-铣各部-焊接和喷砂-车各部-磨外圆-刃磨各部-烧字

钻杆部分

车外圆-热处理-调直-磨外圆-车各部-车连接部另一端螺纹-车尾部-调直-装配

整体硬质合金刀具

混料-压制成型-烧结-焊接和喷砂-刃磨-装配

由于硬质合金刀具材料本身硬度高，脆性大，导热系数小，因而给刀具的刃磨，尤其是磨削余量较大的整体硬质合金刀具的刃磨带来很大困难。其中包括：①刀具材料硬度高，要求有较大的磨削压力；②刀具材料导热系数低，不允许产生过大的磨削热量；③刀具材料脆性大，导致产生裂纹的可能性增大。

因此，硬质合金刀具的刃磨既要求砂轮有较好的自锐性，又要求有合理的刃磨工艺以及良好的冷却性。

在刃磨硬质合金刀具时，如果磨削温度高于600 ℃，刀具表面就会产生氧化变色，造成不同程度的磨削烧伤，严重时，会使硬质合金刀具产生裂纹。这些裂纹一般比较细小，裂纹附近磨削表面常有蓝、紫、褐或黄等色相间的不同的钨氧化物颜色。

4. 硬质合金刀具制造中磨削油液的选用

对于刀具制造商来说，在刀具制造过程中，除了需要考虑设备、砂轮等因素，还有一个不可忽视的问题，就是合理选择磨削液与磨削油。

（1）磨削液的选择。硬质合金材料本身硬度较高且脆性较大，磨削加工温度可达1 000 ℃左右，但产生的大量热量中只有15%随磨屑带走，8%随工件带走。对于应用于硬质合金刀具制造的磨削液，其应具备性能特点如下： ①较好的润滑性能、极压性能； ②优异的冷却性能，可以及时冲走磨削产生的磨屑和砂轮磨损的砂粒；③较好的抗泡性，确保磨削液在大流量和高速磨削状态时不产生泡沫，有效保证冷却性和清洗性；④有效防止钴的析出。

（2）磨削油的选择。与磨削液相反，使用磨削油的首要目的不是为切削区域降温，而是通过提供高润滑性来减少热量的产生。通常对应用于硬质合金刀具制造的磨削油的要求如下：①采用具有更高闪点和更低蒸发性的品质较好的基础油，如氢化裂解基础油或者合成基础油，这样在同等黏度条件下，可大大减少油品损耗，提高工作环境的整洁程度。②磨削油具有合适的黏度，保证油品有优良的冲洗性能和沉降性能。③磨削油采用合理的配方体系，如避免使用含硫和氯的极压添加剂，防止磨削油对机床有色金属部件产生腐蚀。使用磨削油时的硬质合金刀具磨削加工现场如图2所示。使用磨削油时的硬质合金钻头磨削加工现场如图3所示。

5. 其他注意事项

传统的碳化硅砂轮由于存在磨削效率较低、磨削力较大以及磨削接触区表面局部温度高（1 100 ℃左右）等缺点，导致刀具刃口质量差、表面粗糙度差和废品率高等缺陷，已经被逐渐淘汰。

目前刀具制造中广泛使用的是金刚石砂轮。金刚石砂轮磨削效率高、磨削力较小、自锐性好、刃口锋利、不易钝化且磨削接触区表面局部温度较低（400 ℃左右）。

砂轮的结合剂主要有2种选择：①金属结合剂：其导热性好，磨削力大，磨削效率高，主要用于粗开槽工序（磨沟槽）的粗磨和精磨，粒度可以选择120～140 目。②树脂结合剂：其润滑性好、磨削力较小且自锐性好，主要用于开齿工序（前后刀面、端齿槽以及偏背去余量等工序的总称）的粗磨和精磨，粒度分别选择80～120 目与200～240 目。

6. 结语

目前刀具磨削的关键设备均是五轴磨床，但必须强调的是，磨削油/液的正确使用对于保证设备的生产效率非常重要。由于砂轮在高速高温磨削中急剧升温，热量很难快速散出。只有依靠合适的磨削油/液才能够让磨削温度保持在正常工作范围内，从而降低砂轮损耗，延长使用寿命，同时保证刀具的质量。部分客户为了“节约成本”而使用普通磨削油/液进行冷却，这不仅会使磨削过程中产生大量烟雾，还会影响刀具质量，并极大地缩短砂轮寿命，这是不可取的，客户应根据砂轮类型、加工尺寸等因素来选择合适的磨削油/液。礼夫化学结合多年市场经验和客户实际状况，分别推荐R-CUT SYN Co硬质合金磨削液和R-MET GRIND CC系列磨削油，从而有效为刀具制造企业实现高效加工。

来源：礼夫化学