背景介紹

       隨著電子信息、光學儀器、航空航天等高科技行業(yè)的快速發(fā)展，硬脆材料如藍寶石晶體、精密陶瓷和石英等，作為優(yōu)異的光學、電子和結構材料，已廣泛應用于各類精密設備的制造。這些材料的硬度高、脆性強，使得其加工過程面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是在磨削過程中，容易出現(xiàn)工具磨損、表面劃傷、加工精度下降等問題。因此，研究和應用高效的切削液成為提高硬脆材料加工性能的關鍵之一。

       在硬脆材料的磨削過程中，切削液的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：冷卻、潤滑、清洗和防銹作用。尤其是在結合鉆石墊進行減薄加工時，切削液的選擇尤為重要。鉆石墊作為一種高效磨削工具，能夠提供較高的磨削速率和較長的使用壽命，但在高負荷、高速磨削的條件下，磨削熱量積聚、顆粒粘附及工具磨損等問題依然存在，極大影響了加工精度和效率?；诖?我們通過篩選防銹劑、緩蝕劑、潤滑劑、殺菌劑等，得到了一種環(huán)保型多功能全合成晶體切削液。該全合成切削液具有優(yōu)秀的潤滑性、防銹性和殺菌性，可應用于藍寶石晶體、精密陶瓷和石英等硬脆材料在不同加工形式下的成型加工。

       1、切削液在硬脆材料加工中的作用
       切削液作為輔助加工材料，在磨削過程中會適當?shù)娜芙忏@石墊表面基體，使金剛石微粉顆粒裸露出來，形成一定的鉆石墊自銳性，從而實現(xiàn)硬脆材料的化學減硬，有助于獲得更高的表面質量。通常，切削液的pH值調節(jié)至8.5-9為宜。因此切削液的制備在鉆石墊的應用原理中涉及多個方面，包括切削液的成分選擇、制備過程以及加工過程中的潤滑、冷卻、清洗和防銹等作用。
       1.1 冷卻作用
       在高速切削過程中，切削液能夠有效地吸收和帶走切削區(qū)域產(chǎn)生的熱量，降低刀具和工件的溫度，防止因過熱而產(chǎn)生的裂紋、變形等缺陷。此外，對于石英玻璃等硬脆材料、熱敏感材料，切削液的加入賦予磨削區(qū)一定熱沖擊，使磨粒產(chǎn)生激冷效應，促進磨粒自銳作用。
       1.2 潤滑作用
       切削液在切削過程中形成邊界潤滑膜層，減少了刀具與工件之間的摩擦，降低了切削力，從而延長了刀具的使用壽命。同時，良好的潤滑性也有助于穩(wěn)定切削效率。
       1.3 清洗作用
       切削液通過其良好的清洗性，能夠有效清除磨屑，避免其附著在工件和鉆石墊表面，保證了加工過程的穩(wěn)定性和表面質量。
       1.4 防銹作用
       切削液中的防銹添加劑能夠保護機床和工件不受銹蝕的侵害，特別是在加工后的存放期間，能夠有效防止金屬部件生銹和玻璃表面出現(xiàn)銹跡。
       1.5 殺菌作用
       切削液的殺菌作用可以有效防止加工過程中因細菌滋生而引發(fā)的污染問題，確保加工環(huán)境的潔凈度，對于維護設備性能、延長使用壽命以及提升品衛(wèi)生質量至關重要。
此外，在鉆石墊減薄過程中，切削液的選擇應充分考慮石英玻璃等材料特性和加工要求。一般來說，應選擇具有優(yōu)異冷卻性能和潤滑性能的切削液，以確保加工過程中的熱量及時散發(fā)和刀具與工件之間的摩擦最小化。同時，切削液的清洗和防銹作用也不容忽視。
       2、全合成晶體切削液的制備
       根據(jù)添加劑的潤滑性能、防銹性能、殺菌性能等優(yōu)選出添加劑進行復配, 采用正交實驗法優(yōu)化全合成切削液配方。常溫下,將各組分混合攪拌均勻即可得到一款全合成晶體切削液的濃縮液，使用時按一定比例稀釋。

       3、性能測試與表征
       3.1 防銹性能測試
       將濾紙置于培養(yǎng)皿中，稱取(2±0.1)gGG25鑄鐵屑均勻散布于濾紙上。用滴管取3mL待測液潤濕鑄鐵屑，蓋上培養(yǎng)皿，在18~28℃下放置2小時。隨后用自來水沖洗掉鑄鐵屑，室溫下自然干燥。
       根據(jù)濾紙上銹斑數(shù)量按0~4級評定，0級最優(yōu)，表示無銹蝕。
       3.2 磨削速率測試
       選取25*25*5mm石英片44片，確保試片表面平整均一，根據(jù)實驗需要，配置1：8稀釋切削液，確保切削液充分攪拌均勻，以達到最佳磨削效果。使用KS25D高精密雙面研磨機，壓力設置為100g/c㎡，每20min記錄減損厚度計算磨削速率，研磨速率為減損厚度/研磨時間，同時記錄研磨片粗糙度。其中，每組樣品選取一片作為待測樣測定厚度，共計四片。

       4、結果與討論
       4.1 防銹性能測試
       切削液中防銹劑的添加能夠保護機床和工件不受銹蝕的侵害，特別是在加工后的存放期間，能夠有效防止金屬部件生銹和玻璃表面出現(xiàn)銹跡。防銹劑的種類、配比及添加量的高低對切削液體系的綜合性能具有顯著影響。添加量不足會導致防銹效果差，而過量則可能影響體系的潤滑性，增加成本浪費。結合性能與成本等多種因素，最終選定復配體系中的防銹劑進行防銹性能和緩蝕性能測試，測試結果如圖1所示。實驗結果表明，該體系在晶體加工過程中不僅顯著提高了工件的防銹性能，還兼顧了切削液的潤滑性能，對切削刀具和機床的保護也具有良好的效果。

圖1 鑄鐵屑1:10及1:15稀釋防銹性能測試（由左至右）
       4.2 磨削速率測試
       為確保晶體切削液在實際應用中的磨削速率，進行以下磨削速率測試實驗。以石英玻璃為例，圖1所示自研品、市售切削液、純凈水作為研磨介質結合D9鉆石墊測試比對結果。由圖2可知，切削液使用初期，純凈水的磨削速率與市售切削液相近（均低于自研品），在研磨3次后，磨削速率開始出現(xiàn)了急劇下滑，相比之下，無論是自研品還是市售切削液，相對純凈水均表現(xiàn)出研磨速率穩(wěn)定和表面粗糙度更低的特性。這是由于固結磨料磨削加工的材料去除機理是磨粒對工件的切削作用實現(xiàn)材料的去除，而切削液通過腐蝕、潤滑機制共同作用于磨削過程，優(yōu)化了工具和工件之間的相互作用。
       使鉆石墊進行石英玻璃減薄時，形成一定的自銳性，確保磨削過程的穩(wěn)定性和高效性。而水作為研磨介質在鉆石墊加工過程中，由于其本身性質的限制，無法提供加工所必需的潤滑極壓性。這會導致加工過程中產(chǎn)生過高的摩擦和熱量，使產(chǎn)品表面出現(xiàn)“鈍化”現(xiàn)象，即切削性能下降，研磨速率持續(xù)降低，并最終影響產(chǎn)品的整體壽命。
       試驗結果表明，切削液磨削過程中，自研品相對市售研磨液而言，具有更高的切削速率和更優(yōu)異的表面加工效果，速率大于30μm/min，提高了約15-20%且磨削穩(wěn)定性好；平均粗糙度更低且研磨一致性更穩(wěn)定。對石英材料的磨削速度，工具磨損較傳統(tǒng)切削液降低了約20%，特別是在鉆石墊使用過程中，切削液有效減少了磨粒的粘附，降低了磨損速率，延長了工具壽命。

圖2 自研品、市售切削液、純凈水磨削速率

—粗糙度隨使用時間變化的趨勢圖

       4.3 循環(huán)性能測試
       在評估切削液產(chǎn)品性能的眾多指標中，循環(huán)性能測試是一個至關重要的方面。它直接關系到切削液在使用過程中的加工精度，從而確保加工質量和效率。為了直觀展示自研切削液在沉降性方面的優(yōu)勢，我們進行了自研品和市售切削液循環(huán)三天的研磨測試。測試后，取上清液并觀察其沉降情況。結果如圖3所示，自研切削液的沉降性明顯優(yōu)于市售切削液，上層切削液保持清澈透明，顯示出良好的流動性和穩(wěn)定性。而市售切削液樣品則呈現(xiàn)出較為渾濁的狀態(tài)，雜屑分散在切削液中，未能有效沉降。對比結果顯示，自研切削液沉降性卓越，清洗作用強，能有效消除雜屑，保持切削液清潔穩(wěn)定，確保加工質量和效率。

圖3 自研品、市售切削液循環(huán)三天靜置效果圖

       5、切削液在硬脆材料加工中的應用面臨挑戰(zhàn)及相應對策
       在硬脆材料的精密加工中，切削液不僅是確保加工效率的關鍵因素之一，而且對最終加工質量、工具壽命以及生產(chǎn)環(huán)境的影響至關重要。鉆石墊減薄技術作為一種先進的加工方法，通過金剛石磨粒的微小切削作用，實現(xiàn)了對石英玻璃等硬脆材料的高效、高精度加工。在這一過程中，切削液的選擇和應用至關重要。實際應用中，可以根據(jù)加工參數(shù)、刀具類型、切削液濃度等因素進行調整和優(yōu)化。例如，在高速切削時，應適當增加切削液的濃度和壓力，以提高潤滑和冷卻效果，常用稀釋濃度為：莫氏硬度＞7為1：3稀釋，壓力：200g/c㎡；莫氏硬度≤7為1：8稀釋，壓力200g/c㎡；此外在加工精度要求較高時，可以選擇具有更高潤滑性能的切削液，以減少刀具磨損和表面粗糙度。盡管切削液在磨削過程中取得了較好的效果，但在實際應用中，研磨過程仍然面臨一些問題。
       5.1 泡沫“回彈”問題
       在高負荷磨削條件下，切削液可能產(chǎn)生較多的泡沫，產(chǎn)生“干摩擦”造成工件損傷。盡管加入了消泡劑，但在極端工況下，泡沫問題仍然存在，影響了加工的穩(wěn)定性。解決方案：通過優(yōu)化切削液配方，增加消泡劑的比例，并使用專門的泡沫抑制技術，如選擇低泡或無泡的切削液，解決了該問題。
       5.2 磨屑的過濾/循環(huán)性
       在水磨過程中，磨屑在加工流動中難以完全清除，容易附著在工件和砂輪表面，影響加工精度和表面質量。解決方案：加強切削液的清洗性和滲透性，確保磨屑及時排除，避免磨屑的再沉積。同時減少產(chǎn)品中吸強附性助劑的添加，選用位阻低流動性較強助劑，依靠“固態(tài)懸浮密度差”促進粉末快速沉降，增強切削液清洗效果，避免磨屑二次傷害。
       5.3 溫度控制
       在高負荷、高速磨削條件下，切削液的冷卻效果可能不足，導致磨削過程中的溫度過高，尤其是硬脆材料在磨削時容易產(chǎn)生局部過熱，增加材料的內應力，甚至引發(fā)裂紋。解決方案：通過提高切削液的流動性和冷卻效果，增強切削液對熱量的帶走能力。此外，調整磨削參數(shù)（如降低進給速度）也有助于緩解高溫問題。
       6、結論
       切削液在石英玻璃等硬脆材料的加工過程中發(fā)揮著至關重要的作用。通過合理的選擇和應用切削液，可以顯著提高加工效率和表面質量，降低加工成本，為高科技領域的發(fā)展提供有力支持。未來，隨著材料科學和切削技術的不斷進步，切削液的性能和應用也將得到進一步的優(yōu)化和拓展。
       作者簡介
       何曉艷 女 1978年10月出生，中共黨員，高級工程師。畢業(yè)于北京工業(yè)大學控制工程專業(yè)，并獲得碩士學位，現(xiàn)任北京利研副總經(jīng)理兼工藝項目研發(fā)。帶領團隊進行精密研磨材料的開發(fā)，生產(chǎn)。
       申請發(fā)明專利11項（包括1項國外專利），其中3項目已授權；帶領團隊完成SiC碳化硅超精密研磨拋光工藝和相關耗材的設計和開發(fā)；開發(fā)一種多孔砂棉的制備，2023年創(chuàng)600萬元銷售額，技術水平處于領先地位，填補國內空白。