（化工过程机械专业论文）绿色切削液的研制.pdf

绿色切削液的研制 摘要 本文简要描述了金属加工液的基础知识，介绍了如：车、铣、刨、磨、 钻等金属切削加工的基本原理。针对它们的基本原理，依据它们的润滑性、 冷却性、防锈性、抗磨减摩性、杀菌性以及环保要求等问题而研制的绿色 切削液。该切削液可根据不同的稀释比例应用于车、铣、刨、磨、钻等金 属加工工序，是一种金属加工通用油液。 绿色切削液的研制主要是从基础液和添j j h 齐j 两方面入手。在基础液方 面，采用动物血清以及水聚性聚醚( p a g s ) 和水配制而成。论文对猪血清在 水和水溶性聚醚( p a g s ) d p 的摩擦学性能进行了实验研究。实验表明，血清 在水和水聚性聚醚( p a g s ) 中均具有较好的抗磨减摩性能。通过相应的配比 实验确定了血清和水溶性聚醚在水中的配比。在添加剂方面，根据金属加 工的特点及要求，选择合适的添加剂，并对添加剂进行了相关的理化性实 验。通过对添加剂的相关实验，确定了添j j n 齐j 的复合配比。根据正交实验 方法确定了9 个方案。依据正交实验结果，运用模糊层次分析法对正交实 验方案进行最佳配方的优选。 最后通过对研制切削液进行理化指标测试，可以清楚地看出研制的切 削液具有良好防锈性、抗磨性、杀菌性、冷却性和抗烟雾性能、抗泡性等。 同时，还拥有良好的生物降解性能，是绿色环境友好型切削液。通过模拟 实验表明，研制的绿色切削液能够达到项目预期规定要求，能够很好的满 足切削加工的要求。 关键词：切削液切削加工生物降解模糊层次分析法 t h er e s e a r c ho ng r e e nc u t t i n gf l u i d a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ns i m p l yd e s c r i b e st h eb a s i ck n o w l e d g eo fm e t a lw o r k i n g f l u i da n di n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm e t a lc u t t i n gw o r k ，s u c ha s ：l a t h e i n g ， m i l l i n g ，p l a n i n g ，g r i n d i n g ，b o r i n ge t c t h eg r e e nc u t t i n gf l u i di sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h e i rb a s i cp r i n c i p l ea n dt h e i rl u b r i c a t i n g ，c o o l i n g ，a n t i r u s t ，e p a w , s t e r i l i z a t i o n r e q u i r e m e n t s a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n t p r o p o r t i o n o ft h e d e v e l o p m e n tc u t t i n gf l u i d ，i t c a nb ea p p l i e dt o l a t h e i n g ，m i l l i n g ，p l a n i n g ， g r i n d i n g ，b o r i n ga n ds oo n t h e r e f o r ei ti sa u n i v e r s a lo i y f l u i do fm e t a lw o r k i n g t h er e s e a r c ho ng r e e nc u t t i n gf l u i ds t a r t sf r o mt h et w of i e l d s ：t h eb a s ef l u i d a n da d d i t i v e s i nt h eb a s ef i e l d ，i ti si n c l u d e dw i t ht h ea n i m a l ss e r u m ，w a t e ra n d p a g s t h et h e s i sm a k e ss o m ee x p e r i m e n t sa b o u tt h et r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro f p i g ss e r u mi nt h ep a g sa n dw a t e r t h er e s u l ts u g g e s t st h a tp i g ss e r u mi nt h e p a g sa n dw a t e rh a se x c e l l e n te p a wp r o p e r t i e s a n dt h e p r o p o r t i o n i s c o n f i r m e db yc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s i nt h ea d d i t i v ef i e l d ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n t so fc u t t i n gw o r k ，t h ea p p r o p r i a t ea d d i t i v e sa r e c h o s e m e a n w h i l es o m er e l e v e n tp h y s i o c h e m i c a le x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tf o r t h e s ec h o s ea d d i t i v e s i tc a nc o n f i r mt h ep r o p o r t i o no fa d d i t i v e sb yr e l e v e n t e x p e r i m e n tf o rt h e s e a d d i t i v e s a tl a s t ，9s c h e m e sa r ec o n f i r m e db yt h e o r t h o g o n a lt e s tm e t h o d a n dt h e nt h eb e s te x p e r i m e n ts c h e m ei so p t i m i z e db y t h e f u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( f a h p ) a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so f o r t h o g o n a lt e s t a tl a s t b yt h ep h y s i c o c h e m i c a lp e r f o r m a n c et e s t f o r t h e d e v e l o p m e n t c u t t i n gf l u i d ，i ti so b v i o u st h a tt h ed e v e l o p m e n tc u t t i n gf l u i db ep o s s e s s e do f e x c e l l e n ta n t i r u s t ，e p a w , s t e r i l i z a t i o n ，a n t i s m o g ，a n t i f o a mp r o p e r t i e sa n ds oo n a n da l s oi th a sg o o db i o d e g r a d a b i l i t y , a n dg r e e ne n v i r o n m e n tf r i e n d l yc u t t i n g f l u i d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dt e s t ，i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ed e v e l o p m e n tg r e e n c u t t i n gf l u i dc a nw e l lm e e tw i t he x p e c t e dr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c ta n d s a t i s f a t i o no ft h ec u t t i n gw o r k sr e q u i r e m e n t sw e l l k e yw o r d s ：c u t t i n gf l u i d ；c u t t i n gw o r k ；b i o d e g r a d a b i l i t y ；f u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 、曹在夸 学位论文使用授权说明 年6 月e l 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 哦口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：嗜在奢导师签名翰h i武吖年月1 日 广西大学硕士掌位论文 第一章金属材料及切削工艺 材料是技术提升的根本，金属工程材料是国民经济最为基础的材料之一，同时也是 目前国民经济各部门使用量最大的材料品种之一。它包括金属及其以金属为基础的合 金。因为金属构成原子之间的结合方式基本上是金属键结合，所以金属材料皆为金属晶 体材料。 金属的机加工是制造过程中的重要一环，是设备制造过程不可缺少的。根据刀具结 构的不同，金属切削工艺可分为刃形和刃数固定的刀具切削加工( 如车削、铣削、钻削、 镗削、刨削、拉削、锯削等) 及刃形和刃数不固定的磨具或磨料切削加工( 如磨削、研磨、 珩磨、抛光等) 两大类。主要的加工工艺可分为车削、磨削、铣削、刨削、轧制、挤压、 拉削等。 1 1 金属材料 金属材料种类繁多，它是由金属元素或以金属元素为主，其他金属为辅构成的具有 金属特性的工程材料。通常，我们习惯上把它分成黑色金属材料和有色金属材料两大类 【l 圳。金属材料原子间的结合方式基本上为金属键。晶体是指物质的质点( 分子、原子或 离子) 在空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。在固态下，金属通常都是晶体。 钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，这是由它的化学成分和内部组织结构 所决定的。钢铁材料的两个最基本的组元是铁和碳。铁素体是碳溶在0 【f e 中的一种间 隙固溶体，用符号f 表示。由于f e 是体心立方晶格，原子间间隙较小，因此溶碳能力 小，在室温下仅溶碳0 0 0 6 0 0 0 8 。在7 2 7 时，溶碳量可达0 0 2 1 8 。奥氏体是碳 溶在丫一f e 中的一种间隙固溶体，用符号a 表示。丫f e 为面心立方晶格，原子间隙比o 【f e 稍大，因而其溶碳能力比0 【f e 也大。在7 2 7 时，溶碳量为0 7 7 ，到l1 4 8 时最大溶 碳量2 1 l 。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用p 表示。 1 1 1 黑色金属 黑色金属材料包括生铁、铁合金、铸铁和钢。黑色金属应用的最为广泛，以铁为基 础的合金材料占整个结构材料和工具材料的9 0 以上。黑色金属的工程性能比较优越， 价格也比较便宜，是最重要的工程材料。 1 1 1 1 钢铁 钢是生铁( 炼钢生铁) 或生铁加一部分废钢经冶炼而成的。钢中含碳量低于2 1 1 ， 钢的主要成分是铁碳( c ) 和( f e ) ，次要成分有铬( s i ) 、镍( n i ) 、硅( s i ) 、硫( s ) 、磷( p ) 、锰( m n ) 等。其中，s 、p 是有害元素。其杂质( 主要指s 、p ) 含量降低到规定标准。钢的种类很 多，下面将按外形分类和化学分类进行简单介绍： ( 1 ) 根据外形分类 通常，钢材按外形可分为型材、板材、管材、金属制品四大类。为便于商家的采购、 订货和库存及各种管理维护，目前，我国把钢材分为1 6 个品种。见下表1 1 ： 表1 - 1 国内钢材分类 t a b j e1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f h o m e sr o l l e ds t e e l ( 2 ) 根据化学成分分类 a 非合金钢 非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制的质量要求，但化学成分和机械性能 必须保证在规定范围内，杂质( 主要p 、s 等) 也必须在规定范围内。它主要用于生产板、 带、型等普通构件，大多不经热处理直接使用。碳素钢是钢中应用最多的、数量最大的。 常轧制成板材、型材及异型材，用于一般结构和工程。钢的牌号由代表屈服点的字母( q ) 、 屈服点数值、质量等级符号( a 、b 、c 、d ) 、脱氧方法符号( f 、b 、z 、t z ) 等四部分按顺 序组成。如q 2 3 5 一a f 。 b 低合金钢 低合金钢在钢中加入少量合金元素，大多含碳量较低，因而具有良好的塑性、韧性 和焊接性能，有的还具有耐腐蚀、耐低温等特性。合金元素的作用是提高淬透性、回火 稳定性和固溶强化。低合金钢是一类很有发展前途的钢，在钢的生产中比例越来越大。 二次硬化型超高强度钢，此类钢是通过淬火，高温回火处理后，析出特殊合金碳化物而 达到弥散强化( 且p - - 次硬化) 的超高强度钢。它主要有两类：c r - m o v 型中碳合金马氏体 热作模具钢和高韧性n i c o 型低碳合金超高强度钢。而马氏体时效钢通过高温固溶处理 得到超低碳单相板条马氏体，然后再进行时效处理( 4 8 0 左右) 析出金属间化合物( 如 n i 3 m o ) 起弥散强化作用【3 1 。 c 合金钢 2 广西大掌硕士掌位论t k绿色切削液的研制 为克服碳素工具钢淬透性低的弱点，提高耐磨性，在保持较高含碳量的基础上，在 钢中加入s i 、m n 、c r 、w 、m o 、v 等元素，提高了合金钢淬透性。合金钢的牌号由数 字和化学元素符号组成。当钢中含碳量小于1 0 0 时，牌号前数字表示含碳量的名义千 分含量，牌号前原数字者表示含碳量不低于1 0 0 元素符号，后数字表示合金元素的名 义百分数。合金钢主要包含弹簧钢、工具钢、不锈钢等。 弹簧钢是用来制造各种弹簧的钢。弹簧依靠其工作时产生的弹性变形在各种机械中 起缓冲、吸振的作用，并利用其储存能量，使机械完成规定的动作。因此弹簧材料应具 有高的弹性极限、疲劳强度，并具有一定的塑性、韧性。对于特殊条件下工作的弹簧还 有某些特殊要求，如耐热、耐腐蚀等【4 】。 工具钢是专门用于制造各种刃具、模具、量具和手工工具的钢种，它以高硬度、高 耐磨性为性能特征。工具钢均为优质钢，它包括碳素工具钢和合金工具钢两类。碳素工 具钢的含碳量很高，通常在0 6 5 1 3 5 之间，s 、p 杂质的含量分别不得超过0 0 3 - - 一 0 0 3 5 ，碳素工具钢经淬火、低温回火后具有较高的硬度和耐磨性，但它的淬透性和热 硬性差。因此，碳素工具钢通常只用于制作手工工具和小型、低速、小走刀量的机用工 具。因为碳素工具钢在淬透和热硬性方面的不足，所以合金工具钢针对这些不足而发展 起来。合金工具钢的主要性能是高硬度、高热硬性以及良好的抗磨性和足够淬透性。通 常含碳量在0 6 1 5 之间【5 1 。 不锈钢是指在空气、碱或盐的水溶液等腐蚀介质环境下具有高度化学稳定性的钢。 它主要分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。典型的铁素体不锈钢是c r l 7 钢，其含碳量小于0 1 2 ，含c r 量为1 6 1 8 ，为单相铁素体组织，它具有耐腐蚀性、 塑性好、强度低的特点。马氏体不锈钢平均含碳量0 1 o 4 5 之间，平均含c r 量为 1 3 。它随着含碳量的增加，其强度也增加，但耐腐蚀性下降。奥氏体不锈钢最典型的 是1 8 8 型镍铬不锈钢，含n i 为9 ，含c r 为1 8 ，主要作用是增加钢的钝化能力，提 高耐蚀性。由于c r 和n i 的共同作用，更进一步提高钢耐蚀性，典型钢号是1 c r l 8 n i 9 t i 6 1 。 1 1 1 2 铸铁 铸铁是含碳量大于2 1 的铁碳合金，与生铁相比，铸铁是二次加工，大都加工成 铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性、耐磨性、消震性等特点。铸铁种类很多，一般分为 白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁5 种。灰铸铁的组织有铁素体+ 石墨、铁素体+ 石墨+ 珠光体、珠光体+ 石墨三种。可锻铸铁是由白口铸铁经过长时间石墨化退火而得到 的一种高强度铸铁，其石墨呈团絮状。球墨铸铁是铸铁熔炼过程中加入球化剂和孕育剂 使石墨球化而得到的，其强度、塑性、韧性均高于其他铸铁。 1 1 2 有色金属 有色金属是指除黑色金属以外的金属和合金，如铜、铅、钛、锌、锡、铝、镍、镁 以及铜合金、钛合金、铝合金、锌合金、镍合金、镁合金和轴承合金等。在国民经济的 各行业中，铝和铝合金以及铜和铜合金是使用范围最广的。 广西大掌硕士掌位论文 1 1 2 1 铝和铝合金 1 铝及铝合金的种类 由于良好的导电性，铝已所以成为导线、电缆等的主要材料之一。由于耐氧化、耐 腐蚀、以及铝合金比重轻，且强度又与合金钢相齐，良好的可塑性，可铸造性和很好的 可切削性，因而非常适宜生产轻的机械零部件或机构，现已逐渐成为航空工业不可或缺 的航空材料之一。铝及某些铝合金，如铝镁合金，铝硅合金等，利用阳极氧化等方法， 通过着色工艺，着各种不同的颜色，现已广泛应用在包装、装饰材料中。 铝合金包括非热处理型合金和热处理型合金。非热处理型合金有纯合金、铝锰合金、 铝硅合金、铝镁合金。热处理合金有铝铜镁合金、铝镁硅合金、铝锌镁合金。 2 铝及铝合金的切i i i i 工 纯铝具有强度硬度低、塑性大的特点，因而很适合塑性成形加工，但切削加工时变 形强化倾向大，易粘刀，很难获得表面质量好的已加工表面。由于铝合金质地柔软，塑 性较大，这导致在切削时粘刀，从而较易形成积屑瘤。此外，在高速切削时，因切削热 大，以及形成积屑瘤的原因，在刀具上可能产生熔焊现象，从而丧失切削能力，并影响 加工质量。另外由于铝合金的热胀系数大，切削热极容易引起加工工件的热变形，从而 降低加工精度，影响工件的加工质量。 此外，铝及铝合金的加工方法还有冷轧、热轧、挤压、拉拔等加工工艺。通常，铝 箔的加工常用于轧制来完成，而铝合金管、棒、型、线材等常采用挤压和拉制来完成。 1 1 2 2 铜和铜合金 1 铜和铜合金种类 铜的导电性和导热性非常好，广泛利用于电力行业。铜的合金，可极大地提高它的 强度和耐锈蚀性。铜合金按主要成分分为黄铜、青铜和白铜。黄铜属铜锌合金。含铜8 0 、 锌2 0 的黄铜主要用于汽车行业中的冷凝器和散热器上。普通黄铜的机械性能和抗蚀性 均一般，为弥补这些缺陷，常常加入锡、铅、铝、铁等功能元素制成特殊功能的黄铜。 如：锡青铜常用作轴承和耐磨零件等；而铅青铜用作强腐蚀性的环境下工作的零部件、 以及钟表及仪表等零件中的微小部件。 2 铜和铜合金的切削加工 纯铜强度硬度较- f 氐( 4 0 - - , 5 0 h b s ) ，不能热处理强化，它只能通过冷加工变形强化， 但因塑性大，纯铜的切削加工性能跟纯铝相同，变形强化倾向大，且容易粘刀，加工出 表面质量好的已加工表面比较困难。通常要选用润滑性能较好的减摩切削油才可避免粘 刀，避免产生积屑瘤等。黄铜的强度、硬度均高于紫铜，但有一定的脆性，因而加工时 容易产生崩碎切屑的问题。它的切削加工性能比紫铜要好，可选用非活性的减摩乳化切 削液和微化切削液进行润滑和冷却。青铜尤其是铍青铜的强度、硬度非常高，可以选用 普通乳化切削液和微乳化切削液。此外，在选择铜及铜合金的切削液时，必须注意切削 液对铜的腐蚀性。使用水基切削液时需注意选择抗硬水能力强、p h 值不能太高、不含 活性硫添加剂的切削液，与此同时在切削液中还需添加铜合金缓蚀剂以避免铜及铜合金 4 广西大掌硕士掌位论文 绿色切削液的研制 的腐蚀。 1 1 2 3 其他有色金属及其合金 1 镁及其合金 镁合金的切削加工性比铝合金和铜合金都要好，在切削时的功率消耗约为铝合金的 三分之一、铜的十分之一。在某些特殊情况下，镁合金可以干切削。干切削时的主要问 题在于高的切削热可能引起切屑和粉尘燃烧，有火灾风险，因此镁合金的加工方式仍以 湿式加工为主。 2 铅及其合金 铅及其合金强度、硬度低，很容易切削。既可以采用干切削，也可采用各种水基切 削液进行湿式加工。但湿式加工时，由于切屑在乳化液中易生成铅皂，从而破坏了切削 液的稳定性；而如果使用油基切削液时，切屑有使油基切削液产生稠化。因此，采用湿 式加工时，应使用合成切削液较好。 3 锌及其合金 由于锌及其合金的切削面不规整，难以取得很好的表面质量，且与乳化液易生成锌 皂，使乳化液分离，应选择专用乳化切削液。 1 2 金属切削工艺 金属切削是指用带刃口的切削工具( 如各种刀具、磨具和磨料等) ，在切削机床上 将坯料或工件上多余的材料层切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸精度和 表面质量的加工方法。 1 2 1 金属切削加工原理 在切削加工中，刀具与工件之间必须有相对运动切削运动【7 1 。如图l 一1 所示： 图1 1 切削原理图 f i g 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo fc u t t i n g 5 广西大掌硕士掌位论文绿色切削液的研制 切削加工须有三个基本条件，即切削工具、工件和切削运动( 由机床来完成) 。切削 运动一般由金属切削机床来实现。按其功用，切削运动又可分为主运动、进给运动和合 成切削运动， 1 主运动 主运动是切削时最主要的、消耗动力最多的运动，它是刀具与工件之间产生的相对 运动。车、镗削的主运动是机床主轴的旋转运动。 2 进给运动 进给运动是刀具与工件之间产生的附加运动，以保持切削连续地进行。 3 切削层 切削层是指切削时刀具切过工件的一个单程所切除的工件材料层。 1 2 2 金属切削工艺 切削加工种类繁多，根据加工对象的材料可分为金属切削加工和非金属( 如玻璃、 石材、木材、塑料、橡胶等) 切削加工两大类。根据表面形成方法又可分为刀尖轨迹法、 成形刀具法、展成法等。根据工艺特征可分为车削、铣削、磨削、刨削、轧制、挤压、 拉削等。下面就这些加工工艺予以简单介绍。 1 2 2 1 车削 车削是指工件旋转，车刀在平面内作直线或曲线移动的一种切削方式。车削加工 范围非常之广，可以车内、外圆柱面或圆锥面、车端面、切槽、切断、车螺纹等。在车 床上也能进行一些非车削加工工艺如：钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹、滚花等。 车削中工件旋转，形成主切削运动。刀具沿平行旋转轴线运动时，就形成内、外圆 柱面。刀具沿与轴线相交的斜线运动时，就形成锥面。仿形车床或数控车床上，可以控 制刀具沿着一条曲线进给，这时则形成一特定的旋转曲面。采用成型车刀横向进给时， 还可加工出旋转曲面。车削还可以加螺纹面、端平面及偏心轴等。 车削根据其加工精度的不同，可分为粗车、半精车、精车和精细车。粗车精度可达 到i t l 3 i t l l 表面粗糙度r 。为5 0 1 2 5g m ，适用于迅速切去多余金属的加工，常采 用较大的背吃刀量、较大的进给量和中速车削。因为背吃刀量和进给量都较大，所以切 削力大，所消耗的机械功转化为大量的切削热，容易加速刀具磨损，同时还易产生烟雾 等。为了及时带走大量地切削热，降低切削区的温度，从而延长刀具寿命，应选择以冷 却作用为主，并具有一定清洗、润滑和防锈作用的水基切削液，如乳化切削液或微乳化 切削液。半精车精度可达到i t l 0 i t 9 ，表面粗糙度如为6 3 3 2 岬，精加工精度可 达i t 8 i t 6 ，表面粗糙度r 。为1 6 o 8g m 。 同时由于采用刀具的不同对切削液的性能要求也不尽相同。硬质合金刀具车削相对 加工性较好的材料( 如灰铸铁、碳素钢、普通黄铜等) 时，可以采用干切削的加工方式。 一般说来，湿切削的效果会更好，但必须连续充分地供给切削液，否则会使硬质合金刀 具受到热冲击而导致裂纹或破损。而与硬质合金相比，高速钢刀具的耐高温性能远不如 硬质合金，通常切削速度较低，宜选用以润滑作用为主的切削液【8 】。 6 g - 西大掌硕士学位论文 1 2 2 2 铣削 铣削分为粗铣、半精铣和精铣。铣削过程为断续切削。零件精度可达i t l 0 一i t 8 ， 表面粗糙度r 。为6 3 1 6p m 。铣削时主切削运动是刀具的旋转。卧铣时，平面的形成 是由铣刀的外圆面上的刃形成的；立铣时，平面是由铣刀的端面刃形成的。提高铣刀的 转速可以获得较高的切削速度，因此有较高的生产率。但是由于铣刀刀齿的切入、切出， 会形成冲击，切削过程容易产生振动，因而限制了表面质量的提高。同时，冲击也加剧 刀具的磨损，容易导致刀片的碎裂。 铣削方式有周铣和端铣。周铣即用铣刀的圆周来铣削，按照铣削时主运动速度方向 与工件进给方向的相同或相反，又分为顺铣和逆铣。顺铣时铣削力的水平分力与工件的 进给方向相同，工件台进给丝杆与固定螺母之间一般有间隙存在，因此切削力容易引起 工件和工件台一起向前窜动，使进给量突然增大，引起打刀。在铣削铸件或锻件等表面 较硬的工件时，顺铣刀齿首先接触工件硬皮，加剧了铣刀的磨损【9 】。逆铣时铣刀在工件 切放处的切削速度方向与工件进给方向相反，这样可以避免顺铣时发生的窜动现象。逆 铣时，因为切削厚度是从零开始逐渐增大，所以刀刃开始经历了一段在切削硬化的已加 工表面上挤压滑行的阶段，加速了刀具的磨损。端铣通常是用铣刀的端面刃铣削，适用 于大批量铣削宽大的平面，并具有较高的生产率和较好的表面质量。 铣削加工因为是断续性地切削，所以有周期性的冲击和振动，并且刀齿厚度也随着 周期性变化，使切削刃受到热冲击，容易发生破损。硬质合金刀具铣削时能否供给切削 液的问题，有着各种广泛地议论和研讨。过去多主张采用干切削。因为高速钢刀具的耐 高温性能远不如硬质合金刀具，如采用干式铣削，容易出现退火、卷刀等现象，所以用 高速钢刀具进行铣削加工必须使用高性能的金属切削液。 总而言之，铣削是断续切削，其铣削条件比车削条件差，高速铣削时，需要冷却性 良好并具有一定润滑性能的切削液，如极压乳化液；而低速铣削时，要求用润滑性良好 的切削油，如减摩切削油或非活性极压油。对于不锈钢和耐热合金钢，可用含硫、氯极 压添；b u n 的切削油来实现高质量的切削加工。对于高温合金、特殊铝合金等类材料，供 给切削液对改善已加工表面粗糙度有很好的效果i l 。 1 2 2 3 钻削 钻削是在钻床上用钻头旋转在实体材料上加工内孔的一种工艺加工方法。它是孔加 工的最常用方法之一。钻削包括钻孔、扩孔和铰孔等方法，主要用于小孔的加工。 钻削属于粗加工，加工精度较低，只能达到i t l 3 , - - 一i t l1 ，表面粗糙度r 。为5 0 - - 1 2 5 1 t m 。为了改善孔的表面质量，在钻孔后通常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。 钻孔采用的刀具是麻花钻，常用的钻削机床有摇臂钻床、台式钻床、立式钻床，也可在 车床、铣床和镗床上钻孔。在钻孔加工中，麻花钻应用最广，但受空间限制，因为麻花 钻本身有着不少的缺陷。例如：标准麻花钻沿主切削刃各点前角差别悬殊，横刃上的前 角可以达到- - 5 4 0 - - 6 0 0 ，因此在钻削时，轴向力大，功率消耗大，发热量大。因此切 削沿排屑槽排出时的摩擦都将转化为大量的热。如果切削热不能被及时传出，钻头很容 7 广西大掌硕士学位论文绿色切削液的研制 易被磨钝甚至烧损。因此切削液的正确使用对加工效率、加工质量和麻花钻的使用寿命 都至关重要。 1 2 2 4 磨削 磨削是以砂轮或其他磨具对加工工件进行加工，其主运动是砂轮的旋转。砂轮由磨 料、结合剂和气孔构成。磨料具有高硬度、耐磨性好、韧性好、耐热性好等特点，并且 有锋利的外部形状。实际上，砂轮的磨削过程是磨粒对加工工件表面的切削、犁沟和摩 擦三种作用的综合过程。在磨削过程中，磨粒本身也由尖锐逐渐变钝，使切削作用变差， 切削力变大。当切削力超过黏合剂强度时，磨粒脱落，露出一层新的磨粒，形成了砂轮 的“自锐性”。但切屑和碎磨粒仍然会将砂轮阻塞。因而，磨削一定时间后，需要用金 刚石车刀等对砂轮进行修整i l 。 磨削时，由于刀刃很多，所以其加工平稳，加工精度高。在过去，磨削一般用于半 精加工和精加工，表面粗糙度r a 可达1 2 5 0 0 1g m ，甚至可达o 1 o 0 0 8p m 。除此特 点以外，磨削还可以对淬硬的金属材料进行加工，如：淬硬钢、耐热钢及特殊合金材料 等坚硬材料。磨削是直接提高工件精度的一个重要的加工方法。因为一方面磨削具有磨 粒硬度高，能切除极薄的切屑；另一方面砂轮磨粒的等高性好，能获得较好的表面质量。 同时由于磨削时温度较高，所以容易产生烧伤现象。磨削时，产生的热量大，需有充分 的切削液进行冷却。 1 2 2 5 包i 悄l j 刨削是用于平面加工的一种方法，其加工精度较低，一般在i t 9 i t 8 ，表面粗糙度 r 。为6 3 1 6g m ，精刨的表面粗糙度r a 可达o 8 0 4g m 。刨削时，刀具的往复直线运 动为切削主运动。因此，刨削速度不能太高，生产率比较低。 刨削的设备有牛头刨床和龙门刨床两种。牛头刨床主要用于平面的粗加工和半精加 工；而龙门刨床则采用宽刃刨刀，它可以提高平面的加工精度，加工出来的产品表面粗 糙度r 。可达o 8g m 以上，直线度在长度1m 上不大于o 0 2m m 。同时，采用多刀、多 件加工可提高生产率。插削平面实际上与刨削平面一样，用于加工方孔、多边形孔、键 槽等内表面l l 引。 1 2 2 6 拉削 拉削单从切削性质上来看，它是插削和刨削的推演，不过从生产效率和精确度上来 看，则完全是一种先进的加工方法。拉削是成形表面的精加工方法，它可以加工各种不 同的内孔及各种内表面，如：圆形、方形、多边形及其它形状孔和内表面等。其工作原 理如图l 一2 ： 8 广西大学硕士掌位论文绿色切削液的研制 图l - 2 拉削工作原理图 f i g 1 - 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo f 卜模子；2 一坯料 1 - m o u l d ；2 一b i l l e t 通常拉削常用于大批量生产，但近年来，在小批量生产中，也有采用拉削来加工高 精度的零件表面。拉削的特长是能够高效率、高精度地加工出具有复杂形状的工件表面。 拉削精度可达i t 7 9 ，表面粗糙度r a 2 5 0 6 3g m 。由于拉削属于封闭式切削，排屑困 难，切削力大，因此容易产生鳞刺和积屑瘤，加工工件表面也很容易被刮伤，因此要求 切削液的减摩性能和极压润滑性能好。切削液中增加活性硫特别是氯的有效成分可降低 切削阻抗。按照被加工材料来看，对钢材和不锈钢拉削时，为了防止产生积屑瘤，以使 用活性硫化或氯化切削油为宜。但拉削铝合金时可以使用乳化切削液和微乳化切削液， 但不得含有活性硫添加剂，因为活性硫添加剂易致铝合金产生锈蚀。 1 2 2 7 轧制 轧制是借助旋转轧辊的摩擦力( t ) 将轧件拖入轧辊间，同时依靠轧辊施加的压力( n ) 使轧件在轧辊间发生压缩变形的一种材料加工方法。其工作原理图如下图1 3 ： 、 弃 ， 1 0 。7 个m l ，真菌总数 1 0 3 个m l 。本文采用的实验条件如下： ( 1 ) 金属加工液：采用硬度为1 6 0 , - 一2 1 0m g l - 1 ( 碳酸钙) 的水稀释乳化油，使用浓度为 3 0 。 ( 2 ) 培养温度为：3 0 士l 。 表4 一1 4 为k t l 0 1 和i p b c 的切削液配方： 表4 1 4k t l 0 1 和i p b c 的切削液配方 t a b l e4 1 4t h ed e v e l o p m e n tc u t t i n gf l u i d sf o r m u l a t i o no f k t l 0 1a n di p b c 广西大掌硕士掌位论文 绿色切削液的研制 表4 1 5 为复合后的微生物实验结果： 表4 1 5 复合后的微生物实验结果 t a b l e4 - 15t h er e s u l to fm i c r o b ea f t e rc o m p o s i t e d 3 8 广西大掌硕士掌位论文 绿色切削液的研制 表4 1 6 为切削液的p h 值： 表4 1 6 切削液的p h 值 t a b l e4 16t h ep hv a l u eo ft h ed e v e l o p m e n tc u t t i n gf l u i d s 3 9 丧4 - | 7 为p h 值的趋势曲线 i234j6789l o l l1 2 1 3 1 4 1 j 1 6 1 7 1 8 1 9 如2 l 盈船2 4 巧 b 囤4 0p 眦的趋势曲线 f i g4 - 3t h e c m l c u r v e o f p h v a l u e 通过对表4 一1 4 、表4 一1 5 、表4 - 16 、图4 _ 3 的分析可知可以看出k t l 0 1 和i p b c 的协 合作用明显。当1 的k t l 0 1 、i 的i p b c 和9 8 的切割液配比时达到报好的杀苗效果。 47 抗烟雾剂的选择 在车、铣、钻、磨等金属加工过程中由于切削热的作用，金属切削液会在空气 中形成夫置的油雾颗粒。这种现象被受到j t 泛关注。因为长期暴露在这种油雾颗粒的环 境中对操作工人的健康十分不利，而据美国职业安全与健康国立研究所0 4 i o s h ) 统计， 每年暴露在金属切削液油雾中的工人多达1 2 0 万【硎。 烟雾产生的机理非常复杂。有机床本身的作用，也有金属切自q 液的作用，还有更多 的是这二者的相互作用。产生的机理分成两种情况：一种情况是雾化，它是机床的旋转 的机槭麓通过切削加工的方式转化成为r 切削液的表面能。因为机床的激烈旋转把切削 液。打碎”，从而在切削加工过程中形成雾化；另一种情况是蒸发，它是指在切削加工 过程中。在切削区产生大量的切削热使切削液达饱和温度从而产生沸腾以致产生 蒸汽。这些蒸汽在在周围空气中，以小液滴或其它粒子为核心而凝结在一起，从而形成 烟云雾”。 m ” ， o 广西大掌硕士掌位论文 4 7 2 烟雾存在形式及危害 4 7 2 1 烟雾存在形式 根据烟雾产生的方式的不同，烟雾主要分为三种形式，干净烟雾( 不含固体粉尘) 、 因为高温产生的烟雾、含切屑粉尘的烟雾。这三种形式，它们的直径范围也各不同。通 常，干净烟雾的颗粒直径范围大概在2g m 以上，1 01 t m 以下。而高温产生的烟雾和含 切屑粉尘的烟雾它们的颗粒直径一般是在2 岬以下。 4 7 2 2 烟雾的危害 在切削加工的过程中，操作工人是接触烟雾的“第一人”。烟雾的危害将首先危害 到操作工人的身心健康，产生多种职业病。有研究表明【6 9 1 ，烟雾不仅导致操作工人的眼、 鼻和咽喉等慢性病，而且还对操作工人的肺部产生危害。当烟雾是液滴形式产生时，烟 雾颗粒很容易到达肺泡，并沉淀下来，从而造成操作工人的更大危害。此外，金属加工 液还有可能产生致癌的可能【6 9 1 。致癌性主要跟添加剂的剂量、添加剂的类型、添加剂的 生物毒性等各方面有关。同时，由于癌症的潜伏期比较长，所以简单证明切削液的致癌 性也是非常困难的【7 0 j 。 4 7 3 抗烟雾剂的选择 国内对水基金属切削加工液抗雾添加剂的研究报导较少，常使用的几乎均为水溶性 聚合物，其平均分子量( m 。) g k t t 1 0 6 【6 9 - 7 1 1 。可选择的类型有聚烷撑氧化物、聚丙烯酰胺、 聚甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺的共聚物以及不饱和的c 3 c 5 的羧。将这 些化合物加到金属切削加工液中，烟雾大幅度下降，有的下降幅度高达9 0 以上，而且 不影响金属切削加工液的润滑、冷却、清洗等其他性能。但是有很多抗烟雾剂j 例如聚 环氧乙烷，存在着抗剪切性差的缺点，其平均分子量随着加工时间增长而急剧减小，抗 雾效果下降明显。因此需要研发具有良好抗剪切性能的新型抗烟雾添加剂。 有研究表明，2 丙烯酰胺2 丙烷磺酸单体的聚合物有良好的抗剪切性能，在6 周的 时间内都有稳定的抗烟雾效果，烟雾下降4 0 6 0 ，在水基金属切削加工液中均具有 较好的抗剪切、抗烟雾性能【7 2 】。其确切添加比例在最终配比实验中予以确认。 4 8 其他添加剂的选择 金属切削加工液除含有以上添加剂外，还含有一些水基增稠剂以及p h 调整剂等。 水基增稠剂种类很多，一类是羟乙基纤维素类，为白色或微黄絮状物，在水中稠化 能力强，也有助乳化性，但剪切力下降，黏度也下降。另一类是p a g s 类，由环氧乙烷 环氧丙烷共聚，以甘油、季戊四醇或三羟甲基丙烷为起始剂，分子量大约为2 00 0 0 - 4 0 0 0 0 的产品的抗剪切性能较好，为粘稠无色液体，但增稠能力不如羟乙基纤维素。 习惯上，水基金属加工液的水稀释液希望保持弱碱性( p h 值8 1 0 ) ，这有利于抑制 微生物的生长繁殖，保护金属不致锈蚀，对操作者健康也有保护作用。因此在做配方选 4 1 广西大掌硕士学位论文 用添加剂时注意配方的酸碱性及其搭配效果。在金属切削液的使用过程中，由于添加剂 的消耗、水的蒸发以及金属切削加工液的补充，会使工作液的p h 值不断变化，应经常检 查与调整。为此应保持一定的p h 值，因此还须添加p h 调整剂来稳定p h 。 4 9 本章小结 本章确定了苯骈三氮唑、有机胺和硼酸盐作为防锈剂，它们的复配比例为：o 6 ：0 6 ： 0 8 ；选用了硼酸盐( 酯) 和磺酸钙作为极压抗磨剂，进行了相关的协合和复配实验，表明 它们间的复配比例为：1 2 ：1 2 ；选择非硅型丙烯酸酯与醚共聚物作为抗泡剂，经过抗 泡性实验，当添加量为0 0 5 时，己达到预期技术要求；选用了酚型和胺型二种抗氧剂； 选用了k t l 0 1 和i p b c 作为杀菌剂，经过相关实验考察，确定了他们的复合比例为1 ：l ； 最后选择了2 丙烯酰胺2 丙烷磺酸单体的聚合物作为抗烟雾剂。同时文中还对其他添加 剂进行了介绍，如p h 调整剂等。 4 2 广西大掌硕士掌位论文绿色切削液的研制 5 1 正交实验 第五章切削液全配方的确定与评定 通过对基础液的理化性能评定，以及对极压抗磨剂、防锈剂、杀菌剂、抗烟雾剂、 抗泡剂和抗氧剂等添加剂的性能考察，最终确定了研制的切削液中的各种添加剂及添加 量。在这个基础上利用正交实验水平因素表，选择添加剂的最佳配方比例。正交试验设 计( o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ) 是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正 交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀 分散，齐整可比”的特点。正交实验的特点是从多因素试验的多水平组合中挑选部分有 代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出 最优水平组合。它能够反映全面实验的结果，且不进行重复实验。虽然没有重复实验， 但每个因素下的每个水平都进行了一定的重复。所以，在研制切削液的配方过程中，采 用了正交实验来研究切削液中各添加剂的最佳配方比例。 切削液的性能主要取决于极压抗磨性、防锈剂、消泡剂和杀菌剂四大添加剂，所以 就确定这四个因素和三个水平进行l 9 ( 3 4 ) 正交试验，其因素水平数如表5 1 所示，实验 方案表如表5 2 所示，实验结果如表5 3 所示。 表5 1 因素和水平表 t a b l e5 1f a c t o r sa n dl e v e l s 4 3 表5 - 3 实验结果 t a b l e5 - 3t h er e s u l to fe x p e r i m e n t 注：抗泡性表示的是泡沫倾向数值其值越小越好，泡沫稳定性没有标出且全为0 。 5 2 切削液全配方的确定 5 2 1 模糊层次分析法简介 模糊层次分析法是( f u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 简称f a h p ) 是由传统的层次分 析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 简称a h p )