（环境科学专业论文）环保型水基合成切削液配方优化设计与研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e r - b a s e d dc u t t i n gf l u i dh a sag o o dc o o l i n ge f f e c t ，s a v ee n e r g ya n di m p r o v e e f f i c i e n c y , a n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di nm e t a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n dh a sg r a d u a l l ys u b s t i t u t eo i l b a s e d dl u b r i c a n t s p a r t i c u l a r l y i nt h ew a t e r - b a s e ds y n t h e s i z e dc u t t i n gf l u i do ft h em o r ep r o m i n e n to fm e r i t w i t h t h et r a d i t i o n a lm i n e r a lo i l c o n t a i n i n ge m u l s i o n ( o i l b a s e d de m u l s i o n ) a n d m i c r o e m u l s i o n ( a l s ok n o w n a ss e m i - s y n t h e t i cf l u i d ) ，t h eh i g h w a t e r - b a s e d ds y n t h e t i c c u t t i n gf l u i d ，b e c a u s eo fm e c h a n i c a lc o m p l e t e l yf r e eo fo i l ，c l e a n i n g ，r u s t - p r o o f , c o o l i n g ，v i s i b i l i t yp r o c e s s i n g ，a n t i - b a c t e r i a l a n ds t a b i l i t yi ns u c ha r e a sh a v e s i g n i f i c a n t c h a r a c t e r i s t i c si nt h ed o m e s t i ca n dg r a d u a l l yg e taw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s t h i st o p i c ，a c c o r d i n gt ot h eo ft h ei d e ao fg r e e nm a n u f a c t u r i n g ，a n a l y s i so ft h e c u t t i n gf l u i dt e c h n o l o g y , n e wr e q u i r e m e n t so ne n v i r o n m e n t f r i e n d l yd e v e l o p m e n t t r e n do fc u t t i n gf l u i d ，ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e wc u t t i n gf l u i de v a l u a t i o no f t h er e q u e s t r e s t r i c to nt h eu s eo fh a r m f u la d d i t i v e sf o re c o l o g i c a la n dh u m a n i nt h e c u t t i n gf l u i dh a sg o o dl u b r i c a t i o n ，r u s t - p r o o f , c o o l i n ga n dc l e a n i n gp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so ft h ec o n d i t i o n s ，t h es u b j e c to ft h i s s e l f - s e l e c t i o na n dl o wt o x i c i t y , l o w p o l l u t i o na d d i t i v et ot h ep r e p a r a t i o no fg r e e nc u t t i n gf l u i d e n v i r o n m e n t - f r i e n d l y b i o d e g r a d a b l ea d d i t i v e s ( a d d i t i v e - f r e e ) i st h es u b j e c to ft h es t u d ya n da p p l i c a t i o n o f d i r e c t i o n t h a nw i t has e l e c t i o no fm o r et h a nlw i t ht h ef u n c t i o no ft h ea d d i t i v e s ， s u c ha s ：o r g a n i cb o r i ca c i de s t e r , t of u r t h e rr e d u c i n gt h ec u t t i n gf l u i do nt h e e n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t hr i s k s t h e t o p i c ，a c c o r d i n gt oc u t t i n gp r o c e s sr e q u i r et oc u t t i n gf l u i dp e r f o r m a n c e ， s e l e c ta p p r o p r i a t ea d d i t i v e s b yt h eb a s i so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a d o p ta n d s y n t h e t i ca d d i t i v e s s y n t h e s i s a n dc h o o s eo f m o s t l y a d d t i v e ：k w a ia c i d t r i e t h a n o l a m i n e ( s y n t h e t i c ) ，p o l y e t h y l e n eg l y c o l ，o l e i c a c i dt r i e t h a n o l a m i n e ( s y n t h e t i c ) ，b o r i ca c i de s t e r , s o d i u mm o l y b d a t e ；s e l e c t i o no fo t h e ra d d i t i v e s ：t w e e n 8 0 ，s o d i umc a r b o n a t e ，b o r a x ，t h i o u r e a ，s o d i u mb e n z o a t e ，b t a ，s u c ha sm o r g a m c d e f o a m e r b e c a u s em o s to ft h er e s e a r c h e r sa r eo r t h o g o n a lo ro t h e rs c i e n t i f i cm e t h o d s ， l i 武汉理工大学硕士学位论文 c u t t i n gf l u i dc a l lo n l ym e e tas i n g l ea r e at oa c h i e v eo p t i m a lp e r f o r m a n c eo nt h eb a s i s o ft h ef o r m u l ah a sb e e nc u t t i n gf l u i d ，s oi ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h eo p t i m a lf o r m u l a s e l e c tav a r i e t yo fa d d i t i v e so nt h eb a s i so ft h ec u t t i n gp r o c e s si na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t so fn a t i o n a ls t a n d a r d sa n ds e l e c tk e yi n d i c a t o r so ft h ee x p e r i m e n t ：t h e a p p e a r a n c e ，s t o r a g es t a b i l i t y , t r a n s p a r e n c y , p hv a l u e ，a n t i f o a m i n g ，s u r f a c et e n s i o n ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，l u b r i c a t i n gp r o p e r t y o r t h o g o n a li n t ol a wi na c c o r d a n c ew i t ht h e f o r m u l ao fs e v e r a lp r o g r a m s ，a n dt h e no nt h ef o r m u l at ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e p r o g r a m ，a n df u z z ym a t ho ff u z z ym a t hm o d e lo faf o r m u l aa p p l i e d t ot h e o p t i m i z a t i o no ft h ef i n a ld e v e l o p m e n to fac o m p r e h e n s i v ef o r m u l ao ft h eb e s t i n d i c a t o r so fe n v i r o n m e n t - f r i e n d l yw a t e rb a s ec u t t i n gl i q u i d k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；g r e e n ；c u t t i n gf l u i d ；af i r s tf u z z ym a t h e m a t i c a l m o d e l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论课题是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了课题中特别加以标注和致谢的地方外，论课题中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论课题中作了明确的说明并表示了谢意。 蹴懿轹们m 日期：砂伊刁否” 关于论课题使用授权的说明 砂6 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论课题的规定，即：学校 有权保留送交论课题的复印件，允许论课题被查阅和借阅：学校可以公布论课 题的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论课题。 ( 保密的论课题在解密后应遵守此规定) 研究生签名：刁函叼 导师签名： 犸叫 日期：乙舶宕留 日期：乙彻罗f l 、彳 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 金属切削过程 第1 章绪论 金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将 工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、 尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着 刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、 切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等 1 1 。 对这些现象进行研究，揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规 律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率， 降低生产成本和劳动强度以及研制切削液具有十分重大的意义。总之，金属切 削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。 1 1 1 切削层与切削参数 金属切削的过程是刀具与工件相互运动、相互作用的过程。刀具与工件的 相对运动可以分解为两个方面，一个是主运动，另一个是进给运动。使工件与 刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动，称为主运动。刀刃上选定点相 对于工件的主运动速度称为切削速度。主运动特点是运动速度最高，消耗功率 最大，主运动一般只有一个。保证金属的切削能连续进行的运动，称为进给运 动。工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量， 称为进给量。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几 个，可以是连续运动，也可以是间歇运动。如图1 1 所示外圆的车削运动。7 。 为切削刃某点切削速度，矽厂为同一点的进给运动速度，驴。为两个运动的合成速 度。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 外圆车削的切削运动与加工表面 金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。在切削过程中，刀具 的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，被称为切削层。切削层 的截面尺寸被称为切削层参数。 1 1 2 切削过程 金属切削过程实际是被切削金属层在刀具的挤压下产生剪切滑移的塑性变 形过程，在切削过程中也有弹性变形，但与塑性变形相比可以忽略。而且切削 过程中，还会产生积屑瘤，它反过来又对切削产生影响，以下对这两个方面分 别说明。 1 ) 金属切削过程的变形【3 l 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图1 2 表示了金属的滑移线和流动轨 迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。图1 3 表示了 金属的滑移过程。由图可知，金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形 区，各区特点如下： ( 1 ) 第一变形区切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成，这一过 程区域称为第一变形区。 切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形，当最大剪切应力超过材 料的屈服极限时，发生塑性变形，如图1 2 所示，金属会沿o a 线剪切滑移， o a 被称为始滑移线。随着刀具的移动，这种塑性变形将逐步增大，当进入o m 线时，这种滑移变形停止，o m 被称为终滑移线。现以金属切削层中某一点的变 化过程来说明。由图1 3 所示，在金属切削过程中，切削层中金属一点p 不断向 2 武汉理工大学硕士学位论文 刀具切削刃移动，当此点进入o a 线时，发生剪切滑移，p 点向2 、3 等点流动 的过程中继续滑移，当进入o m 线上4 点时这种滑移停止，2 2 ，3 3 ，4 - 4 为各点相对前一点的滑移量。此区域的变形过程可以通过图1 3 形象表示，切削 层在此区域如同一片片相叠的层片，在切削过程中层片之间发生了相对滑移。 o a 与o m 之间的区域就是第一变形区i 。第一变形区是金属切削变形过程中最 大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。 此区域较窄，宽度仅o 0 2 0 2 m m 。 图1 2 金属切削过程中滑移线与流线图1 3 第一变形区金属滑移 ( 2 ) 第二变形区产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具 前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。如图1 2 所示i i 变形区。 在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进 一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且， 切屑与前刀面的压力很大，高达2 - 3 g p a ，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具 面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。发生粘结 现象后，切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦，而变成粘结层与其上 层金属的内摩擦。图1 4 显示了发生粘结现象时的摩擦状况。由图可知，根据摩 擦状况，切屑接触面分为两个部分：粘结部分为内摩擦，这部分的单位切向应 力等于材料的屈服强度r 。；粘结部分以外为外摩擦部分，也就是滑动摩擦部分， 此部分的单位切向应力由r ，减d , n 零。图中也显示了整个接触区域内正应力口， 的分布情况，刀尖处，正应力最大，逐步减4 , n 零。 ( 3 ) 第三变形区金属切削层在已加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩 擦而产生塑性变形部分的区域。如图1 2 所示i i i 部分。 第三变形区的形成与刀刃钝圆有关，因为刀刃不可能绝对锋利，不管采用 武汉理工大学硕士学位论文 何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径y 疗。一般高速钢刃磨后r 疗为3 1 0 1 m a ， 硬质合金刀具磨后约1 8 3 2 9 m ，如采用细粒金刚石砂轮磨削，r 刀最小可达到 3 - 6j a m 。另外，刀刃切削后就会产生磨损，增加刀刃钝圆。 图1 5 表示了考虑刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程。当切削层以一定 的速度接近刀刃时，会出现剪切与滑移，金属切削层绝大部分金属经过第二变 形区的变形沿终滑移层o m 方向流出，由于刀刃钝圆的存在，在钝圆o 点以下 有一少部分厚a 的金属切削层不能沿o m 方向流出，被刀刃钝圆挤压过去，该 部分经过刀刃钝圆b 点后，受到后刀面b c 段的挤压和摩擦，经过b c 段后，这 部分金属开始弹性恢复，恢复高度为a h ，在恢复过程中又与后刀面c d 部分产 生摩擦，这部分切削层在o b ，b c ，c d 段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面 的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。 以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的特点进行了介绍，如 果将这三个区域综合起来，当金属切削层进入第一变形区时，金属发生剪切滑 移，并且金属纤维化，该切削层接近刀刃时，金属纤维更长并包裹在切削刃周 围，最后在o 点断裂成两部分，一部分沿前刀面流出成为切屑，另一部分受到 刀刃钝圆部分的挤压和摩擦成为已加工表面，表面金属纤维方向平行已加工表 面，这层金属具有与基体组织不同的性质。 图1 4 切屑与前刀面的摩擦图1 5 加工表面的形成过程 2 ) 积屑瘤的形成及对加工影响 3 1 在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前 刀面常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。 4 武汉理工大学硕士学位论文 积屑瘤的形成可以根据第二变形区的特点来解释。当金属切削层从终滑移面 流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高， 挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切 屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化， 并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图1 - 6 所示。 厂笋 黛 图1 - 6 积屑瘤对加工影响 积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和 压力有关。一般材料的加工硬化性越强，越容易产生积屑瘤；温度与压力太低 不会产生积屑瘤，温度太高也不会产生积屑瘤。与温度相对应，切削速度太低 不会产生积屑瘤，切削速度太高，积屑瘤也不会发生，因为切削速度对切削温 度有较大的影响。 积屑瘤硬度很高，是工件材料硬度的2 3 倍，能同刀具一样对金属进行切削。 它对金属切削过程会产生如下影响。 ( 1 ) 实际刀具前角增大刀具前角y d 指刀面与基面之间的夹角，如图1 - 6 所 示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个y 6 角度，如把切屑瘤看成是刀具 一部分的话，无疑实际刀具前角增大，现为r d + y 6 。刀具前角增大可减小切削 力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度h b 越大，实际刀具前角也 越大，切削更容易。 ( 2 ) 实际切削厚度增大由图1 6 可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属 切削层厚度比无切削瘤时增加了一个h d ，显然，这对工件切削尺寸的控制是不 利的。值得注意的是这个厚度h d 的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变 化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产 生振动。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 加工后表面粗糙度增大积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也 有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会 破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使 加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑 瘤的发生。 ( 4 ) 切削刀具的耐用度降低从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对 刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。但积屑瘤的粘附是不稳 定的，它会周期性的从刀具上脱落，当他脱落时，可能使刀具表面金属剥落， 从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。 1 1 3 影响切削变形的因素 前面对金属切削变形的特点作了介绍，这节将对影响金属切削变形的因素 进行分睁7 1 。主要从工件材料、刀具几何参数、切削厚度和切削速度四个方面进 行介绍。 1 ) 工件材料 通过试验，可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系，随着工件材 料强度的增大，切屑的变形越来越小。 2 ) 刀具几何参数 在刀具几何参数中，刀具前角是影响切屑变形的重要参数，刀具前角影响切 屑流出方向。由图1 5 可以看到，当刀具前角j ，d 增大时，沿刀面流出的金属切 削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。在同样的切削速度下，刀 具前角r d 愈大，材料变形系数愈小。此外刀尖圆弧半径对切削变形也有影响， 刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形 也越大。 3 ) 切削速度 由图1 7 可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减， 而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料 变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。 6 武汉理工大学硕士学位论文 移r m ，m l n ) 图1 7 切削速度变化的材料变形系数曲线 在积屑瘤段，切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的 影响来实现的。在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑 瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，。随着速度的增加，积屑 瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小， 此时处于曲线的波峰位置。 避开这一积屑瘤段，材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是 因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度低时，金属始剪切面为o a ，当 速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在o a 面金属并未充分 变形，相当于始剪切面后移至o a 面( 见图1 8 ) 终剪切面o m 也后移至o m 、， 第一变形区后移，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦系数减小材 料变形系数也会减小。 q 图1 8 切削速度对剪切面的影响 4 ) 切削厚度 进给量( 即切削厚度) 对切屑变形的影响，在无积屑瘤段，进给量f 越大， 材料的变形系数f 越小。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 4 切削过程基本规律 金属变形、切削力、切削温度、刀具磨损和工件表面质量随切削条件的变 化规律是金属切削过程的基本规律，直接关系到刀具的寿命、加工尺寸精度和 表面粗糙度、切削效率及切削加工的经济性。因此，只有认识和掌握了切削过 程的基本规律，才能有针对性的研制符合工艺要求的。 在切削过程中，要使切削温度和切削力得到最大限度的降低，提高刀具寿 命和工件尺寸精度及表面质量，除选择最佳切削条件和最佳刀具材料及其几何 角度等外，合理地选用机械加工工艺的重要配套材料即切削液也是一个重要途 径，有时甚至起着决定性的作用。因此，对切削液进行深入研究和合理使用， 不仅在目前，就是在将来较长的一个时期内，仍然是金属切削加工中的一个普 遍问题。 1 2 切削液及其添加剂 1 2 1 切削液的作用 金属切削过程中，刀具切入被加工材料，产生切割作用。被加工材料受到 刀具前刀面的推挤和摩擦，沿着某一斜面滑移，产生塑性变形，形成切屑。在 切削过程中，切屑以很大的压力( 可达1 8 0 0 m p a ) 及相当快的速度沿刀具面流出； 被加工形成的表面，不仅产生一定的塑性变形，而且以相当大的弹性变形抗力， 作用于刀具的后刀面上。由于金属的塑性变形、切屑与刀具前刀面的摩擦和被 加工形成表面与刀具后刀面的摩擦，在切削过程中，产生大量的热。有人估算【4 】， 切削过程中所消耗的能量，只有1 3 以残余应力的形式储存于切屑和工件中， 9 7 以上能量都转化成热。其中约2 3 消耗于切屑的塑性变形，1 3 消耗于摩擦。 由于刀具的切削区域很小，摩擦产生的热量集中，因之切屑与刀具界面的温度 很高( 切削加工时最高可达8 0 0 。c ；磨削加工时可达1 2 0 0 ( 2 ) 。刀具在高温下，硬 度和强度都将大幅下降，严重影响使用寿命。有资料记载：刀具的使用寿命与 切削刀具温度的2 0 次方成反比例 9 1 。2 0 次方不一定准确，但刀具的温度，严重影 响刀具的使用寿命是可信的。降底具温度，是提高刀具寿命的关键。降低刀具 温度的主要途径有两个：一是加速冷却，将热量及时散掉；二是降低刀具摩擦 面上的摩擦系数，减少热量的产生。合理使用切削液，是解决问题的主要途径。 武汉理工大学硕士学位论文 要使切削温度和切削力得到最大限度的降低，提高刀具寿命和工件尺寸精度及 表面质量，除选择最佳切削条件和最佳刀具材料及其几何角度等外，切削液也 是一个重要途径，有时甚至起着决定性作用。因为切削液具有以下主要功能： 1 ) 润滑作用 切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜，可减少或避 免刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和黏结程度，因而可以减轻刀具 的磨损，提高工件表面的加工质量。切削速度对切削液的润滑效果影响最大， 一般速度越高，切削液的润滑效果越低。切削液的润滑效果还与切削厚度、材 料强度等切削条件有关。切削厚度越大，材料强度越高，润滑效果越差。 2 ) 冷却作用 流出切削区的切削液带走大量的热量，从而降低工件与刀具的温度，提高 刀具耐用度，减少热变形，提高加工精度。不过切削液对刀具与切屑界面的影 响不大，切削液只能缩小刀具与切屑界面的高温区域，并不能降低最高温度， 一般的浇注方法主要冷却切屑。切削液如喷注到刀具后面处，将对刀具和工件 的冷却效果更好。 切削液的冷却性能取决于它的导热系数、比热容、汽化热、气化速度及流 量、流速等。切削热的冷却作用主要靠热传导。因为水的导热系数为油的3 5 倍， 且比热也大一倍，所以水溶液的冷却性能比油好【8 】。 切削液自身温度对冷却效果影响很大。切削液温度太高，冷却作用小，切 削液温度太低，切削油粘度大，冷却效果也不好。 3 ) 清洗作用 金属切削加工过程中，经常产生一些细小的切屑、金属粉末及砂轮沙粒灰 末等。为了防止这些细小的切屑及粉末互相粘结或粘结在工件、刀具、模具上， 影响工件的表面粗糙度和精度、刀具的使用寿命，因此，要求切削液具有良好 的清洗作用。一是减少细小切屑及粉末的粘借以利清洗；二是利用微乳化液的 清洗作用将这些切屑和灰末冲走。切削液的清洗作用好坏与其渗透性、流动性、 粘度、使用压力等有关。而渗透性和流动性与切削液组成成分有关。 4 ) 防锈作用 在金属加工工程中，工件和机床周围介质如水分、氧气、手汗、酸性物质 及空气中的灰尘侵袭而产生锈蚀。在高温、高湿季节或潮湿地区，这种锈蚀尤 为突出。同时根据我国加工的金属制件在车间周转时间长的现状，必须要求切 削液本身不但对机床、刀具和工件不产生锈蚀，而且对金属制品应具有很好的 9 武汉理工大学硕士学位论文 防锈性能。 切削液防锈性能的好坏，取决于切削液的配方和其中防锈添加剂的性能。 对于切削液防锈性能的选择，应根据机床的精密程度、行业特点( 如轴承、仪 表行业) 、工艺条件、工件材质和其他要求综合考虑。 上述切削液的冷却、润滑、清洗、防锈四个作用并不是孤立的，而是相互 影响，各有侧重的有机统一体。油基切削液的润滑性、防锈性较好，但冷却性、 清洗性稍差；水基切削液的冷却性、清洗性较好，但润滑性、防锈性略差。因 此，对于每一种切削液来说，这四个性能不可能都是优良的，应当根据具体情 况抓住主要矛盾，兼顾其他方面进行合理配制和选用。 此外，切削液除了以上四种功能外，还应具有良好的储存稳定性、抗菌防 腐性以及抗硬水能力，对人体和环境无害，便于回收、排放等。 1 2 2 切削液分类及添加剂的研究进展 随着切削技术的提高，切削液的种类越来越多。按其类型大体可以分为油基 切削液和水基切削液两大类。其中油基切削液又分为非活性型和活性型等；水 基切削液又分为半合成型、全合成型、乳化油型、化学溶液型等 1 0 】。金属切削液 的主要类型与分类见表1 1 。 表1 1 金属切削液的主要类型与分类 油 脂肪油( 豆油、菜籽油、妥儿油、牛油、鱼油、猪油 切基非活性型等1 切 混合油( 矿物油+ 动植物油或油性剂等) 削 极压油( 矿物油+ 非活性极j 玉剂+ 油性剂等) 削 液 活性型 极压油( 矿物油+ 活性极拯剂+ 油性剂等) 其他合成型切削液 水 乳化油型( 矿物油+ 表面活性剂) 液 基 合成液型( 不含矿物油，只含大量表面活性剂+ 极压添加剂) 切 半合成液型( 含少量矿物油+ 表面活性剂+ 极压添加剂 削 + 油性剂+ 防锈剂等1 液 化学溶液型( 无机盐类、有机胺+ 表面活性剂) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 1 非水溶性切削油 其组分包括基础油、摩擦学添加剂、辅助添加剂。基础油主要有矿物油和合 成油，矿物油基本上是润滑油馏分，按其原料油来源可分为石蜡基和环烷基两种 类型。合成油由于其分子结构是人为设计的，因而它的理化性质和机械性质比矿 物油更趋合理。由于其润滑性能优异，在航天，核工业等得到广泛的运用。目前 在金属切削油中引入合成油添加剂也屡有报道，如：聚醚油( 十二烯基丁二酸醚、 聚丙二醇醚等) ，合成酯，如：双酯多元醇酯，这些品种油剂粘温特性好，粘度 指数高，低温流动性好，无毒，氧化安定性好，可生物降解。 摩擦学添加剂可分为油性添加剂和极压添加剂。油性添加剂典型的有植物 油，动物油脂，聚合脂肪酸及其皂，脂肪醇及其多元醇，硫化油脂，酮类，胺类 等有机化合物。这些物质的分子具有极性基，能在金属表面形成定向吸附膜。在 金属切削加工中，此膜能够减少工件、切屑、刀具之间金属的直接摩擦，降低工 件表面粗糙度，提高工件精度并延长刀具的使用寿命。不过，有油性剂形成的润 滑膜适用于低温低压工况，在较苛刻的金属成型和机械加工条件下通常无效。 除天然脂肪外，以上讨论的物质很少能满足金属加工润滑剂的所有要求直 接应用。几乎所有的润滑剂都要求将各种添加剂加入只具有粘度特性的物质中， 以提高摩擦特性和其他必需的实际应用特性如抗氧化性、抗腐蚀性、防锈性和 清洗性等。抗磨极压剂是切削液中的功能添加剂。传统的抗磨极压剂主要有硫 系，氯系，磷系极压剂。通过高温下添加剂所含硫、氯、磷等原子与金属表面 发生化学反应形成化学反应膜。如硫系添加剂中的硫原子与金属反应在金属表 面生成多孔状的f e s 等金属盐，一方面可以容纳润滑剂，更有效地形成物理吸附 膜，另一方面这类盐剪切强度较低，溶点高，从而起到减摩抗磨的作用。最近 几年，人们逐渐致力于研制油溶性好，配伍性好具有多效性的磷氮型抗磨添加 剂，如t a w 2 2 、t a w 2 3 磷氮型无灰抗磨添加剂，新型磷酸酰( 双磷酰胺，苯三唑 有机磷衍生物) ，各种烷基磷酰酯，亚磷酸酯胺盐。据报道，二烷基亚磷酸酯是 优良的抗磨极压剂。但大多数磷酸酯油溶性较小，化学活性高，而将其制成胺 盐性能得到改善，最近发现高碱性磺酸盐( 包括钙钡钠盐) 在重载荷金属加工中用 作惰性极压齐l j ( p e p ) ，能在金属界面形成物理覆盖的碳酸盐保护膜，具有低剪切 强度，可单用或与传统的极压剂复合，当与活性和无活性的硫化物复合时亦有 协同作用。此外有关纳米金属粉能改善润滑油的极压性能的课题章也见诸报道。 上海大学采用游离氯固定技术研制的含氯t 2 1 2 添加剂【4 】在不锈钢切削油、攻丝油 武汉理工大学硕士学位论文 及钢冷拔油中已得到优良的实用效果，解决了氯系添加剂长期以来难以克服的 锈蚀问题。 硼酸及无机硼酸盐的研究是个热点。无机硼酸盐不仅具有良好的减摩抗磨 性能和抗氧化安定性，而且无毒无臭对金属不腐蚀，不污染环境，唯一的不足 是需要采用大量的表面活性剂，如采用石油磺酸盐及丁二酰亚胺等分散剂，以 保证硼酸盐颗粒均匀悬浮在油中。关于硼酸盐润滑油添加剂抗磨作用机理的解 释有多种，一种是水合硼酸盐添加剂具有压溶性，即类似冰在有压力下形成冰 水混合物的性质。还有人提出渗硼观点，即硼酸盐添加剂在摩擦表面形成了硼 的间隙化合物f e ；b v ，这种间隙化合物能溶解游离态的硼形成固溶体，从而在摩 擦表面形成复杂的渗透层。由于无机硼酸盐在油中的分散稳定性差及水解稳定 性不够，所以研究油溶性的有机硼酸盐，使得其既具有优异的摩擦学性能及抗 氧抗磨性又能在不需分散剂的情况下溶于润滑油中，正是硼酸盐发展的一个方 向。另外，无机硼酸盐的纳米学研究也正在开展。实验证明纳米硼酸盐粒子加 入基础油中能显著提高切削液的抗磨性能【5 】。 油基润滑添加剂还包括防锈剂：羧酸盐、磺酸盐、酯( 醇) 类、磷酸盐等；抗 氧化剂如酚类、胺系、硫系；降凝剂如氯化石蜡和萘的聚合物、聚烷基甲基丙 烯酸酯等；还有抗泡剂、杀菌剂、消雾剂等。杀菌剂如戊二醛等，有日本研究 人员另辟蹊径，利用草木灰提取物【6 配制而成的切削液杀菌效果相当不错。消雾 剂是油基添加剂中不可忽视的一个组分，因为它直接关系到操作工人的健康问 题。美国的m a r a n o 等人研制的p i b 消雾剂效果很好，能减少7 0 9 0 的油雾，而 在切削液中p i b 含量不到2 1 0 。6 。以上这些辅助添加剂视具体情况而定，同时需 考虑彼此的协同或弱化作用。 1 2 2 2 水溶性切削液 水基润滑剂的优点是冷却性好，价廉易得，加工件易清洗，主要用于高速 切削加工工序中。近年来由于水基润滑剂的组分的改进，大大提高了它的润滑 性能和防腐蚀能力，因而需求量日渐增大，尤其在对铝和铜材加工方面。水基 润滑添加剂可分为油溶性和水溶性两种。油溶性添加剂的使用性能同矿物油中 的一样。为使油溶性添加剂分散到水中需加入表面活性剂。水溶性添加剂可在 油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得。如：0 0 h ，_ n h 2 ，o h 等。 水溶性切削液可以分成乳化液，全合成液和半合成液三类，都可用于轻中高负 荷的切削加工。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 乳化型切削液 乳化液是将浓缩液用水稀释而成的乳状液体。乳化液将油的润滑性和防锈 性与水的优异的冷却性能结合起来。它对于有大量热生成的高速低压力的金属 切削加工是很有效的。乳化液中极压剂类同切削油，也有一些新的剂型，它们 通过在油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得；水溶性添加剂效果更好， 如果分子中同时还具有油性基团；再在分子中引入适当的活性极压元素，如s 、 p 、c i 、m o 、b 或极压基团，就可能兼有油性剂及极压抗磨剂的双重功效。一般 具有润滑作用的油性物均可作为油性剂，如油酸类添加剂( 油酸钠皂、油酰三乙 醇胺、油酸酯、油酸硼酸酯等) 。此外，含稀土元素的有机化合物，无机硅酸盐， 有机硅化合物在水基切削液中有良好表现，如硅酸钠与亚磷酸二正丁酯有较好 的配伍性，比例合适时能更好地发挥硅酸钠在水基液中的抗磨减摩性能。研制 性能优良的水溶性极压抗磨添加剂是研究人员追求的目标，最近南昌大学的林 峰合成了一种水溶性稀土配合物c e 2 d o p ( - - 壬基酚聚氧乙烯醚磷酸铈) 1 l - 1 3 ，实验 结果表明，c e 2 d o p 在水中的含量为2 ( 质量分数) 左右时可显著改善水的极压性 能。这方面潜力很大，有待深入研究。 在水溶性切削液中防锈剂必不可少。防锈性能对于加工部位的质量、产品 合格率以及机床的保养等有着十分重要的意义。锈性良好且价格低廉的防锈剂 首推亚硝酸盐，但它属于致癌物质，已在许多国家被禁止使用。此外常见的防 锈剂有如下几种：( 1 ) 磷酸盐，它能在金属表面形成钝化膜从而具有防锈作用， 以聚磷酸盐为典型；( 2 ) 硅酸钠：在水溶液中以带负电荷的胶体粒子形式存在， 属腐蚀抑制剂；( 3 ) 苯甲酸钠：属于有机水溶性缓蚀剂，它的保护作用是在金 属表面形成不溶性的络合膜，但仅对钢有效，对铝、锌、铸铁反而会加速腐蚀； ( 4 ) 单乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺，这些短期内可有效防止钢件生锈，且与 苯甲酸钠有协同效应；还有硼砂，石油磺酸盐等。最近又有多种新型防锈剂报 导，如含硼添加剂，含氮添加剂，硫磷型，c 6 一c l o 低碳酸有机防锈剂等。 水基液中表面活性剂和其它辅助添加剂都非常重要常见的表面活性剂有： ( 1 ) 阴离子型：如脂肪酸皂，石油磺酸盐；( 2 ) 非离子型：山梨糖醇酯，聚 醚等；( 3 ) 阳离子系如脂肪酸烷基酰胺等。阳离子系活性剂防锈较好，非离子 系则表现出较好的渗透性和清洗性。其它的辅助添加剂如非铁金属防蚀剂：苯 三唑、咪唑啉、硫代重氮多硫化物、烷基二硫代苯骈咪唑、二烷基二硫代磷酸 锌等等；防腐剂：邻苯基苯酚、四氯代酚、对氯间二甲基酚、六氢化三吖嗪、 三溴水杨酰胺和二溴水杨酰胺的混合物等；消泡剂：硅油乳剂、高级醇。这些 武汉理工大学硕士学位论文 辅助添加剂虽然添加量很少却不可忽略，同时与主功能添加剂的复合过程中有 否配伍性也是必须考虑的。 2 ) 合成切削液【1 孓1 9 】 由于世界性能源的严重危机和自然环境的严重污染，对金属切削液的研究 越来越引起人们的高度重视，一些工业比较发达的国家早已广泛采用了水基金 属切削液技术，水基合成切削液它是一种不含矿物油和动植物油、不含亚硝酸 钠和硫、氯型、添加剂、水溶液清晰透明、无毒、无刺激、无异味的冷却润滑 液，p h 7 - 8 ( 乳化液p h 直为9 ) ，化学耗氧量为乳化液的十分之一，性质稳定，可长 期使用，使用周期为一般乳化液的( 1 5 2 0 ) 倍，没有一般乳化液分油变质、发 臭的现象，有利于工厂环境保护和操作工人身体健康。 在我国一些润滑、冷却、清洗、防锈性能更佳的合成型水基切削液己引起 了国内有关方面的关注并正在快速发展，在提高切削速度和工作表面质量方面 取得了一定成效，这充分说明合成性水基切削液是一种环保型产品它具有优良 的冷却、清洗、润滑、防锈、抗极压性较强的切削液，对人体无毒、无害、无 刺激，对环境无污染，所加工产品表面光滑、光亮、无锈、特别是在夏季长期 使用( 4 6 ) 天无异味变质，可以推论合成水基切削液的广泛使用必将是取代乳 化油的理想产品。 水基合成切削液是一种以水代油进行加工冷却的工艺方法，它可代替乳化 液做机床加工的冷却润滑液水基切削液分真溶液和离子型切削液两种。真容液 主要以无机盐和水配制而成，具有良好的防锈性和高度的润滑性。离子型切削 液其母液主要以有机阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂和无机盐配制而成， 其母液在水中能分解出各种强度的离子，这种切削液具有良好的冷却、清洗、 防锈和润滑性能。可提高切削速度4 0 ，延长刀具使用寿命2 0 ，可满足砂轮线 速度( 6 0 8 0 ) 米秒高速强力磨削时润滑冷却的需要，提高工件表面光洁度，提高 工效5 0 、每吨水基金属切削液可代替2 2 吨乳化液，节约费用3 2 。 3 ) 微乳液 半合成液切削润滑剂是半透明或透明的液体，又称微乳液。乳化微粒直径 小于l p r n ，其浸透性，清洗性和冷却性极佳，并且便于观察，它集乳化液和合成 液的优点于一身，又具有合适的极压性能，是非常有发展前景的一类切削液 1 5 】。 但它的稳定性不及全合成型，容易起泡沫( 可通过加消泡剂加以解决) 。其主要成 分是水和表面活性剂，矿物油、脂肪油和极压剂含量均低于乳化油。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 现代切削液特点和发展趋势 2 l 世纪科学技术的发展迫切需要解决的问题是节约能源和保护环境。新的 机械设备朝着缩小体积、减轻质量、增大功率、提高效率、增加设备可靠性和 环境友好方向发展。随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的 不断创新，对机械加工的配套材料金属切削液提出了更苛刻的要求。尤其是近 年来环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点，由于切削液会对环境和 人体造成污染和损害，因此切削液的使用和废液的处理已受到环保法规日益严 格的制约。为了适应社会发展的要求，现代切削液技术的发展出现了一些新的 特点和趋势。 1 2 3 1 现代切削液的特点 1 ) 高性能、长寿命、低污染切削液的开发与应用 切削液分水溶性和非水溶性( 油性) 2 种，在非水溶性切削液中，为了提高切 削性能满足加工精度要求必需加入各种极压添加剂，其中也有氯系极压添加剂。 通常，氯系极压添加剂是最廉价和最有效的极压添加剂，但是在焚烧非水溶性 切削液的废液时，会有毒性、致癌性、畸形性的二氧环己烷产生。因此，迫切 要求非水溶性切削液“非氯化。在德国和北欧，较早以前就已禁止使用氯系 极压添加剂。 由于许多国家的饮用水大多取自地下水，切削液废液的排放，就直接影响 饮用水的污染。因此在许多国家，不仅禁止切削液的随意排放，就连非水溶性 切削液洒落在机床外