切削液的制备与性能研究本科毕业论文.doc

2011届 材料化学专业毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目切削液的制备与性能研究专 业材 料 化 学班 级材 化072学 生吴 丹指导教师冯 拉 俊 教授 2011 年1切削液的制备与性能研究学 科： 材料物理与化学作 者： 吴 丹 （签名）指导教师： 冯拉俊（签名）摘要金属切削液是金属切削加工中不可缺少的辅助材料，是保证产品加工质量和提高切削加工效率的关键因素。但另一方面，切削液对人类环境造成了极大的危害。目前国内使用的水基切削液以乳化液为主，此类产品不仅使用寿命短，且对人体健康带来危害，对周围环境造成严重污染，加之其成本较高，因此迫切需要研制一种环保型的切削液取而代之。本文以20#机械油做基础油，采用油酸、三乙醇胺、吐温-80、op-10混合反应后形成的混合皂作乳化剂，并采用na2co3和naoh来调节切削液的ph值。本实验通过单因素实验法和正交实验的方法确定出了油酸、三乙醇胺、吐温-80、op-10的最佳用量。结果表明：油酸与三乙醇胺的最佳反应比为1：2；吐温-80不仅会增加切削液的成本，而且使加水后的切削液黏性增大并有油性物质漂浮，故去掉吐温-80。因此实验的配方为：三份的三乙醇胺、6份的油酸和2份op-10以及适量的na2co3和naoh。所制的切削液的ph为8，粘度为1.05610-3/pas，电导率为3.90 ms/cm。与现有切削液的试样相比，新型切削液的ph和粘度均达到标准水平，而电导率稍低。通过在线切割机床上试用，所制得的切削液切削液具有良好的润滑性、防锈性、冷却性、清洗性，具有良好的发展前景。关键词：切削液，环保型，电导率，绿色，健康title: study on perparation and performance ofcutting fluidspecialty: material physics & chemistryundergaduate: danwu(signature): supervisor : lajun feng(signature):abstractmetal-cutting fluid is an obbligato accessory material in the machining of metals,and is a key factor for ensuring the machining quality of products and improving the efficiency of the machining of metals.but then ,cutting fluid caused great harm on human environment.at present,domestic using water-based cutting fluid is mainly emulsion,which not only has short working life,but also will bring harm on human healthy and cause great pollution on environment around,in addition,which cost is higher,therefore it is pressed for developing a kind of environment protection cutting fluid instead of the above one.in this test,20#motor oil is used as base oil,oleic acid , triethanolamine,twain-80 and op-10 were mixed to form emulsifier,at the same time, na2co3 and naoh were used for adjusting ph of cutting fluid.in this experiment, single factor experiment method and the orthogonal experiment were used to confirm the best dosage of oleic acid , triethanolamine,twain-80 and op-10 . the results show that the optimum response ratio of oleic acid and triethanolamine is 1:2; the use of twain-80 would increase the cost of cutting fluids,but also would make cutting fluid viscosity increase after adding water and float oily substance,so twain-80 was got rid of .so,the prescription of the experiment is:three part triethanolamine,six part oleic acid , two part op-10 and moderate na2co3 and naoh were added into ten part motor oil ,then the ph,viscosity and conductivity of the gained cutting fluids respectively is 7, 1.05610-3/pas, 3.90 ms/cm.compared with the example that provided,the new cutting fluids ph and viscosity have reached standard level but lower conductivity.the obtained cutting fluids have good lubricity, anti-corrosive,cooling effect and washing effect ,but also have a promised future.keywords：cutting fluid,ph,viscosity,conductivityiii目 录第一章 前 言11.1 引言11.2 切削液的概述21.2.1 切削液的发展21.2.2 切削液的分类31.2.3 切削液的作用51.2.4 切削液的研究现状和趋势61.3 本课题研究的内容及主要目标81.3.1 课题研究目标81.3.2 课题的研究内容8第二章 试验方案及过程102.1 试验药品及仪器102.2 总体设计方案102.3 实验原料配比的确定112.3.1 主要试剂的用量的确定112.3.2 确定乳化剂的用量112.4 新型切削液的配方142.4.1 主要成分的配比14第三章 实验结果与分析153.1 实验原料的分析153.1.1 主要试剂的分析153.1.2 防锈剂的合成与选用153.1.3 表面活性剂的选择163.1.4 润滑剂和极压润滑剂的合成与选用173.1.5 其他添加剂的选用183.1.6 最初切削液配方的确定193.1.7 乳化剂用量的分析203.2 新型切削液的性能分析253.2.1 主要成分的配比分析253.2.3 性能分析263.2.4 原理分析283.2.5 环保性分析和成本分析29第四章 结 论31参考文献32致 谢34第一章 前 言1.1 引言金属切削加工是金属加工中最常见、应用最广泛的一种。金属切削过程是指由机床提供必要的运动和动力的条件下，用刀具（或磨具）切除（或磨削）坯件上多余的金属，从而获得形状、精度和表面质量均符合要求的工件的过程。根据工件的形状、精度和表面质量的不同，切削加工可分为车、铣、钻、刨、镗、绞、拉及磨削等1。金属材料按预定规格进行切削（或磨削）加工时，为了减轻刀具和工件之间的摩擦，增加润滑性，带走因摩擦而产生的热量和提高生产率，在工具与被切削、磨削的金属材料之间注入液体，称为金属切削液。金属切削液是金属切削加工中不可缺少的佐料。合理的使用切削液，则可提高磨削速度30%左右，降低切削温度100-150，减少切削力10%-30%，延长刀具寿命4-5倍。提高工件表面加工质量，并能降低加工成本2。金属切削液广泛用于机械加工行业，给人类创造巨大效益的同时，也对人的身体健康构成危害，对环境造成严重污染3。首先，切削加工中使用过的废液若不经有效处理直接排放或焚烧会对水资源、大气及土壤造成污染，如切削液中防锈剂磷酸钠的积累会使河流、湖泊因富营养化而出现赤湖；防腐杀菌剂苯酚生物降解性差，对鱼类等水生物有毒性4。其次，切削液中的矿物油、表面活性剂等脱脂作用，防腐杀菌剂的刺激性，会使人体皮肤干燥、脱脂，甚至引起开裂、红肿、化脓等。此外，切削液腐败产生的恶臭对呼吸的影响和油基切削液形成的油雾，易引起火灾等不安全因素5。随着21世纪金属切削加工向高速、强力和高精度的方向发展，现代苛刻的加工条件对切削液的质量提出了越来越高的要求。数控机床、机械加工中心和柔性制造系统等先进制造技术已逐渐推广应用，而先进制造技术和难加工材料的切削加工均离不开冷却润滑技术，因而，切削液越来越重要。再者，随着全球人类环境保护意识的不断增强和国际社会对生态环境的日益重视，人们越来越重视切削液对环境的污染问题。尽管对环境无污染的干切削技术得到成功的应用，但其应用范围非常有限。因此，在不影响切削液使用性能的前提下，在对切削液的配制过程中应多考虑其对环境和人体的影响6。1.2 切削液的概述1.2.1 切削液的发展人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。人们在磨制石器、铜器、铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量。在古罗马时代，车削活塞泵的铸件时就使用橄榄油，16世纪使用牛脂和水溶剂来抛光金属盔甲。从1775年英国的约翰威尔金森（j.wilkinson）为了加工瓦特蒸汽机的汽缸而研制成功镗床开始，伴随出现了水和油在金属切削加工中的应用。到1860年经历了漫长发展后，车、刨、铣、磨、齿轮加工和螺纹加工等各种机床相继出现，也标志着切削液开始较大规模的使用。19世纪80年代，美国科学家就已首先进行了切削液的评价工作。fwtaylor7发现并阐明了使用泵供给碳酸钠水溶液可使切削速度提高3040的现象和机理。针对当时使用的刀具材料是碳素工具钢，切削液的主要作用是冷却，故提出“冷却剂：一词。从那时起，人们把切削液称为冷却润滑液。随着人们对切削液认识水平的不断提高以及实践经验的不断丰富，发现在切削区域中注入油剂能获得良好的加工表面。最早，人们采用动植物油来作为切削液，但动植物油容易变质，使用周期短。20世纪初，人们开始从原油中提炼润滑油，并发明了各种性能优异的润滑添加剂。在第一次世界大战之后，开始研究和使用矿物油和植物油合成的复合油。1924年，含硫、氯的切削油获得专利并应用于中切削、拉削、螺纹和齿轮加工。刀具材料的发展推动了切削液的发展，1848年发明了高速钢，切削速度较前提高了24倍。1927年德国首先研制出硬质合金，切削速度比高速钢又提高25倍。随着切削温度的不断提高，油基切削液的冷却性能已不能满足切削要求，这时人们又开始重新重视水基切削液的优点。1915年生产出水包油型乳化液，并与1920年成为优先选用的切削液用于重切削。1948年在美国研制出第一种无油合成切削液，并在20世纪70年代由于油价冲击而应用提高8。近几十年来，由于切削技术的不断提高，切削机床的不断涌现，刀具和工件材料的发展，推动了切削液的发展。随着先进制造技术的深入发展和人们环境保护意识的加强，对切削液技术提出了新的要求，它将推动切削技术向更高领域发展。1.2.2 切削液的分类目前，切削液的品种繁多，作用各异，但归纳起来分为两大类，即油基切削液和水基切削液9。1) 油基切削液油基切削液是以矿物油为主要成分，根据加工工艺和加工材料的不同，可以用纯矿物油，也可以加入各类油性添加剂和极压添加剂以提高其润滑效果。（1）纯矿物物油主要采用用煤油、柴油等轻质油。轻质油主要用于铸铁的切削及研磨加工，有利于铁粉的沆降。纯矿物油成本低、稳定性好，对金属不腐蚀，使用周期长。在使用过程中，即使有少量切削液漏入齿箱、轴承和液压系统中或部分润滑油漏入切削油中，都不致影响机床的使用性能。但矿物油由于不含润滑添加剂，润滑效果较差，承载能力较低，一般只适用于轻负荷切削及易切削钢材和有色金属的加工。对于要求低温流动性能好的切削油，可用聚烯烃等合成油，凝点可达-30以下，但价格昂贵。（2）脂肪油（或油性添加剂）+矿油 脂肪油曾被广泛用作切削油，一般用于精车丝杠、滚齿、剃齿等精密切削加工，常用的有菜籽油、豆油、猪油等。脂肪油主要由脂肪酸组成，对金属表面有较强的吸附性能，具有良好的润滑性能，其缺点是易氧化变质，并在机床表面形成难于清洗的粘膜（即“黄袍”）。（3）非活性极压切削油由矿物油+非活性极压添加剂组成。所谓非流活性极压切削油是指切削油在100，3h的腐蚀试验中，铜片腐蚀在2级以下（中等程度均匀变色）。氯化石蜡、磷酸酯、高温合成的硫化脂肪油等属非活性极压添加剂。这类切削油的极压润滑性能好，对有色金属不腐蚀，使用方便，被广泛用于多种切削加工。（4）活性极压切削油由矿物油+反应性强的硫系极压添加剂配制而成。这类切削油对铜片的腐蚀为3-4级，对有色金属有严重腐蚀。它有良好的抗烧结性能和极压润滑性，可以提高高温条件下刀具使用寿命，对刀具积屑瘤有强的控制能力，多用于容易啃刀的材料和难加工材料的切削。（5）复合切削油由矿物油+油性和极压添加剂配制而成。油性添加剂，如高级脂肪酸、脂肪油等，这些化合物在表面产生物理吸附和化学吸附，形成一个分子膜吸附层，可降低切削时的摩擦阻力，但这类添加剂只在较低的温度时才有效，当温度高于200，极性化合物产生解吸和分解而失去润滑作用，这时，需要极压添加剂发挥作用。同时，含有油性剂和硫、磷、氯极压添加剂的复合切削液，可以在很宽的范围内保持良好的润滑状态，适合于多工切削及多种材料的加工。2) 水基切削液水基切削液由于具有导热系数打，冷却、润滑和防锈性能好等优点，因而发展迅速，在机械加工工业中已被广泛使用10。 水基切削液分为三类，即乳化液、合成切削液和半合成切削液。（1） 合成切削液：它的浓缩液不含矿物油，由水溶性防锈剂、油性剂、极压剂、表面活性剂和消泡剂等组成、稀释液呈透明状或半透明状。主要优点是：使用寿命长；优良的冷却和清洗性能；适合高速切削；溶液透明，具有良好的可见性，特别适合数控机床、加工中心等现代加工设备上使用。但合成切削液容易洗刷掉机床滑动部件上的润滑油，造成滑动不灵活，润滑性能相对差些。（2） 半合成切削液：也称微乳化切削液。它的浓缩液由少量矿物油（含量为5%30%），油性剂、极压剂、防锈剂、表面活性剂和防腐剂等组成。稀释液油滴直径小于1m，稀释液呈透明状或半透明状。它具备乳化液和合成切削液的有点，有弥补了两者的不足，是切削液的发展趋势。1.2.3 切削液的作用在金属加工过程中，使用切削液，有以下几种目的：（1）延长工具（或砂轮）的使用寿命；（2）降低工件表面粗糙度和提高工件精度；（3）是切削和灰末从切削区域冲走；（4）降低切削力和提高切削效率。因此，良好的切削液必须具有润滑、冷却、清洗、防锈四个主要作用11。 （1）润滑作用：当代的切削机床，向着程控化、自动化、加工中心的方向发展。机械加工要求高精度、高生产率。生产过程中更换刀卡具和机床调整是保证加工质量的关键，要求很高，占用的工时很多，因之提高生产率的一个切实可行的重要途径，是尽量延长刀具的使用寿命，减少机床调整时间。切削液的润滑作用是通过切削液渗入到切屑，工件与刀具的接触表面以后，粘附在金属表面上，形成润滑膜而产生的，这种润滑膜减少了切削与前面刀和工件与厚刀面之间的摩擦系数，减轻粘结现象和抑制切屑瘤，从而降低表面粗糙度和提高刀具耐用度。所以润滑作用的好坏，直接关系到刀具的使用寿命和工件的表面粗糙度和精度。（2）冷却作用：在切削加工过称中所消耗的功，绝大部分都转变成切削热。在任何情况下，热量对切削刀具和加工表面都是有害的，刀具抵抗作用于刀具上力的能力，随着温度的上升而很快降低。切削液通过热传导、对流、汽化热而起到冷却作用，它能有效改善散热条件，将已产生的切削热迅速地从切削区带走，使切削区域的温度下降，从而减少工件的热变形，提高刀具的耐用度和产品的加工精度。（3）清洗作用：在金属切削过程中，切削、铁粉、磨屑、油污等物易粘附在工件表面和刀具、砂轮上，影响切削效果，同时使工件和机床变脏，不易清洗所以切削液必须具有良好的清洗作用，对于油基切削液，粘度越低，清洗能力越强，特别是含有柴油、煤油等轻组分的切削液，渗透和清晰性能就更好。含有表面活性剂的水基切削液，清洗效果较好表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥，并在工件表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、刀具和砂轮上，另一方面能渗入到粒子和油污粘附的界面上把粒子和油污从界面上分离，随切削液带走，从而起到清洗作用。切削液的清洗作用还应表现在对切屑、铁粉、油污等有良好的分离和沉降作用。循环使用的切削液在回流到冷却槽后能迅速是切屑、铁粉、磨屑、微粒等沉降于容器的底部油污等物悬浮与液面上，这样便可保证切削液反复使用后仍能保持清洁，保证加工质量和延长使用周期。（4）防锈作用：为了使加工件、机床和刀具不受周围介质（如空气、水分、手汗等）腐蚀，要求切削液具有良好的防锈作用。防锈作用的好坏，取决与切削液本身的性能和加入防锈添加剂的作用。切削液防锈性能好坏，在我国对于很多行业（如轴承和仪表等）和一些地区（潮湿地区）来说，是一项十分重要的指标。切削液的作用机理比较复杂，润滑、冷却、清洗、防锈四个作用并不是孤立的，它们有统一的一面，又有对立的一面，而且各类切削液的作用，均有它的侧重性和针对性。所以要具体情况具体分析。1.2.4 切削液的研究现状和趋势机械工业年耗电量300多亿度，其中60%以上均消耗在各种切削机床上，这些消耗很大程度上取决于切削液的质量和使用技术水平12。然而，随着金属切削液的广泛使用，人们发现切削液是金属切削加工的主要污染源，除了使用时会对操作人员的身体健康构成危害外，废液的排放也会对环境造成严重污染。随着现在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。由于油基切削液的冷却性能已不能完全满足苛刻要求，且“低能耗，低成本，低公害”的要求日渐严格，金属切削液逐渐向水基切削液过渡成为了新的发展方向13。在日本，水基切削液产品的份额增长趋势更为明显。在美国和欧洲发达国家，水基切削液已成为最重要的金属切削液，并且微乳化液得到了广泛的应用，目前正大力研究和开发环保型水基切削液14。我国目前非常重视水基金属切削液的研究和推广应用工作，在“六五”、“七五”、和“八五”期间均安排了攻关任务，并取得了一定的成果15-16。目前，我国水基切削液的使用范围越来越广，但是水基切削液的研究情况仍相对落后，市场销售的水基切削液仍以乳化液为主17。从宏观角度考虑，该类产品中的防锈剂大部分含有亚硝酸钠和磷酸钠，极压润滑剂常含有短链氯化石蜡。亚硝酸钠虽然具有良好的防锈效果，但是易于胺类化合物反应生成亚硝酸胺，这是世界卫生医学界所公认的致癌物质，磷酸钠的积累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮：而氯化石蜡是海水污染物之一。近年来，我国有关文献18报导了亚硝酸钠的防锈剂和环己六醇六磷酸酯，但是防锈剂钼酸钠因其成本高，环己六醇六磷酸酯因其易水解，性能不稳定，均在推广中受到限制。采用生物降解性好的植物油和合成酯代替矿物油的研究尚处于起步阶段。随着环境保护和人类健康日益成为全社会关注的焦点，切削液的健康和环保问题成为切削液领域的研究热点和重点。为了适应社会发展的要求，现代切削液的发展出现了新的趋势：（1） 矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替；（2） 油基切削液逐渐被水基切削液所代替；（3） 开发性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂。1.3 本课题研究的内容及主要目标1.3.1 课题研究目标目前，国内线切割机所使用的水基切削液主要是乳化液。该类切削液中的添加剂主要含有硫、磷、氯元素等，且刺激性气味浓烈，有一定腐蚀性，使用范围较窄，易对人体造成伤害。此外，该类切削液使用寿命短，废液的排放对环境造成极大的污染。为保护环境而加强的规定，使得切削液的设备、管理和废液处理等的总成本费用上升，因而直接促使生产加工费用的上升。因此，迫切需要研制一种性能优良且无毒无害的新型切削液。以满足现在切削加工的要求。本课题研究的目的在于研发一种具有优良的冷却、防锈、清洗和润滑性能，不含亚硝酸钠和氯、硫、磷元素等，用于线切割、机床冷却等的新型环保型切削液。该切削液不仅应具有最佳的性能，而且对人体无危害，对环境无污染，符合国家环保要求，完全可以代替传统的切削液，并且成本低于传统的切削液。1.3.2 课题的研究内容本课题所要研制的就是一种新型的环保型切削液，其中防锈剂、润滑剂等是切削液的重要组成部分，也在环保型切削液中占了很大的份额，它们的性能的好坏很大程度上影响了切削液的性能，并且药品的正确使用也关系到成本的高低。因此，对添加剂的选择和用量是整个课题的研究关键，其具体的研究内容包括：1) 切削液的配方的研究,主要包括对主要添加剂的选择。2) 用正交法研究不同分量的药品对切削液性能的影响。3) 所配制的切削液的ph值、粘度、电导率的测定并与已知样品的ph值、电导率相比较；4) 最终确定新型切削液的配方；5) 在机械加工厂的线切割机上进行试验，考察切削液的实际应用效果。9第二章 实验方案及过程2.1 实验药品及仪器试验所用药品如表2-1所示，其中试验用水为实验室自制去离子水。表2-1 试验试剂试验药品分子式分子量产家20#机油-op乳化剂（分析纯）-天津市科密欧化学试剂公司氢氧化钠(分析纯)naoh40.00天津市恒兴化学试剂公司无水碳酸钠（分析纯）na2co3105.99天津市津北精细化工公司油酸（分析纯）ch3(ch2)7ch:ch(ch2)7cooh282.47天津市富宇精细化工公司三乙醇胺（分析纯）n(ch2ch2oh)3149.19天津市富宇精细化工公司吐温-80 （化学纯）-天津市东丽区天大化学试剂厂试验仪器及设备：电子天平（dt-200a），250、50ml烧杯，玻璃棒，10ml的移液管，吸耳球，ph试纸，5ml量筒，秒表，电导率仪等。2.2 总体设计方案为满足切削液润滑、防锈、冷却、清洗性能，同时使切削液配制工艺简单、性能稳定、节约原材料成本，需对切削液的添加剂进行合理的配制，找出最佳的组分用量。本章的实验方案如下：1) 进行试探性试验，找出主要试剂用量的最佳比例，从而制定出最初的切削液的配方；2) 观察最初切削液与工厂提供的切削液的外观形态的不同，并向两种切削液加入等量的水后分别测定它们的ph、粘度、电导率同时进行分析二者的不同之处。3) 根据对最初切削液配发的研究，运用正交实验的方法来确定乳化剂的最佳用量，分析其性能，从而确定出切削液配方的最佳方案；4) 分析最佳方案，进行调整，再用正交实验法确定新型切削液的最佳配方，并与已提供的试样切削液相对比分析其性能，最后确定出新型切削液的配方。2.3 实验原料配比的确定2.3.1 主要试剂的用量的确定根据参考文献18，采用20#机油作为实验的基础油。基础油主要起润滑作用，同时也是油溶性添加剂、表面活性剂等的载体。首先用单因素实验法确定油酸与吐温-80的最佳反应配比，方法为按表2-2所示的配方进行实验。表2-2 单因素实验配方油酸 吐温-80ph试纸的显色未加水时的形态加水后的外观形态 1 1 黄色油状呈黄色呈乳白色，表面有油状物漂浮 1 2 黄色 油状呈黄色呈乳白色，表面有油状物漂浮 1 3 黄色 油状呈黄色呈乳白色，表面有油状物漂浮 2 3 偏黄 油状呈黄色呈乳白色，很稳定 2 4 黄色 油状呈黄色呈乳白色 ，较稳定 2 5 黄色 油状呈黄色呈乳白色 ，较稳定从表2-2中得出，2ml的油酸与3ml的吐温-80反应时，混合液加水后呈乳白色最稳定，静置后，表面的油状漂浮物较少。2.3.2 确定乳化剂的用量乳化剂用量就是油酸、吐温-80、三乙醇胺三种材料用量的多少。1.实验方法采用l9（34）正交实验方案，将油酸、吐温-80、c三乙醇胺三个因素的各水平填入正交表，按照正交表所提供的数据配制九组切削液，配制好后，首先与工厂提供的试样切削液的外观形态行对比，然后向各组切削液以及等量的试样切削液加入100ml水进行ph、粘度、电导率的对比。2.基本操作1 用50ml的烧杯取机油10ml,按照表2-4所示的配方用5ml的量筒取相应量的吐温-80加入机油中；2 取1ml的水于200ml的烧杯中，按照表2-4所示的配方用5ml的量筒去相应量的三乙醇胺加入水中，用电子天平称取0.15g无水na2co3加入水相中并用玻璃棒搅拌至均匀；3 将第一步中的油相滴入第二步中的水相中，然后向其中加入1ml的op乳化剂，用玻璃棒将此时的混合液搅拌至透明；4 向搅拌好的混合液中加入100ml水，用玻璃棒搅拌至乳白色溶液。5 另去一个烧杯倒入等量的样品切削液，加入100ml水并用玻璃棒搅拌至乳白色。3.检测性能检测配好的乳白色溶液的ph、粘度、以及电导率。1 ph值ph值亦是切削液的一项重要指标。切削液的ph值过高，可能会造成操作者皮肤过敏和有色金属腐蚀；ph值过低，则会影响切削液的防锈性能和抗菌性能。目前，切削液的ph值的检测方法主要有ph试纸法和ph计法，此次实验使用的是ph试纸法。这种方法虽然精度较差，但操作简单，更适于现场应用。具体操作如下：用玻璃棒分别蘸取加了水后的实验切削液与样品切削液滴至ph试纸上，待ph试纸变色后与比色卡相对比，确定出其ph值。粘度切削液的润滑作用也与切削液的粘度有关，只有低粘度的切削液才能瞬间流入切削区内。实验所使用的测粘度的方法为粗略检测，误差较大，具体的操作为：1) 取1个10ml的移液管，首先用吸耳球吸取10ml的蒸馏水，用大拇指按住管口。在移去大拇指的同时开始计时，直到水滴完的那一刻停止计时，记下所用的时间,重复此步骤三次，最后数值取平均值。2) 用吸耳球和移液管分别去取加了水后的实验切削液与样品切削液10ml，重复1）中的实验步骤，记下滴完所用的时间，重复实验三次，最后数值取平均值。3) 已知蒸馏水在常温下的粘度为1.000510-3/pas，根据等式（2-1）即可算出所求液体的粘度。 （2-1）其中为粘度系数(/pas)，t（s）为液体滴完移液管所用的时间。1为水的粘度，t1为水滴完移液管所用的时间，而2为所求溶液的粘度。电导率由于切削液在使用过程中不断补充水分所引发的矿物质累积，以及外界杂质的引入，会导致切削液电导率不断上升。当电导率上升至一定的阶段，切削液会出现析皂分层现象，使加工能力迅速下降。因此，电导率也是衡量切削液好坏的一项重要指标。通常检测切削液电导率采用电导率仪。具体操作为：用电导率仪分别测出加了水后的实验切削液与样品切削液的电导率，并相对比，看实验制备的切削液是否达标。2.4 新型切削液的配方2.4.1 主要成分的配比在2.2的基础上以及大量实验的基础上发现，影响切削液性能的主要成分为：a(油酸)、b(三乙醇胺)、c（op乳化剂），通过对各成分的分析，制定了实验因素水平表（见表2-5）1）实验方法：该实验包括3个因素三水平，根据正交实验规律，选用l9（34）正交实验方案，将表2-5所示的a（油酸）、b(三乙醇胺)、c(op乳化剂)三个因素的各水平填入正交表，即得到了2-6所示的正交表来安排实验。每个实验除了a、b、c三个量为变量外，其他原料的用量均相等：即10ml的机油为实验所用的基础油，0.15g碳酸钠进行调节ph。从实验中可确定出三个因素的最佳实验比，这样就可以确定出新型切削液的配方。2）基本操作：1. 用50ml的烧杯取机油10ml,按照表2-4所示的实验数据依次用5ml量筒量取相对应的油酸、三乙醇胺的反应量加入机油中，用玻璃棒搅拌均匀；2. 用5ml的量筒量取表2-4所示的对应的op乳化剂的反应量，倒入另外一个烧杯中，并用电子天平称取0.15g的无水碳酸钠加入到op乳化剂中，并用玻璃棒搅拌至无水碳酸钠彻底溶解；3. 将溶有无水碳酸钠的op乳化剂倒入步骤1中的混合液当中并用玻璃棒搅拌至透明状；4. 用量筒量取100ml的水加入到步骤3中的混合液中，玻璃板搅拌。并观察其外观；按照以上方法可确定出切削液的配方，然后按照此配方配制一定的新型切削液，同时取等量的试样切削液，并向两种切削液内加入等量的水，对所配制的两种液体进行性能分析，最终确定新型切削液的最终配方35第三章 实验结果与分析3.1 实验原料的分析3.1.1 主要试剂的分析油酸，分子式为ch3(ch2)7ch:ch(ch2)7cooh为不饱和脂肪酸，与三乙醇胺反应的最佳反应比为1:2，反应后为乳状液的醇胺类化合物，其ph为9.0，且防锈性能非常好，可以作为润滑剂、油性剂、表面活性剂来使用。三乙醇胺，分子式为n(ch2ch2oh)3，可作为非离子表面活性剂起着增溶、分散、稳定的作用，且不受稀释水质的影响。吐温-80，是亲水性的表面活性剂，切削液中添加吐温-80可提高其润滑性，但其缺点是造价较高，并且吐温-80中亲脂成分包括不饱和脂肪酸，这些不饱和脂肪酸十分容易氧化降解而产生更多的有毒成分，由此而产生的毒副反应将会超过产品本身带来的益处。op乳化剂，hlb值为14.5，试验发现，在乳化前在op-10乳化剂中预先加入适量的水，使其稀释到适当的浓度后再乳化基础油，所得到的乳化油在水中的分散能力大大提高，即可得到较稳定的乳化液。3.1.2 防锈剂的合成与选用防锈性是评价金属切削液性能好坏的一项重要指标，所添加的防锈剂应是一种极性很强的化合物，它的作用在于防止工件生锈。防锈剂大多采用一些极性物质，其分子结构特点是：一端是极性很强的基团，具有亲水性；另一端是非极性的烷基，具有疏水性。当含有防锈剂的溶液与金属接触时，防锈剂分子中的极性基团对金属表面有很强的吸附性，并在金属表面形成紧密的单分子或多分子保护层，阻止腐蚀介质与金属接触，起到防锈作用。防锈剂还对水及一些腐蚀物质有增溶效果，可起到分散和（或）减活作用，从而减轻腐蚀物质对金属的腐蚀。此外，碱性防锈剂对酸性物质还有中和作用，可使金属免受酸的腐蚀19。一般认为防锈剂性能与有机分子极性基团的功能有关。这些极性基团包括-cooh、-conh、-so3h、-oh、-nh等20。根据防锈剂的吸附原理，分子中的极性基团能吸附于金属表面，而疏水性的烃基在金属表面形成保护膜，防止水分侵蚀金属表面，从而起到防锈效果。有机分子在水中的溶解性与烷基链的长短和亲水性基团的多少有关。作为水溶性的防锈剂，分子中不但要有起防锈作用的极性基团，而且要求分子具有一定的水溶性。对于水溶性防锈添加剂，亚硝酸钠是长期被认为有效的防锈添加剂，但人们已逐渐认识到它对人体有致癌的可能性。铬酸盐、重铬酸盐对钢铁也具有良好的防锈作用，但是有毒、会污染环境，它们的使用均受到限制。磷酸盐类防锈剂会污染环境，因此其使用也受到限制。经过筛选，有机羧酸与醇胺类物质反应得到的产物兼具良好的防锈性能和水溶性能。研究表明21,采用油酸与三乙醇胺反应后的产物具有良好的防锈性能；磺化蓖麻油与三乙醇胺反应后的醇胺类化合物的防锈性能也非常好；硼酸酯是一种优良的多功能防锈润滑添加剂。由于单独使用这些防锈剂所需浓度较高，因此可选用上述一种或几种有机防锈剂与碳酸钠、硼砂、苯甲酸钠等无机防锈剂复配，以提高防锈能力和减少试剂用量。但是，过多的添加剂进行复配不仅提高了产品的成本，而且由于各添加剂的复杂性，给切削液配方的确定造成困难。所以，找到两种既有防锈性，又有润滑性，且能溶于水，并性能稳定的化学物质进行复配。本实验中采用油酸与三乙醇胺、碳酸钠复配为防锈剂，此时复配的防锈剂不仅具有良好的防锈性能和水溶性能，而且不具有氮、磷等对环境有害的元素，从防锈剂这一方面做到了环保的要求，即对操作人员没有伤害，也便于后续切削液的处理，对环境没有污染。3.1.3 表面活性剂的选择能显著降低溶剂（一般为水）表面张力和液液界面张力的化学物质称为表面活性剂。表面活性剂具有亲水、亲油的性质，在水基切削液中起到乳化、分散、洗涤、润湿、杀菌和防腐蚀等作用。然而，表面活性剂用量过多，又会使泡沫增多，影响切削加工的能见度，过量泡沫甚至会影响正常使用。微乳化切削液中分散相的高度细化和体系的稳定性是依靠表面活性剂的润湿、分散、乳化、增溶等作用实现的。在乳化液中，表面活性剂的用量一般为20%50%，而在微乳化液中，用量可高于40%，以保证分散相油滴细化，使体系保持高度稳定性。表面活性剂是使油和水乳化的关键性物质，一般分为阳离子型表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂。阳离子型表面活性剂通常使乳化液呈酸性，使乳化液容易腐败变质，故极少用。阴离子型表面活性剂的特点是乳化性能好，并有一定的清洗和润滑性能，但抗硬水能力差，且易起泡，常与非离子表面活性剂配对使用。非离子型表面活性剂在水中不电离，其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（醚基和羟基）构成，不易受强电解质无机酸盐类的影响，也不易受酸碱的影响，与其他类型的表面活性剂相溶性好，能很好地混合使用。但由于在溶液中不电离，故在一般的固体表面上不易产生强烈的吸附，另外，随温度的升高，很多非离子型表面活性剂溶解度降低甚至不溶，会造成乳化液浑浊，不透明。所以，通常通过调整阴离子型表面活性剂和非离子表面活性剂的配比，使hlb值与分散相配，以获取最佳的分散乳化效果。根据文献知22,乳化油剂所需的hlb值为914，单一乳化剂很难形成稳定的乳化液。根据hlb值，在实验中使用的是op乳化剂和三乙醇胺复配成的乳化剂，三乙醇胺可作为阴离子表面活性剂，结果表明其乳化效果较好，此外，op乳化剂和三乙醇胺均不含有有害于人体和环境的元素，环保无害，而且，这两类药品价格适宜，容易购买，从根本上降低了切削液的成本。3.1.4 润滑剂和极压润滑剂的合成与选用在金属切削加工中，切削、工件与刀具之间的摩擦状态可分为干摩擦、流体润滑摩擦和边界润滑摩擦三大类。大多数难加工金属材料的加工处于极压润滑状态，此时油性添加剂在摩擦表面形成的润滑膜将被高温高压所破坏，因此必须依靠极压添加剂形成另一种润滑膜。这层润滑膜是极压添加剂在高温高压下进入切削、工件与刀具界面之间与金属发生化学反应所生成的氯化铁、硫化铁等化学吸附膜，它可使边界润滑层具有良好的润滑性21。在极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂，以维持润滑膜强度。常用的极压添加剂为含硫、磷、氯、碘、硼等的有机化合物，它们可在高温下与金属表面发生化学反应而生成化学吸附膜，它比物理吸附膜的熔点高得多，可防止极压润滑状态下金属摩擦界面的直接接触，起到减小摩擦、保持润滑的作用。可作为水溶性润滑剂使用的只有油酸、亚油酸、氯化脂肪酸、磷酸三乙酯等几种物质，但它们的减摩抗极压能力有限。由此可见，传统的防锈剂和润滑剂功能单一，不能很好满足现代新型切削液的要求。为使切削液具有优良的综合性能，必须同时添加几种物质进行复配，这样不仅提高了成本，而且由于各种添加剂之间相互作用复杂，势必给配方的确定造成困难。所以，本实验在选择防锈剂的时候，就考虑了其也具有优良的润滑性等其他功能。研究表明22，油酸三乙醇胺除具有防锈性和润滑性能外，还是一种表面活性剂，具有良好的渗透性和浸润性，有助于进入高温高压下的加工面，形成极压润滑膜。3.1.5 其他添加剂的选用切削液中使用的辅助添加剂还包括消泡剂、ph调整剂等。而在本实验中只添加了ph调整剂。切削液的ph值应保持在810之间，ph值过低易滋生细菌霉变，ph值过高腐蚀严重。本实验中采用naoh与na2co3的配比来调节ph，na2co3与油酸、三乙醇胺复配为防锈剂，因此它的量不能随意改变，因此，实验中切削液调节ph时主要是改变naoh的量，又因为naoh为强碱，所以在实验中每次添加naoh时应注意用量，切勿添加过多导致ph值过大。3.1.6 最初切削液配方的确定从实验中发现油酸与吐温-80在2:3的配比下混合液加水后呈乳白色最稳定，静置后，表面的油状漂浮物较少。此时，按此比例即可确定出最初切削液的配方，具体见表3-1： 表3-1 最初切削液的配方 成 分用 量 机油10ml 油酸2ml 吐温-803ml op乳化剂2ml 三乙醇胺1ml 无水碳酸钠0.1g 水1ml按上述配方配制的相应的切削液，同时取19ml等量的工厂提供的切削液进行性能的比较。从外观上来看，两种切削液均是油状浅黄均匀性液体，并且无分层、无沉淀。但工厂提供的试样切削液较稀，流动性强。同时向这两种切削液加入100ml水，搅拌至均匀后对比两种切削液的性能（见表3-2）。表3-2 两种切削液的对比静置后溶液形态ph试纸颜色时间黏度(10-3/pas)实验乳白色，但液面有油层显浅黄色29500.972试样乳白色，无任何悬浮物显绿色28371.011 水29331.005在表3-2中，时间表示液体滴完移液管所需要的时间，在实验中水滴完移液管所使用的时间为2933，液体的粘度是根据等式（2-1）求出的，单位为110-3/pas。从表3-2中得出，加水后实验中配置的切削液呈乳白色，静置一段时间后发现液面有油层漂浮着，而工厂提供的切削液试样加水后呈透亮的乳白色且静置一段时间后液面并没有油层漂浮，原因一方面可能是添加剂之间没有充分反应，另一方面可能是由于乳化剂的量太小导致的。从ph这个方面看，实验配制的切削液使ph试纸变为浅黄色，对照ph显色卡，此时的ph大约在6左右，而试样切削液使ph试纸显浅绿色，对照ph显色卡试样切削液的ph为78之间，因此实验配制的切削液的ph偏小，需要增加碱性物质来提高ph值。另外配制的切削液的黏度小于提供的样品切削液的黏度，并且在未加水前的切削液比试样切削液看起来要稠很多，说明此时的配方还不能达到标准水平，还需对各成分进行详细配比试验。3.1.7 乳化剂用量的分析乳化剂的用量指的是a（油酸）、b(吐温-80)、c(三乙醇胺)的实验最佳配比。实验中采用的是l4（23）正交实验方案，将表3-3所示的a（油酸）、b(吐温-80)、c(三乙醇胺)填入正交表，得到表3-4所示的九组三个主要成分的用量数据，即按表3-4的配方进行配制切削液并对配好的切削液进行粘度、电导率的测定，并对所测得的粘度、电导率进行极差分析，从而确定出最佳的切削液的配方。在进行配制各组切削液的过程中，每组的其他成分均保持不变，即：10ml机油作为基础油，1mlop乳化剂以及0.15g无水碳酸钠。 表3-3 正交实验因素水平表水平abc油酸 (ml )吐温-80（ml）三乙醇胺(ml)112122323343表3-4 正交试验结果分析实验号因素指标a (ml)b （ml）c (ml)粘度 (10-3/pas)电导率(ms/cm)11210.9651.08521320.9671.12231430.9601.20242220.9650.74652330.