（机械工程专业论文）新型含硼切削油的研制与性能实验研究.pdf

摘要 在金属切削加工过程中，切削浊已被广。泛使用。切削油的性能 指标直接影响切削加工的质鬣、效率和成本。传统的切嘲油裰压抗 磨添加剂主要是含硫、磷、氯类化合物，它们已不能满足现代切削 加工的需求。 现代切削加工过程中要求切削油不但性能优良，还要对操作者 无窖，对环境无污染或低污染。本谦题的任务是研带l 漓溶性含潮多 功能添加剂，复配防锈剂和表面活性剂，改善切削油的分子结构和 合成泷镶，优化切鸯| j 、穗配置工艺，簸终开发密辩薪登高效无毒辍 压切削油，以弥补国内空白。 逶过磨损实验、甥澍实验证弱( 1 ) 含潮切割、渍呈嚣出优良的抗 磨性能，且抗磨性能与基础油的粘度无关：( 2 ) 在切削过程中，降 低基矗塞淮糙疫麓显著撼高切黼油豹润潺效巢，使甥毒l 力下降禚凄增 大。 本文毳歼毒l 憝多功巍含翻添翔裁不仅具有良好缎良好减磨性戆丽 且由于不含磷、硫和氯等对环境和操作者有害的物质，因而是一种 蔌型饔保添热裁，具有接广应惩的馀德。 关键词：含麓甥巍l 涵撬瘗性能澜滑糙发 妇 s 、西j l j a b s t r a c t s 。 1 y 、l i nm e t a lc u t t i n g ifc u t t i n 每o i l 曲g u s e d e x 、t e n s i v e p e r f o r m a n c eo f c u t t i n g o i li n f l u e n d 圆d i r e 吲蜒登警煎醯_ 瞌地晒m d u c t i v ee i 五c i e n c ya n d m a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y ，能d 五c 甘t 1 1 ew e a r o f t h e c u t t i n gt o o l ；b u t i tb r i n g s u pn e g a t i v ee f f e c ti ne n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n d s oo n a d d i t i v eo fo l d + ，之纛竺。，囊嚣三盘珥? 。 ”峭莎，弘删乳凇。蜥剐鼎8 。4 。一7 、 独创性声明 本人声唆鼹肇交魏学位论文楚本人农导耀撂撂下进纷豹磷突互 乍积毅褥的 研究成果，除了文中特别加以标淀和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表戏撰写逑豹硬突成果，瞧不包食为获德基耋起兰或其姣教弯提掏瓣学位 或证书面使用过的材料。与我一阐工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：a 伊晓年7 月孙开 学位论文版权使用授权书 零学位论文手棼者完全了瓣熬变态鐾秀美僳蟹、搜爱学像论文懿麓定。 特授权美鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，劳累惩影印、镶帮或孛i 搓等笈刳手段慑毒、汇绩鞋供套阙翻绩阙。霹意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保褰鲍学佼论文奁瓣密蓐逶躅本授权说明) 学位论文终若签名： 签字醐：蕊媾7 月凇日 导烬签名： 转唱 签字日期：h 瑁埤1 月沙爨 第一章绪论 窃削液及莫波用 第一章绪论 精度要求高帮袭蟊蒺羹限定较严豹零侔凡乎都要经过落潮麴工“。近年来， 切削加工之所以仍然占据着主导地位，最基本的原因，是由于它是制造精度和表 瑟鬟量较寒静辊器零俘懿最经济靛掇王方法“。 所谓切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获 褥裁定夔凡秘形装、尺寸嚣褒嚣矮纛的燕工方法。 在切削加工中，合理选用切削液，可以改善切屑、工件与刀具之间的摩擦状 凝，捧剿撩掰癌嚣鳞裁夔生装，鼓舔降羝霹粼力窝锈漤涅瘦，减少工传热交影， 提高加工精度和减少已加工袭面粗糙度，延长刀具耐用度。 1 1 1 切削加工与切削加工 切割勰王对，在刀具的作用下，仞翻层金属发生弹性和塑往交形以及韬祷与 前刀面、工件与后刀丽间消耗的摩擦功，都将转化成热能。使切削区域温度升高。 窃翻熬帮鑫j 它产生静切鑫g 溢发，直接影响刀巢酌瘩损和辩矮液，并影响工件的加 工精度和表丽质量。换言之，在前刀面上存在着摩擦，它影响到切屑的形成、切 翻力、留骞l 滋度、刀矮静瘗籁；还影嫡积_ | 霉瘸和鳞裁静形成。韬潮液可以改蒋切 屑、工件与刀具间的摩擦状况，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，从而降低切削力和切 蘩澄疫，减小工臀熬交形，掇燕攘工精度霸藏书已麴工表瑟耱糙菠，延长刀具l | 葑 用度。所以，对切削液的研究应当予以高度的重视。 一般被浚浮豹部 孛，绝大部分能爨瑶戳佟麓，只密较少部分麓量转位秀燕能。 而切削过程所消耗的能量除创生面的表面能、加工面积切屑中曲残留应变能等 占1 蕊。1 癸，9 7 竣王终能量都转优先热黪。其中2 3 懿熊溃耗予塑经交澎， 1 3 的能消耗于刀具与切屑、刀具与工件的摩擦“1 。由于切削刃区域极小，热量 褰度集中，敬毒时切嚣与刃是赛垂瀑度缀寒甥剡霎重霹这8 0 0 ，磨测瓣霹这1 2 0 0 “1 。刀具在高温下蕻硬度、强度大幅度下降，使用寿命急剧缩短，有人认为刀 具寿念积切削时刀具滠度豹2 0 次方成反比0 3 。例如雳藏速钢刀具在特定条l 牛下甥 削，当刀具与切屑界面平均温度由6 5 0 它下降到6 0 0 时，刀具的寿命可以由 5 7 m i n 增加到1 5 0 m i n 。切羼的瞧表蠢帮已加工寝嚣都楚在切削过程中形成的。这耱 因切削不断黎露出来的新生表面( 一般被润滑的部件无初生面可言) 往往在尚未 第一章绪论 来得及在周围介质中吸附氧、水及其他极性物质时，就立即与刀具波面接触，并 在褒湛裹艨下不叛擦试刀暴表垂，褥刃具蔽嚣爨套瀵溪馋瓣麴啜黠貘逐濒攘净， 而造成两相摩擦表面间的熔着粘附，从而使刀具磨损增加，工件表面质量下降。 为薅止摩擦覆的熔瓣，故要求佳莛救投压剡能以足够的速度帮摩擦袭瑟反应形残 极胍润滑膜，迅速荫鱼覆盖瞬间出现的新生龛属表面，这就要求反应相当强的化合 物作极压裁。通鬻在切巍渡中期入霹控性的氯、硫、磷等极雁抗磨刹，这些添加 剂在高温高压下与龛属表面起化学反应形成固体化学膜，超到边界极压润滑作 用，在很大程度上防止了切爝与刀舆问的金属紧密接触，从丽避免了金属熔蘑牯 结。 切削液，一般是以液体的形式加到切屑形成区，用来改善切削袋件( 与于切 削条件相比) 。改善的情况怒多种多样的，它取决于刀具材质和几何形状及其热 处理方法、工件材艨、切削液类型，井在很大程度上取决于切削条件。 1 1 2 切削液在金属切削中的作用 在金属切削加工中切削液具有冷却、润滑、清洗和防锈的作用”3 。 ( 1 ) 冷却终掰。韬燃滚浇注在甥鸯嚣嚣逶_ 遭甥楚熬麴传导、瓣滚露汽纯，髭刀吴、 工件和切屑的热带走，从而降低了切削区的温度，达到冷却作用，提高了刀 具款耐用度羁工l 孛鲍加工壤度。 ( 2 ) 润滑作用。切削液渗透到切削隧的刀具与切屑和工件的接触表丽上，产生吸 醛移化学反应，形成斓潺油膜，两起到斓滢圣筝髑，麴制t 积羼燧鲍产生，有 效地减小了切削力，降低了工件表面粗糙度。 ( 3 ) 清洗l 乍用。当金属切削中产生碎届或磨粉时，鼹求切削液具有良好的清洗作 用。 ( 4 ) 防锈作用。为了减少工l 牛、机寐、刀具受周围介质的腐蚀，要求切削液具有 一定的防锈作用。 切b 0 热是由切削过程中金属变形和摩擦所消耗的功转交丽来。圈卜1 所示的 三个变形嚣就是产艇切削热的热源；即被加工材料的弹、塑性变形所消耗的功转 变的热和刀具前刀焱与切屑底层摩擦所产生的热以及刀具艨刀面与加工表颟摩 擦掰产生的熟。产象这些热燕除去璐辐射的形式放溅去的部分羚，均用于加热刀 具、切屑及加工表蕊，使之温度升高。温度升1 高虽然有着产生热软化使切削力降 低及积盾瘤消失静肖稠方瑟，但更蘸要的逐是加尉了刀其的磨损、缩短了刃具寿 命、在己加工表面生成热变质层，从这些方颇来看，通常认为温度上升是有害的。 困魏，镯潮过程中三个变形送辑产生豹热量除分鬃国甥屑、工件、刃其帮溺闺奔 质如空气传出外，还应采用切削液将切削区的热量迅速带煮。切削液的冷却效果 第一章绪论 切削液的冷却效果有两个方面：即直接冷却和通过润滑对切削机理的影响所体 现的冷却间接获得的冷却。由于切削液的自身冷却能力，其直接冷却作用不但 可以降低切削温度，减少刀具磨损，延长刀具寿命，而且还可以防止工件热膨 胀、翘曲对加工精度的影响，以及冷却己加工表面抑制热变质层的产生。冷却 作用通常是指切削液将热量从它产生的地方迅速带走的能力。 图1 - 1 切削变形区 热量由于受热物质的运动，自一处转移到另一处，称为热的对流。对流只有 在液体及气体内才有可能。在金属切削时，靠对流能传出较大量的热。例如一 高速钢w 1 8 c r 4 v 整体刀、刀具前刀面上的平均温度4 0 0 刀具底面上的温度5 0 。靠热传导传出的热量，通过计算为0 0 0 0 1 6 7 w m 2 。( 设刀具高为2 5 m m ) ，而 在施加冷却液的情况下，通过对流传出的热量为0 0 0 1 4 2 w m 2 ，比热传导大8 5 倍【8 】。因此，在切削加工时，较大一部分热量是靠切削液的对流而传出的。 切削加工时，由于切削区温度很高，则切削液部分沸腾、汽化吸收了大量 的热，这种热叫汽化热。汽化热又要比切削液的对流所传出的热大得多。因此， 在使用切削液时，对某些加工方法来说，应尽量创造条件( 如喷雾冷却) ，使之 易于汽化。 通过上面的分析可知，切削液的冷却作用大小，取决于热导率、比热容、 汽化热、汽化速度、流量及流速( 流速与粘度、压力有关) 等。通常水的热导率、 比热容、汽化热比油大，精度比油小，所以一般水的溶液的冷却性能最好，油 类较差，乳化液介于二者之间，按近于水。 总之，在考虑切削液的冷却作用时，必须考虑切削液的润滑性、抗熔结性 及控制积屑瘤形成的效果。如果单纯考虑冷却能力，纯水虽然为油的冷却能力 数倍，但并不表示水的优越性。所以在切削过程中即要考虑防止热产生，又要 第一章绪论 考虑消除热量，即冷却作用，只有这样才能控制刀具、工件的热膨胀以及提高 加工精度。 切削液的润滑作用是指它减小前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩 擦、磨损及熔着、粘附的能力。在一定条件下，使用良好的切削液，可以减少 刀具前、后面摩擦，因而能降低功率，增加刀具寿命，并获得较好的表面质量。 而更重要的是减少产生积屑瘤( 即刀瘤) 的机会。 1 2 切削液的研究现状 1 2 1 切削液的历史回顾 人类使用切削液的历史可以追溯到远古时代。那时人们在熔制石器、铜器 和铁器时，就知道浇水可以提高效率和质量。从1 7 7 5 年英国的约翰威尔金森 为了加工瓦特蒸汽机的汽缸，研制镗床开始，并伴随出现了水和油在金属切削 加工中的应用。到1 8 6 0 年经历了漫长发展后，车、铣到磨齿轮，螺纹加工等各 种机床相继出现，切削液开始得到了较大规模的应用【9 】。 对切削液的理论研究大约从1 8 6 0 年开始，当时切削加工的研究重点已从研 制基本机床，转向到研究新型金属和金属加工方法，以及提高切削速度等方面 来了。1 8 6 8 年在美国就出现了“关于切削液在车削中的应用”的第一部书。它 表明在这之前早已应用切削液，并对切削液作用有所认识。1 8 7 2 年伦敦皇家协 会发表了“关于刀具作用”的研究论文，在文中提到了切削液能减小切削中的 摩擦。1 9 世纪8 0 年代美国科学家就已首先进行了切削液的评估工作。f w t a y l o r 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3 0 4 0 的现象和机 理口。t h u r s t o n 教授发现加工钢使用鲸油比猪油更优越。含硫鲸油作为极压切削 油用于加工难加工材料。t a y l o r 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。大约同时，人们感觉使用肥皂 水更为满意，因为它还有润滑性能。故从那时起，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以后就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，但动植物油易变质，使用周期短。2 0 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动植物油合成的复合油。1 9 2 4 年含硫、氯的切削油获 得专利并应用于车削、螺纹切削、齿轮加工和拉削。 对于切削液作用机理的深入研究起始于2 0 世纪3 0 年代。当时揭示了切削 第一章绪论 中，刀屑界面的切削温度能够达到1 0 0 0 ，压力达1 4 0 0 m p a 。人们发现使用 切削液能够抑制消除积屑瘤，从而提高加工表面质量。当切削速度大于0 ，2 5 m s 时，必须使用切削液，以起冷却和润滑作用。从那时到现在，特别是近几十年 来，由于切削技术的不断提高，新型加工设备的不断涌现；难加工材料的多样 化；对切削液的要求也越来越高。因此国内外对切削液的研究非常重视。此外 人们对切削液的作用机理、性能评价、加注方式以及管理等方面进行了深入的 探讨，并不断提出新的论点，推动了切削液技术的发展。 1 2 2 切削液的种类 切削液分为两大类。即油基切削液和水基切削液 1 、油基切削液 油基切削液是以矿物为主要成分，并适当加入各类油性剂、极压添加剂等形 成的，分为以下5 类。 ( 1 ) 纯矿物油：包括煤油、柴油等轻质油和锭子油、机油等矿物油，具有成 本低、稳定性好、对金属不腐蚀的优点，但由于不含添加剂其润滑效果较差， 只适合轻负荷切削。当要求低温流动性好的情况下可使用聚烃合成油，但价格 较高。 ( 2 ) 加有油性剂的矿物油：动植物油脂兼有良好的润滑性能和对金属表面的 吸附性能，在金属表面能形成吸附层，降低切削时的摩擦阻力，但它只在2 0 0 以下的低温有效，在高温下会分解而失去润滑作用。在矿物油中加入1 0 3 0 的动植物油可使矿物的润滑效果明显提高。但由于石油资源有限，目前多 改用其他油性添加剂代替。 ( 3 ) 加有非活性极压剂的矿物油：加入非活性极压剂包括氯化石蜡、磷酸酯、 高温合成的硫化脂肪油等，这些极压剂在高温高压下能与金属反应膜使金属表 面保持良好的润滑状态。 ( 4 ) 加有反应性强的硫系极压添加剂矿物油：这类活性极压剂加入矿物油后， 使切削液有良好的抗烧结性和极压润滑性，可提高高温高压条件下刀具使用寿 命。但对有色金属会造成较严重腐蚀，使用时应注意。 ( 5 ) 复合切削油：是由矿物由、油性添加剂、极压添加剂组成的。由于成分中 既有含水量有低温下能在金属表面形成润滑膜的油性剂，又含有能在高温高压 条件下形成润滑膜的油性剂，所以在很宽的温度范围内都保持良好的润滑性能。 以矿物油为主的切削油的发展趋势是：( 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f l “。 第一章绪论 2 、水基切削液 随着机床的传动功率和切削速度的提高，切削区内温度急剧升高，为使温 度降到所需水平，最有效和最价廉的是采用水基润滑冷却液。它们可用于高速 和高进给量加工轻合金，且大多用在刀具切削刃不允许强烈过热的情况。 水基切削液分为乳化液、合成切削液和微乳化液。乳化液由于其工作稳定 性差，使用周期短，溶液不透明，很难观察工作时的切削状况，使用量逐年减 少。目前使用较多的合成切削液。合成切削液使用寿命长、正常工作可达3 4 个月，优良的冷却和清洗性能，适合高速切削；溶液透明，具有好的可见性。 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。微乳化切削 液具备乳化液和合成切削液的优点，又弥补了两者的不足，是切削液发展的趋 势。水基润滑冷却液所需的的冷却能力是由化学添加剂保证的，因此，在润滑 冷却液内通常添加能降低切削区域摩擦系数的特殊添加剂，但是，它们将增大 润滑冷却液的腐蚀作用。 1 2 3 切削液添加剂的种类 切削液是一种复杂的化合物，它含有几种乃至几十种不同成分的添加剂。添 加剂的成分可能直接影响切削液的切削性能。切削液常用的添加剂主要有润滑 剂、防锈剂和防腐剂等。切削液添加剂不仅要性能优良，而且要无毒无害。 1 、极压润滑剂 目前仍在使用的极压润滑剂主要是含有硫、磷、氯类的化合物。它们的油溶 性能很好，但它们对环境有污染，对操作者有害。随着人们环保意识的加强， 现在己限制使用此类添加剂。国内外正在着手研究它的替代物。近年来无毒无 害的硼酸盐( 酯) 类添加剂系列受到了广泛的重视。 2 、防锈添加剂 亚硝酸纳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、重铬酸盐对钢铁也有良好的防锈作用，但有毒污染环 境，它们的使用都受到限制。因而开发新型无毒无害防锈剂是发展趋势。目前 利用多种无毒添加剂效应，如曹月平等复配成的高效防锈添加剂已取得好的效 果。钼酸盐也是防锈性能优良无毒的防锈剂【1 2 】。 3 、防霉杀菌剂 第一章绪论 切削液常用的防霉杀菌剂是酚类化合物、甲醛类化合物。虽有较强的杀菌 作用，但会伤害操作者，并污染环境，刺激人的眼、鼻，使工人患有皮肤病和 呼吸道疾病。近年来由于受到环保法规的限制，许多国家对含酚类、苯类及甲 醛类的杀菌剂的使用加以限制，并积极寻求新型无毒杀菌剂。如日本选用油酸、 硬脂酸等具有一年以上的抗腐蚀能力口。美国开发的柠檬酸也有较好的抗菌效 果l ”】。近年来利用硼酸酯表面活性剂和整合剂复配成的防腐剂也具有较强的抗 菌能力 1 4 1 。 1 2 4 目前切削液存在的主要问题 性能优良的切削液具有良好的润滑、冷却、清洗及防锈性能，对提高切削加 工质量和效率，减少刀具磨损等有着显著的效果。切削液发展到今天，在机械 加工业中应用广泛，使用量很大，成为种类众多，门类齐全的工业产品，取得 了巨大的经济效益。但随着各种添加剂的使用，切削液的存在的问题也逐渐被 人们所重视，切削液使用中的副作用主要有下面两个方面： 1 、切削液危害人体健康 切削液对人体的危害首先是其添加剂的毒性，如常作为杀菌剂使用的苯酚 类物质毒性很大；常用的效果较好的防锈剂是亚硝酸钠，而国际上普遍认为它 与胺盐在某些条件下会形成致癌物质亚硝胺。其次是对皮肤的危害，因矿物油、 表面活性剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性，及无机盐、有机胺等碱性 物质的作用，会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。三是对呼吸器官的危害， 这是使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的刺激性气味引起的；同时，这 些油雾还对眼睛产生一定的刺激【l5 1 。如甲醛有极强的杀菌力，常在切削液中充 作杀菌剂，但它对人的眼鼻有强烈的刺激性，接触皮肤还会导致组织坏死。 美国g e n e r a lm o t o r 汽车公司通过专门的综合调查，比较了直接接触切削液 的机床操作工、不直接接触切削液的装配工及从未在机床上工作的人，结论是 机床操作工患呼吸系统疾病的较多叫】。 2 、切削液危害环境 切削液对环境的的危害主要是其废液对水资源的污染问题。矿物油是切削 液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中。美国环保局 指出：油对水生物有极性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性。就算排放的废 液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期积累也不容忽视。切削液的添 加剂对环境的污染也是多方面的，如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水 第一章绪论 污染物之一；在水基切削液中常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐的积 累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮【1 7 】。还有切屑中带有残存切削液的问 题。切削加工中使用的切削液，或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的切屑 带有的切削液会污染土壤，切屑再生利用时切削液有毒有害成分也会污染环境。 针对切削液的安全、健康和环保问题，发达国家已制定了许多有关法律及 标准，这些法规对切削液的生产者、使用者，都增加了生产成本，不利于激烈 的市场竞争，因此有关切削液的安全、健康和环保问题成为切削液领域的研究 热点和重点，大家都努力寻找解决此类问题的方法【l ”。 1 2 5 切削液的研究现状 矿物油、水和动植物油是现代切削液的重要组成部分，但赋予切削液的时 代特征，并几乎决定切削液性能优劣的是各种添加剂呻1 。因此，各国科技人员 研究工作主要围绕着开发各种添加剂。我国机械工业年耗电3 0 0 多亿度，其中 6 0 以上都是消耗在各种切削机床上，这些消耗都在很大程度上取决于切削油 剂和润滑油的质量和使用技术水平唧l 。金属切削油的广泛使用，人们发现切削 油是金属切削加工的主要污染源，除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。随着人类对环保的日益重视和绿色 制造的兴起，人们越来越重视切削液在配制、使用中对人体健康的威胁和其废 液对环境的污染，开发环保型切削液，已经成为切i 争j j j w 工研究领域的一个热点 问题口1 l 。具体地说，就是要使化学反应、生产工艺及切削液产品具有以下四个 方面的特点： ( i ) 原料绿色化，采用无毒无害和可再生资源为原料； ( 2 ) 化学反应绿色化，使化学反应具有极高的选择性，极少的副产物； ( 3 ) 反应条件绿色化，使用无毒无害的溶剂和催化剂； ( 4 ) 产品绿色化，使切削液产品成为在使用中对人体和环境无害，而处 理后废液不污染环境的绿色切削液口1 l 。 在实际开发中，主要围绕基础油的生物降解性和添加剂的绿色无污染性进 行。 基础油是切削液的主要成分，对切削液的性能有很大影响。切削液的的基 础油有矿物油、合成油和植物油。几种常用的切削油基础油的生物降解性见表 1 1 【2 2 】 第一章绪论 表1 1 尼稀常爝靛弱喇油基磷涵的生物降解性 l基础油生物降解度 l浆醅 8 0 1 0 0 l二元酸双酯 6 0 1 0 0 多托酵酸 6 0 1 0 0 ， 苯二甲酸二酯 6 0 7 0 聚薅烃2 0 聚辨丁烯 3 0 聚辩二酵 1 0 l烷基苯 1 0 l矿锈漓 2 0 6 。 l植物油 7 0 1 0 0 麸表中可戳看出，辍翻酒秘合成蘸瓣生魏降簿拄最好，矿物漕稍差。 植物油是一种清洁而丰富的原料，它是可辫生的资源，在自然中可完全降 解，对入鞍环境没有筵密毪。戮终己臻它代替矿凌港寒磷铡涵基韬削滚。毽攘 物油的氯化稳定性差，低温流动性差，不能直接应用。向植物油中加入一定的 爨氧化潮等添麴裁嚣，性能能缀菇地瀵跫某些妻羲工要求，存广澜鲮应瓣兹鬟。 植物油深加工及其衍生物将有利于缓解作为全球共同面临的能源与环境两大问 题，嚣越撞貔演潆热工是甥削滚生产豹一条可持续发袋之路口3 1 。合成臻与密封 材料相容性差、水解稳定性差，具有一定的腐蚀性且价格昂贵，需和艇他油品 混合捷趱。经过进一步纂鼻究发矮，肯定戆磅铡如完全黪解豹徐格适当的产最， 因此它是现在备国争先研究的羹点内容f 2 ”。 为了满足环保的要求人们尝试采用多静先遴加工技术和润滑技术，其中包 括： 1 、半予装甥割煳工 最适合半干式切削加工系统是b l u e b e 微滴油方法b ”。b l u e b e 微滴油方法， 蹩通过韬澍i 鸯的微量往辩供给滚静定点诧来送行半予式切鬻热王。是撼最少蘩 的高润滑切削油喷涂到刀刃上进行切削加工的系统。通过具有高润滑性的切削 ： 鸯稻正确供给焱少量韬溪涵静飨洼装鬟豹缝会，获褥袋半于式甥澍麓工潮。 b l u e b e 方法切肖4 油的成份是以植物油为基料，无公害、无毒性、没有焱态反应 经，是对入钵安全静切爨洼。 2 、超离速切削技术口7 】 超商速切削技术，蹙以比常规高l o 倍左右的速度对零件进行切削加工的 警 第一章绪论 项先进制造技术。实践证明，当切削速度提高1 0 倍，进给速度提高2 0 倍，远远 超越传统切削“禁区”后，切削机理发生了根本的变化。其结果是：单位功率 的金属切除率提高了3 0 一4 0 ，切削力降低了3 0 ，刀具的切削寿命提高了7 0 ， 留于工件的切削热大幅度降低，切削振动几乎消失；切削加工发生了本质性的 飞跃。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦得到了解决，真可谓是集高 效、优质、低耗于一身的先进制造技术，是切削加工新的里程碑【2 8 】。超高速切 削技术是未来切削加工的方向，也是时代发展的产物。 3 、全新润滑理论：“共晶滚球【2 9 ” “共晶滚球”是超美科技加拿大研究中心的专家创立的全新润滑理论。这 种技术的核心是把“油”作为超美分子的载体和冷却剂，在金属边界摩擦时， 超美分子吸收了金属晶体破碎瞬间产生的高热和超声波能量，与新摩损下的金 属微屑结合生成带有极性而且熔点极高的共晶复合物“共晶滚球”，吸附堆填 在金属表面，形成“共晶滚球膜”，将滑动摩擦变成滚动摩擦，从而大大降低了 摩擦阻力，同时，“共晶滚球膜”能抗酸碱，防锈蚀，耐高压。这样一来，油的 润滑性能不再重要了，油的酸值、粘度、油膜强度也成为次要因素，油的使用 寿命也大大延长了。只要作为载体的油其性质稳定及不含活泼性化学成份，加 入了超美添加剂后就可在极宽松的工作情况下发挥优异的润滑效果p “。 4 、传统切削液的替代品 研究最多的是液氮冷却，即将液氮作为切削液直接喷射到切削区，氮气是 大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔，使用液氮 作为切削液，应用后直接挥发成气体返回大气中。没有任何污染物，对人体无 害，从健康和环保方面看，是一种很好的切削液替代品。美国和印度等国的一 些学者对液氮冷却切磨削加工进行了大量的实验研究，并初步得到了应用口”。 日本等国一些学者研制出低温喷气系统，将液氮冷却过的低温空气喷射到切削 区而起到冷却作用，效果也不错【3 2 】。 绿色切削油又称为环境友好型( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y ) 或环境容许型 ( e n v i r o n m e n t a l l ya c c e p t a b l e ) 切削油。 当前，使用方便和价格合理的只有矿物油，在以后相当一段时间内，矿物 油仍将继续占据切削加工的主要地位和发挥它的重要作用。 5 、绿色切削油的添加剂 绿色切削油要求添加剂低毒性、低污染、可生物降解，而传统的添加剂分 子设计主要从满足切削油的使用性能角度出发，很少考虑到环保和健康等因素。 1 0 第一章绪论 添加裁靛加入对基础漓本身的生秘降解性钷会霄所影响，茏萁会对鏊磁漓降熊 过程中的活性微生物或酶有危害作用，从而影响基础油的生物降解率。所以研 制逶焉予绿色臻翻涵斡添鸯珏； | 怒实嚣绿色镯翻漓实舔应甭的重要蘸提。磺究表 明，一般含有过渡金属元素的添加剂和某些影响微生物活动和营养成分的清净 分散裁会洚低切麓灌黪可生物醛解牲，嚣含n 秘p 元索靛添撩潮因为能提供畜 利于微生物成长的养分，可提离切削油的可生物降解性。硫化脂肪是非常适用 予可生物降鼹臻诲l 漓貔辍压撬壤添热裁。毽垂予檀穆演藏合成薅兹酸类结撼具 有较强的极性，与添加剂在摩擦表面形成竞争吸附，所以相对添加量较大；无 获杂环爽添搬裁是一类缀努瓣多动毙型甥潮涵添如裁，蓣絮箕连绿色切粼涵中 将具有良好的成用前景。而植物油和合成酯易水解生成酸性物质，同样由于竞 争吸隧瓣原因，要达到整鳋豹效果，必须增鸯蟊防锈裁豹薅量。抗氧裁熊选择对 绿色润滑油至关重要，对植物油尤其如此。这避由于撼础油本身含有大量的双 键结构蟮易被氧化，且餐易承鳃生成酸性物质，进而镁纯加遮氧化 乍用。一般 在较低濑度下，酚型抗氧剂比胺毅的感受性要好，而胺擞抗氧荆高温下的抗氧效 粱较为突出。缎是黢型抗氧刹露一定的簿性， 珂且色潺较深。慰对抗氧裁的协 问效应也不可忽视。大麓研究发现，部分乙二胺四乙酸碱金属盐、含随羧酸碱 金属盐、有机酸的碱金属盐、酚和磺酸的碱金麟赫，以及乙酰丙酮碱金属盐等 多种碱金属盐与苯基q 萦胺、二异辛基二苯胺等有良好的协同效应：有机胺可 以提高黼类油的水解稳定性，从丽改善其氧化稳定性。 1 3 课题的提出及意义 据图内外专家估计【”】，到2 l 世纪，切削加工仍占机械加工建的9 0 以上。 切削加工将向着高速、强力和漪精度方向发展，数控机床、加工中心和柔性制 造系统等先进制造技术邂渐深入应用；随着材料科学等技术的发展，些难加 工材料的应用目益增多，以及随着现代切削加i 技术的发展和入们对环境保护 的重视，这就对切削技术提出了新的更商的要求。因此研制新型切削液，使其 提高加工效率和质量，延长刀舆使用寿命，降低加工成本同时又不对环境造成 污染，憋制造业的一个蘑要任务。 极隘切削漓蹩切嗣加工中鬣常使用的一种切潮油。它是醵矿物漓为基础滚， 加入硫、氯、磷等有机物极压添加剂、油性剂和防锈刹等配制而成。传统的极 题留翻油由予冀极压添翻帮静不阉，分为葭下死类： ( 1 ) 硫化切削油。它含肖硫添加剂，具有良好的极压性能，但易于腐蚀 有色金耩，蔽不适台翻工锈、镭及其合金藏愚对黑色余属春时毪会j | 辇键萁繇麴 第一章绪论 工表面。此外，气味大，不利于操作者的健康。 ( 2 ) 氯化切削油。它主要含有氯化石蜡添加剂。他与硫化油相比，气昧 小，但大量添加氯化物添d i ：i n 的切削油，在高温高压下析出的氯化氢遇水生成 盐酸而腐蚀机床和工件，而且氯化物还会污染环境，现在欧洲、尤其是德国、 瑞典等国已限制使用。 ( 3 ) 磷化切削油。它主要含有磷酸酯类添加剂。它有毒，而且对环境有 污染。 目前，国内的切削油主要是以含硫、磷、氯类有毒物为添加剂的矿物油型。 它的缺点是：润滑性能不足，气味大，有一定腐蚀性，使用范围窄，对环境有 污染。在切削油中，为了提高切削性而加入各种极压添加剂，其中也有氯系高 压添加剂。在焚烧切削油的废液时，会产生剧毒性、致癌性、畸形性的二氧环 己烷。因此，迫切要求切削油的非氯化。在德国和北欧、较早以前就已禁止使 用氯系高压添加剂。 其次，必须加强切削油的管理。切削油废液的排放，就直接影响饮用水的污 染。因此，使用后的切削油废液的管理及其限制也必须严格执行。减少切削油 废液的方式就显得很有必要。 为保护环境而加强的规定，使得切削油的设备、管理、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。 综上所述，现在国内使用的极压切削油普遍存在着润滑性能差，有一定腐 蚀性，使用范围窄，含有有毒有害物质，所以迫切需要研制一种性能优良且无 毒无害的新型极压切削油，以满足现代切削加工的需求。 我们研究的指导思想是，所研制的新型极压切削油应具有优良的润滑、清 洗、防锈与冷却功能，而且对人体无害，对环境无( 或低) 污染。符合国家环 保要求。 用新型含硼多功能极压润滑剂代替传统有害、有污染的添g i n ，以满足切 削加工与环境的要求，在技术水平上要达到国内领先、国际先进水平。 1 4 论文的主要工作 本课题的任务是研制油溶性含硼多功能添加剂，复配防锈剂和表面活性剂， 改善切削油的分子结构和合成比例，优化切削油配置工艺，研制出一种新型高 效无毒极压切削油，以弥补国内空白。 1 4 1 研究过程 第一章绪论 无机硼酸和有机含硼化合物的摩擦学性能已经被广泛研究，证实含硼化合 物的摩擦学性能较好，且无毒，具有广阔的应用前景。有机含硼化合物其摩擦 化学机理一般认为：在摩擦表面分解生成含氧硼化物沉积物层；较高负荷时在 摩擦表面生成硼元素的渗透层起作用；有机硼化物在摩擦时甚至可以起到一定 的催化作用以促进添加剂的反应和表面保护膜的生成1 。 从2 0 0 0 年3 月份开始，开始收集资料，分析切削油的现状及发展趋势，采 用理论分析和试验方法相结合的研究方法，研制和复配了多种添加剂，优选切 削油配方，确定合理的配制工艺。所研制的切削油，经过河北省产品质量监督 检验中心检测，各项技术质量指标均符合和优于国家标准，经工厂试用和切削 试验表明，新型含硼极压切削油性能优良、无毒无害，达到了预期的目标，完 成了课题。 1 4 ，2 主要技术工作 1 、研制油溶性含硼多功能添加剂 2 、防锈表面活性添加剂的复配 3 、新型极压切削油的合成 4 、切削试验 5 、结果分析和配方、性能讨论 第二章含硼新型切削油的研制 第五章含硼薪型切削油的研制 2 1 实验设备笱实验方法 2 1 1 实验仪器设备 所用设备仪器见袋2 - 1 表冬l 实验设锫仪器一览表 名称规格用途生产厂家备注 磁力搅拌器j c - 8 1 b ，l实验研制 小型反应釜 c j f 2实验研制 l ! ! j 球试验机 m q 8 0 0 型测试最大无卡咬负荷济南机试骏机 钢球直径1 2 7 m m测试最大无卡咬负荷藏庆钢球厂二级g c r l 5 愚氏粘度计 n d j 9 9 测试油糨艘成都仪器厂 反应釜5 0 丹电加热生产工业试验样品 车削测力仪测试切削力 9 j 表面粗糙度表蘧粗糙魔 烂微镜 烘箱、测试切削油理化性能 凝圈点澜定仪 s p t 1 7 a测试镯削油理纯健能 2 1 2 试验方法 将硼酸与脂肪醇先进行酪他反应，生成硼化物，然后向制褥的硼傀物中分 剐加入豫油酸、烷醇胺、m o a 3 和植物油反应，合成出含硼复合抗磨添加剂， 敬含硼笈合抗瘗添加裁，分掰添翱在n ，矿物涵中，配嚣成5 浓度的含硼留潮 油，并进行磨损实验和切岿0 实验。并与传统的切削油进行比较。 2 2 多功能极疆润滑添加剂的研究 漓渗菠本怒税禳运转豹余躲，翻潮滚是掇械麴工瓣塞滚，臻；谚交褰皴多功 第二章含硼新型切削油鲍研制 能极运润淆添鸯爵籍是提高锈削酒润潺往能的关键。国内静学者直致力予辍簦 润滑剂的研究。含硫、磷、氯化合物的檄压润滑荆是多年来普遍使用的油溶性 添麓剜。礴二苄慧二硫佬物( 稻2 2 ) ，它的裰压抗彦性较努，缺点是灞溶滢较 燕。硫化异丁烯( t 3 0 8 ) ，是一种新型硫系极压剂，油溶性、安定性较好，但 在镯翻浦中往舔气猿大，辩搽伟磐有害，褰缓有氇金璃。氯纯磊蟮( t 3 0 1 ) 毽 怒常用的种极压剂，它活性强，极压性好，摩擦系数低，但安定性熬，对金 瓣瘸链馁强，在疆欢等溺家已隈测壤爱。二魏蘩二藏代辚酸镑怒近年寒鹾翻豹 一种多效添加剂，但它舄受热分解出h ，s 气体，对人体有害。胶体硼酸盐是目 瓣鏊内终正在萋舅究嚣发戆一瑟瑟黧添杰瑟粼，宅是将硼酸旗躺成耋| 径小予0 ，lp | 珏 的颗粒，借助于分散剂分散在矿物油中。它的优点是抗氧化、抗腐蚀性能优良， 捷题寿翕长，但澜淫蛙辘一般。鲤兹嚣疼浅无此类产燕。 我们旨在研究一种含硼的多功能添加剂。它与硼酸盐型添加剂不同，是以 少量硫纯伤作弓| 发裁，戮长璜链钫茨终载体，遴过繇德菠瘟玺袋一静演溶缝意 分子化合物。它的润滑性能、抗氧化、防腐性能优良，使用寿命长，对人体无 密无毒，瓣环境无( 或低) 污染，显漆溶往妊，受燕不赫分解。 2 2 多功熊添加稍分子梅墼设计 i 8 i i 00o 豳2 一i 铃- - t - j l e j 型豳 硼元素的主要化学性质表现在它的缺电子t 瑚原予成键有三大特镶：共价 性、缺电子性、多瑟体潮性。合成含硼的油溶性抗磨添加剂就要依据成键性设 计分子绪构。 有机硼酸醮的缺点是易水解，在润滑油中稳定性较差，根据多硼酸根可形 成环状偏硼酸骨架的特点，对硼亿物进行处理，使箕其有如上环状结构。 将此骨架的硼化物与醇类酴化生成的环状硼酸酯，具有良好的稳定性与润 滑性。 | 4 第二章含硼新型切翻油的研制 2 2 2 裳验部分 试骢采用正燮试验法。利用数理统计学观点，应用难交性原理，从大量的 试验中秽选出遗蘩豹，爨有霞袭瞧熬实验，诺助手“正交表”寒进行熬体设计， 练合比较，统计分析。 经大塞探索性试验，襞窘强取绷化物( 实验室处理 ，自旨舫酵、亚浊酸，烧 醇胺为阏因素，每个爵索分别设定三个水平，懑过匿因素、三水平实验，确寇 其配比与工艺。 设黻上霞因素分弼为a 、b 、c 、d 。透过对这些阂素的实验与分析，铺寇 丁试验阏索水平表如表2 2 所示 表2 - 2 试验因素承平 弋 礴佬耪a ( g )鼹臃醇1 3 ( g )耍油酸e ( g )婉醇胺8 ( g ) 坎乎 | l2 54l 。5l l i i3 。5522 |i l 4 ，562 53 2 2 3 摩擦磨攒试验测定 、试验装置与试验方法 ( ) 壤损试骏 蘑损试验在厦门试验枫厂生产的鳖号淹m s 8 0 0 疆球试验梳e 进行，转速为 1 4 8 0 r p m ，钢球材料g c r l 5 轴承钢，直经为1 2 7 m m ，程负荷5 3 0 n 的条件下试 验时间为1 0 s ，测量底球磨斑誊径，评价讶渐酒抗磨髅挠。 ( 2 ) 摩擦试验 摩擦试验农上海工渡大学盎产的妥号悉m - 2 0 0 鍪l 艨擦磨攒试验辊上送行， 试样为墩径3 0 u r e a 钢性材料，上试样转速为2 0 0 r p m ，“f 试样转速为1 8 0 r p m ， 上下试样旋转方海稻菠，载蔫海3 0 0 n 静条侮下摩擦5 分锌粼羹摩擦力矩，评 价切削油的减磨性能。 按照歪交表2 3 所鳓各霾素鹣琵魄会残9 耱袁张添耱裁，蒋禽硼添勰粼按5 比例加入到7 4 与2 0 4 矿物油中。 恣爝l 9 酸 醇； ( 2 ) 直线型长链分子的减摩效果比其他类型分子的减摩效果要好； ( 3 ) 同一系列的链状分子中，分子量越大，则减摩效果越好； ( 4 ) 链状分子的极性原子或原子基团，在分子端位上比在其他位置上对减摩更 有利。 油性剂为含1 0 个以上碳原子的长链有机化合物，其一端具有极性很强的基 因。这些极性基因易吸附在金属表面形成油膜。本课题组选择了几十种油性剂试 验它们与矿物油的相溶性，试验发现与不同牌号的矿物油完全互溶的油性剂减 少。 植物油的优点是无毒、具有极好的生物降解性，是环境友好的添加剂。它的 缺点是氧化稳定性差。通过化学改性可提高植物油的抗氧化性。我们选择改性的 植物油类物质作为油性剂，与含硼多功能添加剂、防锈表面活性剂复合后加入矿 物油中，既提高了含硼润滑添加剂的抗磨性能，又提高了防锈表面活性剂的油溶 性。 我们试验研究了不同含量的油性剂与含硼多功能添加剂复合后的极压抗磨 性能。以7 # 矿物油为基础油加入4 的含硼添加剂。然后加入不同量的油性剂， 用四球试验机测定其最大无卡咬负荷见下3 - 6 图： 0 1 503 0 50 50 808 l1 油性剂含j ： r “ l 望! ! ! 竺堕塑量! 竺生l 图2 7 油性剂含量对抗磨性能的影响 从中可以看出，油性剂的加入存在一个最佳值。这可能是因为在矿物油中油 性剂可以作为载体将含硼添加剂吸附到金属表面形成油膜。同时由于它本身易吸 附也可使油膜致密，抗磨性增加。当油性剂增加到一定程度时，吸附达到饱和， 再增加油性剂时，竞争吸附会使含硼添加剂吸附量减少，抗磨性降低。因此选择 油性剂含量为o 5 。 2 l ， 6 4 2 o o 0 o 第二章含硼新型切削油的研制 魄和，褥增加油经裁时，竞争啜辩会使含硼添热翔吸辩鲞减少，抗磨链降低。 因此选择油性剂含量为o 5 。 涵髓麓是双亲分子，它可菠耱锈表鬻活萑麴更爵撼分鼗予矿物涵中，提高 其稳定性。 2 ，4 新型极压切削油的复合 2 4 ，1 新型极压切削油的配方 根据上述实验结果，将含硼多功能添加剂、防锈表面活性剂、油髋荆按最 链配比，4 ：o 5 ：0 5 ，在室湿下混合，以5 比铡加入矿物油中，不断搅拌后， 感到充分混合，复合生成含硼极压切削油。含硼多功能添加剂、防锈表面活性 剡、油燃剡之闯的混合比例可以根据不脚的使用环境，进行调整。 工慧流程如下：含硼多功能添加剂的配常中争各缎分混合。搅拌一卜装 桶。 该切削油透明、稳定、润滑、防锈、防腐靛能优良，抗氧化性能好。 第三章实验结果与讨论 第三章实验结果与讨论 3 1 毅型极压甥削浊鼓术指标 3 。1 瑾纯性畿测试 经河北省产品质量监督检验所检测，产品性能指标如表3 - 1 所示： 袭3 - t 掰澄掇压鞠凝泊技术指标 i检验项圈检验方法检毅标准检验结果备注 l 外观强溺棕荭色漓妖液薄 i 粘度龟细管粘度计g b 2 6 6 - 8 81 2 5 8 m m ：s运动粘度 l 凝点凝点涮定管g b 5 t 0 墙3 ，3 5 l 闪点开口闪点测定仪 g b 2 6 7 - 8 81 4 2 承溶整酸及碱家溶经酸及碱溅定法 g b 鼍5 9 -无承潘整酸或碱 8 8 承分水分测定滚g b 2 6 0 7 7冤 机械杂质机械杂质测定法 g b s l l 8 80 0 0 8 壤镪毪钢菏瘸弦试验法g b 5 0 9 6 镪片基本秃瘸蚀 8 5 lp 辑擅羧碱嚣定法7 暑8 t 3 3 。 。2 最大无专咬负繁p 。值测试 最大无卡咬负蘅魂值测定试验是在厦f 1 产m s * 8 0 0 型暇球试验桃上进行的， 转速为1 4 5 0 r m i n ；所用钢球是无锡产直径为由1 2 7 m m ，材质为g c r l 5 轴承钢 的钢球；淤度为赛温。用读数显微镜测定三个底球的磨斑直径，试验切目4 油的 最大无卡皎负荷按g b 3 1 4 2 8 2 标准测定。 用四球试验机测试新型极压切削油最大无卡咬负荷p b 7 0 0 n 。 3 。2 切削试验 3 2 1 切削力试验 切削力试验魑在c a 6 1 4 0 车床上进行的；用高速钢车刀切削中碳钢棒料外 第三章实验结果与讨论 阻应变式测力仪，动态应变仪，光线示波器。 切女力试验结果见凰3 一l 、黧3 2 2 5 0 0 2 0 0 0 童】5 0 0 文 基 暑1 0 0 0 5 0 0 0 e 2 5 0 0 a * 2 0 0 0 掣1 5 0 0 宝i 0 0 0 群5 0 0 0 0 ，j0 20 30 。0 4 60 5 l 进给量m m r 圈3 - 1 切削油对切削力的影响( 一) l2 3 456 切削深度m m 豳3 - 2 臻蘩涵瓣甥臻力约影响二) 注：切削速度v 。= 5 m m i n ，进给鬣f = 0 2 m m r 。粗糙度单位为m 。 凌表霹凳，菠躅甥越漕黪曩著洚 蓬甥爨力，增大遴绘量鞠甥餐涤寝，甥翻力 下降幅度减小。 3 。2 2 表西粗糙瘦试验 表面粗糙度试验是在c a 6 1 4 0 车床上进行。用高速车刀车自i 中碳钢棒料步 鼹 第三章擞验结果姆讨论 工艺系统剐位好；使阁n 7 含硼切削油，切削逋度，刀其几何参数为r 0 = 1 5 。